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出版者:海洋出版社

作者:王文博 编

出品人:

页数:222

译者:

出版时间:2005-8

价格:28.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787502763992

丛书系列:

图书标签:

• 机械设计
• 机械工程
• 工程基础
• 机械原理
• 设计基础
• 机械制图
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• AutoCAD
• 高等教育

精密控制系统设计与实现：面向工业自动化的高级实践 本书概述 本书深入探讨了现代工业自动化领域中精密控制系统的设计、建模、分析与实现。不同于侧重机械结构原理的传统教材，本书将焦点完全置于系统的“大脑”——控制算法及其在实际硬件平台上的部署。内容涵盖了从经典PID控制的深入优化到先进的非线性、自适应及鲁棒控制理论的工程应用。全书以解决真实工业场景中的复杂控制难题为导向，强调理论与实践的紧密结合。 目标读者 本书面向具备一定控制理论基础的工程师、研究生以及高级技术人员。尤其适合从事机器人、数控机床、精密仪器、航空航天以及高端制造装备的研发与调试人员。读者应熟悉微积分、线性代数等基础数学知识，并对数字信号处理和嵌入式系统有初步了解。 核心内容与章节结构 本书共分为六个主要部分，层层递进，构建起一个完整的精密控制系统知识体系： 第一部分：现代控制理论基础回顾与系统辨识 本部分首先快速回顾了经典控制理论（频域分析、根轨迹）的局限性，随后重点转向状态空间表示法。 状态空间建模： 详细阐述了线性时不变（LTI）和线性时变（LTV）系统的状态空间描述，包括如何从物理结构（如电路、机构运动方程）推导出精确的状态空间模型。着重讲解了高阶系统的约减方法和奇异值分解在模型简化中的应用。 系统辨识： 鉴于实际工程中系统参数往往难以精确获取，本章详细介绍了系统辨识的工程方法。包括时域的输入信号设计（如阶跃、脉冲、PRBS序列），频域的频率响应分析，以及参数估计算法，如最小二乘法（LS）及其迭代改进版本（RLS）。重点讨论了噪声对辨识结果的影响及滤波技术。 第二部分：经典控制的深化与高阶优化 本部分超越了基础的PID控制，探讨了如何利用现代工具优化经典控制器的性能。 高性能PID设计： 深入分析了PID参数整定中常见的串扰问题和响应延迟。引入了Smith预估器（Smith Predictor）用于消除纯时间延迟对控制效果的负面影响。讨论了PID在非线性系统（如饱和、死区）下的改进策略，例如增量式PID和前馈控制的结合。 补偿器设计： 详细讲解了超前滞后补偿器在改善系统动态特性（如超调量和稳态误差）中的应用。通过Bode图和Nyquist图的实例分析，指导读者如何精确确定补偿器的极点和零点位置以满足性能指标。 第三部分：现代控制器的设计与极点配置 这是本书的核心理论部分，聚焦于基于状态反馈的现代控制方法。 可控性与可观测性分析： 详细阐述了如何利用可控性矩阵和可观测性矩阵来判断系统是否可以完全被状态反馈控制或状态估计器完全观测。这是所有现代控制器设计的前提。 极点配置（Pole Placement）： 讲解了通过线性状态反馈 $u = -Kx$ 实现期望的闭环系统动态特性的原理。重点介绍Ackermann公式在全状态反馈下的应用，并讨论了当部分状态不可测时，极点配置的局限性及应对方案。 观测器设计： 针对状态变量无法直接测量的难题，本章详细介绍了 Luenberger 观测器的设计过程，包括如何根据系统的可观测性矩阵来确定观测器增益 $L$ 以确保估计误差的快速收敛。同时，结合极点配置理论，解释了分离原理在状态反馈控制器和观测器组合结构中的作用。 第四部分：鲁棒性与最优控制 本部分处理工程实践中普遍存在的模型不确定性问题，引入了更加健壮和性能最优的控制策略。 LQR（线性二次型调节器）： 详尽推导了LQR控制器的设计原理，解释了如何通过调整权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 来平衡状态误差的抑制和控制输入的能量消耗。本章包含大量案例，展示 LQR 在系统刚性、阻尼优化中的实际效果。 H-无穷（$H_{infty}$）控制简介： 针对系统模型中存在的无法量化的外部扰动和模型误差，引入 $H_{infty}$ 理论。阐述了其将控制问题转化为求解最优加权范数的问题，旨在最小化最坏情况下性能指标，提供更强的鲁棒性保证。 第五部分：先进控制策略：非线性和自适应控制 本部分拓展至更复杂的系统，这些系统在线性模型假设下表现不佳。 滑模变结构控制（SMC）： 深入研究了滑模控制的核心概念——滑模面设计和切换函数。重点分析了SMC在应对外部扰动和系统不确定性时的固有鲁棒性，并详细讨论了如何设计趋近律以有效抑制“抖振”现象，例如引入积分项或利用SMC的改进变体。 自适应控制基础： 介绍了系统参数时变情况下的控制方法。主要集中于间接自适应控制和直接自适应控制的结构，并通过一个典型的双馈入（IF-LMS）算法实例，展示如何实时估计未知参数并在线调整控制器增益，以确保系统性能的恒定性。 第六部分：硬件实现与数字控制 本部分关注理论如何转化为实际可运行的工业控制程序。 数字控制器的离散化： 详细介绍了从连续时间系统到离散时间系统的转换方法，包括零阶保持器（ZOH）和一阶保持器（FOH）的误差分析。讲解了如何使用双线性变换（Tustin's Method）将连续时间控制器（如PID或补偿器）转换为数字形式，并重点讨论了采样周期的选择对控制性能和稳定性的影响。 实时嵌入式平台应用： 讨论了在DSP或FPGA等实时环境中实现高性能控制算法的注意事项，包括计算量估算、数值稳定性、定时中断的精度控制以及如何利用硬件加速单元处理复杂的矩阵运算。 本书特色 强调工程实践： 每章理论讲解后均附有详细的仿真（MATLAB/Simulink）和硬件在环（HIL）示例，确保读者能够清晰理解理论公式到实际效果的转化过程。 深入问题剖析： 不仅教授“如何设计”，更深入探讨了“为什么会失败”——例如，模型不准确、硬件限制、噪声干扰等，并提供了针对性的工程解决方案。 体系完整性： 本书构建了一个从基础辨识到高级鲁棒控制的完整闭环学习路径，为读者进入前沿控制领域奠定坚实基础。 本书旨在为读者提供一套系统化、实战化的精密控制系统设计工具箱，使之能够自信地应对现代工业装备中的复杂控制挑战。

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这本书简直是本“建筑师的工具箱”，充满了对结构美学的深刻洞察和对材料特性的精准把握。我原本以为会是一本枯燥的技术手册，结果却被作者娓娓道来的叙述方式深深吸引。书中关于力学分析的章节，不是简单地堆砌公式，而是结合了大量的实际工程案例，让我仿佛置身于设计现场，亲手去拆解每一个受力点。特别是对于复杂机构的运动仿真描述，作者竟然能用如此生动形象的比喻，将那些抽象的数学关系具象化，即便是初学者也能迅速抓住核心。读完后，我立刻有种想拿起图纸，重新审视身边每一个机械装置的冲动，去探究它们是如何在看似简单的外表下，实现如此精妙的协同工作的。这不仅仅是一本教材，更像是一本引导你去思考“为什么会这样设计”的思维指南，极大地拓宽了我对工程实践的认知边界。

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这本书的排版和图示设计，简直是教科书级别的典范，体现了一种极简主义的效率美学。打开书页，你不会被密密麻麻的文字淹没，取而代之的是清晰的区块划分和高质量的工程图。尤其值得称赞的是那些三维剖视图，标注精准，层次分明，即便是最复杂的机械传动链，在图纸上也能一目了然。我特别喜欢它在讲解公差与配合那一章节的处理方式，通常这部分内容是令人生畏的，但作者巧妙地使用了不同颜色的线条和阴影来区分配合区和间隙区，配合旁边的简短注释，使得理解难度直线下降。这说明作者在创作过程中，是真正站在一个需要解决实际问题的人的角度来组织内容的，而不是仅仅满足于学术表达的完整性。这种对“易用性”的极致追求，让学习过程变得异常顺畅和愉悦。

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这本书的配套资源和在线辅助学习系统，是我近年来接触到的技术教程中最完善的一个。虽然我主要在阅读纸质版，但偶尔扫码进入的在线习题库和虚拟仿真模块，确实让人眼前一亮。那些交互式的模拟器，允许你调整载荷、改变材料属性，然后实时观察结构的变化，这对于理解那些需要时间累积才能观察到的现象（比如磨损或热变形）非常有帮助。它成功地弥合了书本知识与数字化实践之间的鸿沟。更重要的是，它不像有些教程那样将在线内容作为点缀，而是真正地将线上线下的学习体验进行了深度整合，使得知识点之间的跳转和复习变得非常流畅。对于那些需要自学或者需要反复巩固某些难点概念的学习者来说，这种全方位的支持体系，无疑是高效学习的加速器，极大地提升了学习投入产出比。

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坦白说，我抱着试一试的心态买了这本书，没想到它在“材料选择与失效分析”这块内容上，展现出了超出预期的广度和深度。它没有停留在介绍几种常见金属的性能参数上，而是深入探讨了特定工况下材料的微观结构变化，以及这些变化如何直接影响到最终的部件寿命。书中对疲劳断裂和蠕变现象的案例分析极其详尽，每一个案例都附带着详细的现场照片和金相图谱，这种“实物证据”的呈现方式，极大地增强了说服力。它让我意识到，机械设计绝不仅仅是画图和计算，更是对材料脾气的驯服与驾驭。这本书真正教会了我如何像一个经验丰富的老工程师那样去思考，去预判潜在的风险，而不是被动地接受理论，这份对工程现实的敬畏感，是其他理论书无法给予的宝贵财富。

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我不得不说，这本书在“历史脉络”的梳理上做得极为出色，完全颠覆了我对传统技术书籍的刻板印象。它不像以往那些只注重当下最新标准和技术的书籍，而是花了大量篇幅去追溯关键发明和理论的源头。作者对早期工程师们的智慧和探索过程的描绘，充满了敬意，让你能感受到科学进步的每一步都来之不易。当我读到关于齿轮设计演变的那一部分时，那种跨越百年的技术接力感非常强烈，让人不禁感叹人类解决问题的创造力。这种宏观的历史视野，使得那些复杂的理论不再是凭空出现的教条，而是人类集体智慧的结晶。对于想要系统学习的读者来说，这种“知其所以然”的深度剖析，比死记硬背公式要有效得多，它构建了一个完整的知识体系框架，让后续的学习变得水到渠成，可以说是为打下坚实的理论基础提供了极佳的视角。

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