自动控制原理（上册） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:国防工业

作者:师宇杰

出品人:

页数:328

译者:

出版时间:2007-6

价格:30.00元

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isbn号码:9787118050844

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机械系统动力学与控制基础 本书导读： 本教材旨在为工程技术人员、科研工作者及高等院校师生提供一套系统、深入的机械系统动力学与控制基础理论框架与实用分析方法。它专注于解析复杂机械系统在动态环境下的行为规律，并探讨如何通过现代控制理论对其进行精确、高效的调控。本书内容涵盖了从基础的运动学分析到复杂的非线性系统设计，理论推导严谨，兼顾工程应用的实际需求。 第一部分：机械系统动力学基础 本部分聚焦于构建描述机械系统运动的数学模型，这是所有控制设计的前提。我们将从经典的牛顿-欧拉力学原理出发，逐步过渡到更适用于复杂多体系统分析的拉格朗日和哈密顿力学。 第一章：刚体动力学基础与坐标变换 本章首先回顾了经典力学中刚体运动的基本概念，包括角速度、角动量以及惯性张量。重点阐述了在不同参考系之间进行运动学描述和动力学建模所需的高级坐标变换技术，如欧拉角、四元数及其在描述空间姿态中的应用和局限性。我们详细讨论了坐标系选择对后续系统建模效率的影响，并引入了柔性体动力学的基本概念，为后续更复杂的模型建立打下基础。 第二章：多自由度（MDOF）系统的建模 本章是动力学建模的核心。我们将详细介绍如何利用拉格朗日方程（基于能量的方法）来推导复杂的耦合机械系统的微分方程。不同于仅侧重于质点或简单机构的教材，本书着重讲解了如何处理包含约束、摩擦（如库仑摩擦和粘性摩擦）以及外部激励（如随机载荷和冲击载荷）的多自由度系统的精确数学描述。特别地，本章包含了对常见的旋转机械（如涡轮机、转子系统）和往复运动机械（如内燃机连杆机构）的动力学建模案例分析。系统方程通常以矩阵形式 $mathbf{M}(mathbf{q})ddot{mathbf{q}} + mathbf{C}(mathbf{q}, dot{mathbf{q}})dot{mathbf{q}} + mathbf{K}(mathbf{q})mathbf{q} = mathbf{F}(t)$ 的形式展现，并详细解析了质量矩阵 $mathbf{M}$、阻尼矩阵 $mathbf{C}$ 和刚度矩阵 $mathbf{K}$ 的物理意义和计算方法。 第三章：线性化、模态分析与状态空间表示 对于复杂的非线性动力学模型，控制设计往往需要在线性化假设下进行。本章深入探讨了如何对非线性系统在特定工作点附近进行泰勒展开，获取线性化模型。随后，我们转向线性系统的频域和时域分析。重点内容包括系统的固有频率、振型（模态）的求解与识别。利用特征值分解技术，我们将高阶微分方程组转换为标准的状态空间形式：$dot{mathbf{x}} = mathbf{A}mathbf{x} + mathbf{B}mathbf{u}$ 和 $mathbf{y} = mathbf{C}mathbf{x} + mathbf{D}mathbf{u}$。本章提供了大量关于如何从物理坐标转换到模态坐标的实例，并讨论了状态空间表示在后续控制系统设计中的核心作用。 第二部分：经典控制理论与设计 本部分将动力学模型转化为可供控制器设计的标准形式，并介绍经典控制设计方法的核心工具。 第四章：线性系统的时域与频域分析 在状态空间模型确立后，本章回顾了线性时不变（LTI）系统的基本性能指标，如瞬态响应（超调量、建立时间、误差）和稳态误差。我们详细分析了系统的可控性与可观测性——这是进行状态反馈控制和观测器设计的前提。频域分析部分，重点讲解了系统的频率响应特性，如波德图、奈奎斯特图的绘制与判据，并基于这些图进行初步的稳定性分析和性能评估。 第五章：经典反馈控制器的设计（PID基础） 尽管现代控制理论日益成熟，比例-积分-微分（PID）控制器因其简洁性和鲁棒性，仍是工业界应用最广泛的控制策略。本章不只是停留在公式层面，而是深入探讨了PID参数整定背后的物理意义。我们详细介绍了根轨迹分析法，用于直观地观察增益变化对系统闭环极点位置的影响。此外，还涵盖了如Ziegler-Nichols法和内模原理（Internal Model Control, IMC）等高级整定方法，以实现对具有纯时间延迟或显著动态特性的系统的有效控制。 第六章：补偿器与前馈控制 本章探讨了如何设计补偿器来修正现有系统的不足。我们将介绍超前（Lead）和滞后（Lag）补偿器的设计原理，它们如何通过引入零极点来改善系统的相位裕度和带宽。此外，前馈控制（Feedforward Control）作为一种重要的扰动抑制手段，也被详细介绍。我们展示了如何利用系统的精确模型，在扰动到达系统之前，预先计算并施加一个补偿输入，以最小化扰动对输出造成的影响，这在高速运动控制中尤为关键。 第三部分：现代控制理论与先进技术 本部分将视角从单输入单输出（SISO）扩展到多输入多输出（MIMO）系统，并引入更强大的现代控制工具。 第七章：极点配置与状态反馈控制 基于状态空间模型，本章核心内容是状态反馈控制（State Feedback Control）。我们首先证明了在系统可控的条件下，可以通过选择合适的反馈增益矩阵 $mathbf{K}$ 来任意配置闭环系统的极点（即期望的动态响应）。详细讲解了极点配置的计算方法，如 Ackermann 公式。进一步，我们讨论了如何利用状态观测器（如 Luenberger 观测器）来估计不可测量的状态变量，从而实现基于观测器状态的反馈控制，这对于大多数实际系统是必不可少的。 第八章：最优控制理论 最优控制是现代控制理论的基石之一。本章引入了性能指标函数（代价函数），通常以二次型损失函数 $J = int (mathbf{x}^Tmathbf{Q}mathbf{x} + mathbf{u}^Tmathbf{R}mathbf{u}) dt$ 的形式出现。核心内容是推导和应用线性二次型调节器（LQR）。LQR 通过求解黎卡提微分方程，提供了一种系统地、全局最优地设计线性反馈增益 $mathbf{K}$ 的方法，它在权衡系统性能和控制能量消耗方面具有无与伦比的优势。 第九章：鲁棒性与先进控制主题 在真实工程环境中，模型总存在不确定性和外部干扰。本章关注于控制系统的鲁棒性。我们探讨了 $mathbf{H}_2$ 和 $mathbf{H}_{infty}$ 控制的基本概念，这两种方法旨在最小化最坏情况下的性能下降。最后，本书简要介绍了先进控制领域的一些前沿主题，例如模型预测控制（MPC）的基本原理，它通过在线优化来处理约束和复杂的多变量系统，是当前流程工业和复杂机器人控制中的主流技术。 结语： 本书的编写遵循从基本物理原理到高级数学工具的递进逻辑，力求使读者不仅掌握控制算法的“如何做”，更能理解其背后的“为何如此”。书中包含大量带有详细计算步骤的工程示例，以促进理论与实践的紧密结合。读者学完本书后，将具备独立分析复杂机械系统动态特性、并设计出满足特定性能指标的反馈控制系统的能力。

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这本书如同一位耐心而严谨的老师，在我初窥自动控制领域的门槛时，便以一种循序渐进的方式引领我探索其奥秘。从最基础的概念，比如系统、反馈、开环和闭环控制，到更深层次的传递函数、稳定性判据，再到时域和频域分析方法，每一个章节的讲解都力求清晰透彻。作者并没有一开始就抛出复杂的数学模型，而是先通过生动形象的例子，例如温度控制、飞机姿态调整等，让我对自动控制系统有一个直观的认识。接着，再逐步引入所需的数学工具，并详细解释这些工具在描述和分析控制系统时的作用。我尤其欣赏书中在引入每个新概念时，都会先阐述其出现的背景和解决的问题，这使得我能更好地理解学习的意义和目的。例如，在讲解根轨迹法时，作者没有直接给出绘制规则，而是先说明了它如何帮助我们分析系统参数变化对稳定性与性能的影响，以及如何通过调整参数来优化系统。这种“知其然，更知其所以然”的讲解方式，极大地激发了我学习的兴趣和深入研究的动力。书中配以大量的图示和例题，这些例题的解答过程详尽入微，几乎涵盖了所有可能遇到的难点和易错点，让我能够对照着理解和练习。即使是相对抽象的概念，也能通过这些具体的案例变得生动起来。比如，在讨论系统辨识时，书中不仅介绍了理论方法，还提供了实际数据来演示如何通过实验数据建立数学模型，这让我深刻体会到理论与实践相结合的重要性。这本书不仅传授了知识，更重要的是培养了我分析问题、解决问题的能力，为我后续更深入的学习打下了坚实的基础。

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这本书为我打开了通往复杂系统世界的一扇大门，其深度和广度都令人印象深刻。作者在讲解过程中，始终保持着严谨的学术态度，每一个公式的推导，每一个理论的阐述，都显得有理有据，逻辑严密。我特别赞赏书中对于不同控制策略的比较分析，比如PID控制的原理、整定方法以及其在实际工程中的应用，都讲解得淋漓尽致。书中对于各种典型系统，如二阶系统的响应特性，以及如何通过改变系统参数来影响其稳定性和动态性能，都做了非常细致的分析。例如，在讲解阻尼比和自然频率对系统响应的影响时，书中不仅给出了数学公式，还提供了不同参数下系统阶跃响应的曲线图，让我能够直观地看到参数变化带来的效果。此外，书中还涉及了线性系统理论的一些基础内容，如能控性、可观测性等概念，虽然这些内容可能在后续的课程中会进一步深入，但在这本书中初步接触，让我对控制系统的内在性质有了初步的认识。作者在阐述这些抽象概念时，也善于联系实际，例如将能控性与系统参数调整能力联系起来，将可观测性与系统状态估计联系起来，使得这些理论概念不再是空中楼阁，而是与实际工程紧密相连。对于初学者来说，这样循序渐进、由浅入深的讲解方式，无疑是极其宝贵的。我曾尝试阅读过其他一些相关的资料，但总觉得不够系统化，而这本书恰恰填补了这一空白，为我提供了一个清晰的学习路径和完整的知识体系。

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这本书的叙述风格非常吸引人，它并非那种枯燥乏味的教科书，而是充满了作者对学科的热情和对学生学习的关怀。我能感受到作者在编写过程中，倾注了大量的心血，力求将复杂的知识用最易懂的方式表达出来。书中对于不同控制方法的比较，尤其是对PID控制的深入剖析，包括其原理、优点、缺点以及参数整定的各种方法（如Ziegler-Nichols法、临界比例法等），都讲解得非常到位。作者不仅列举了各种整定方法的计算步骤，还分析了它们的适用范围和局限性，这使得我能够根据实际情况选择最合适的整定方法。此外，书中关于奈奎斯特稳定判据和波特图的讲解，更是我学习过程中的一大亮点。作者通过生动形象的类比，将抽象的频率响应概念具象化，使得理解不再困难。例如，在讲解奈奎斯特图时，作者将其比作一张“判官的画卷”，通过“画卷”的特点来判断系统的稳定性，这种方式极具画面感，让我过目难忘。书中还详细介绍了如何根据频率响应来设计校正装置，比如超前校正、滞后校正和超前-滞后校正，以及这些校正装置对系统性能的影响。我发现，通过对这些校正方法的学习，我能够主动地去改善系统的动态性能，而不是被动地接受系统的局限性。这本书不仅仅是知识的传递，更是一种能力的培养，它教会了我如何成为一名主动的、有创造力的学习者。

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这本书为我构建了一个扎实的自动控制理论基础，它不仅仅是知识的堆砌，更是一种思维方式的训练。我能够感受到作者在编写过程中，始终将读者的学习体验放在首位，力求做到深入浅出，通俗易懂。我特别赞赏书中对于线性系统时域分析和频域分析的并重，这两种分析方法各有侧重，但都能有效地帮助我们理解系统的动态特性。时域分析让我们直观地看到系统对不同输入信号的响应，而频域分析则能揭示系统在不同频率下的行为特征。书中对于拉普拉斯变换在自动控制中的应用，讲解得非常细致。拉普拉斯变换能够将复杂的微分方程转化为代数方程，极大地简化了系统的分析过程。我通过书中的大量例题，熟练掌握了拉普拉斯变换和逆变换的技巧，并将其运用到传递函数的建立和系统响应的计算中。此外，书中关于根轨迹法的讲解，也为我提供了另一种分析系统稳定性和动态性能的有力工具。通过绘制根轨迹，我们可以清晰地看到系统极点随增益变化而移动的轨迹，从而预测系统在不同参数下的稳定性。我通过练习绘制不同系统的根轨迹，深刻理解了增益对系统稳定性和性能的影响，并学会了如何通过调整增益来优化系统性能。这本书就像一位技艺精湛的“雕塑家”，它将抽象的数学理论，通过精心的雕琢，呈现出清晰、优美的形态，让我能够尽情地欣赏和学习。

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这本书为我展现了自动控制世界的丰富多彩，它不仅仅是理论的传递，更是一种工程智慧的启迪。我深切地感受到作者在编写过程中，所展现出的严谨的科学精神和对知识的热爱。我尤其欣赏书中对于各种典型环节传递函数的研究，例如比例环节、积分环节、微分环节、一阶惯性环节、二阶惯性环节等。这些基本环节是构成复杂自动控制系统的基石，理解它们的特性对于分析整个系统至关重要。书中详细介绍了每个环节的数学模型，以及它们在时域和频域的响应特性。例如，一阶惯性环节的响应曲线是如何随着时间常数的变化而变化的，二阶惯性环节的响应又如何受到阻尼比和自然频率的影响。我通过书中的图示和分析，能够清晰地看到不同环节对系统性能的影响，并学会了如何根据系统要求来组合和设计这些基本环节。此外，书中关于系统建模和系统辨识的初步探讨，也让我对如何将实际的物理系统转化为数学模型有了初步的认识。作者介绍了一些常用的建模方法，以及如何利用实验数据来辨识系统的参数，这为我理解和解决实际工程问题提供了重要的思路。这本书就像一本“工程宝典”，它不仅传授了我自动控制的基本原理，更重要的是，它为我打开了一扇通往工程实践的大门，让我看到了理论如何转化为实际的生产力。

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这本书为我开启了通往智能控制世界的神秘之门，它不仅仅是理论的传授，更是一种思维方式的革新。我深切地感受到作者在编写过程中，所展现出的深厚的学术功底和对学科前沿的敏锐洞察。我尤其欣赏书中对于状态反馈控制的深入探讨，它是一种非常强大的控制方法，能够通过调整系统的输入信号来任意配置系统的极点，从而达到优化系统性能的目的。书中详细介绍了状态反馈控制器（K）的设计方法，包括极点配置法，以及它在提高系统响应速度、减小超调量等方面的优势。我通过书中的例题，学会了如何根据系统状态变量和期望的极点位置来计算状态反馈增益矩阵，并将它应用于实际的控制系统设计中。此外，书中关于状态观测器的介绍，也让我对如何从有限的输出信号中估计系统的状态有了初步的认识。当被控对象的全部状态变量无法直接测量时，状态观测器就显得尤为重要。我理解到，状态观测器的工作原理是通过系统的输入和输出信号，结合系统模型，来估计系统的状态变量，从而实现状态反馈控制。书中详细介绍了观测器的设计方法，如极点配置法，以及它在提高估计精度和响应速度方面的作用。这本书就像一位“智慧的灯塔”，它照亮了我学习自动控制的道路，让我能够更自信、更深入地探索这个充满挑战和机遇的领域。

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这本书的价值远不止于知识的传授，更在于它对解决工程问题思路的启发。我发现，在学习过程中，作者不仅仅是在教我们如何计算，更是在引导我们如何思考。例如，在讨论非线性系统时，书中虽然没有深入到复杂的非线性控制理论，但对非线性系统的特点、分析方法（如相平面法）的介绍，以及对非线性现象（如饱和、死区）的讨论，都极大地开阔了我的视野。书中通过分析不同的非线性系统例子，展示了非线性系统所带来的挑战以及一些常用的近似或线性化方法，这让我认识到，实际工程中的系统往往不是理想化的线性系统，而理解和处理非线性特性是工程师必须具备的能力。我特别喜欢书中关于鲁棒性控制的初步探讨，虽然篇幅不多，但对于系统在参数不确定或外部干扰下的性能表现的关注，以及一些基本的鲁棒性设计思想的介绍，都让我意识到在实际应用中，系统的可靠性和稳定性是至关重要的。书中也提到了系统故障的诊断和容错控制的初步概念，这些内容虽然可能不是上册的主要内容，但能够提前接触到，为我理解更高级的控制技术打下了基础。整本书的学习过程，就像是在进行一场思维的“考古”，作者一步步地挖掘出自动控制的本质，并将之以清晰、有条理的方式呈现出来。即使某些章节的数学推导对我来说需要花费更多时间去理解，但最终的回报是巨大的，我能够将所学的知识融会贯通，运用到解决实际问题中。

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这本书为我提供了一个系统、全面的自动控制理论框架，它不仅传授了知识，更重要的是培养了我分析和解决问题的能力。我发现，作者在讲解过程中，始终注重知识的连贯性和系统性，确保每一个概念的引入都有其前置的铺垫，并且能够自然地过渡到下一个知识点。我特别赞赏书中关于稳定性判据的详细介绍，包括劳斯-霍尔茨判据、奈奎斯特判据和根轨迹法。这三种判据各有侧重，但都能够有效地判断系统的稳定性。劳斯-霍尔茨判据主要基于特征方程的系数，计算简便，适用于判断线性定常系统的稳定性；奈奎斯特判据则是一种更通用的频域判据，能够判断包括非线性系统在内的更广泛的系统；而根轨迹法则能够直观地反映系统参数变化对稳定性 Pole 位置的影响。我通过书中的大量例子，熟练掌握了这几种判据的应用方法，并学会了如何利用它们来分析系统的稳定性边界，以及如何通过调整系统参数来提高系统的稳定性。此外，书中关于反馈控制系统的分析，也是我学习的重点。我理解到，反馈是自动控制的核心思想，它能够有效地消除系统偏差，提高系统的精度和鲁棒性。书中详细分析了反馈控制系统的基本构成，包括控制器、被控对象、传感器等，以及不同类型的反馈控制方式（如串联补偿、并联补偿）及其作用。这本书就像一位“循循善诱的导师”，它用耐心和智慧，引导我一步步地走进自动控制的殿堂，让我从中受益匪浅。

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这本书给我最深刻的印象之一是它对于理论与实践联系的重视。作者并没有将理论知识束之高阁，而是时刻关注其在实际工程中的应用。我特别欣赏书中关于状态空间法的介绍，虽然这是一种更为现代和通用的描述方法，但作者将其引入的方式非常自然，先从简单的例子引入，再逐步推广到一般的线性系统。状态空间法能够更全面地描述系统的动态特性，并且为现代控制理论的研究奠定了基础。书中对于可控性、可观性这两个重要概念的讲解，也给了我很大的启发。我理解到，可控性决定了我们能否通过输入信号来改变系统的状态，而可观性则决定了我们能否从输出信号中推断出系统的状态。这些概念在设计控制器和观测器时至关重要。我尤其喜欢书中关于李雅普诺夫稳定性分析的初步介绍，虽然是较为高级的理论，但作者通过简洁的语言和直观的例子，让我能够初步理解其思想，即寻找一个“能量函数”，如果这个函数在系统演化过程中单调递减，那么系统就是渐近稳定的。这种从“能量”角度来判断系统稳定性的方法，是一种非常深刻的洞察。书中也穿插了一些案例研究，展示了自动控制原理在航空航天、机器人、化工等领域的实际应用，这让我更加直观地感受到自动控制技术在现代社会中的重要地位。这些案例的引入，不仅增强了我的学习兴趣，也为我指明了未来可能的研究方向。

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这本书的结构设计非常合理，逻辑清晰，循序渐进，让我能够轻松地跟上作者的思路。我发现，作者在讲解过程中，非常注重概念的引入和发展，确保每一个新概念都建立在已学知识的基础上。例如，在讲解PID控制器时，作者先从比例控制入手，然后过渡到比例-积分控制，最后才是比例-积分-微分控制，并详细阐述了每个环节的作用以及它们结合后对系统性能的影响。这种由简入繁的讲解方式，极大地降低了学习的难度。我尤其喜欢书中关于系统阶跃响应和脉冲响应的讨论，这些是分析系统动态性能最基本也是最重要的工具。作者不仅给出了数学定义，还提供了不同系统阶次和不同参数下的响应曲线，并对这些曲线进行了详细的分析，包括上升时间、超调量、调节时间等性能指标的含义和计算方法。这让我能够量化地评估和比较不同系统的性能。此外，书中对于各种校正装置的讨论，也是我学习的重点。作者详细介绍了超前、滞后和超前-滞后校正装置的传递函数，以及它们在频域和时域对系统稳定性和动态性能的影响。我通过书中的练习，学会了如何根据系统的性能要求来选择和设计合适的校正装置，这让我对如何“调教”一个系统有了更深入的理解。这本书就像一个精密的“齿轮组”，每一个章节都是一个精密的齿轮，它们相互咬合，共同驱动我理解自动控制的奥秘。

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