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出版者:电子工业

作者:李新平

出品人:

页数:232

译者:

出版时间:2000-1

价格:19.00元

装帧:

isbn号码:9787505354029

丛书系列:

图书标签:

• 控制技术
• 自动化
• 工业控制
• 单片机
• 嵌入式系统
• PID控制
• 电机控制
• 传感器
• 智能控制
• 系统建模

《自动化系统设计原理》 本书深入探讨了现代自动化系统的核心设计理念与实践方法。它不仅是一本技术手册，更是一部引导读者理解自动化系统复杂性、掌握其构建精髓的指南。全书围绕“系统”二字展开，强调理解和定义系统边界、识别关键控制对象、分析系统动态特性以及设计鲁棒的控制策略。 第一部分：自动化系统的基础建模与分析 在深入自动化系统设计之前，理解和描述系统是首要步骤。本部分将从系统论的视角出发，介绍如何将现实世界中的物理过程（如机械运动、流体流动、温度变化等）抽象化为数学模型。我们将详细讲解不同类型的系统模型，包括： 微分方程模型： 这是描述连续时间系统中动态行为的基础。我们将演示如何根据物理定律（如牛顿定律、基尔霍夫定律、质量守恒定律等）推导出描述系统状态变量随时间变化的微分方程。涵盖的例子将涉及一阶、二阶以及更高阶的线性系统，以及一些典型的非线性系统，如具有死区、饱和等特性的系统。 传递函数模型： 在频域分析和设计中，传递函数是一种非常有效的工具。我们将介绍拉普拉斯变换在系统建模中的应用，以及如何从时域的微分方程模型转换到频域的传递函数。重点将放在理解传递函数的物理意义，例如增益、极点、零点及其对系统响应的影响。 状态空间模型： 对于多输入多输出（MIMO）系统或内部状态需要详细研究的系统，状态空间模型提供了更强大的描述能力。我们将详细阐述状态变量、输入向量、输出向量和系统矩阵的概念，并说明如何将传递函数模型转换为状态空间模型，反之亦然。 在建立模型之后，分析系统的性能至关重要。本部分将涵盖： 时域响应分析： 关注系统在标准输入（如阶跃输入、斜坡输入、脉冲输入）下的瞬态响应和稳态响应。我们将深入分析诸如超调量、响应时间、稳态误差等关键性能指标，并探讨这些指标与系统模型参数之间的关系。 频域响应分析： 介绍波特图、奈奎斯特图等图形化工具，用于分析系统的频率特性，如带宽、截止频率、相位裕度和增益裕度。这些分析方法对于理解系统在不同频率下的行为、判断系统的稳定性和鲁棒性至关重要。 系统稳定性判据： 详细讲解Routh-Hurwitz判据、Nyquist判据、根轨迹法等，用于判断线性时不变（LTI）系统的稳定性。我们将通过大量实例展示如何应用这些判据来分析系统参数变化对稳定性的影响。 第二部分：经典控制器设计与优化 在充分理解系统特性后，本部分将专注于设计能够满足特定性能要求的控制器。我们将从经典的PID（比例-积分-微分）控制器开始，这是工业界最广泛应用的控制器类型。 PID控制器原理与整定： 深入解析比例（P）、积分（I）、微分（D）三个控制作用的物理意义和对系统响应的影响。我们将详细介绍 Ziegler-Nichols 整定法、IRA（积分绝对误差）法等多种PID参数整定方法，并通过仿真演示不同整定方法的效果。此外，还将探讨改进型PID算法，如增量式PID、无差拍PID等。 前馈控制与反馈控制的结合： 介绍前馈控制如何在扰动发生之前主动补偿，以提高系统的抗扰能力，并与反馈控制的纠偏作用相结合，实现更优的控制性能。 其他经典控制器： 涵盖超前、滞后、超前-滞后补偿器等，介绍它们的原理、设计方法以及在改善系统频率响应方面的作用。我们将演示如何通过这些补偿器来改善系统的稳定性和动态性能。 第三部分：现代控制理论基础与应用 随着系统复杂性的增加，现代控制理论提供了更强大的分析和设计工具。本部分将介绍基于状态空间方法的现代控制理论。 状态反馈控制： 深入讲解状态反馈的概念，如何通过选择状态反馈增益矩阵来极点配置（Placement），从而任意地指定系统的闭环极点位置，实现期望的动态响应。 可观测性与可控性： 详细阐述可控性（Controllability）和可观测性（Observability）这两个基本概念，它们是设计状态反馈控制器和状态观测器的前提。我们将学习如何通过可控性矩阵和可观测性矩阵来判断系统的这些属性。 状态观测器设计： 对于无法直接测量所有状态变量的系统，状态观测器（State Observer）扮演着至关重要的角色。我们将介绍Luenberger观测器的设计原理，以及如何将观测器与状态反馈结合，形成状态观测器控制系统。 线性二次调节器（LQR）： 介绍LQR最优控制理论，如何根据性能指标（二次型性能指标）自动求解最优状态反馈增益，实现系统的最优性能。 第四部分：先进控制策略与系统集成 本部分将进一步扩展控制理论的应用范围，介绍一些更高级的控制策略，并探讨实际系统集成中的关键问题。 模型预测控制（MPC）： 介绍MPC的基本思想，利用系统的动态模型预测未来一段时间的系统行为，并通过优化计算来确定当前时刻的控制输入。重点关注MPC在处理约束条件、多变量耦合系统等方面的优势。 自适应控制： 讲解当系统参数发生变化或未知时，如何设计能够自动调整控制器参数的自适应控制器，以维持系统的性能。 鲁棒控制： 探讨在系统模型不确定性存在的情况下，如何设计能够保证系统在一定不确定性范围内都能正常工作的鲁棒控制器。 数字控制系统设计： 介绍将连续时间控制系统离散化（采样）的方法，以及数字PID控制器、数字滤波器等在数字控制系统中的实现。 系统集成与实践： 讨论实际自动化系统设计中常见的挑战，如传感器选择与信号调理、执行器特性与选择、噪声抑制、安全机制设计以及与上位机或PLC的接口等。 本书旨在为读者构建一个扎实的自动化系统设计知识体系，从基础的系统建模和分析，到经典的控制器设计，再到现代控制理论的应用，最终触及先进的控制策略和实际系统集成。通过理论讲解、公式推导、案例分析和仿真演示，读者将能够逐步掌握设计和实现高效、稳定、鲁棒的自动化控制系统的能力。

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这本书给我最大的感受是，它不仅仅是一本技术手册，更像是一本关于“沟通”和“协作”的指南。我一直以为控制技术就是“我发号施令，你执行”，但这本书让我看到，控制更像是一种“对话”的过程。系统在接收到指令后，会根据自身的情况做出反应，然后反馈给“控制者”，控制者再根据反馈信息来调整指令，如此循环往复，直到达到预期的目标。这种“对话”的过程，需要双方（控制系统和被控对象）的相互理解和默契配合。作者在书中用了很多比喻，比如“驯服野马”、“引导河流”，都生动地描绘了这种“理解-适应-协作”的过程。我尤其欣赏书中关于“适应性控制”和“模糊控制”的章节，这让我看到，即便是面对不确定和模糊的环境，我们依然可以通过精妙的控制策略来达成目标，并且让系统变得更加“人性化”。这本书让我意识到，控制技术不仅仅是冰冷的科学，它也蕴含着人性的智慧和对事物规律的深刻理解。它让我看到了技术与人文的结合，也让我对未来自动化系统的发展充满了期待。

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这本书真的打开了我对“控制”这个概念的全新认识！我一直觉得控制技术离我生活很远，可能只存在于工业自动化或者航天航空那种高大上的领域。但读完这本书，我才惊觉，原来我们身边无处不在的家电、汽车，甚至是一些简单的物理系统，背后都有着精妙的控制原理在支撑。作者用非常生动形象的例子，比如恒温器如何维持室内温度，电饭煲如何精准控制烹饪时间，甚至是我们人体自身的反馈机制，来解释那些看似复杂的数学模型和算法。我尤其喜欢书中关于“反馈”的阐述，那种“知道自己做得怎么样，然后进行调整”的朴素逻辑，在书中被具象化成了一套严谨的理论框架。它不仅仅是教你“怎么做”，更是让你理解“为什么这样做”背后的逻辑和思考方式。读这本书的过程，就像是在解开一个个生活中的小谜题，每解开一个，就觉得世界豁然开朗。对于那些和我一样，对理工科知识有些畏惧，但又对事物运作原理充满好奇的读者来说，这本书绝对是一个绝佳的启蒙读物。它打破了技术壁垒，让“控制”不再是冰冷的公式，而是触手可及的生活智慧。

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这本书简直是一场思维的盛宴！我原本以为控制技术只是一堆代码和算法的堆砌，但这本书彻底颠覆了我的认知。它更像是一本关于“智慧”的书，教你如何让事物变得“聪明”起来，如何让它们能够根据环境变化做出最恰当的反应。作者在书中引入了大量的哲学思考，比如“意图”与“执行”的关系，以及如何通过学习和适应来提升系统的智能化水平。这让我联想到很多科幻电影中那些拥有自我意识的机器，虽然这本书不是关于人工智能的，但它所阐述的许多基本原理，却为理解那些更高级的智能系统打下了坚实的基础。我特别喜欢书中关于“模型”的讨论，它让我明白，我们对世界的理解，无论是多么精确，都只是一个“模型”，而控制技术的本质，就是在不断地逼近真实，并根据模型的反馈来做出决策。这种谦逊而又追求卓越的态度，贯穿全书，让我对控制技术本身以及它的发展潜力有了全新的认识。这本书不仅仅是一本技术书籍，更是一本启迪思维的书，它让我在理解技术的同时，也思考了更深层次的“智能”和“自主”。

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作为一名对系统动力学颇感兴趣的读者，我必须说，这本书为我提供了一个全新的视角来审视和分析各种动态系统。它并没有将焦点仅仅放在“如何控制”，而是更深入地探讨了“系统本身是如何运动的”以及“我们能通过何种方式影响它的运动”。我特别着迷于书中对于“状态空间”和“传递函数”的介绍，这些工具虽然看起来数学味十足，但在作者的解读下，却变得生动且富有洞察力。它让我能够以一种更全局的视角去理解一个系统的行为，而不仅仅是盯着某个特定的输入输出关系。作者通过大量的图示和仿真例子，将这些抽象的概念具象化，让我能够直观地感受到不同参数变化对系统整体性能的影响。这种“可视化”的学习方式，对于理解那些本身就具有复杂动态特性的系统来说，是至关重要的。读完这本书，我感觉自己仿佛拥有了一双“慧眼”，能够透过现象看到事物的本质，并且能够预判它们未来的发展趋势。它不仅提升了我对控制技术的理解，更让我对整个科学研究的逻辑和方法论有了更深刻的认识。

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这本书的内容给我留下了极其深刻的印象，它以一种近乎艺术的方式，将抽象的控制理论与实际的工程应用进行了完美的融合。我之前接触过一些控制理论的书籍，往往充斥着大量晦涩的数学推导，读起来枯燥乏味，难以消化。然而，这本书却全然不同，它将复杂的概念拆解得极为清晰，并且始终紧扣“应用”二字，让读者在学习理论的同时，能够清晰地看到这些理论如何在现实世界中发挥作用。作者在案例的选择上也非常独到，从简单的机械臂控制到复杂的航空姿态调整，每一个案例都经过精心设计，能够充分体现不同控制策略的优劣以及在特定场景下的适用性。我尤其欣赏书中对于“鲁棒性”和“稳定性”的讲解，这不仅仅是技术上的要求，更是对系统可靠性和安全性的根本保障。它让我意识到，一个好的控制系统，不仅仅是要达成目标，更重要的是要能够抵御各种不确定性和干扰，保持长期的稳定运行。这种深入骨髓的思考方式，以及作者在书中展现出的严谨的工程态度，让我受益匪浅，也让我对未来的工程实践有了更清晰的规划和方向。

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