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出版者:哈工程大

作者:高金波

出品人:

页数:355

译者:

出版时间:2005-3

价格:33.00元

装帧:

isbn号码:9787810731898

丛书系列:

图书标签:

• 现代伺服系统设计
• 伺服相关
• 伺服系统
• 现代控制
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《控制理论基础与应用：从经典到前沿》 图书简介 一、本书概览：系统化的控制工程知识体系 本书旨在为读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的控制理论与工程实践知识框架。它不仅仅是对经典控制理论的复述，更着眼于现代控制系统的复杂性、数字化与智能化趋势，系统地构建从基本原理到高级应用的完整技术路径。全书内容结构严谨，逻辑清晰，注重理论的工程可解释性和实际应用的可操作性，力求成为控制领域工程师、科研人员及高年级学生的案头必备参考书。 二、核心内容深度解析 本书内容涵盖了控制理论的基石、经典系统的分析与设计、现代控制理论的核心工具，以及面向特定工业场景的先进控制策略。 第一部分：控制系统的数学基础与建模（奠定分析基石） 本部分聚焦于建立精确的数学模型，这是所有控制设计工作的起点。 1. 动态系统描述： 详细阐述连续时间系统与离散时间系统的基本定义，包括微分方程组、传递函数模型（Transfer Function）的构建方法，重点剖析了系统时域响应特性（如一阶、二阶系统的瞬态与稳态响应分析，超调量、调节时间的工程意义）。 2. 状态空间表示法（State-Space Representation）： 全面深入地介绍状态空间模型的建立、变换（相似变换）及其在多输入多输出（MIMO）系统分析中的不可替代性。特别强调了可控性（Controllability）与可观测性（Observability）的严格定义、判据及其对状态反馈设计的重要性。 3. 系统辨识导论： 鉴于复杂物理系统难以精确建模的现实，本章引入了基于实验数据的系统辨识基础。涵盖了参数估计的基本方法（如最小二乘法），以及如何从时域或频域数据中构建有效的工程模型。 第二部分：经典控制理论的深度挖掘与应用（频域与时域的桥梁） 经典控制理论是工程实践中最常用且最直观的设计工具。本书对该理论进行了系统性的深化。 1. 时域设计技术： 深入讲解PID控制器的设计原理。不仅停留在传统的Ziegler-Nichols整定法，更详细阐述了基于根轨迹分析的参数设计方法，以及利用误差积分项（I）、比例项（P）和微分项（D）对系统性能（稳态误差、暂态性能）的精确影响。 2. 频域分析与设计： 详细阐述了频率响应函数的概念及其物理意义。重点分析了波德图（Bode Plot）、奈奎斯特图（Nyquist Plot）的绘制与解读，并将其作为判断系统稳定裕度（相位裕度、增益裕度）的关键工具。 3. 频率响应法设计： 详细介绍了利用频率响应图进行补偿器（如超前/滞后补偿器）的设计流程，目标是精确调整系统的相位和增益，以满足特定的速度和稳态指标，同时保持足够的稳定性裕度。 第三部分：现代控制理论的核心方法（最优性与状态反馈） 现代控制理论是处理复杂、高维、多变量系统的关键。 1. 可控性与可观测性的利用： 基于对可控性和可观测性判据的掌握，本部分深入讲解了状态反馈极点配置（Pole Placement）技术。阐述了如何通过状态反馈实现期望的系统动态性能，并引入了观测器（如 Luenberger 观测器）的设计，以解决无法直接测量所有状态变量的问题。 2. 最优控制理论基础： 引入了性能指标函数的概念，并以二次型最优控制（LQR - Linear Quadratic Regulator）为核心，详细推导了代数黎卡提方程（ARE）的求解过程及其在最优状态反馈设计中的应用，强调了权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 对控制性能与控制能量的权衡作用。 3. 卡尔曼滤波（Kalman Filtering）： 作为现代状态估计的里程碑，本书对卡尔曼滤波器的递推算法、状态预测与更新步骤进行了详尽的数学推导和工程实例解析，重点强调其在噪声环境下的最优线性估计能力。 第四部分：面向工程实践的先进控制与数字化（前沿趋势） 本部分将理论知识延伸至当前工业界关注的前沿领域。 1. 鲁棒控制导论： 针对模型不确定性，介绍了鲁棒控制的基本思想。通过分析 $H_{infty}$ 范数和奇异值分解（SVD），解释了如何设计能有效应对模型误差和外部扰动的控制器。 2. 离散系统控制设计： 鉴于数字控制器在现代设备中的主导地位，本书专门辟章讲解了连续系统到离散系统的精确转换方法（如零阶保持器、一阶保持器），以及在离散域中直接进行状态空间设计的方法。 3. 非线性系统的基础分析： 简要介绍非线性系统的特殊性，包括相平面法、李雅普诺夫稳定性理论的基础概念，为后续深入研究非线性控制打下基础。 4. 数字化控制系统的实现考量： 探讨了数字控制系统在实际部署中必须面对的工程挑战，如采样周期的选择、量化误差、计算延迟对系统稳定性和性能的影响，并提供了实际应用中的设计指导原则。 三、本书的特色与价值 1. 理论与工程的紧密结合： 每章均配有详细的工程背景介绍和具体的实例分析，理论推导注重物理意义的阐释而非纯粹的数学游戏。 2. 覆盖面广且深入： 本书平衡了经典控制的易懂性与现代控制的先进性，确保读者既能熟练应用传统的PID和频率图法，又能掌握LQR和卡尔曼滤波等现代工具。 3. 面向MIMO系统： 重点突出了状态空间法在处理多变量耦合系统时的优势，这是经典控制方法难以企及的领域。 本书适合于需要全面掌握控制工程核心技术的理工科学生、从事自动化、机器人、航空航天、过程控制等领域的工程师和技术研究人员阅读和参考。通过对本书内容的系统学习，读者将能够独立分析、设计和调试复杂的反馈控制系统，适应工业 4.0 对控制系统智能化和高性能化的要求。

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这本《现代伺服系统设计》简直是为我们这些在自动化领域摸爬滚打的工程师们量身定制的宝典！我最近刚从头到尾啃完一遍，最大的感受就是它的实用性无与伦比。书中对各种伺服驱动器的选型、参数配置和实际应用场景的分析，简直细致入微。特别是关于如何根据负载特性来确定电机转矩和速度的要求那几个章节，作者的讲解清晰易懂，配图也非常直观。我记得之前在调试一个高速往复运动的设备时，总是在伺服响应速度和轨迹平滑度之间难以取舍，那段时间焦头烂额。翻开这本书后，我找到了突破口——原来是电流环和速度环的比例增益设置出了问题，书中关于多环控制的深度剖析，让我茅塞顿开。作者似乎深谙我们这些一线人员的痛点，把理论知识点巧妙地融入到实际案例分析中，让你在学习概念的同时，就能立刻联想到自己项目中的应用。毫不夸张地说，这本书直接帮我解决了我手头上好几个棘手的精度问题，是本货真价实的“救急良方”。

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这本书的排版和资料的完备性方面，做得相当出色，这对于一本技术类书籍来说至关重要。装帧厚实，纸张质量上乘，即便是长时间翻阅和在车间里使用，也不容易损坏。更重要的是，作者在书末提供的资源清单和参考资料索引，极大地拓宽了我的学习视野。我特别欣赏作者对于“系统集成与兼容性”这一块的着墨。现代伺服系统往往需要和PLC、总线技术（如EtherCAT或Profinet）进行深度通信和协调工作，这本书详尽地阐述了如何在不同的工业网络环境下，保证伺服控制指令的实时性和一致性。我之前花了好几天时间解决总线延迟导致的抖动问题，翻阅此书后才明白症结所在——原来是底层数据包处理策略出现了偏差。这种对“全链路”控制的关注，使得这本书的价值远超出了单纯的电机控制范畴，它提供的是一个完整的、可落地的解决方案蓝图。

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坦率地说，我希望这本书的内容能更侧重于故障诊断和维护手册的编制方面。虽然书中对系统响应异常时的分析方法很专业，提供了很多基于示波器波形和频谱分析的指导，但如果能加入更多关于常见硬件故障（如编码器漂移、驱动器过温保护机制）的实战维修案例，那将是锦上添花。目前的内容深度更偏向于“设计和优化”，对于“长期稳定运行后的检修和快速定位”的着墨稍显不足。当然，这也许是作者的侧重点不同，毕竟这本书的定位更偏向于高级研发工程师而非现场维护技师。即便如此，其中关于参数漂移对系统精度的长期影响的讨论，还是很有启发性的，它提醒我们，一个设计完美的系统，在恶劣环境下的长期表现同样重要。总的来说，这是一本投入时间绝对值得的书，它为你打下的理论和实践基础，足以支撑你在伺服领域走得更远、更稳健。

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作为一个偏向机械结构设计而非电子控制的工程师，我原本对伺服的电控部分总是感到头疼。但《现代伺服系统设计》的叙述方式，让我对这个原本觉得高不可攀的领域产生了浓厚的兴趣。作者的文笔非常具有亲和力，特别是对“干扰抑制”和“抗共振技术”的讲解，完全没有那种高高在上的理论架子。他用非常形象的比喻，比如把机械系统的谐振比作音箱的啸叫，一下子就让抽象的物理现象变得具体起来。书中有大量的篇幅用于讲解如何通过调整机械结构（如刚度、阻尼）来配合电子控制，实现整体性能的优化，这一点在其他纯电控书籍中是很少见的。这种跨学科的视角，让我开始重新审视我过去设计的那些传动结构，意识到机械和电控从来都不是孤立的。读完后，我学会了如何与电控工程师进行更高效、更有针对性的沟通，极大地提升了跨部门合作的效率。

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初拿到《现代伺服系统设计》时，我其实是抱着一丝怀疑的，毕竟市面上讲伺服的书籍汗牛充栋，大多都停留在教科书式的概念堆砌上，缺乏真正能让人“动手”起来的指导性。然而，这本书彻底颠覆了我的看法。它最让我称赞的一点是其对先进控制算法的解读。它没有简单地介绍PID控制，而是深入探讨了如模型参考自适应控制（MRAC）和鲁棒控制在伺服系统中的应用。对于那些希望将系统性能推向极限，追求亚微米级精度的同行来说，这部分内容简直是金矿。作者对这些复杂数学模型的推导过程讲解得逻辑严密却不晦涩，结合仿真结果和实际测试数据进行佐证，让人信服力十足。阅读过程中，我强烈推荐配合MATLAB/Simulink进行同步学习，书中的理论与仿真实例结合得非常好，能帮你建立起对动态系统建模的深刻理解。这本书已经不仅仅是一本工具书，更像是一位经验丰富的大师在耐心地为你打开一扇通往高性能控制世界的大门。

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