自动控制原理

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出版者:中国计量
作者:宗晓萍
出品人:
页数:314
译者:
出版时间:2007-9
价格:34.00元
装帧:
isbn号码:9787502626495
丛书系列:
图书标签:
  • 自动控制
  • 控制理论
  • 控制系统
  • 经典控制
  • 现代控制
  • MATLAB控制
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具体描述

自动控制原理,ISBN:9787502626495,作者:宗晓萍、王霞、等

飞船导航系统的数学基础与实践应用 图书名称: 飞船导航系统的数学基础与实践应用 作者: [此处可填写真实作者姓名或机构名称] 出版社: [此处可填写真实出版社名称] 开本: 16开 页数: 约 680 页 定价: 人民币 128.00 元 --- 内容简介: 本书全面深入地探讨了现代高精度飞船(包括深空探测器、轨道器及返回式航天器)导航、制导与控制(GNC)系统中涉及的数学原理、算法实现及工程实践。它旨在为航天动力学、控制工程、空间科学及相关领域的工程师、研究人员和高年级学生提供一本兼具理论深度与工程实用性的参考手册。 本书的结构逻辑严谨,从描述空间目标运动的数学框架出发,逐步深入到如何设计出可靠、精确且鲁棒的导航、制导与控制系统。全书内容紧密围绕飞船在复杂空间环境下的实时决策与轨迹维持展开,不涉及传统的、面向工业过程或机械系统建模的控制理论分支。 第一部分:空间动力学基础与参考系变换 (Dynamics and Reference Frames) 本部分奠定了飞船导航所需的数学基础。我们详细阐述了在不同惯性坐标系(如地心惯性坐标系ECI、日心惯性坐标系ICRF)和非惯性坐标系(如与飞船本体固连的体坐标系)之间的精确转换机制,这是所有导航解算的基础。 重点讨论了描述飞船姿态的数学工具,包括欧拉角(及其在导航中的局限性)、四元数(作为姿态连续且无奇点的描述方式)以及旋转矩阵。书中提供了大量的示例,用于演示如何在进行轨道机动和姿态调整时,准确地进行坐标系间的映射和时间序列的插值,确保数据的一致性。 此外,还详细分析了影响飞船运动的各种微弱摄动力学模型,如地球非球形引力(采用球谐函数表示)、太阳光压以及大气阻力(针对近地飞行阶段)。这些模型是高精度轨道确定(Orbit Determination, OD)的前提。 第二部分:高精度轨道确定与状态估计 (High-Precision Orbit Determination and State Estimation) 轨道确定是导航系统的“眼睛”,它负责实时估计飞船在空间中的精确位置和速度。本部分是全书的核心之一,专注于处理由传感器(如星敏感器、地面雷达、激光测距仪及星间链路测量)提供的观测数据。 滤波理论的航天应用: 我们深入探讨了适用于非线性动力学系统的最优估计方法。卡尔曼滤波(Kalman Filter, KF)及其扩展形式——扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter, EKF)——被详细推导和应用,用以融合不同来源、具有不同噪声特性的测量数据。特别地,本书引入了无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter, UKF)来应对高动态、非线性强烈的机动段轨道估计问题,并对比了它们在计算复杂度和估计精度上的权衡。 批处理与迭代方法: 对于深空任务,当测量数据批量到达时,书中介绍了批处理最小二乘法(Batch Least Squares)和迭代加权最小二乘法,用于进行事后高精度轨道重构,这对于任务评估和推进剂消耗分析至关重要。 第三部分:空间任务制导律设计 (Guidance Law Design for Space Missions) 制导系统负责计算出一条最优或次优的轨迹,以满足任务目标(如精确交会对接、行星进入或返回式航天器的再入走廊维持)。 解析与数值制导: 本章从经典的两体问题解析解出发,介绍了如何设计转移轨道。随后,重点转向现代数值制导技术。详细讲解了“路径跟踪制导”(Path Following Guidance)在飞船姿态保持和轨道保持中的应用,以及“基于模型的预测控制”(Model Predictive Control, MPC)框架在复杂约束条件下(如推进器饱和、燃料限制)的轨迹优化与实时控制律生成。 交会对接与近体机动: 针对自主交会对接(Rendezvous and Docking, RVD)场景,本书专门构建了相对动力学模型(如二阶和三阶的线性化模型),并设计了基于线性二次调节器(LQR)和滑模控制的相对导航制导律,以确保在接近目标飞行器时能够平稳、精确地捕获。 第四部分:高动态姿态控制系统 (High-Dynamic Attitude Control Systems) 飞船的姿态控制是确保传感器指向目标、天线对准地面站以及稳定飞行姿态的关键。本部分聚焦于基于各种执行器(反作用轮、磁力矩器、推进器)的姿态控制算法。 非线性姿态控制: 针对四元数描述的姿态动力学方程,我们提出了基于反馈线性化和能量守恒原理设计的非线性控制器,确保了在初始捕获和快速机动过程中姿态的稳定性。 执行器管理与故障容错: 考虑到反作用轮系统可能出现的饱和或故障,书中详细阐述了如何设计混合控制策略,例如,在反作用轮速度达到限制时,自动切换至磁力矩器或微推进器进行动量卸载(Momentum Dumping)。此外,还讨论了利用观测器技术对传感器故障进行隔离和补偿的方法。 第五部分:数据处理、导航软件架构与工程实现 (Data Processing and Software Architecture) 本书最后一部分将理论模型转化为实际的软件系统。我们探讨了导航软件的模块化设计,包括时间同步、坐标系转换库、传感器数据预处理(如星敏感器图像解算)的鲁棒性设计。书中强调了浮点精度对导航结果的影响,并介绍了航天软件中常用的软件设计模式,以确保导航解算能够在严格的时序和资源限制下可靠运行。 --- 目标读者: 航天器设计工程师、轨道力学分析师、需要应用现代控制理论解决复杂空间动力学问题的科研人员。 本书特色: 理论推导严密,数学工具选择贴合航天工程的实际需求(如偏爱四元数而非欧拉角),并结合了大量的实际案例分析(如行星际探测器或载人飞船返回)。它是一部专注于“如何在太空中精确地知道自己在哪儿,并精确地到达想去的地方”的专业著作。

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用户评价

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这本书的排版和图示设计简直是教科书级别的典范。在众多理工科书籍中,清晰的图文搭配是衡量其专业水准的重要标准,而这本书在这方面做得非常出色。那些用来阐述根轨迹和伯德图的图形,线条清晰,坐标轴标注明确,对比色运用得当,即便是初次接触这些频域分析工具的人,也能迅速抓住图形的关键特征和物理意义。更难能可贵的是,作者在每一组图形的旁边,都配上了精炼的文字解读,这些解读并非对图表的简单复述,而是对图形背后物理含义的深度挖掘。例如,在分析奈奎斯特图时,不仅仅是告诉你“越过-1点”意味着什么,而是详细解释了为什么是“-1点”——这背后涉及到的相位裕度和幅值裕度的物理边界在哪里。这种“图文互证,深入本质”的教学方法,极大地提升了学习效率,让我避免了陷入纯粹的符号游戏中去。这本书的装帧质量也很好,纸张的选用使得长时间阅读眼睛不易疲劳,这对于一本需要集中精力去理解的专业书籍来说,是非常人性化的考量。

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要说这本书有什么“缺点”,可能就是它对读者的基础要求略高,但换个角度看,这恰恰是其价值所在。它绝非那种只停留在表面概念的入门读物,而是直面了工程实践中的复杂性和不确定性。作者在讨论辨识问题时,非常坦诚地指出了理想模型与真实世界之间的巨大鸿沟,他没有提供万能的“银弹”公式,而是着重强调了模型简化和参数估计中的误差来源及其对最终控制效果的累积影响。这种对局限性的坦诚,反而让我更加信服作者的专业态度。书中关于非线性系统的探讨,虽然篇幅不算最大,但给出的几种经典线性化方法和相平面分析的案例,都非常具有启发性。它们揭示了在系统设计之初,就必须对可能出现的饱和、死区等现象有所预判,并将这些预判融入到控制器的设计哲学中去。读完后,我深感自己对“设计”这个词的理解从“写个程序”升华到了“构建一个在不确定环境中稳定运行的整体架构”。

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这本书给我带来的最大震撼,在于它构建了一个极具系统性的知识网络,而不是孤立的知识点集合。作者在全书的脉络中,始终贯穿着“建模—分析—综合—实现”这一核心工程循环。让我印象深刻的是,他将一些高级的、看似与基础控制略显脱节的现代控制理论,巧妙地用基础理论的语言进行了解释和桥接。比如,在讲解最优控制的概念时,他会回顾到早期的性能指标函数是如何被更复杂的代价函数所取代和优化的,这种前后呼应,让我在学习新知识时,总能找到熟悉的锚点。此外,书中对仿真验证的重视程度也值得称赞。它不仅仅是理论的附属品,而是作为验证理论有效性的关键步骤被贯穿始终。作者提供的仿真案例,往往能清晰地对比出不同控制器在同一干扰下的表现差异,这种直观的对比,远比纯文字描述更具说服力,让我切实体会到理论指导实践的强大力量。这本书的深度和广度,足以让一名工科学生从“会用”工具,迈向“理解并创新”工具的层面。

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说实话,当我翻开这本书的扉页时,内心是存着一丝疑虑的,毕竟“原理”二字往往意味着枯燥和理论的泥潭。然而,这本书彻底颠覆了我的固有印象。它最大的亮点在于其严谨的逻辑架构和无懈可击的论证链条。作者对时域和频域分析方法的切换处理得极其优雅,不是简单地并列介绍,而是清晰地展示了它们之间内在的数学联系与互补性。我特别欣赏作者在处理经典控制理论与现代控制理论交接部分时的处理方式。他没有割裂历史,而是清晰地勾勒出从传递函数到状态空间描述的演进脉络,让读者明白,新的数学工具是为了解决旧方法力所不能及的问题。这种宏大的历史观和精微的数学推导相结合,使得我对整个学科的知识体系有了一个立体化的认识。读完之后,我最大的感受是,这不是一本用来应付考试的书,而是一本可以陪伴我未来职业生涯的工具书,每当遇到实际工程中的疑难杂症时,我都会习惯性地翻阅其中关于模型简化和鲁棒性设计的章节,总能从中找到解决问题的灵感和理论支撑。

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这本书的叙述风格简直像是一场深入浅出的探险,带着我从最基础的概念出发,一步步揭开了复杂系统的神秘面纱。作者没有堆砌晦涩难懂的公式,而是巧妙地运用了大量的实例和生动的比喻,让我这个初学者也能轻松捕捉到核心思想。比如,书中对反馈机制的讲解,不再是枯燥的数学推导,而是将其比作日常生活中的温度调节器,这种贴近生活的描述极大地降低了理解门槛。阅读过程中,我感觉自己不是在啃一本技术著作,而是在和一位经验丰富的工程师进行一对一的交流,他总能在我即将迷失方向的时候,及时抛出一个关键性的见解,将原本错综复杂的系统结构瞬间梳理得井井有条。尤其是关于系统稳定性的讨论,作者没有采用一刀切的论断,而是深入分析了不同参数变化对系统行为的细微影响,这种层层递进的剖析,让我对“精确控制”这个目标有了更深刻的敬畏和理解。整本书的阅读体验非常流畅,仿佛被一股无形的力量牵引着向前,每一个章节的结束都自然而然地引出了下一个需要探索的领域,让人爱不释手,恨不得一口气读完。

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