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页数:182

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出版时间:2006-12

价格:18.00元

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isbn号码:9787304037161

丛书系列:

图书标签:

• PLC
• 可编程控制器
• 工业自动化
• 编程
• 技术
• 应用
• 电气控制
• 自动化控制
• 单片机
• 嵌入式系统

《现代控制系统理论与设计》内容简介 本书聚焦于工业自动化和现代控制领域的核心理论、前沿技术与工程实践，深入剖析了传统控制理论的局限性，并系统阐述了如何利用先进的数学模型、算法与计算工具构建高效、鲁棒、智能化的控制系统。它面向具有一定自动化学科基础的研究人员、高级工程师以及相关专业的研究生，旨在提供一个从基础原理到复杂系统集成的全面知识框架。 --- 第一部分：现代控制理论的数学基础与状态空间方法 本书的开篇部分奠定了现代控制理论所依赖的严格数学基础。我们首先回顾了线性代数、微分方程和复变函数在系统描述中的关键作用，特别是特征值分析、矩阵指数运算在系统解耦和稳定性判断中的重要性。 核心内容包括： 1. 系统时间域描述： 详细讲解了状态空间表示法（State-Space Representation），包括连续时间系统与离散时间系统的建模范式。重点阐述了如何将高阶微分方程形式的物理模型（如机械、电气系统）精确地转化为标准一阶微分方程组形式，并讨论了模型的约减（Model Reduction）技术，以适应计算的复杂性。 2. 能控性与能观测性分析： 这是设计状态反馈控制器和观测器的前提。本书通过卡尔曼（Kalman）可控性矩阵和可观测性矩阵，对系统的固有特性进行了深入剖析，并介绍了如何通过状态变换（如约旦标准形）来简化分析过程。 3. 状态观测器设计： 鉴于许多系统的内部状态无法直接测量，本部分详细介绍了基于 Luenberger 观测器和卡尔曼滤波器的设计方法。特别强调了卡尔曼滤波器的迭代优化过程，如何在存在随机噪声和模型不确定性的情况下，实现对系统状态的最优估计，这是实现全状态反馈控制的关键前提。 4. 极点配置与重构： 深入探讨了极点配置（Pole Placement）技术，如何通过状态反馈增益矩阵 $K$ 将系统的闭环极点精确放置在复平面的期望位置，从而实现期望的动态响应（如快速性、阻尼比）。同时，结合观测器设计，系统地阐述了分离原理（Separation Principle）及其在全阶状态反馈控制器设计中的应用。 --- 第二部分：现代控制系统的先进设计技术 在掌握了基础的状态空间方法后，本书转向解决更复杂的工程问题，特别是当系统模型不精确或存在外部干扰时。 1. 最优控制理论（Optimal Control）： LQR（Linear Quadratic Regulator）： 详细推导了LQR控制器的设计过程，它通过最小化一个二次型性能指标函数（包含状态误差和控制输入的加权平方和），来获得性能与控制努力之间的最佳折衷。重点在于如何根据工程需求合理设定权重矩阵 $Q$ 和 $R$。 HJB方程与动态规划： 介绍了庞特里亚金（Pontryagin）最小原理和贝尔曼（Bellman）最优性原理，为非线性系统的最优控制设计提供了理论基石。 2. 鲁棒控制基础（Robust Control Fundamentals）： $H_{infty}$ 控制理论简介： 针对模型不确定性（如参数波动、未建模动态）和外部干扰对系统性能的影响，本书引入了 $H_{infty}$ 范数作为衡量系统性能和鲁棒性的关键指标。详细解释了如何将控制问题转化为求解特定的贝尔曼-雅可比不等式（or Riccati方程），以确保闭环系统在所有允许的不确定性范围内保持稳定和性能。 3. 先进反馈结构： 回退控制（Sliding Mode Control, SMC）： 针对强非线性和外部扰动的系统，SMC因其对模型参数不敏感的特性而被广泛应用。本书深入分析了SMC的设计步骤——定义滑模面、设计切换律，并讨论了“抖振”（Chattering）现象及其抑制方法（如采用饱和函数或更精细的切换策略）。 --- 第三部分：非线性系统分析与控制方法 现代工程实践中，大多数物理系统本质上是非线性的。本书提供了分析和控制非线性系统的关键工具。 1. 非线性系统基础分析： 平衡点分析与线性化： 讨论了如何通过泰勒级数展开对非线性系统在工作点附近进行线性化处理，并利用线性系统理论进行初步分析。 李雅普诺夫稳定性理论： 详尽介绍了李雅普诺夫（Lyapunov）直接法，这是判断非线性系统稳定性的通用且强大的工具。书中提供了构造合适的李雅普诺夫函数以证明全局或局部稳定性的实例和技巧。 2. 先进非线性控制技术： 反馈线性化（Feedback Linearization）： 介绍如何通过一系列坐标变换和状态反馈，将某些结构良好的非线性系统转化为等效的线性系统，从而应用成熟的线性控制技术。 微分平滑法（Backstepping）： 这是一个递归设计的强大工具，尤其适用于可以分解为级联子系统的非线性系统。本书详细演示了如何逐步设计虚拟控制律，最终得到完整的、保证系统稳定的控制器。 --- 第四部分：面向应用的系统集成与数字实现 本部分将理论知识与现代计算平台相结合，探讨实际工程中的实施挑战。 1. 离散时间系统与数字控制： Z变换与脉冲响应： 系统地讲解了Z变换在分析和设计数字控制系统中的应用，以及如何处理采样过程带来的量化误差和延迟。 数字控制器实现： 讨论了如何将连续时间控制器的设计结果（如PID参数、状态反馈矩阵）映射到离散时间域，并探讨了采样周期的选择对系统性能和稳定性的影响。 2. 先进计算在控制中的应用： 系统辨识基础： 简要介绍了参数估计的常见算法（如最小二乘法、递归最小二乘法），这是在缺乏精确模型时获取系统动态特性的重要手段。 实时仿真与验证： 强调了使用MATLAB/Simulink等工具进行复杂控制策略的建模、仿真和验证的重要性，为最终部署到硬件平台奠定基础。 本书力求在理论深度与工程实用性之间取得平衡，每一章节都配有丰富的数学推导和经过验证的工程案例分析，帮助读者建立坚实的理论基础，并掌握解决实际复杂控制问题的能力。

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这本书的叙述风格充满了人文关怀，完全不像是一本冰冷的教科书。作者似乎很懂得初学者的困惑点，在关键概念的引入上，总是先用一个生活中的例子来类比，然后再逐步过渡到复杂的工程术语，这种循序渐进的方式极大地降低了学习曲线的陡峭程度。我特别喜欢它在探讨程序结构设计时的那种哲学思考，不仅仅教你“怎么做”，更启发你思考“为什么这样设计是最好的”。书中对面向对象编程思想在PLC应用中的探讨，虽然在传统教材中鲜有提及，但它为我们打开了一扇新的大门，让我开始重新审视自己过去粗放式的编程习惯。其中有一段关于人机界面（HMI）设计美学与功能性的平衡论述，观点独到，言辞犀利，让人读后茅塞顿开。对于那些希望从“会用”跨越到“精通”的读者来说，这本书提供了一个极佳的思维框架。

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这部作品的深度和广度令人印象深刻，它并非仅仅停留在理论的层面，而是真正深入到了实践操作的核心。从阅读第一章开始，我就感觉自己被一股强大的技术洪流裹挟着向前，作者用极其细腻的笔触勾勒出了工业自动化领域的宏大图景。书中对不同品牌PLC的架构差异进行了透彻的分析，尤其是在涉及到高级指令集和数据处理的章节，那种条分缕析的讲解方式，让原本晦涩难懂的逻辑变得清晰明了。我尤其欣赏作者在描述故障诊断流程时所采用的“问题-分析-解决”的结构，这极大地提高了阅读体验的实用性。书中还穿插了许多作者在实际工程中积累的“小技巧”和“陷阱规避”的经验，这些细节的价值，远超书本本身的价格。例如，关于模拟量信号的滤波处理，书中提供的几种算法对比，让我对如何优化采集精度有了全新的认识。总而言之，这是一本面向实战派工程师的宝典，它不仅仅是知识的传递，更像是一次高水平的专业训练营。

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这本书的语言风格极其务实，有一种老工程师对后辈的谆谆教诲感。它没有过多地使用花哨的辞藻，而是直截了当地切入问题的本质。在讲解编程中的“状态机”设计时，作者没有采用学院派的数学定义，而是通过一个复杂的包装生产线流程，展示了状态机在应对多重条件并发和互锁时的优雅解决方案。让我印象深刻的是，书中对调试过程的描述异常真实——那种在现场摸索、一遍遍试错的艰辛，都被生动地刻画出来。作者反复强调，再好的理论也需要通过反复的实践去打磨，这种强调工程经验的立场，让我这个一线工作者深有共鸣。它就像一位经验丰富的导师在你身边，手把手地教你如何从图纸走向实际的运动控制，充满了力量感和实战指导价值。

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读完这本书，我最大的感受是它的前瞻性和对未来趋势的精准把握。在讨论工业互联网（IIoT）与边缘计算的融合时，作者并没有停留在概念的罗列，而是结合最新的通信协议标准，详细推演了下一代自动化系统的可能形态。书中对网络安全在控制系统中的重要性给予了前所未有的重视，甚至用专门的篇幅讲解了如何构建具备基础防御能力的控制网络，这在很多同类书籍中是缺失的。我发现，作者在技术选型上的判断非常老道，对于新兴技术的优劣势分析得客观且深入，没有盲目推崇，也没有因循守旧。特别是关于数据驱动的预测性维护模型构建部分，结合了实际的案例数据进行演算，使得理论和实践的结合达到了极高的水准。这本书无疑是为那些站在行业前沿，渴望引领变革的技术人员准备的，它提供的不是昨天的知识，而是明天的蓝图。

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这本书的排版和插图设计简直是一场视觉盛宴，完全打破了我对技术书籍的刻板印象。图文的排布极其考究，复杂的电气原理图和逻辑流程图都以高清晰度的彩色形式呈现，标注清晰，一目了然。我以前常常因为看不懂那些密集的接线图而感到头疼，但这本书中的示意图，即便是对初次接触的读者，也能迅速抓住核心连接点。此外，作者在引用标准和规范时，都附带了清晰的索引和解释，这对于需要进行合规性审查的工程师来说，简直是福音。阅读体验上，纸张的质感和字体的选择都体现了出版方对读者的尊重。它不是那种匆忙赶工出来的应付之作，而是一部凝聚了作者多年心血的艺术品级别的技术专著，让人愿意反复翻阅和品味其中的每一个细节。

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