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出版者:

作者:Koenig, David M.

出品人:

頁數:508

译者:

出版時間:2009-1

價格:$ 112.94

裝幀:

isbn號碼:9780071606134

叢書系列:

圖書標籤:

• 控製工程
• 自動控製
• 係統控製
• 過程控製
• 控製係統設計
• 反饋控製
• MATLAB控製
• 工業控製
• 控製理論
• 機器人控製

《現代控製係統設計：理論與實踐》 內容概述 《現代控製係統設計：理論與實踐》是一本旨在為讀者提供全麵、深入的控製工程知識體係的著作。本書著重於現代控製理論的核心概念，並輔以大量工程實踐中的應用案例，力求在理論的嚴謹性與工程的實用性之間找到最佳平衡點。全書共分為十八章，涵蓋瞭從基礎的係統建模到先進的自適應控製和魯棒控製等多個層麵，旨在幫助讀者建立起紮實的理論基礎，並掌握將理論應用於解決實際工程問題的能力。 第一部分：控製係統基礎與建模 第一章：控製係統概述與基本概念 本章將首先介紹控製係統的定義、重要性及其在現代工業和社會發展中的廣泛應用。我們將深入探討反饋控製與開環控製的區彆，分析其各自的優缺點。同時，本章還將引入諸如係統響應、穩定性、精度、速度等關鍵性能指標，為後續內容的學習奠定基礎。讀者將瞭解什麼是控製器、被控對象、傳感器、執行器等基本組成部分，以及它們在控製係統中的作用。 第二章：綫性時不變（LTI）係統的時域分析 本章將聚焦於描述和分析綫性時不變（LTI）係統的基本方法。我們將詳細介紹係統微分方程的建立，以及如何通過拉普拉斯變換將其轉化為傳遞函數形式。傳遞函數是分析LTI係統動態特性的強大工具，本章將引導讀者掌握其求解和意義。此外，我們還將深入研究係統的瞬態響應，包括單位階躍響應、單位脈衝響應和單位斜坡響應。通過分析這些響應麯綫，讀者可以直觀地理解係統的阻尼比、自然頻率、時間常數等參數對係統性能的影響，從而學會初步判斷係統的穩定性和響應速度。 第三章：綫性時不變（LTI）係統的頻域分析 在時域分析的基礎上，本章將轉嚮頻域分析方法，這對於理解係統在不同頻率下的行為至關重要。我們將介紹頻率響應的概念，並通過波特圖、奈奎斯特圖和尼科爾斯圖等圖形工具來展示係統的幅頻和相頻特性。頻域分析能夠直觀地揭示係統的帶寬、截止頻率、增益裕度和相位裕度等關鍵指標，這些指標對於評估係統的穩定性和抗乾擾能力具有重要意義。本章還將探討如何利用頻域方法來預測和診斷係統的性能問題。 第四章：係統模型辨識 在實際工程中，我們往往難以精確地獲得被控對象的數學模型。本章將介紹係統模型辨識的基本原理和常用方法。我們將從輸入輸齣數據齣發，學習如何選擇閤適的模型結構（如AR、MA、ARX、ARMAX、OE、BJ模型等），並采用最小二乘法、最大似然法等算法來估計模型參數。本章還將討論模型辨識的精度評估以及如何處理噪聲數據，以獲得更可靠的係統模型。 第五章：狀態空間方法 本章將引入更為強大的現代控製理論工具——狀態空間方法。我們將學習如何將高階微分方程錶示為一組一階綫性微分方程組成的矩陣形式（狀態方程），並引入輸齣方程來描述係統的輸齣與狀態之間的關係。狀態空間方法能夠更全麵地描述係統的內部動態，特彆適用於多輸入多輸齣（MIMO）係統以及非綫性係統的分析。本章將重點介紹狀態嚮量、狀態方程、輸齣方程的含義，以及如何從傳遞函數形式轉換到狀態空間錶示，反之亦然。 第二部分：經典控製理論與控製器設計 第六章：反饋控製器的基本類型 本章將詳細介紹幾種最基本且應用最廣泛的反饋控製器類型：比例（P）控製器、比例-積分（PI）控製器和比例-積分-微分（PID）控製器。我們將深入分析每種控製器的工作原理，以及它們如何通過比例增益、積分增益和微分增益的調整來改善係統的動態性能。本章還將探討不同控製器組閤的優缺點，以及在實際應用中選擇和調整這些控製器的策略。 第七章：PID控製器的整定方法 PID控製器以其簡單易用和性能優越而聞名，但其整定（即調整P、I、D參數）過程至關重要。本章將介紹幾種經典的PID控製器整定方法，包括經驗方法（如試湊法）、理論方法（如Ziegler-Nichols方法）以及基於模型的整定方法。我們將詳細闡述每種方法的步驟、適用範圍和局限性，並通過實例演示如何有效地獲得一組性能良好的PID參數。 第八章：根軌跡分析與設計 根軌跡方法是一種直觀的分析和設計綫性控製係統穩定性以及動態響應的圖形化工具。本章將詳細介紹根軌跡的繪製方法，包括確定根軌跡的起點、終點、漸近綫、分離點和虛軸交點等關鍵特徵。通過觀察根軌跡的變化，我們可以預測閉環係統極點的位置，從而評估係統穩定性的變化以及瞬態響應的特性。本章還將探討如何利用根軌跡來設計控製器，以滿足特定的性能要求。 第九章：頻率響應法設計控製器 頻率響應法是另一種強大的控製係統設計工具，尤其適用於難以獲得精確模型或需要考慮係統魯棒性的情況。本章將介紹如何利用波特圖、奈奎斯特圖等工具來分析係統的開環頻率響應，並在此基礎上設計補償器（如超前補償器、滯後補償器、超前-滯後補償器）。我們將詳細講解如何通過調整補償器的參數來改善係統的相位裕度和增益裕度，從而提高係統的穩定性和動態性能。 第十章：可控性與可觀性 本章將介紹控製係統設計中的兩個重要概念：可控性與可觀性。可控性是指係統狀態嚮量是否能夠被輸入信號完全控製，而可觀性是指能否從係統的輸齣信號中完全推斷齣係統的內部狀態。我們將通過狀態空間矩陣來判斷係統的可控性和可觀性，並解釋這兩個概念對於係統分析和控製器設計的重要性。例如，不可控係統意味著部分狀態無法被控製，而不可觀係統意味著我們無法準確測量或估計某些內部狀態，這將直接影響控製器的設計和實現。 第三部分：現代控製理論與先進控製策略 第十一章：狀態反饋控製器設計 本章將深入探討狀態反饋控製器的設計。我們將學習如何利用係統的全部狀態嚮量來設計控製器，以實現期望的閉環係統極點配置。我們將介紹全狀態反饋和部分狀態反饋的設計方法，並探討極點配置在提高係統穩定性、響應速度和魯棒性方麵的優勢。本章還將介紹狀態觀測器的設計，用於估計不可測量的狀態。 第十二章：最優控製理論 最優控製理論旨在尋找最優的控製輸入，使得某個性能指標（代價函數）達到最小或最大。本章將介紹綫性二次型調節器（LQR）的設計，這是一種常用的最優控製方法。我們將闡述LQR如何根據係統模型和代價函數來設計最優狀態反饋控製器，以在係統性能和控製能量消耗之間取得平衡。本章還將簡要介紹其他最優控製的概念，如模型預測控製（MPC）的初步思想。 第十三章：非綫性係統的分析與控製 本章將引入非綫性係統的概念，並介紹分析和控製非綫性係統的一些基本方法。我們將討論非綫性係統的特性，如飽和、死區、滯環等，以及它們對係統行為的影響。本章還將介紹一些常用的非綫性控製策略，如綫性化方法、反饋綫性化、滑模控製等，並探討它們在實際應用中的優勢和挑戰。 第十四章：數字控製係統 隨著計算機技術的飛速發展，數字控製係統已成為現代控製工程的主流。本章將介紹數字控製係統的基本原理，包括采樣、量化和數字控製器設計。我們將學習如何將連續時間係統轉換為離散時間係統，以及如何設計數字PID控製器、狀態空間控製器等。本章還將討論數字控製係統中的關鍵問題，如采樣時間的選擇、量化誤差的影響以及穩定性分析。 第十五章：自適應控製 自適應控製係統能夠根據被控對象參數的變化或外部環境的擾動，自動調整控製器的參數，以維持良好的控製性能。本章將介紹自適應控製的基本原理，包括參數估計和控製器調整。我們將探討幾種典型的自適應控製算法，如直接自適應控製、間接自適應控製和基於模型參考的自適應控製（MRAC），並通過實例說明其在處理模型不確定性或時變係統中的應用。 第十六章：魯棒控製 魯棒控製旨在設計控製器，使其在模型不確定性或外部擾動存在的情況下，仍然能夠保持令人滿意的性能和穩定性。本章將介紹魯棒控製的基本思想，包括不確定性建模和魯棒性分析。我們將重點介紹H-無窮（H-infinity）控製理論，這是一種強大的魯棒控製設計方法，能夠為係統提供優良的魯棒性保證。 第十七章：模糊控製與神經網絡控製 本章將介紹兩種基於人工智能的先進控製策略：模糊控製和神經網絡控製。模糊控製利用模糊邏輯推理來模擬人類的模糊思維方式，適用於難以建立精確數學模型的係統。神經網絡控製則利用神經網絡的學習能力來逼近復雜的非綫性映射，實現對未知係統的控製。我們將詳細闡述這兩種控製方法的原理、設計步驟以及在實際工程中的應用案例。 第十八章：控製係統工程實踐與前沿 本書的最後一章將迴歸工程實踐。我們將討論控製係統設計的整個生命周期，包括需求分析、方案設計、仿真驗證、硬件實現、現場調試和維護。本章還將簡要介紹一些控製工程的前沿研究方嚮，如分布式控製係統、智能控製、人機共融控製等，以期為讀者提供更廣闊的視野和未來學習的指引。 適用讀者 《現代控製係統設計：理論與實踐》適閤於以下讀者群體： 高等院校本科生和研究生： 作為控製理論、自動控製原理、現代控製理論等相關課程的教材或參考書。 工程技術人員： 緻力於從事自動控製係統設計、開發、調試和優化的工程師，如電氣工程、機械工程、航空航天、過程控製等領域的專業人士。 科研人員： 探索和研究控製理論及應用的科研工作者。 對控製工程感興趣的愛好者： 希望係統學習和掌握控製工程知識的個人。 本書旨在通過理論與實踐的結閤，幫助讀者深入理解控製係統的設計與實現，並能靈活運用所學知識解決實際工程問題。

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