具体描述
本书系统介绍现代控制理论的五大基本分支，即线性系统理论（包括状态空间描述、状态空间分析和状态空间综合）、最优控制理论（包括变分法、极小值原理、动画规划和鲁棒最优控制）、最优理论（基本估计方法和卡尔曼滤波）、系统辨识（非参数辨识方法和参数变数方法）及自适应控制（模型参考自适应和自校正控制）。
为了方便读者基于MATLAB/SIMULINK环境对控制系统进行建模、分析和综合，在相应分支后均给出了相应的应用方法和实例。对线性系统理论部分，给出在MATLAB环境上第二次开发的CAL课件；对最优控制理论部分，给出了LQR问题的MATLAB实现，并对OptimizationToolbox、RobustControlToolbox的使用方法进行了介绍；在系统辨识部分，通过实例介绍了使用SyetemIdentificationToolbox进行建模的方法；在适应控制部分，也给出了基于MATLAB/SIMULINK进行自适应控制设计方法和实例。
为了便于学习，每章开头给出了提要，结语给出了小结。除了列举丰富的例子外，还选配了适量的思考与习题。本书可供非控制类大学高年级本科生、研究生使用，也可供对控制理论感兴趣的科技人员参考。
《控制系统工程：原理、设计与实现》 引言 在瞬息万变的工程领域，对系统行为的精确预测、有效操控以及鲁棒性设计的需求日益增长。从航空航天到生物医学，从能源系统到智能制造，任何复杂动态系统的稳定运行和性能优化都离不开对“控制”这一核心概念的深入理解与巧妙应用。本书《控制系统工程：原理、设计与实现》正是致力于为读者提供一个全面、深入且实践性强的控制工程知识体系，旨在培养掌握现代控制理论精髓，并能将其转化为实际工程解决方案的专业人才。 本书不同于许多侧重于理论推导或特定应用领域的控制书籍，它力求在理论的严谨性与工程的实用性之间找到最佳平衡。我们深知，脱离实际需求的纯理论研究难以体现其价值，而缺乏坚实理论基础的工程实践则可能导致设计上的局限和潜在风险。因此，本书将引导读者循序渐进地理解控制系统的基本组成、工作原理，进而掌握分析、设计和实现各种控制策略的方法。 第一部分：控制系统的基础理论与建模 本部分是全书的基石，旨在为读者建立起扎实的控制工程理论框架。我们将从最基本的概念出发，逐步深入到系统建模和时域分析。 第一章：引言与控制系统概述 1.1 控制工程的重要性与发展历程： 介绍控制工程在现代科技和工业中的核心地位，回顾其从简单反馈调节到复杂自适应、智能控制的发展脉络。 1.2 基本控制系统组成： 详细阐述开环控制系统与闭环控制系统的结构、特点及优缺点，明确传感器、控制器、执行器等关键环节的作用。 1.3 控制系统的分类： 介绍线性与非线性、时不变与时变、连续与离散等不同类型的控制系统，为后续章节的学习奠定分类基础。 1.4 控制系统的性能指标： 讲解系统暂态响应（超调量、响应时间、峰值时间、调节时间）和稳态误差等关键性能指标的定义、计算方法及其工程意义。 1.5 控制工程的建模方法： 概述物理建模、辨识建模等常用建模方法，强调模型在分析和设计中的关键作用。 第二章：线性定常系统的时域分析 2.1 传递函数与系统框图： 介绍传递函数的概念、建立方法及其在描述LTI系统动态特性中的重要性。学习如何绘制和简化系统框图，理解信号流图的应用。 2.2 典型输入信号与瞬态响应： 分析系统对单位阶跃、单位斜坡、单位冲激等典型输入信号的响应特性，深入理解系统动态行为。 2.3 一阶与二阶系统的时域分析： 详细分析一阶和二阶系统的零极点对系统响应的影响，推导其暂态响应公式，并分析阻尼比、无阻尼自然频率等参数对二阶系统性能的影响。 2.4 稳定性分析： 介绍线性系统稳定性的概念，推导Routh-Hurwitz稳定性判据，并讲解如何通过分析系统的极点位置来判断稳定性。 2.5 稳态误差分析： 讲解不同类型的系统（零型、一型、二型）对不同输入信号的稳态误差特性，以及如何通过引入积分环节来消除稳态误差。 第二部分：频域分析与根轨迹法 本部分将带领读者从时域走向频域，利用频率响应分析控制系统的特性，并通过根轨迹法直观地理解反馈增益对系统稳定性和动态性能的影响。 第三章：频率响应分析 3.1 频率响应的概念与定义： 介绍系统对正弦信号响应的幅度和相位的变化，理解幅频特性和相频特性的意义。 3.2 绘制频率响应曲线： 讲解Bode图（对数频率特性图）和Nyquist图（奈奎斯特图）的绘制方法和特点，以及如何从中提取系统信息。 3.3 稳定性裕度： 定义并计算相位裕度和幅值裕度，阐述它们在评估系统稳定性方面的作用。 3.4 频率响应与时域响应的关系： 探讨频率域的分析结果如何反映系统在时域中的性能，以及两者之间的相互转换。 第四章：根轨迹法 4.1 根轨迹的基本概念： 介绍根轨迹是开环传递函数极点在复平面上随反馈增益变化的轨迹，以及它与系统稳定性的密切关系。 4.2 根轨迹的绘制规则： 系统讲解根轨迹与实轴的交点、渐近线、汇合与分离点、幅角条件等绘制规则。 4.3 根轨迹与系统性能的关系： 分析根轨迹的形状如何影响闭环系统的极点位置，进而影响系统的阻尼比、固有频率等性能指标。 4.4 根轨迹的应用： 演示如何利用根轨迹法设计反馈控制器，以满足特定的性能要求。 第三部分：控制器设计与状态空间方法 本部分将重点介绍各种经典的控制器设计方法，并引入更为现代的状态空间分析与设计方法，为处理更复杂的系统提供强大的工具。 第五章：PID控制器设计 5.1 PID控制原理： 深入剖析比例(P)、积分(I)和微分(D)控制各自的作用及其组合效果，讲解PID控制的普适性和灵活性。 5.2 PID参数整定方法： 介绍几种常用的PID参数整定方法，包括经验整定法（如Ziegler-Nichols方法）和基于模型的方法，并分析其优缺点。 5.3 PID控制器的实现： 讨论连续PID和离散PID控制器的实现方式，以及在实际应用中需要注意的问题。 第六章：超前/滞后校正与串联/反馈校正 6.1 超前和滞后校正装置： 分析超前和滞后校正网络在频率域和复数域对系统传递函数的影响，以及它们分别适用于何种场合。 6.2 串联校正器的设计： 讲解如何选择和设计超前/滞后校正器，以改善系统的幅值或相位特性，达到提高稳定性或动态性能的目的。 6.3 反馈校正器的设计： 介绍反馈校正器的原理和应用，以及与串联校正器相比的优缺点。 第七章：状态空间分析与设计 7.1 状态变量与状态方程： 引入状态变量的概念，建立系统的状态方程和输出方程，为更全面的系统描述奠定基础。 7.2 状态空间方程的变换： 讨论相似变换、能控性和能观测性等概念，理解它们在状态空间分析和设计中的意义。 7.3 可控性与可观测性： 详细介绍可控性和可观测性的判据，以及它们对状态反馈和状态观测器设计的重要性。 7.4 状态反馈控制器设计： 讲解如何通过状态反馈来配置闭环系统的极点，以达到期望的动态性能。 7.5 状态观测器设计： 介绍状态观测器的原理和设计方法，用于估计系统状态变量，并讲解如何将其与状态反馈结合构成观测器型控制器。 第四部分：现代控制理论的扩展与高级主题 本部分将触及一些更高级的控制理论概念，包括非线性系统、离散系统以及模型预测控制等，为读者应对更复杂的工程挑战做好准备。 第八章：离散时间系统分析与设计 8.1 离散时间信号与系统： 介绍Z变换及其性质，以及如何利用Z变换分析离散时间系统的传递函数和稳定性。 8.2 离散时间系统的时域与频域分析： 讲解离散系统在时域的瞬态响应和稳态误差，以及单位圆内的极点位置与系统稳定性的关系。 8.3 离散控制器设计： 介绍适用于离散系统的控制器设计方法，如直接设计法和脉冲响应法。 第九章：非线性控制系统初步 9.1 非线性系统的特点： 讨论非线性系统与线性系统的本质区别，如平衡点、李雅普诺夫稳定性等概念。 9.2 几种典型的非线性现象： 介绍饱和、死区、间隙等非线性现象，及其对系统性能的影响。 9.3 李雅普诺夫稳定性理论： 阐述李雅普诺夫直接法和间接法在分析非线性系统稳定性中的应用。 第十章：模型预测控制（MPC）简介 10.1 MPC的基本原理： 介绍模型预测控制的核心思想，即基于系统模型预测未来一段时间的系统行为，并优化控制输入。 10.2 MPC的构成要素： 讲解预测模型、滚动优化、成本函数等MPC的关键组成部分。 10.3 MPC的优势与应用： 探讨MPC在处理约束、多变量耦合系统方面的优势，并列举其在工业过程控制、机器人等领域的应用案例。 结论 《控制系统工程：原理、设计与实现》一书的编写，旨在为有志于从事自动化、机器人、航空航天、过程控制等领域的读者提供坚实的理论基础和实用的工程技能。本书内容覆盖了从经典控制理论到现代控制理论的广泛范围，强调理论与实践的结合，注重培养读者的分析问题、解决问题的能力。我们希望通过本书，读者能够深刻理解控制系统的本质，掌握设计高效、可靠控制器的关键技术，并在未来的工程实践中，为构建更智能、更高效的自动化系统贡献力量。
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