Modern Control Systems Analysis and Design Using MATLAB and Simulink pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

出版者:Addison Wesley Publishing Company

作者:Robert H. Bishop

出品人:

页数:251

译者:

出版时间:1996-12

价格:USD 24.20

装帧:Paperback

isbn号码:9780201498462

丛书系列:

图书标签:

• Matlab
• 控制系统
• 现代控制
• MATLAB
• Simulink
• 自动控制
• 系统分析
• 系统设计
• 工程控制
• 控制理论
• 数学建模

系统动力学与控制工程的深度探索：从理论到实践的桥梁 在当今高度复杂且快速发展的工程领域，对系统进行精确建模、分析和控制已成为至关重要的能力。无论是航空航天、机器人技术、过程控制，还是生命科学和经济系统，理解和驾驭其内在动力学并实现期望的行为，都依赖于坚实的理论基础和强大的工程实践。本书旨在为读者提供一个全面且深入的视角，涵盖现代控制系统分析与设计的核心概念、方法与工具，重点在于如何将理论知识转化为实际可行的工程解决方案。 第一部分：系统建模与分析的基础 本部分将奠定理解和分析动态系统所需的理论基石。我们将从描述系统的基本要素开始，逐步深入到更为复杂的建模技术。 动态系统的基本概念： 首先，我们将引入“系统”和“控制”的定义，阐述动态系统的本质，包括状态、输入、输出、以及系统在时间和空间上的演化特性。读者将学习如何区分线性与非线性、时不变与时变、连续与离散系统，理解这些分类对建模和分析策略的影响。 数学描述与模型构建： 核心内容将围绕描述动态系统的数学方程展开。我们将详细介绍微分方程和差分方程在连续时间和离散时间系统建模中的作用。重点将放在如何从物理原理（如牛顿定律、基尔霍夫定律、物质守恒定律等）推导出系统的微分方程模型。此外，还将涵盖传递函数（Transfer Function）和零极点（Zeros and Poles）的概念，这对于理解系统的频率响应和稳定性至关重要。读者将学习如何通过拉普拉斯变换（Laplace Transform）和Z变换（Z-Transform）将时域的微分方程转化为频域的代数方程，从而简化分析。 状态空间方法： 作为现代控制理论的基石，状态空间（State-Space）表示法将被深入探讨。我们将介绍如何将高阶微分方程转化为一组一阶微分方程组成的矩阵形式，即状态方程和输出方程。这种表示法不仅能够处理更广泛的系统类型（包括多输入多输出MIMO系统），而且为后续的控制器设计提供了强大的框架。我们将详细讲解可控性（Controllability）和可观测性（Observability）的概念，分析系统的内部状态是否可以被输入影响以及是否可以通过输出推断出来，这是设计有效控制器和观测器的前提。 时域与频域分析： 在掌握了系统的数学模型后，我们将深入进行系统的分析。时域分析将关注系统对不同类型输入（如单位阶跃、单位斜坡、单位脉冲）的响应特性，包括瞬态响应（瞬态响应时间、超调量、稳定时间）和稳态响应。我们将探讨如何通过分析系统的极点位置来预测其瞬态响应的特性。频域分析则着重于系统对不同频率输入的响应，通过频率响应（Bode图、Nyquist图、Nichols图）来评估系统的带宽、增益裕度和相位裕度，从而分析系统的稳定性。 稳定性分析： 稳定性是控制系统设计的首要目标。我们将详细介绍多种稳定性判据，包括Routh-Hurwitz判据、Nyquist判据和Nyquist稳定性判据。对于状态空间描述的系统，我们将利用Lyapunov稳定性理论，提供一种更普适的稳定性分析方法，无需显式求解特征方程。 第二部分：控制器设计与系统性能优化 在充分理解了系统的动态特性之后，本部分将转向如何设计控制器来达到特定的性能目标。 反馈控制的基本原理： 反馈控制是实现系统自动化和鲁棒性的核心。我们将阐述闭环控制系统的基本结构，分析反馈机制如何提高系统的精度、降低对模型不确定性的敏感性，并改善瞬态和稳态性能。 经典PID控制器设计： PID（比例-积分-微分）控制器因其通用性、易于实现和调试而成为工业界最广泛使用的控制器类型。我们将深入讲解比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制作用的物理意义和对系统响应的影响。读者将学习如何通过各种调参方法（如Ziegler-Nichols方法、试凑法）来整定PID参数，以满足稳定性、响应速度和抑制扰动的要求。 现代控制理论下的控制器设计： 除了PID控制，我们将探索更先进的控制设计方法。 极点配置（Pole Placement）： 基于状态空间模型，我们将介绍如何通过反馈增益矩阵的设计，将闭环系统的极点配置到期望的位置，从而精确地控制系统的瞬态响应。这包括状态反馈和输出反馈的实现。 最优控制（Optimal Control）： 对于存在性能指标（如能量消耗、控制误差）需要最小化的系统，我们将介绍最优控制的概念，特别是线性二次型调节器（LQR）。LQR通过最小化一个二次型性能指标来设计状态反馈增益，从而在性能和控制 effort 之间取得平衡。 状态观测器设计（State Observer Design）： 在实际系统中，并非所有状态变量都能够直接测量。状态观测器（如Kalman滤波器）的作用是从可测量的输入和输出信号中估计出不可测量的状态变量。我们将详细讲解观测器的原理和设计方法，以及它们如何与状态反馈结合构成完整的控制系统。 数字控制系统设计： 随着计算机技术的普及，数字控制器在现代控制系统中扮演着越来越重要的角色。我们将讨论从连续时间控制器到离散时间控制器的转换方法，包括零阶保持器（Zero-Order Hold）的作用。读者将学习离散时间系统的分析方法，以及在数字域设计控制器（如离散PID、离散状态反馈）的技术。 系统性能评估与权衡： 控制器设计并非孤立的过程，而是需要不断地权衡各种性能指标。我们将讨论如何量化评估系统的性能，如控制精度、响应速度、鲁棒性、幅值约束等，并分析不同设计选择之间的权衡关系，以期在满足主要要求的前提下，实现整体最优。 第三部分：鲁棒性与先进控制技术 本部分将进一步提升控制系统的性能，使其能够应对不确定性和更复杂的动态。 系统不确定性与鲁棒性设计： 实际的工程系统往往存在模型不确定性、参数变化和外部扰动。我们将分析这些不确定性对系统性能的影响，并介绍鲁棒控制（Robust Control）的基本思想。读者将了解如何通过设计能够保持稳定性和性能的控制器，来容忍一定范围内的系统不确定性。 频率域设计方法： 除了经典的时域方法，我们将回归到频率域，探讨更为高级的频率域设计技术。这可能包括H-infinity（H∞）控制，它旨在最小化系统在所有频率上的最大增益，从而在最坏情况下保证系统的性能和稳定性。 非线性控制初步： 许多实际系统本质上是非线性的。本部分将对非线性控制的初步概念进行介绍，可能包括一些常用的非线性控制策略，如反馈线性化（Feedback Linearization）或者滑模控制（Sliding Mode Control）的基本思想，旨在为读者开启深入研究非线性控制的大门。 模型预测控制（MPC）简介： 作为一种先进的预测性控制策略，模型预测控制（MPC）在过程控制、机器人学等领域得到了广泛应用。我们将对其核心思想进行介绍，包括利用系统模型预测未来行为，并通过优化求解得到控制序列，实现对系统未来一段时间的优化控制。 第四部分：工程实践与案例分析 理论知识最终需要通过实践来检验和巩固。本部分将强调理论与实践的结合，展示如何将所学知识应用于实际问题。 仿真技术的重要性： 在复杂的控制系统设计过程中，仿真扮演着不可或缺的角色。我们将探讨使用高性能仿真工具进行系统建模、控制器验证和性能评估的优势。 实际工程案例解析： 通过分析来自不同领域的典型工程案例，读者将看到控制理论如何在实际应用中发挥作用。这些案例将涵盖从简单的机械臂控制到复杂的飞行器姿态控制，展示不同控制策略的适用性和设计过程。 系统集成与调试： 在完成控制器设计后，如何将控制器集成到物理系统中，并进行有效的调试，是工程实践的关键环节。我们将讨论一些实用的工程经验和方法，以帮助读者克服实际实施中的挑战。 本书的编写风格注重清晰的逻辑结构和深入的理论讲解，并辅以大量的概念阐释和推导过程。每一个核心概念的引入都将伴随其背后的数学原理和物理意义，力求让读者不仅“知其然”，更能“知其所以然”。同时，本书的设计也充分考虑了读者在不同学习阶段的需求，从基础的系统分析到复杂的控制器设计，层层递进，为读者构建起一个全面而坚实的控制工程知识体系。通过对本书的学习，读者将能够自信地分析和设计各种复杂的控制系统，并能够将理论知识转化为解决实际工程问题的强大能力。

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

这本书的行文流畅自然，有一种连贯的叙事感，让人忍不住想一口气读完。我特别喜欢作者在引入新的控制策略时，总会先回顾前一个章节中该策略的不足之处，然后引出新方法的优势，这种对比式的教学方法非常高效地突出了每种方法的价值点。例如，在对比PID控制和现代状态反馈控制时，作者没有简单地否定前者，而是清晰地指出了PID在多变量、强耦合系统中的局限性，使得读者能够更客观地认识到引入复杂理论的必要性。在最后的几章中，作者对非线性系统的初步探讨也做得非常出色，它没有陷入过深的拓扑学或微分几何，而是聚焦于工程上常用的线性化方法和控制守恒律的应用，保持了全书的实用性基调。总体而言，这本书的成功之处在于，它将一门通常被认为是高度数学化的学科，通过精妙的组织和富有洞察力的讲解，转化成了一套清晰、有力、并且可以直接应用于工程实践的完整方法论。它不仅教会了我“如何做”，更重要的是教会了我“为什么这么做”。

评分☆☆☆☆☆

我必须赞扬这本书在构建知识体系方面的严谨性。它对传递函数模型到状态空间模型的过渡处理得极为平滑和逻辑自洽，这一点对于想要从经典控制理论顺利迈向现代控制的读者至关重要。作者在阐述线性系统理论时，对矩阵代数和线性变换的铺垫非常到位，确保了即便是对高等数学不那么自信的读者也能跟上步伐。更让我印象深刻的是，它在讨论系统辨识和参数估计时，没有避开实际测量中的噪声和不确定性，而是将其纳入到模型分析中，这体现了作者深厚的工程实践背景。书中对卡尔曼滤波的讲解尤为精彩，它不仅展示了滤波器的结构，更深入剖析了其背后的统计学意义，使读者能够理解为什么它在导航和跟踪系统中如此高效。这本书的深度足以让研究生用户作为核心教材，同时它的组织结构又允许自学者有针对性地进行知识点的攻克。它不是那种只停留在表面现象的“科普读物”，而是真正深入到控制系统内核的“硬核”著作，但其写作方式却让人感到毫不费力。这种对知识深度和广度的双重把控，是这本书最宝贵的财富。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我有一种强烈的感受：它不仅是一本工具书，更像是一部关于“如何设计一个可靠的智能系统”的哲学指南。作者对“设计”二字的理解非常深刻，他强调的不仅仅是如何让系统“工作”，更是如何让系统“工作得好”、“工作得稳定”以及“工作得可预测”。在关于控制器整定和性能指标优化的部分，作者没有给出“万能公式”，而是引导我们理解不同性能指标（如瞬态响应、稳态误差、抗扰性）之间的内在权衡关系，这才是真正的工程艺术。例如，书中对H-无穷范控制器的介绍，清晰地阐释了在面对模型不确定性时，如何用数学工具去量化和最小化最坏情况下的性能下降。这种对“鲁棒性”的执着探讨，是现代控制理论区别于传统方法的关键所在，而这本书成功地将这种精神传递给了读者。对于我来说，它极大地提升了我对设计裕度和安全边际的重视程度，让我明白一个成功的控制系统设计，往往是在权衡各种矛盾后做出的最优化选择，而这本书为我们提供了做这些选择所需的全部理论武器和批判性思维。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和叙述风格有一种独特的魅力，它不像某些教科书那样枯燥乏味，读起来更像是一位经验丰富的导师在耳边细心讲解。结构上，它巧妙地穿插了大量的历史背景和实际工程案例，这让抽象的控制理论顿时鲜活了起来。比如，书中对最优控制和鲁棒控制的介绍，并不是简单地罗列公式，而是深入剖析了它们诞生的历史必然性以及它们在解决现实世界限制条件下的优势。这种叙事手法极大地激发了我对该领域的探索欲，让我认识到控制理论并非一成不变的教条，而是一门不断演进、充满活力的学科。在每一个关键转折点，作者都会用一种非常人文关怀的口吻，提醒读者注意理论的局限性和应用中的潜在陷阱。这种对细节的关注和对读者学习体验的尊重，是许多技术书籍所欠缺的。我特别欣赏它在章节末尾设置的“思考题”，这些题目往往不是简单的计算，而是需要对所学知识进行综合运用的开放性设计挑战，真正达到了“学以致用”的目的。这本书真正做到了理论的深度与阅读的愉悦度之间的完美平衡，读完后，感觉对整个控制工程领域都有了一个更加全面和立体的认知。

评分☆☆☆☆☆

这本书真是让人爱不释手，尤其是对于那些刚刚踏入现代控制系统分析与设计领域的新手来说，它简直是一盏指路明灯。作者在讲解理论概念时，没有那种高高在上的学术腔调，而是用非常贴近实际的例子，把那些看似晦涩难懂的数学模型和控制原理，一步步地拆解开来，让人豁然开朗。特别是它在深入探讨状态空间法和现代控制器的设计时，那种循序渐进的教学方式，让读者能够非常扎实地建立起对系统稳定性和可控性的深刻理解。我记得有一次，我被一个复杂的反馈回路困扰了很久，拿起这本书，翻到相关章节，作者用一个简单的机械臂模型来阐述，瞬间就明白了其中的关键所在。这种将理论与实践紧密结合的编排方式，极大地提升了学习的效率和兴趣。这本书的价值不仅仅在于传授知识，更在于培养一种系统的、工程化的解决问题的思维方式，它教会你如何去看待一个复杂的动态系统，并思考如何用现代的工具去驾驭它。对于我个人而言，这本书已经成为了我案头不可或缺的参考资料，每当我需要回顾基础或者尝试解决新的控制难题时，我总能从中找到清晰的指引和灵感。它的深度和广度都恰到好处，既能满足初学者的入门需求，也能为有经验的工程师提供进阶的视角。

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆