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出版者:

作者:唐新蓬

出品人:

页数:296

译者:

出版时间:2010-4

价格:27.90元

装帧:

isbn号码:9787040290271

丛书系列:

图书标签:

• 汽车工程
• 汽车设计
• 车辆工程
• 汽车结构
• 总体设计
• 机械工程
• 交通工具
• 汽车技术
• 汽车造型
• 工业设计

机械动力学与控制系统原理深度解析 本书聚焦于现代机械系统中的核心动力学行为和先进的控制策略。 区别于侧重于结构强度、材料特性或汽车特定子系统（如传动、底盘）设计的传统教材，《机械动力学与控制系统原理深度解析》旨在为读者提供一个通用的、跨学科的理论框架，用以理解和设计各类复杂机电系统的运动规律、振动特性以及实现精确控制的方法。 本书的结构严谨，从最基础的运动学描述出发，逐步过渡到复杂的动力学建模，最终落脚于现代控制理论的应用。 --- 第一部分：基础动力学与系统建模 本部分奠定了分析复杂机械系统的数学基础，重点在于如何将物理实体转化为可供分析的数学模型。 第一章：刚体动力学的经典基础 本章回顾并深化了牛顿-欧拉方程在多自由度系统中的应用。我们着重探讨了坐标系的选取、虚功原理的引入，以及拉格朗日方程在处理约束运动系统时的强大优势。重点内容包括： 约束分析与广义坐标选择： 如何识别并有效消除冗余自由度，建立最小集广义坐标。 欧拉角与四元数在空间运动中的应用及陷阱： 详细分析万向锁问题，并介绍四元数在三维旋转动力学分析中的精确性。 动量守恒与角动量守恒定律在复杂机械系统中的精确表达。 第二章：连续体动力学与模态分析 机械系统往往由柔性部件组成，本章将动力学分析从理想刚体扩展到具有弹性形变的连续体。 欧拉-伯努利梁和欧拉-泰森梁理论的深入探讨： 详细推导柔性部件的振动方程。 有限元方法（FEM）在动力学建模中的初步应用： 介绍如何将连续系统离散化，构建质量矩阵和刚度矩阵。 特征值问题与系统模态分析： 详尽阐述如何求解系统的固有频率和振型。特别强调模态叠加法在求解瞬态响应中的应用，以及如何识别和抑制共振现象。 阻尼理论的扩展： 除了经典黏性阻尼外，本章还引入了结构阻尼（如赫兹接触阻尼）和比例阻尼、非比例阻尼对系统响应的差异化影响。 第三章：机电耦合系统的广义建模 现代工程系统普遍涉及机械、电气和流体元件的相互作用。本章的核心是发展统一的建模语言。 哈密顿系统与哈密顿-雅可比方程： 引入能量视角，构建更具物理洞察力的系统描述。 多物理场耦合的界面方程： 重点关注电磁力（如电机驱动力）、流体动力对机械系统的作用，以及如何使用统一的端口哈密顿模型来描述这些耦合。 非完整约束系统的动力学处理： 针对涉及滑动或滚动，但速度与坐标之间存在线性关系（非完整约束）的系统，介绍微分代数方程组（DAE）的建立与求解。 --- 第二部分：先进控制理论与系统设计 在精确的动力学模型基础上，本部分专注于如何设计有效的反馈控制器，以满足系统性能（如精度、鲁棒性、稳定性）的要求。 第四章：线性系统控制设计基础回顾与提升 本章巩固了经典控制理论，并将其提升到更严格的现代控制视角。 状态空间表示法： 从传递函数到状态空间模型的转换，以及状态重构（观测器设计）的重要性。 可控性与可观测性分析： 深入理解系统的内在特性，判断哪些状态可以通过输入操纵，哪些状态可以通过输出测量。 极点配置与线性二次型调节器（LQR）： 详细推导LQR的优化准则，探讨权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 对控制性能和执行器努力程度的权衡。 补偿器设计： 状态反馈结合积分项实现消除稳态误差（例如，通过速度反馈与位置积分相结合）。 第五章：鲁棒控制与不确定性处理 现实世界的模型总是不完美的，本章关注系统在模型误差、外部扰动和参数变化下的稳定性与性能保证。 $H_{infty}$ 控制理论： 介绍频率域设计方法，目标是最小化系统输入到关键输出之间的加权范数，从而保证对特定频率扰动的抑制。 $mu$ 综合分析与设计： 针对结构化不确定性（如参数的变化范围已知），提供比 $H_{infty}$ 更精确的鲁棒性分析工具。 滑模变结构控制（SMC）： 针对高动态系统和强扰动环境，介绍基于不连续切换面的控制策略，强调其对外部扰动和模型参数不确定性的内在鲁棒性。详细分析抖振现象及其消除技术。 第六章：非线性系统控制策略 许多机械系统的核心动态是高度非线性的，本章聚焦于专门针对非线性系统的先进控制技术。 反馈线性化： 探讨如何通过坐标变换和状态反馈，将一个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。详细讨论微分相对阶（Zero Dynamics）的稳定性分析。 输入-输出线性化与状态反馈线性化对比。 背压法（Backstepping）设计： 一种系统性的、逐层递进的非线性控制设计方法，尤其适用于具有纯反馈结构（Pure Feedback Structure）的系统。本章将详细演示其递归构建过程。 自适应控制基础： 当系统参数未知或时变时，介绍如何利用在线估计器实时调整控制器参数，以维持系统性能。 --- 第三部分：复杂系统的集成与验证 本部分将理论与实践相结合，讨论如何将建模和控制设计应用于实际工程问题，并强调仿真验证的重要性。 第七章：系统辨识与模型修正 在缺乏精确理论模型时，如何利用实验数据建立有效模型。 时域辨识方法： 介绍子空间辨识（Subspace Identification）等先进方法，用于从输入输出数据中直接提取状态空间模型。 频域辨识： 利用频率响应函数（FRF）数据进行系统参数估计。 模型验证与简化： 如何评估辨识模型的精度，以及在控制设计中如何进行必要的模型降阶处理，以平衡精确性和计算效率。 第八章：多速率与分布式控制架构 对于大规模或空间分散的机械系统（如大型结构、机器人集群），本章探讨分散式控制架构的有效实现。 事件驱动与数据驱动控制： 讨论控制器的触发机制，减少不必要的计算和通信负担。 分布式一致性算法： 介绍如何利用局部信息，通过通信网络实现多体系统（如编队控制）的全局目标。 实时性约束下的控制实现： 讨论采样时间、计算延迟对闭环系统稳定性和性能的影响，以及如何设计具有明确时延补偿的控制器。 本书的读者对象是机械工程、控制科学、航空航天工程以及机电一体化专业的高年级本科生、研究生，以及致力于复杂机电系统设计、分析和控制的工程师和研究人员。它提供了一个深入、全面且聚焦于原理和方法论的知识体系，为解决高度耦合、非线性、强扰动环境下的工程挑战奠定坚实的理论基础。

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1st刷：2010年首版，10年前的技术对当下也有很大的指引

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