机械工程控制基础(第7版)/21世纪高等学校机械设计制造及其自动化专业系列教材

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isbn号码:9787568030908
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具体描述

好的,这是一份关于《现代控制理论与应用》的图书简介,旨在详细介绍该书的内容、特点和适用范围,且完全不涉及您提到的《机械工程控制基础(第7版)》的内容。 --- 现代控制理论与应用 —— 聚焦前沿理论、系统分析与先进控制策略的权威著作 图书概述 《现代控制理论与应用》是一部深度聚焦于经典控制理论向现代控制理论过渡、系统分析方法及前沿控制策略的综合性教材与参考手册。本书旨在为读者提供一个从基础概念到复杂系统实现的全景式认知框架,特别侧重于状态空间法、最优控制、鲁棒控制以及非线性系统的分析与设计。全书结构严谨,理论阐述深入浅出,同时辅以丰富的工程实例,确保理论与实践的紧密结合。 本书不仅涵盖了现代控制理论的核心骨架,如状态观测器设计、现代控制系统的结构化分析,更将近年来控制工程领域发展迅猛的先进控制技术纳入体系,包括先进数字控制算法、自适应控制基础以及智能控制技术的初步探索。 核心内容深度解析 本书内容体系经过精心设计,可大致划分为四个相互关联、层层递进的主要部分: 第一部分:现代控制理论基础与状态空间方法 (State-Space Methods) 本部分是理解现代控制理论的基石。与传统的传递函数方法不同,状态空间法能够有效处理多输入多输出(MIMO)系统、时间延迟系统以及复杂的非线性系统。 1. 系统描述与数学模型构建: 详细介绍如何将物理系统的微分方程或差分方程转化为标准状态空间形式。重点讲解模态分析、特征值与特征向量在系统稳定性分析中的应用。 2. 系统结构分析: 深入探讨系统的能控性(Controllability)和能观性(Observability)判据。这不仅是系统设计的前提,也是判断系统是否可以通过输入完全调节或通过输出完全识别的关键工具。 3. 状态反馈设计与极点配置: 阐述如何通过设计状态反馈矩阵来实现期望的系统动态性能。详细推导极点配置(Pole Placement)的Ackermann公式及其在实际工程中的应用局限性。 4. 状态观测器设计: 针对无法直接测量所有系统状态变量的情况,本书详细介绍了Luenberger观测器的设计原理、阶数选择以及其对系统稳定性和动态响应的影响。针对包含噪声的实际情况,还引入了卡尔曼滤波(Kalman Filtering)的基础理论,这是状态估计领域最重要的方法之一。 第二部分:最优控制理论 (Optimal Control Theory) 最优控制是解决“如何设计出性能最佳的控制器”这一核心问题的理论工具。本书侧重于二次型最优控制(LQR)和变分法基础。 1. 变分法基础: 简要回顾欧拉-拉格朗日方程,为理解变分原理在控制问题中的应用打下基础。 2. 性能指标与代价函数: 定义和分析了不同类型的性能指标,尤其是二次型性能指标(Quadratic Cost Function)在工程中的广泛适用性。 3. LQR 控制器设计: 详尽推导线性二次型调节器(LQR)的求解过程,即求解代数Riccati方程(ARE)。重点分析增益矩阵$K$与性能指标权重矩阵$Q$和$R$之间的关系,指导工程师如何根据工程需求调整控制器的响应速度和控制能量消耗的平衡。 第三部分:鲁棒性与先进控制技术 (Robustness and Advanced Techniques) 本部分内容面向中高阶读者,旨在处理模型不确定性和外部扰动下的系统稳定性与性能保持问题。 1. 控制系统对不确定性的敏感性分析: 介绍奇异值分解(SVD)在分析系统灵敏度和控制性能边界中的作用。 2. $mathbf{H}_{infty}$ 控制基础: 作为现代鲁棒控制的代表,本书介绍了$mathrm{H}_{infty}$范数在测量外部扰动对系统输出影响方面的优势。概述了$mathrm{H}_{infty}$控制器设计的关键步骤和其与经典PID控制在处理不确定性方面的对比。 3. 滑模变结构控制(Sliding Mode Control, SMC): 重点剖析SMC在处理强非线性和外部扰动方面的优势。深入讲解滑模面设计、等效控制力计算以及如何应对高频切换带来的“抖振”问题,并介绍抑制抖振的工程化方法。 第四部分:数字控制与系统辨识基础 (Digital Control and System Identification) 鉴于现代工业控制系统绝大多数基于数字实现,本部分对数字信号处理和系统辨识进行了必要的衔接。 1. 离散时间系统分析: 详细讲解Z变换理论,以及如何将连续时间系统的状态空间模型进行离散化处理,包括采样周期的选择对系统性能的影响。 2. 数字控制器设计: 介绍将连续时间控制器(如PID、LQR)转换为等效的离散时间形式的方法,包括零阶保持(ZOH)和一阶保持方法。 3. 系统辨识概述: 提供系统辨识的基本框架,包括模型假设、数据采集、参数估计方法(如最小二乘法),为读者在缺乏精确数学模型时进行控制系统设计提供理论指导。 本书特点与价值 1. 理论深度与广度兼备: 完整覆盖了从状态空间建模到最优、鲁棒控制的完整现代控制理论体系,是深入研究的理想读物。 2. 强调工程实现: 每一核心理论模块后都附带有详细的案例分析和MATLAB/Simulink仿真指导,帮助读者理解理论如何转化为可执行的控制代码。 3. MIMO系统聚焦: 全书始终贯穿多输入多输出系统的分析与设计,这与当前的复杂工程应用场景高度契合。 4. 前沿衔接: 为学习如模型预测控制(MPC)、自适应控制和非线性动力学控制等更深层次的内容搭建了坚实的桥梁。 适用对象 本书内容具有较高的专业深度和广度,特别适合以下读者: 高等院校机械、自动化、电子信息工程、航空航天等专业的高年级本科生和研究生,作为现代控制理论课程的指定教材或参考书。 从事自动控制系统、机器人、过程控制、航空航天控制系统研发和调试的工程师及技术人员。 希望系统性学习和掌握先进控制设计方法的科研人员。 --- (总字数约 1500 字)

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读后感

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用户评价

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我感觉这本书最大的特点是其“跨界”的思维方式,它不仅仅停留在传统的经典控制领域,还隐隐地透露出向智能化和数字化靠拢的趋势。比如,在讨论系统辨识和参数估计的部分,虽然篇幅不多,但它介绍的最小二乘法等基础算法,已经为后续学习更复杂的自适应控制或基于模型的预测控制(MPC)打下了坚实的基础。阅读体验上,这本书的插图质量非常高,不像有些教材的图表模糊不清,这里的图形清晰锐利,特别是那些描述系统动态响应的曲线图,能让人一眼看出不同参数对系统性能的影响。我曾经为了弄懂一个关于系统极点配置的概念,翻阅了好几本参考书,最终还是在这本书里找到了最直观的解释——通过调整状态反馈矩阵来移动极点在s平面上的位置,配上生动的几何解释,豁然开朗。这种将抽象数学概念与具体工程目标紧密结合的叙述方式,是我认为它区别于其他教材的关键所在。

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这本书的语言风格可以说是严谨中带着一丝温和,非常适合作为一本长期使用的参考手册。它在处理一些概念的定义时,力求做到精确无误,比如对“可控性”和“可观测性”的判定,作者引用了李雅普诺夫的定义,但同时又巧妙地通过矩阵秩的判断标准给出了操作层面的工具。我个人对它在介绍非线性控制的入门章节印象深刻,作者没有回避非线性系统的复杂性,而是通过相平面分析法这种图形化的工具,展示了如何定性地理解极限环和奇异点,这比直接套用复杂的微分方程要直观得多。而且,全书的排版十分考究,公式居中,重要定义加粗或用方框标出,即便是在长时间阅读后,眼睛也不容易产生疲劳感。读完这本书,我感觉自己对“控制”这个学科的敬畏之心更深了,因为它揭示了看似简单的自动化背后,所蕴含的深刻的数学原理和严密的逻辑结构。它更像一位经验丰富、耐心细致的导师,在你迷茫时提供清晰的指引。

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说实话,我刚拿到这本教材的时候,有点被它那厚度“震慑”住了,但翻开后才发现,这种厚实感来源于内容的充实,而非简单的文字堆砌。它在现代控制理论的引入上处理得非常巧妙,没有直接上状态空间法这座“大山”,而是循序渐进地将经典的频域分析方法和现代的状态变量法做了很好的过渡。尤其是在讨论系统的鲁棒性问题时,书中引入了一些根轨迹和伯德图的分析技巧,这些都是工程实践中处理不确定性非常实用的工具。我特别欣赏作者在推导拉普拉斯逆变换和Z变换时的细致程度,很多教科书会直接给出结果,而这本书会把每一步的积分和展开过程都写得清清楚楚,这对于自学或者对数学敏感度稍弱的读者来说,极大地降低了理解门槛。而且,书里对各种控制器的优缺点比较分析得相当到位,比如对于开关控制和模糊控制的初步探讨,虽然不是深入研究,但足以激发读者对前沿领域的兴趣。总而言之,它在“广度”和“深度”的平衡上做得非常出色,不像有些书只偏重理论的严谨而忽略了工程的可操作性。

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坦白说,这本书的习题设计是我见过最为“贴心”的之一。它不是那种为了凑数量而设置的重复性计算题,而是真正旨在检验学生对原理的掌握程度。举个例子,它设计了一个关于机械臂位置控制的综合性大题,要求读者先建立简化模型,然后选择合适的控制器进行设计,最后通过时域指标来评估性能。这个过程完美地模拟了工程师在实际工作中解决问题的流程。更棒的是,书后附带的参考解答(如果读者能找到的话)通常会给出不止一种解法,比如经典法和现代法对比,这极大地拓宽了读者的思路。虽然全书内容偏向理论基础,但它对“工程实现”的关注度从未放松,比如在介绍数字控制时,它明确指出了采样周期选择对量化误差和带宽的影响,这些都是在实际嵌入式系统中必须考虑的硬性指标。这本书的价值,不在于让你成为一个理论家,而在于让你成为一个能解决实际问题的工程师。

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这本书的装帧设计倒是挺简洁大方的,封面那种略带磨砂质感的纸张拿在手里感觉挺舒服。初次翻阅,发现它的内容组织结构非常清晰,章节之间的逻辑衔接也处理得当,不像有些教材那样读起来会让人觉得有些跳跃或者晦涩难懂。比如在介绍经典的反馈控制理论时,作者并没有急于抛出复杂的数学公式,而是先用生动的工程实例将背后的物理意义和控制目标阐述清楚,这对于我们这些初学者来说简直是福音。我记得有一章专门讲了系统的时域分析,里面对手动计算和借助软件工具的对比分析做得非常到位,让我对PID控制器的参数整定有了更直观的认识。而且,书里提供的例题和习题覆盖面很广,从基础的传递函数建立到更复杂的系统稳定性分析,几乎涵盖了本科阶段对控制系统基础知识的全面考察。我个人觉得,光是那些详细的解题步骤和背后的理论支撑,就足以让读者在学习过程中建立起扎实的理论框架。整体来看,这本书的编写风格偏向于“教学相长”,既有理论的深度,又不失工程实践的温度,对于打好基础绝对是一本值得信赖的参考书。

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