Moderne Regelungssysteme

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出版者:Pearson Studium
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页数:1168
译者:
出版时间:
价格:0
装帧:Hardcover
isbn号码:9783827373045
丛书系列:
图书标签:
  • 控制系统
  • 现代控制
  • 自动控制
  • Regelungstechnik
  • 系统建模
  • 控制理论
  • 最优控制
  • 状态空间
  • 鲁棒控制
  • 非线性控制
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具体描述

《古典控制理论基础:从牛顿力学到现代工程实践》 内容简介 本书旨在为读者构建一个坚实而全面的古典控制理论知识体系,深入探讨反馈控制系统的基本原理、设计方法以及在工程实践中的应用。全书结构严谨,逻辑清晰,内容涵盖了从经典力学分析到频率响应分析的完整路径,特别强调了系统建模、性能分析与稳定性的判断。 本书的编排旨在满足初学者建立扎实理论基础的需求,同时为有一定基础的工程师提供深入回顾和精确参考。我们不侧重于复杂的现代控制理论中的状态空间表示法或最优控制,而是聚焦于被证明在大量工业应用中依然高效且直观的频率域和时域分析工具。 --- 第一部分:控制系统的基本概念与数学基础 本部分奠定了理解后续所有控制理论的基础。我们从工程问题出发,明确了“控制”的本质——即如何精确地引导一个动态系统(被控对象)达到期望的状态。 第一章:动态系统的概述 本章首先界定了什么是动态系统,区分了开环与闭环系统。通过对物理现象的观察,引入了系统的动态特性:暂态响应和稳态响应。重点讨论了线性化在处理非线性问题中的重要性。 第二章:一阶与二阶系统的时域分析 深入分析了最基本的动态模型——一阶和二阶常微分方程(ODE)模型。对于二阶系统,详细阐述了诸如自然频率、阻尼比等关键参数如何决定系统的响应特性(过阻尼、欠阻尼、临界阻尼)。利用阶跃响应曲线,读者将学会直观地评估系统的响应速度(调节时间)和精度(超调量)。 第三章:拉普拉斯变换及其在系统建模中的应用 拉普拉斯变换作为连接时域和频域的桥梁,在本章中被系统地介绍。我们侧重于其在求解线性常系数微分方程中的便捷性。关键概念包括:系统函数的定义(传递函数 $G(s)$)、零输入响应与零状态响应的分离,以及利用传递函数对物理系统(如RLC电路、机械振动系统)进行建模的过程。本章强调了如何从物理结构图纸推导出精确的数学模型。 --- 第二部分:系统的时域分析与性能指标 本部分将重点放在如何通过时域的输入信号(如单位阶跃、单位脉冲)来评估和设计控制器的性能。 第四章:稳态误差分析 系统的长期行为是控制设计中至关重要的一环。本章引入了系统的开环传递函数结构,并根据输入信号的类型(位置、速度、加速度误差常数 $K_p, K_v, K_a$)来判断系统的无差标准(Type Number)。详细推导了系统的稳态误差公式,并探讨了如何通过引入积分项(I控制)来消除特定类型的稳态误差,从而达到零稳态误差的设计目标。 第五章:系统的稳定性判据 稳定性是控制系统的生命线。本章系统地介绍了判断系统是否稳定的几种核心方法。首先基于特征方程(即闭环传递函数分母多项式)的概念,引入了代数判据,特别是劳斯-赫尔维茨(Routh-Hurwitz)判据。读者将学习如何不求解特征方程的根,仅通过系数矩阵的排列就能确定系统根的位置(左半平面、右半平面或纯虚轴),从而快速判断稳定性、相对稳定性及是否存在振荡。 --- 第三部分:频率响应分析与根轨迹法 本部分是古典控制理论的精髓所在,它允许工程师将复杂的时域问题转化为直观的频率域图形分析。 第六章:频率响应与波德图 本章详细介绍了频率响应的概念,即系统对不同频率正弦激励的幅值和相位的变化。核心内容集中在波德图(Bode Plot)的绘制与解读。我们系统讲解了如何对一阶、二阶、积分器和导数项的传递函数绘制渐近线和修正曲线,以及如何利用波德图快速判断系统的开环增益裕度(Gain Margin, GM)和相角裕度(Phase Margin, PM),这些裕度是衡量系统稳定裕度和瞬态响应性能的关键指标。 第七章:奈奎斯特稳定性判据 这是频率响应分析中最强大和通用的稳定性判据。本章深入讲解了奈奎斯特图的绘制原理,以及如何应用奈奎斯特(Nyquist)判据来判断闭环系统的稳定性,特别是它在处理纯滞后环节(如时间延迟)时的优越性。本判据的几何解释将帮助读者深刻理解相位裕度和增益裕度的物理意义。 第八章:根轨迹法 根轨迹法提供了一种强大的设计工具,用于观察当系统的开环增益 $K$ 变化时,闭环极点(系统的特征根)如何在 $s$ 平面上移动的轨迹。本章详细阐述了根轨迹的绘制规则,包括起点、终点、渐近线、实轴上的轨迹段、以及根在虚轴上的交点。通过根轨迹,设计者可以直观地选择合适的增益 $K$ 值,以满足特定的瞬态响应要求(如期望的阻尼比或自然频率)。 --- 第四部分:经典控制器设计 本部分将理论分析转化为实际的工程设计。重点讨论如何通过引入校正装置(补偿器)来改善系统的性能和稳定性。 第九章:PID 控制器原理与整定 PID(比例-积分-微分)控制器是工业控制中最普遍的反馈结构。本章深入剖析了P、I、D三项各自对系统时域响应的影响:比例项影响带宽和响应速度,积分项消除稳态误差,微分项提供相位超前以提高阻尼。重点介绍几种PID 经典整定方法,包括齐格勒-尼科尔斯(Ziegler-Nichols)法(基于临界增益和周期),并讨论了在实际应用中,微分项引入噪声的局限性及微分真项的应用。 第十章:前馈与超前/滞后补偿器设计 当PID控制不足以满足性能指标时,需要引入更精细的补偿技术。 滞后(Lag)补偿器:用于提高系统的开环增益,从而减小稳态误差,同时对高频噪声的抑制提供一定的帮助。 超前(Lead)补偿器:用于提供额外的相位裕度,从而提高系统的阻尼比,减少超调,加快响应速度。 PID 综合设计:结合波德图分析,展示如何使用超前和滞后补偿器的组合,在频率域上精确地满足预定的相位裕度和增益裕度要求,从而在时域上达到最佳的瞬态性能。 --- 总结 《古典控制理论基础:从牛顿力学到现代工程实践》严格遵循了基于传递函数和频率响应分析的经典设计范式。本书内容聚焦于理论的严谨性、分析工具的实用性以及设计过程的可视化。通过对时域、频域分析工具的精湛掌握,读者将能够独立分析、设计和调试绝大多数基于线性化模型的经典反馈控制系统。本书不涉及状态向量表示、最优控制或卡尔曼滤波等更偏向于现代控制理论的议题。

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读后感

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用户评价

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这本书的篇幅相当可观,这让我觉得内容一定非常充实。我仔细翻阅了目录,发现它涵盖了许多我之前只听说过但未曾深入了解的控制理论分支,比如模糊控制、神经网络控制以及滑模控制。这些非传统控制方法在处理复杂非线性系统时具有独特的优势,我非常好奇这本书将如何系统地介绍这些方法。特别是模糊控制,它试图模仿人类的模糊推理能力来设计控制器,这在我看来是一种非常直观且强大的控制方式。我希望书中能提供清晰的模糊规则设计方法,以及如何将模糊逻辑与传统控制方法相结合,以提升系统的性能。同时,对于神经网络控制,我关注它如何利用神经网络的学习能力来逼近复杂的非线性动态,并实现自适应的控制。滑模控制以其对参数变化和外部干扰的强鲁棒性而闻名,我期待书中能够深入分析滑模控制的原理,包括如何设计滑模面和切换律,以及如何避免抖振现象。这些高级控制理论的讲解,无疑会极大地拓宽我的视野,并为我解决更具挑战性的控制问题提供新的思路和工具。

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这本书的封面设计相当吸引人,那种深沉的蓝色搭配着银色流线型的文字,立刻就勾起了我对现代控制理论那严谨而又充满活力的初印象。翻开书页,纸张的质感也很好,拿在手里有种厚重感,这让我对其中内容的深度充满了期待。我一直对自动化系统如何实现精确、稳定的运行感到着迷,而“Moderne Regelungssysteme”这个书名本身就传达了一种对前沿控制技术的探索。从目录来看,它似乎涵盖了从基础概念到高级应用的一系列重要主题,比如状态空间方法、最优控制、鲁棒控制等等,这些都是我希望深入了解的领域。特别是关于非线性系统和自适应控制的部分,我希望这本书能够提供清晰的理论讲解和实用的案例分析,帮助我理解如何在复杂多变的实际应用中设计出有效的控制策略。我尤其关注它是否能解释清楚不同控制方法的优缺点以及它们适用的场景,这对于我选择和应用控制技术至关重要。这本书的书名让人联想到工业自动化、航空航天、机器人技术等诸多高科技领域,我期待它能为我打开一扇通往这些领域智能控制系统的大门,让我能够更系统地理解和掌握现代控制技术的精髓,并能够将所学知识应用于我自己的项目和研究中,解决实际工程问题,提升系统的性能和可靠性。

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我被这本书的实用性所折服。它不仅仅是一本理论书籍,更像是一本为工程师量身定制的指南。我注意到书中包含大量的仿真示例和实际应用案例,这让我非常兴奋。我尤其期待它在关于数字信号处理在控制系统中的应用方面的讲解。例如,如何对传感器信号进行滤波,如何实现精确的采样和量化,以及如何进行控制器在数字域的实现。这些基础但关键的环节,对于构建可靠的数字控制系统至关重要。我还对书中关于自适应控制的章节非常感兴趣。自适应控制能够根据系统参数的变化自动调整控制器的参数,从而在系统动态发生变化时仍能保持良好的性能。我希望书中能够介绍几种典型的自适应控制算法,比如梯度下降法或基于模型参考自适应控制(MRAC)的算法,并提供相应的仿真示例,让我能够理解其工作原理和应用方法。这本书的实用性,将极大地帮助我将理论知识转化为实际的工程项目。

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我注意到这本书在内容组织上非常有条理,每一章都围绕一个核心主题展开,并且在章节之间有清晰的逻辑联系。从基础概念的铺垫,到模型建立,再到控制器的设计和分析,整个学习过程是循序渐进的。我特别欣赏作者在解释数学概念时所采用的方法,通常会先给出直观的解释,然后再引入严谨的数学推导,这种“由浅入深”的教学方式让我觉得学习起来并不枯燥。书中的一些图表也设计得非常精美,它们有效地将抽象的数学关系可视化,帮助我更好地理解系统的动态行为和控制器的作用。我正在思考,这本书在稳定性分析方面是否会有比较深入的讲解,例如李雅普诺夫稳定性理论的多种形式,以及如何利用这些理论来证明控制系统的稳定性。在实际工程中,确保系统的稳定性是首要任务,而稳健的稳定性分析方法能够为控制器的设计提供坚实的基础。我希望这本书能够为我提供一套完整的稳定性分析工具箱,让我能够自信地评估和验证我所设计的控制系统的稳定性。

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这本书的逻辑结构我非常赞赏。它并非直接抛出复杂的数学模型,而是循序渐进地引导读者理解控制系统的基本原理。从传递函数和频率响应的介绍开始,作者用生动的语言和清晰的图示解释了系统稳定性和性能指标的重要性。我特别喜欢其中关于根轨迹分析的部分,它不仅仅是数学运算,更是对系统参数变化如何影响系统行为的一种直观可视化,这对我这种喜欢“看见”系统内部工作方式的人来说,简直是福音。书中的例子也十分贴切,从简单的二阶系统到稍微复杂的多输入多输出系统,都用到了生活中常见的例子,比如车辆的悬架系统、温度控制系统等等,这大大降低了学习的门槛,也让我更容易将理论知识与实际应用联系起来。我还在思考,这本书对于如何处理系统中的不确定性和干扰方面,是否会有深入的探讨。在实际的工程应用中,完美的系统模型往往是不存在的,如何设计出对这些不确定性鲁棒的控制器,是我一直以来非常感兴趣且感到困惑的一个问题。我期待它能提供一些有效的分析工具和设计方法,帮助我构建更具韧性的控制系统,使其在面对外部扰动和模型误差时仍能保持良好的性能。

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我被这本书的全面性所打动。它似乎试图涵盖现代控制系统领域的方方面面,从基础的传递函数到前沿的智能控制。我特别感兴趣的是书中关于系统辨识和模型构建的部分。在实际应用中,我们常常需要从实验数据中获取系统的模型,以便进行控制器的设计。我希望这本书能够提供各种系统辨识的方法,包括参数辨识和结构辨识,并给出相应的算法和实例。例如,如何利用最小二乘法来辨识模型的参数,或者如何利用神经网络来构建复杂的非线性系统模型。此外,我还对书中关于PID控制器整定和优化的讨论很感兴趣。PID控制器虽然简单,但在工业界应用最为广泛。我希望书中能够提供各种PID控制器整定的方法,如Ziegler-Nichols方法、临界比例法等,并讨论如何通过优化来进一步提高PID控制器的性能,例如利用遗传算法或粒子群优化算法来寻找最优的PID参数。这本书的全面性,将为我提供一个完整的控制系统设计知识体系。

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这本书的语言风格非常严谨而清晰。尽管它是关于现代控制系统这样技术性很强的领域,但作者的写作风格却非常易于理解。他善于使用简洁明了的语言来解释复杂的概念,并且在必要的时候会提供详细的推导过程。我特别喜欢他在讲解传递函数和频率响应时所做的类比,这让我能够更直观地理解这些抽象的数学工具是如何描述系统行为的。书中的一些图表也设计得非常具有信息量,它们能够简洁地传达大量信息,并且易于解读。我正在思考,这本书在关于控制器整定(tuning)方面,是否会有一些实用的指导。例如,如何根据系统的性能需求来调整PID控制器的比例、积分、微分参数,或者如何优化最优控制器的增益。这些实践性的内容对于工程师来说非常重要,能够帮助我们更快地将理论知识转化为实际的工程应用,并达到预期的控制效果。

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我被这本书的深度和广度所震撼。它不仅仅是一本介绍现代控制理论的书,更像是一本控制工程的百科全书。我注意到它还涉及到了一些前沿的研究方向,例如智能控制、分布式控制系统以及网络化控制系统。对于智能控制,我非常期待它能介绍如何利用机器学习和人工智能技术来增强控制系统的自适应性和鲁棒性。在分布式控制系统方面,我希望它能讲解如何协调多个相互连接的控制器来共同完成控制任务,这在大型复杂系统中尤为重要。网络化控制系统是当前研究的热点,我对此非常感兴趣。我希望书中能探讨网络延迟、丢包等网络不确定性对控制系统性能的影响,以及如何设计能够抵抗这些网络因素的控制器。此外,我还对书中关于模型辨识的章节很感兴趣。在实际工程中,我们往往需要从实验数据中辨识出系统的模型,以便进行控制器的设计。我希望这本书能提供各种模型辨识方法,并给出相应的算法和实例,帮助我掌握这一关键技能。

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我被这本书的理论深度和前沿性所吸引。从目录上看,它不仅涵盖了经典控制理论的基础,更深入探讨了现代控制理论的多个重要分支。我特别关注它对于状态空间方法的论述。状态空间方法提供了一种更全面、更强大的描述系统动态的方式,尤其是在处理多输入多输出(MIMO)系统时。我希望书中能够详细讲解状态向量的意义,状态方程的建立,以及如何利用状态空间方法进行系统分析和控制器设计,例如极点配置和线性二次调节(LQR)。此外,鲁棒控制也是我非常感兴趣的一个方向。在实际工程中,系统模型总会存在不确定性,鲁棒控制的目标是设计出在模型不确定性存在的情况下仍能保持稳定和高性能的控制器。我希望书中能够介绍几种主要的鲁棒控制方法,如H-无穷控制或mu-合成,并解释它们的设计原理和适用范围。这本书的深度和广度,无疑会为我提供一个坚实的理论基础,让我能够应对更复杂的控制挑战。

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我被这本书的实践导向性深深吸引。它不仅仅停留在理论层面,而是非常注重将抽象的概念转化为实际可操作的步骤和方法。书中有大量的算法实现和仿真案例,作者似乎非常鼓励读者动手实践。我最期待的是它关于数字控制的部分,如何将连续时间系统离散化,以及各种数字控制器(如PID、状态反馈等)的设计和实现细节。我特别关注它是否会讲解如何利用MATLAB/Simulink等仿真工具来验证和优化控制器的设计,这对于我们工程师来说是必不可少的技能。书中对模型预测控制(MPC)的介绍更是让我眼前一亮,MPC作为一种能够处理约束和多变量系统的先进控制策略,其在工业过程控制中的应用前景广阔。我希望这本书能够详细阐述MPC的原理,包括目标函数、约束条件以及预测模型的构建,并提供一些实际的工业应用案例,让我能够理解MPC是如何在复杂的生产环境中发挥作用的。此外,我也对书中关于最优控制的论述很感兴趣,特别是如何根据特定的性能指标来设计最优的控制律,这对于提高系统的效率和性能具有至关重要的意义。

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