自动控制理论例题习题集 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学出版社

作者:王诗宓

出品人:

页数:566

译者:

出版时间:2002-1

价格:45.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787302052753

丛书系列:

图书标签:

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《自动控制理论例题习题集》 一、 内容概述： 本书旨在系统梳理自动控制理论的核心概念、基本方法与典型应用，通过精选的例题和精心设计的习题，帮助读者深入理解并熟练掌握自动控制系统的分析与设计。全书结构清晰，内容循序渐进，理论阐述与实践应用紧密结合，是学习和研究自动控制理论的理想参考书。 第一部分：自动控制系统基础 本部分是自动控制理论的入门和基石。我们将从最基础的概念讲起，层层递进，为后续章节的学习打下坚实基础。 绪论： 自动控制的定义与意义： 详细阐述自动控制系统在现代科学技术和工业生产中的重要性，通过生动形象的例子（如恒温器、巡航控制、工业机器人等）说明自动控制系统的普遍存在性和不可或缺性。 自动控制系统的组成： 剖析一个典型的自动控制系统（如开环系统和闭环系统）是如何由控制器、被控对象、传感器、执行器等核心单元构成的。 自动控制系统的分类： 介绍按控制功能（如伺服系统、调节系统）、按信号性质（如连续系统、离散系统）、按线性度（如线性系统、非线性系统）等不同维度对自动控制系统进行的分类，并阐述各类系统的特点和适用范围。 工程实际中的应用举例： 结合航空航天、化工、电力、制造业等多个领域的实际案例，直观地展示自动控制理论在解决实际工程问题中的强大能力。 数学模型： 系统模型的建立： 重点介绍如何根据物理原理（如牛顿定律、基尔霍夫定律、能量守恒定律等）或实验辨识方法，建立自动控制系统的数学模型。 传递函数： 深入讲解传递函数的定义、性质以及如何通过拉普拉斯变换求解传递函数。重点分析传递函数在线性定常系统分析中的作用，包括零、极点、增益等重要概念。 系统方程（微分方程、状态空间方程）： 介绍用微分方程描述线性定常系统的方法，并详细阐述现代控制理论中至关重要的状态空间方程的表示形式、建立方法及其优势，特别是在处理多输入多输出（MIMO）系统和非线性系统时的普适性。 框图与信号流图： 讲解如何绘制系统的框图和信号流图，并通过梅森公式等方法求解系统的总传递函数，这是简化复杂系统分析的重要工具。 系统分析（时域）： 典型输入信号： 介绍阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、正弦信号等在系统分析中常用的典型输入信号，并分析它们在实际工程中的意义。 一阶系统的时域响应： 详细分析一阶系统的阶跃响应，重点讲解时间常数、峰值时间、稳态值等参数的物理意义，并通过例题演示其计算与分析。 二阶系统的时域响应： 深入研究二阶系统的阶跃响应，重点分析阻尼比、固有频率、超调量、调节时间等关键参数与系统性能的关系。讲解欠阻尼、临界阻尼、过阻尼等不同阻尼状态下的响应特性。 高阶系统的时域响应： 介绍高阶系统时域响应的基本特点，以及如何通过主导极点近似等方法来近似分析高阶系统的性能。 稳态误差分析： 讲解系统稳态误差的概念，以及如何根据系统的开环增益、积分环节等因素来计算和分析系统的稳态误差，并提出减小稳态误差的常用方法。 第二部分：系统稳定性分析 稳定性是自动控制系统设计中最为核心的指标之一。本部分将深入探讨各种稳定性分析方法，确保系统能够正常、可靠地运行。 稳定性概念： 定义与类型： 详细阐述稳定性（强稳定性、弱稳定性、不稳定）、临界稳定性等概念，并解释其在实际系统中的工程意义。 稳定性的充要条件： 给出系统稳定的充要条件，即系统闭环特征根的实部必须为负。 代数稳定性判据： 劳斯判据（Routh Criterion）： 详细介绍劳斯判据的建立过程、应用规则以及如何利用它来判断闭环系统的稳定性，包括判别有无不稳定根以及是否存在纯虚根或成对的负实部根的情况。 判别特殊情况： 重点讲解劳斯判据在出现第一列元素为零或某一行全为零时的处理方法。 根轨迹法（Root Locus）： 根轨迹的定义与绘制规则： 详细介绍根轨迹的概念，即当系统参数（通常是开环增益）变化时，闭环特征根的运动轨迹。详细阐述绘制根轨迹的八大基本规则，包括起点、终点、渐近线、交汇点、起始角度、终止角度、与虚轴的交点等。 根轨迹的应用： 讲解如何利用根轨迹图来分析参数变化对系统稳定性和动态性能的影响，并用于选择合适的控制器参数以获得期望的系统性能。 频率特性分析： 幅频特性与相频特性： 介绍系统的幅频特性和相频特性，它们描述了系统对不同频率正弦信号的幅值放大和相位延迟情况。 奈奎斯特稳定判据（Nyquist Stability Criterion）： 详细讲解奈奎斯特判据的原理，即通过绘制开环传递函数的奈奎斯特图来判断闭环系统的稳定性。重点分析奈奎斯特图的绘制方法以及如何根据“幅相曲线与-1+j0点的相对位置”来判断系统的稳定性。 硼特图（Bode Plot）： 介绍硼特图（包括幅频特性曲线和相频特性曲线）的绘制方法及其优点，便于直观地分析系统的频率响应。 增益裕度和相位裕度： 解释增益裕度和相位裕度的定义及其在判断系统稳定性时的重要作用，它们是衡量系统稳定程度的重要指标。 香农-尼科尔斯准则（Shannon-Nichols Criterion）： 简要介绍此准则在分析稳定性和近似计算中的应用。 第三部分：自动控制系统的校正 本部分将聚焦于如何通过设计控制器来改善和优化自动控制系统的性能，使其满足工程要求。 校正器的类型与原理： 串联校正： 讲解如何通过在控制器和被控对象之间串联一个校正装置来改善系统性能。 超前校正： 阐述超前校正器（如RC网络）的频率特性，以及它如何提高系统的幅值裕度和相位裕度，改善系统的动态响应。 滞后校正： 阐述滞后校正器（如RC网络）的频率特性，以及它如何改善系统的稳态性能（减小稳态误差），但可能对动态性能影响较小。 超前-滞后校正： 结合超前和滞后校正的优点，设计出综合性能更好的校正装置。 反馈校正（并联校正）： 介绍如何通过引入反馈回路来对系统进行校正，例如反馈一个与误差信号相关的量。 复合校正： 结合串联和反馈校正的特点，设计更复杂的校正结构。 PID控制器设计： PID控制原理： 详细讲解比例（P）、积分（I）、微分（D）三个控制分量的作用及其对系统性能的影响。 PID参数整定方法： 介绍多种PID参数整定方法，包括试凑法、细调法（如Ziegler-Nichols方法）、模型法等，并通过例题演示如何根据系统特性和性能要求来选择合适的PID参数。 PID控制器的实现： 讨论PID控制器在模拟电路和数字系统中的实现方式。 状态反馈控制器设计（现代控制理论）： 极点配置： 讲解如何通过状态反馈来任意配置闭环系统的极点位置，从而实现期望的动态性能。 可控性与可观性： 介绍可控性和可观性的概念，这是设计状态反馈控制器和状态观测器的重要前提。 状态观测器设计： 讲解当系统状态不能直接测量时，如何设计状态观测器来估计系统的状态。 第四部分：非线性系统与离散系统 本部分将扩展自动控制理论的应用范围，介绍非线性系统和离散系统的分析与设计方法。 非线性系统分析： 非线性系统的特点： 介绍非线性系统相对于线性系统的特点，如输出与输入不成正比、存在多重稳态、自激振荡等。 相平面法： 讲解相平面法的基本原理，如何绘制相轨迹，以及如何利用相平面图来分析二阶非线性系统的运动状态和稳定性。 描述函数法： 介绍描述函数法，它是一种近似分析非线性系统的方法，用于分析非线性系统是否存在自激振荡。 离散系统分析与设计： Z变换： 介绍Z变换及其逆变换，这是分析和设计离散时间系统的数学工具。 离散系统的传递函数： 讲解如何表示离散时间系统的传递函数。 离散系统的稳定性： 介绍离散系统稳定性的判据，如单位圆判据。 数字控制器设计： 介绍离散时间PID控制器的设计方法，以及其他数字控制策略。 二、 目标读者： 本书适合以下人群阅读： 1. 高等院校工科专业本科生： 作为自动控制原理、控制工程等课程的教材或参考书。 2. 研究生： 深入学习自动控制理论，进行相关课题研究的必备参考。 3. 工程技术人员： 需要掌握自动控制理论以进行系统设计、调试和优化的工程师。 4. 对自动控制技术感兴趣的自学者： 希望系统学习自动控制理论基础知识的读者。 三、 特色与亮点： 例题丰富，习题精炼： 覆盖了自动控制理论的各个核心知识点，每章节都配有详细的例题解析，帮助读者理解理论，同时设计了不同难度和侧重点的习题，供读者巩固和提高。 结构清晰，逻辑性强： 全书内容组织严谨，从基础概念到深入分析，再到系统校正，循序渐进，层层递进，便于读者系统学习。 理论与实践结合： 结合工程实际，分析和解决实际问题，使理论知识更具实用性。 语言通俗易懂： 采用清晰易懂的语言进行阐述，避免了过多的专业术语堆砌，使复杂的概念更易于理解。 覆盖面广： 涵盖了经典控制理论和部分现代控制理论的核心内容，为读者提供一个全面的自动控制理论知识框架。 通过学习本书，读者将能够： 深刻理解自动控制系统的基本原理和核心概念。 熟练掌握建立系统数学模型的方法。 运用多种方法分析系统的动态性能和稳定性。 掌握自动控制系统的校正设计方法，以满足实际工程需求。 了解非线性系统和离散系统在自动控制领域的应用。 本书旨在成为您学习和掌握自动控制理论的得力助手，助您在控制工程领域取得成功。

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这本书的价值不仅仅在于它所呈现的理论知识本身，更在于其潜移默化的学习方法论的传递。它似乎在无形中教会读者一种“像工程师一样思考问题”的方式。作者在阐述原理时，总是习惯性地提出反问：“如果系统参数变化了怎么办？”“如果存在时间延迟我们该如何修正？”这种预判性的提问，迫使读者在阅读时就主动地去思考系统的鲁棒性和适应性，而不是被动地接受既定结论。更妙的是，书中对一些经典控制案例的剖析，简直就是一次精彩的“故障排查剧本”。它不仅展示了成功的设计案例，更着重分析了在设计过程中可能出现的陷阱和失败的尝试，并通过分析失败的原因来反向巩固成功的要素。这种“失败教育”的方式，比单纯展示成功案例更具启发性，它构建了一个完整的知识闭环，让读者在理解“怎么做对”的同时，也深刻理解了“为什么会错”，从而极大地提高了解决实际问题的能力和预见性。

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这本书的装帧设计给我留下了非常深刻的印象，封面选用的那种深沉的藏青色调，配上烫金的字体，显得既专业又不失典雅。内页的纸张质量也相当出色，触感细腻，即便是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。更值得称赞的是，它的排版布局简直是教科书级别的典范。作者在章节的划分上考虑得极为周到，逻辑清晰得仿佛一张精密的流程图，让人一眼就能抓住核心知识点。特别是那些公式的呈现方式，排版得干净利落，符号的间距和大小都经过了精心的调整，这在理工科书籍中是非常难得的。每一章节的开头，都会有一段简短的绪论，用非常精炼的语言概括本章的核心概念，这对于我快速进入学习状态大有裨益。而且，书中引用的图表和示意图，线条流畅，色彩运用得当，极大地增强了视觉上的引导性，使得一些抽象的系统结构图变得直观易懂。整体来看，这本书在物理层面的制作水准，完全超越了我以往接触过的许多同类教材，光是捧着它翻阅，就仿佛已经完成了一次知识的预处理，让人心生敬畏和期待。

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我对这本书的阅读体验，更像是一次与一位经验丰富、循循善诱的导师的深入对话。作者在叙述复杂理论时，总能找到那种恰到好处的“接地气”的比喻，避免了纯粹的数学推导带来的枯燥感和疏离感。例如，在解释反馈机制的稳定性时，他没有直接抛出复杂的李雅普诺夫函数，而是先从一个日常生活中常见的例子——比如恒温器的工作原理——娓娓道来，让人在不自觉中领悟了其背后的数学本质。这种叙事方式的魅力在于，它极大地降低了初学者的心理门槛，让人感觉“原来高深的理论并非遥不可及”。再者，书中对理论发展的历史脉络梳理得极其到位，哪里是经典方法的局限，促成了新理论的诞生，这样的交代让知识的演进过程充满了“必然性”，而不是零散的知识点堆砌。文字间的温度感很强，似乎能感受到作者在撰写时，不断在思考如何让读者“少走弯路”。这使得我在阅读过程中，很少出现“看了等于没看”的空洞感，而是每翻过一页，都会有一种“茅塞顿开”的充实感。

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我发现这本书在处理理论的严谨性与可操作性之间的平衡上做得极为出色，这在工程应用类书籍中往往是一大难点。它并未停留在纯粹的数学证明层面，而是非常注重理论成果如何转化为实际的工程语言。书中对各种控制器的设计流程，例如PID参数整定，描述得极其细致和规范化，每一步骤都配有详细的注解和工程上的注意事项。很多理论模型在实际中往往因为环境的复杂性而失效，而这本书中对“模型不确定性”和“实际约束”的讨论，显示出作者深厚的工程实践背景。他们没有贩卖“完美模型”的幻想，而是坦诚地指出了理论的边界和适用范围。这种实事求是的态度，让我对书中所传授的知识抱有极大的信任感。每当我在实际问题中遇到瓶颈时，这本书总能提供一个清晰的思路框架，指导我如何从抽象理论退回到可行的工程实现路径上。

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这本书在结构设计上展现了一种近乎苛刻的系统性思维，这对于需要构建完整知识体系的读者来说，简直是一大福音。它不像有些书籍那样，将不同领域的内容割裂开来，而是将各个控制理论的基石，比如时域分析、频域分析、状态空间方法，像搭积木一样，层层递进地进行构建。尤其让我欣赏的是，它在引入新概念时，总是会清晰地标明该概念与前述知识点的内在联系，确保了知识链条的完整无缺。对于那些对数学基础有一定要求的部分，作者的处理方式非常高明——他没有将复杂的数学推导淹没在正文中，而是巧妙地将其放置在侧栏或附录中，并在正文中用简洁的语言解释其物理意义。这种“主次分明”的编辑策略，使得我们可以先掌握核心思想，再深入钻研工具的打磨。这种设计充分尊重了读者的认知负荷，允许不同深度的读者都能从中获益，既满足了速成者的需求，也为深度学习者留足了探索的空间。

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可以作为工具书来看

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