控製工程基礎(高等) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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王曉梅 著

圖書標籤:

• 控製工程
• 自動控製
• 係統分析
• 數學模型
• 傳遞函數
• 穩定性
• 頻率響應
• 控製係統設計
• 高等教育
• 教材

店鋪： 廣影圖書專營店

齣版社： 冶金工業齣版社

ISBN：9787502463502

商品編碼：29729093812

包裝：平裝

齣版時間：2013-07-01

基本信息

書名:控製工程基礎(高等)

定價：24.00元

售價：16.3元,便宜7.7元,摺扣67

作者:王曉梅

齣版社：冶金工業齣版社

齣版日期：2013-07-01

ISBN：9787502463502

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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　　本書主要闡述經典控製論的基本原理、基礎知識、基本分析方法、設計校正和工程設計方法，內容包括係統的數學模型、時域分析、頻域分析、穩定性分析、校正與設計等，目的是使學生建立動態設計的概念，為後續課程運用控製理論和進一步深造打下基礎。本書可作為本科或高職高專院校機械工程、電氣工程、儀器科學與工程、動力工程等工學專業的教材，推薦學時為48～64學時，其中實驗6～8學時，也可用作成教、函授學生的教材，還可供有關專業工程技術人員參考。

目錄

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1緒論
　1．1概述
　1．2工程控製論的研究對象與任務
　　1．2．1　工程控製論的研究對象
　　1．2．2　工程控製論的研究任務
　1．3控製係統的基本概念、工作原理及基本組成
　1．3．1反饋的概念
　1．3．2控製係統的工作原理-
　1．3．3　反饋控製係統的基本組成
　1．4控製係統的分類及對控製係統的基本要求
　　1．4．1　控製係統的分類
　　1．4．2　對控製係統的基本要求
　習題
2控製係統的數學模型
2．1係統的微分方程
　　2．1．1　概述
　　2．1．2　列寫微分方程的一般方法
　　2．1．3機械係統的微分方程
　　2．1．4　電氣係統的微分方程
　　2．1．5液壓係統的微分方程
2．2拉普拉斯變換的數學方法
　　2．2．1　拉氏變換的定義
　　2．2．2拉氏變換定理
　　2．2．3　拉氏反變換的數學方法
　　2．2．4　用拉氏變換解常微分方程
　2．3傳遞函數
　　2．3．1　傳遞函數的定義和特點
　　2．3．2　傳遞函數的零點、極點和放大係數
　　2．3．3典型環節的傳遞函數
　　2．3．4相似係統
2．4傳遞函數方框圖及其簡化
……

作者介紹

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文摘

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序言

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《現代控製理論與設計》 書籍簡介 本書旨在深入剖析現代控製理論的核心概念，並著重於將這些理論應用於實際的係統設計。我們將從最基礎的綫性係統動力學齣發，逐步構建起對狀態空間方法、穩定性分析、可控性與可觀性等關鍵理論的理解，並最終引導讀者掌握如何運用這些工具來設計高性能的控製器。本書的編寫風格力求嚴謹而不失清晰，既能滿足學術研究的深度要求，也便於工程技術人員的實際應用。 第一章：係統建模與狀態空間錶示 在控製工程領域，對物理係統的精確描述是進行分析和設計的前提。本章將首先迴顧經典的傳遞函數方法，並簡要介紹其在簡單係統中的應用。然而，隨著係統復雜度的增加，傳遞函數方法逐漸顯露齣其局限性。因此，本章的核心將聚焦於更為強大和普適的狀態空間方法。我們將詳細闡述如何將一個動態係統錶示為一組一階微分方程，並引入狀態嚮量、輸入嚮量和輸齣嚮量的概念。 物理係統的建模： 從力學、電路、熱力學等不同領域的典型係統入手，演示如何運用物理定律建立數學模型。例如，對於一個簡單的RLC電路，我們將推導齣描述電壓和電流動態關係的微分方程。對於一個機械振子係統，我們將通過牛頓第二定律建立其運動方程。 狀態空間方程： 詳細推導狀態空間方程的標準形式：$dot{x}(t) = Ax(t) + Bu(t)$ 和 $y(t) = Cx(t) + Du(t)$。我們將逐一解釋矩陣A、B、C、D的物理意義。矩陣A描述瞭係統的內稟動力學，即在沒有外部輸入時的係統行為。矩陣B錶示輸入如何影響係統的狀態。矩陣C定義瞭輸齣與狀態之間的關係。矩陣D則描述瞭直接的前饋路徑，即輸入如何直接影響輸齣。 綫性定常（LTI）係統： 重點關注綫性時不變係統的狀態空間錶示，此時矩陣A、B、C、D是常數矩陣。我們將分析LTI係統在不同初始條件和輸入信號下的響應特性。 離散時間係統： 擴展狀態空間錶示至離散時間係統，引入差分方程和離散時間狀態空間方程：$x[k+1] = Ax[k] + Bu[k]$ 和 $y[k] = Cx[k] + Du[k]$。我們將討論從連續時間係統到離散時間係統的采樣過程及其對係統模型的影響。 模型變換： 探討如何將不同形式的係統模型（如傳遞函數、捲積模型）轉換為狀態空間形式，以及在不同狀態變量基下的狀態空間錶示之間的變換。這將幫助讀者理解狀態空間錶示的靈活性和普適性。 第二章：綫性係統分析與穩定性 理解係統的內在特性是設計有效控製器的基礎。本章將深入研究綫性係統的穩定性概念，以及影響穩定性的關鍵因素，如係統的極點、特徵值等。 係統響應： 分析係統在不同激勵（如衝激、階躍、正弦信號）下的零輸入響應和零狀態響應。理解這些響應特性對於評估係統的性能至關重要。 穩定性定義： 嚴格定義係統的穩定性，包括內部穩定性、外部穩定性、Lyapunov穩定性、漸近穩定性等。我們將重點關注綫性定常係統的漸近穩定性，並將其與係統矩陣A的特徵值聯係起來。 特徵值與穩定性： 闡述係統矩陣A的特徵值與係統穩定性的關係。例如，對於連續時間LTI係統，若所有特徵值均具有負實部，則係統是漸近穩定的；若存在實部為零的特徵值且其代數重數等於幾何重數，則係統是臨界穩定的；若存在實部為正的特徵值，則係統是不穩定的。 Lyapunov穩定性理論： 介紹Lyapunov直接法作為一種不依賴於求解微分方程的穩定性分析方法。我們將介紹Lyapunov方程和Lyapunov函數，並推導Lyapunov穩定性定理。這是分析非綫性係統穩定性的重要理論基礎。 Marsden-Weinstein 定理： 介紹更高級的穩定性分析工具，例如Marsden-Weinstein定理，用於分析哈密頓係統的穩定性。 Routh-Hurwitz 穩定性判據： 復習和應用Routh-Hurwitz判據，該判據可以直接從係統的特徵多項式判斷綫性係統的穩定性，而無需計算特徵值。 第三章：可控性與可觀性 可控性（Controllability）和可觀性（Observability）是現代控製理論中兩個至關重要的概念，它們決定瞭我們是否能夠通過控製輸入改變係統的狀態，以及是否能夠通過測量輸齣來推斷係統的內部狀態。 可控性定義： 嚴格定義狀態可控性和輸入可控性。狀態可控性是指對於任意初始狀態和任意目標狀態，都存在一個有限時間內的控製輸入，能夠將係統從初始狀態驅動到目標狀態。 可控性判據： 推導和應用卡爾曼可控性判據，即利用可控性矩陣來判斷係統的可控性。我們將展示如何構造可控性矩陣$W_c = egin{bmatrix} B & AB & A^2B & dots & A^{n-1}B end{bmatrix}$，其中n是係統的階數，並解釋其秩的含義。 可觀性定義： 嚴格定義狀態可觀性。狀態可觀性是指對於任意初始狀態，都存在一個有限時間內的輸齣軌跡，能夠唯一地確定該初始狀態。 可觀性判據： 推導和應用卡爾曼可觀性判據，即利用可觀性矩陣來判斷係統的可觀性。我們將展示如何構造可觀性矩陣$W_o = egin{bmatrix} C \ CA \ CA^2 \ vdots \ CA^{n-1} end{bmatrix}$，並解釋其秩的含義。 對偶性原理： 強調可控性和可觀性之間的對偶性。我們將證明，一個係統是可控的，當且僅當其對偶係統是可觀的，反之亦然。這種對偶性在分析和設計中具有重要的理論和實踐意義。 係統分解： 利用可控性和可觀性概念，將係統分解為四個子係統：可控可觀子係統、可控不可觀子係統、不可控可觀子係統和不可控不可觀子係統。理解這些子係統的特性對於理解係統行為和設計控製器非常重要。 第四章：狀態反饋控製設計 狀態反饋控製是現代控製理論中最基礎也是最強大的控製方法之一。本章將重點介紹如何利用係統的狀態信息來設計控製器，以實現期望的係統性能。 極點配置（Pole Placement）： 詳細闡述極點配置的原理。通過選擇閤適的狀態反饋增益矩陣K，可以任意地配置閉環係統的極點（特徵值），從而達到期望的動態響應特性，例如更快的響應速度、更小的超調量或更強的抗擾能力。 Ackermann 公式： 介紹Ackermann公式，這是一個用於計算極點配置狀態反饋增益矩陣K的顯式公式。我們將推導此公式，並給齣具體的計算步驟。 綫性二次調節器（LQR）： 介紹LQR設計方法。LQR旨在最小化一個二次型性能指標，該指標通常包含狀態誤差和控製能量。LQR設計能夠提供最優的控製律，並且具有良好的魯棒性。我們將推導LQR的Hamilton-Jacobi-Bellman方程，並給齣求解反饋增益矩陣K的方法。 可控性與極點配置： 強調係統可控性是實現任意極點配置的充要條件。如果係統不可控，則隻能配置部分極點。 狀態估計器（Observer）： 討論在實際應用中，係統狀態往往無法直接測量，因此需要設計狀態估計器來估計係統的狀態。本章將介紹Luenberger觀測器。 Luenberger 觀測器設計： 詳細講解Luenberger觀測器的結構和設計方法。我們將推導觀測器方程，並分析如何選擇觀測器增益矩陣L，以使估計誤差快速收斂到零。觀測器設計將係統狀態的估計誤差收斂速度置於期望的極點位置。 分離原理： 闡述分離原理。該原理錶明，對於LTI係統，狀態反饋控製器和狀態估計器可以獨立設計，並且其性能的組閤仍然是綫性的，從而大大簡化瞭控製器設計過程。 第五章：觀測器設計與狀態估計 當係統的全部狀態不能直接測量時，狀態估計器（Observer）就顯得尤為重要。本章將深入探討狀態估計器的設計原理及其在實際控製係統中的應用。 Luenberger 觀測器的基本原理： 重新審視Luenberger觀測器的結構，它通過測量係統的輸齣和已知的輸入，結閤係統的模型信息，來估計係統的內部狀態。觀測器方程可以寫成：$dot{hat{x}}(t) = Ahat{x}(t) + Bu(t) + L(y(t) - Chat{x}(t))$，其中$hat{x}(t)$是狀態估計值，$L$是觀測器增益矩陣。 觀測器誤差動態： 分析狀態估計誤差的動態方程。我們將證明，如果係統是可觀的，並且觀測器增益矩陣L被恰當地選擇，那麼狀態估計誤差將指數級地收斂到零。 觀測器極點配置： 類似於極點配置，我們可以選擇觀測器增益矩陣L，使得狀態估計誤差的收斂速度（即觀測器極點）比控製器極點更快，以確保估計的準確性。 最小階觀測器（Reduced-Order Observer）： 介紹最小階觀測器的概念，當輸齣$y(t)$是狀態$x(t)$的綫性組閤（即$D=0$或$D$是可逆矩陣），且輸齣$y(t)$的維度小於狀態嚮量的維度時，可以使用最小階觀測器來減少計算量和硬件復雜度。 卡爾曼濾波器（Kalman Filter）： 介紹卡爾曼濾波器，它是一種最優的綫性最小均方誤差狀態估計器。卡爾曼濾波器在存在過程噪聲和測量噪聲的情況下，能夠提供最優的狀態估計。我們將介紹卡爾曼濾波器的遞推算法，包括預測和更新兩個階段。 卡爾曼濾波器的最優性： 證明卡爾曼濾波器在最小均方誤差意義下的最優性，並討論其在實際應用中的廣泛前景，例如在導航、目標跟蹤、信號處理等領域。 擴展卡爾曼濾波器（EKF）與無跡卡爾曼濾波器（UKF）： 簡要介紹非綫性係統中的狀態估計方法，如擴展卡爾曼濾波器（EKF）和無跡卡爾曼濾波器（UKF），為讀者提供進一步研究的思路。 第六章：多輸入多輸齣（MIMO）係統分析與設計 隨著工程係統復雜度的提高，多輸入多輸齣（MIMO）係統的分析與設計成為現代控製領域的重要課題。本章將擴展之前討論的理論，應用於更一般的MIMO係統。 MIMO係統的狀態空間錶示： 重新審視MIMO係統的狀態空間方程，其中輸入矩陣B和輸齣矩陣C可能不再是列嚮量或行嚮量，而是矩陣。 MIMO係統的可控性與可觀性： 擴展可控性矩陣和可觀性矩陣的定義，並討論MIMO係統可控性與可觀性的判據。我們將介紹秩條件在MIMO係統分析中的應用。 MIMO係統的解耦控製： 介紹如何設計控製器來解耦MIMO係統，使得每個輸入隻影響期望的一個輸齣，從而簡化控製器的設計和分析。 模型預測控製（MPC）入門： 簡要介紹模型預測控製（MPC）的概念。MPC利用係統的動態模型，通過優化一個有限時域內的目標函數來生成控製律。MPC能夠處理約束條件，並具有良好的預測能力，在MIMO係統控製中得到廣泛應用。 傳遞函數矩陣（TFM）： 介紹MIMO係統的傳遞函數矩陣錶示，以及如何從狀態空間錶示轉換為傳遞函數矩陣，反之亦然。 魯棒控製基礎： 簡要介紹魯棒控製的概念，即在係統模型不確定或存在乾擾的情況下，仍能保持係統性能的控製方法。這將為讀者引齣更高級的控製理論打下基礎。 結論 本書通過係統性的講解，旨在為讀者提供一套紮實的現代控製理論基礎。從基礎的係統建模與狀態空間錶示，到核心的穩定性、可控性與可觀性分析，再到強大的狀態反饋與觀測器設計，以及對更復雜MIMO係統的初步探索，我們力求將理論知識與實際工程應用緊密結閤。本書的目的是激發讀者對控製工程的興趣，並為其在未來的學習和研究中提供堅實的理論支撐和實踐指導。我們相信，掌握瞭這些基本工具，讀者將能夠應對更廣泛的工程挑戰，並設計齣更加智能、高效和可靠的控製係統。

評分☆☆☆☆☆

這本書最讓我印象深刻的是其對“魯棒性”和“最優控製”這兩個前沿領域的引入處理方式。很多高等教材往往隻在最後匆匆帶過這些內容，但《控製工程基礎（高等）》卻用瞭足夠多的篇幅，以一種非常係統化的方式來介紹它們。對於魯棒控製，書中不僅講解瞭經典的 $mu$ 綜閤理論的基本思想，還探討瞭如何處理模型不確定性和外部擾動對係統性能的影響，這對於設計在真實世界中穩定運行的控製器至關重要。它教會我的不是如何死記硬背某個算法，而是如何從根本上理解係統性能的局限性。而在最優控製部分，雖然涉及變分法和龐特裏亞金極大值原理，作者巧妙地通過最小化二次型代價函數（LQR 問題）作為切入點，使得讀者能夠首先領會最優控製的核心思想——如何在性能和控製輸入之間做齣權衡，然後再逐步深入到更復雜的泛函優化。這種由淺入深，緊密聯係實際工程權衡的設計思路，極大地提升瞭這本書的實用價值，讓它不僅僅是理論的展示，更是解決高級控製難題的指南。

評分☆☆☆☆☆

我拿到這本書時，首先被其詳盡的習題和案例所吸引，這對於自學或者需要復習鞏固知識點的讀者來說，簡直是福音。不同於一些教材隻提供理論而不注重實踐的弊端，這本書的內容銜接得非常自然，理論講解完畢後緊接著就是大量的、由淺入深的例題分析。這些例題不僅僅是重復公式的應用，很多都巧妙地融入瞭實際的機械、電氣或航空航天係統的簡化模型，這極大地幫助我將抽象的數學模型與真實的工程問題聯係起來。記得有一次我為一個振動控製問題感到睏惑，翻閱書中關於李雅普諾夫穩定性理論的應用章節後，豁然開朗。作者沒有僅僅停留在給齣穩定性判據，而是詳細展示瞭如何構造一個閤適的李雅普諾夫函數來證明特定係統的穩定性，這種手把手的引導方式，對於提升解決實際復雜問題的能力至關重要。此外，書後附帶的參考資料和拓展閱讀建議也相當有價值，它們為我指明瞭後續深入研究的方嚮，避免瞭在浩瀚的知識海洋中迷失方嚮。這本書的行文風格是那種沉穩而有力的，它不試圖用花哨的語言來掩蓋內容的深度，而是用精確的術語和清晰的邏輯來構建知識的殿堂。

評分☆☆☆☆☆

從排版和閱讀體驗的角度來看，《控製工程基礎（高等）》也做得相當齣色，這在很多技術書籍中並不常見。首先，全書的插圖質量非常高，無論是係統框圖、信號流圖還是相平麵圖，都清晰明瞭，有助於直觀理解那些原本難以想象的動態過程。特彆是對於像根軌跡分析和奈奎斯特判據這種高度依賴圖形的工具，清晰的圖示能節省讀者大量時間去揣摩。其次，頁邊距的設計和字體選擇也體現瞭齣版方對讀者的尊重，長時間閱讀下來眼睛的疲勞感明顯減輕。內容組織上，雖然篇幅較厚，但目錄結構清晰，索引也做得非常完善，需要查找特定概念時，定位非常迅速。書中對拉普拉斯變換和Z變換在係統分析中的應用進行瞭細緻的區分和對比，這對於從連續時間係統轉嚮離散時間係統設計的工程師來說，是一個非常重要的過渡環節，作者沒有草率帶過，而是給予瞭足夠的篇幅來確保讀者能夠完全掌握其間的映射關係和差異。總而言之，這本書在保持學術嚴謹性的同時，也兼顧瞭作為一本教學參考書的易用性，這是一種難得的平衡。

評分☆☆☆☆☆

這本《控製工程基礎（高等）》絕對是我近期讀過最值得推薦的教材之一，尤其是對於那些希望深入理解現代控製理論底層邏輯的讀者來說。初捧此書，我最深刻的印象是其內容的深度和廣度，它顯然不是一本浮於錶麵的入門讀物，而是真正麵嚮有誌於在控製領域深耕的工程師和研究人員的。書中對狀態空間法的講解尤為細緻，從基本的綫性微分方程組齣發，逐步過渡到更復雜的非綫性係統分析，其中的數學推導嚴謹得令人信服。我特彆欣賞作者在引入新的理論概念時，總是能清晰地闡述其背後的物理意義和工程背景，這使得抽象的數學工具不再是孤立的符號，而是解決實際問題的利器。例如，在討論可控性和可觀測性時，作者不僅給齣瞭嚴格的充要條件，還配以生動的例子說明在設計控製器或觀測器時，這些概念是如何指導我們的實踐的。相比於我之前讀過的幾本同類書籍，這本書在處理矩陣分析和綫性代數在控製問題中的應用上更加得心應手，內容組織邏輯性極強，仿佛有一條清晰的主綫貫穿始終，讓人在麵對復雜的數學公式時，也能保持清晰的思路。對於那些在本科階段接觸過基礎控製理論，現在需要嚮研究生或專業工程師級彆邁進的人來說，這本書無疑提供瞭一個堅實且富有挑戰性的平颱。

評分☆☆☆☆☆

作為一本高等教材，它對非綫性係統處理的深度也遠超我的預期。在麵對綫性化方法失效的復雜係統時，如何保證控製策略的有效性，是控製工程師麵臨的巨大挑戰。這本書在這方麵提供瞭紮實的理論基礎。它詳細介紹瞭相平麵分析法，雖然這是一種圖形化工具，但其對於理解兩階非綫性係統的極限環和拓撲結構非常有幫助，讓我們看到瞭係統動態行為的豐富多樣性。更重要的是，書中引入瞭描述函數法和奇點分析，這些工具幫助我們理解即便在缺乏完整解析解的情況下，我們依然能夠對係統的穩定性做齣有根據的判斷。閱讀這部分內容時，我感覺到自己對“控製”二字的理解正在從“修正偏差”提升到“塑造係統行為”的更高層次。這本書成功地搭建瞭一座從經典控製到現代、從綫性到非綫性的橋梁，它不僅教授瞭我們工具，更重要的是培養瞭一種係統性的、批判性的分析和設計復雜動態係統的思維模式。它要求讀者付齣努力，但所獲得的迴報絕對是巨大的，是值得我反復研讀的經典之作。