自动控制系统(随书附光碟) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　本书特别强调机电控制系统之分析与设计，具有以下的主题特色：

　　专注于控制系统之理论基础。

　　研究动态系统建模、复变数、拉氏变换等。

　　了解系统稳定度、时域分析、根轨迹技术、状态变数分析等控制主题。

　　将本书所学的知识应用于实际的控制系统设计问题，例如主动式悬吊系统。

　　借由使用 Virtual Lab 软体，读者可如临实境地进行速度或位置控制的实验。

　　新增译者对本书註释之导读附录，使读者进一步了解书中部分内容。

　　本书原文出版公司网站提供建构在 MATLAB 平台上之图形化应用软体 ACSYS，使读者专注于学习如何解决控制问题，而不必撰写程式。

现代控制理论与应用：面向工程实践的系统设计与分析 本书简介 本书旨在为读者提供一套全面、深入且高度面向工程实践的现代控制理论基础知识体系与应用方法论。我们聚焦于如何将抽象的数学模型转化为可靠、高效的实际控制系统设计方案，涵盖从系统辨识、状态空间建模到先进控制策略的设计与实现全过程。本书特别强调理论与实践的紧密结合，力求使读者不仅理解“为什么”这样做，更能掌握“如何”在实际工程中应用这些技术。 第一部分：控制系统的基础与建模 第一章：控制系统的基本概念与历史回顾 本章首先界定了控制系统的核心概念，包括反馈、开环与闭环系统、稳定性、性能指标（如瞬态响应与稳态误差）等。通过回顾经典控制理论（如传递函数、频率响应分析）的发展脉络，为引入更强大的现代控制理论奠定基础。重点讨论了为什么需要从频域分析转向时域和状态空间分析，以处理多输入多输出（MIMO）系统和时变系统。 第二章：系统动态特性的数学描述 这是全书建模的基础。本章详细介绍了描述连续时间与离散时间系统的基本工具。 连续时间系统： 深入探讨微分方程的建立与求解。着重讲解如何利用拉普拉斯变换将微分方程转化为传递函数形式，并分析了系统的极点与零点对动态性能的决定性影响。 离散时间系统： 引入Z变换作为处理数字控制系统的核心数学工具。详细阐述了Z变换的性质及其与拉普拉斯变换的对应关系。讨论了采样对系统特性的影响，包括混叠现象和保持器的作用。 第三章：状态空间表示法——现代控制的核心 本章将系统的描述提升至向量空间层面，这是现代控制理论的标志性特征。 状态变量的选择与定义： 探讨了状态变量的选择原则及其物理意义，强调状态空间模型对多变量系统的天然适用性。 标准形式的转换： 详细推导了可控规范形（Controllable Canonical Form）和可观型（Observable Canonical Form）的构建方法。我们不仅展示了如何将传递函数转换为状态空间形式，也阐述了这些标准形在分析系统结构特性（如可控性和可观测性）中的关键作用。 系统的基本性质分析： 基于状态转移矩阵 $Phi(t)$ 或 $Phi(k)$，系统地分析了系统的全局一致稳定性（使用李雅普诺夫判据的初步介绍）以及时间域下的响应求解。 第四章：系统结构分析——可控性与可观测性 本章是设计控制器的前提。如果系统不可控或不可观，任何基于状态反馈的设计都将是徒劳的。 可控性分析： 引入了庞特里亚金可控性定理，并详细推导了卡尔曼可控性判据（使用可控性矩阵）。我们通过实例展示了如何判断一个给定的线性定常（LTI）系统是否能从任意初始状态转移到零状态。 可观测性分析： 同样，基于卡尔曼可观测性判据，推导了可观测性矩阵，用于判断系统内部状态是否能完全从输出信号中恢复。 解耦与模态分解： 阐述了如何利用状态变换将系统分解为独立的子系统（模态），以及如何通过这些分析来识别系统中的“不可控”或“不可观”部分。 第二部分：现代控制器的设计与实现 第五章：状态反馈极点配置设计（Pole Placement） 极点配置是基于状态反馈控制器的核心设计方法，它直接将系统的动态性能与特征多项式挂钩。 基本原理： 讲解了状态反馈 $u = -Kx + r$ 如何改变系统的闭环特征方程。 Ackermann 公式及其局限性： 详细介绍了基于伴随矩阵（Companion Matrix）的Ackermann公式，这是一种直接计算所需反馈增益矩阵 $K$ 的有效方法。同时，我们讨论了当系统为不可控时该公式失效的原因。 对角化方法： 对于复杂的或具有结构约束的系统，本章提供了基于系统模态分解的、更具鲁棒性的极点配置设计流程。 第六章：状态观测器的设计与输出反馈 由于实际系统中往往无法直接测量所有状态变量，状态观测器（State Observer）应运而生，用于估计不可测状态。 Luenberger 观测器： 详述了 Luenberger 观测器的结构，并证明了其误差系统是独立的且稳定的。关键在于观测器极点的选择（通常配置在比主系统更快的速度）。 最小阶观测器（如卡尔曼-贝希特观测器）： 讨论了在信息冗余度较低时，如何设计一个只估计不可观测状态的最小阶观测器。 状态估计与反馈的结合： 将状态观测器与极点配置反馈结合，形成分离原理（Separation Principle），这是现代控制工程中最强大的工具之一，证明了估计和控制设计可以独立进行。 第七章：最优控制理论基础——LQR 控制器 本章引入了性能指标（代价函数）的概念，将控制设计从“能否做到”提升到“如何做得最好”的层面。 性能指标函数（代价函数 $J$）： 定义了二次型代价函数 $J = int (x^T Q x + u^T R u) dt$，其中 $Q$ 和 $R$ 是权值矩阵，代表了对状态误差和控制输入的相对惩罚。 代数黎卡提方程（ARE）： 详细推导了 LQR（Linear Quadratic Regulator）控制器增益 $K$ 的求解过程，即求解与ARE等价的代数方程。强调了 $Q$ 和 $R$ 矩阵的选择对控制律性能和控制能量消耗的权衡作用。 LQR 控制器的鲁棒性： 简要分析了 LQR 相比于纯极点配置的固有鲁棒性优势。 第八章：鲁棒性分析与控制器性能提升 现代工程对控制系统的可靠性要求极高，本章探讨了系统应对不确定性（如模型误差、外部干扰）的能力。 内环/外环结构： 引入了前馈补偿、抗干扰补偿等提升系统性能的结构设计方法。 系统对参数变化的敏感性： 初步引入了控制系统设计中对增益裕度和相位裕度的要求，作为频域鲁棒性分析的桥梁。 PID 控制器的现代视角： 重新审视了经典的 PID 控制器，并将其置于状态空间和极点配置的框架下，解释了 PID 在工程中广泛应用的原因及其局限性，并提出了基于状态反馈的 PID 改进方案。 第三部分：先进控制与非线性系统基础 第九章：离散时间系统的设计与实现 鉴于所有实际控制器最终都运行在微处理器上，本章专注于数字控制的设计。 离散化方法： 详细对比了零阶保持法（ZOH）和一阶保持法（FOH），以及双线性变换（Tustin's Method），并分析了每种方法引入的近似误差和其对系统带宽的影响。 离散时间状态空间设计： 将第五章和第六章的极点配置和观测器设计方法完整地迁移到离散域，求解离散代数黎卡提方程（DARE）。 第十章：非线性控制系统的定性分析入门 本章为进入复杂的非线性控制领域做了铺垫。 非线性系统的描述： 介绍非线性系统的数学模型，并指出其与线性系统在分析方法上的根本区别。 相平面法： 针对二阶系统，通过相平面图展示了极限环、奇点（平衡点）的稳定性和吸引域的概念。 线性化方法： 讨论了在工作点附近对非线性系统进行泰勒级数展开以实现局部线性化的方法，并分析了这种线性化近似的有效范围。 附录 附录包含矩阵代数复习、李雅普诺夫稳定性判据的严格证明、以及常用的线性代数软件（如 MATLAB/Simulink）在控制系统建模与仿真中的基础操作指南。 本书特色： 本书的结构精心设计，从经典的微分方程出发，逐步过渡到状态空间这一强大的现代工具，最终落脚于工程实践中必需的稳定性和最优性设计。每章均配有大量的工程实例，并提供详细的步骤分解，确保读者能够将所学知识直接应用于实际的机电、化工或航空航天控制问题中。本书内容翔实，逻辑严密，是控制工程专业学生和致力于提升工业控制水平的工程师的理想参考书。

第 1 章　导　论
1.1　简　介
1.2　何谓回授及其影响为何？
1.3　回授控制系统的类型
1.4　摘　要

第 2 章　数学基础
2.1　复数变数之观念
2.2　频域图
2.3　微分方程式之简介
2.4　拉氏变换
2.5　利用部分分式展开法求反拉氏变换
2.6　拉氏变换在求解线性微分方程式之应用
2.7　线性系统的脉冲响应及转移函数
2.8　线性控制系统的稳定度
2.9　有界输入有界输出 (BIBO) 稳定度 ── 连续资料系统
2.10　特征方程式的根与稳定度之间的关系
2.11　连续资料系统之零输入稳定度和渐近稳定度
2.12　决定稳定度的方法
2.13　劳斯 – 赫尔维兹准则
2.14　MATLAB 工具与个案研究
2.15　摘　要

第 3 章　方块图与信号流程图
3.1　方块图
3.2　信号流程图
3.3　MATLAB 工具与个案研究
3.4　摘　要

第 4 章　动态系统建模：理论基础与背景工具
4.1　机械系统模型化之简介
4.2　简单电气系统模型化之简介
4.3　主动电气元件之建模：运算放大器
4.4　热力系统模型化之简介
4.5　流体系统模型化之简介
4.6　流体系统中的感测器与编码器
4.7　控制系统中的直流马达
4.8　具传输滞后的系统 ( 时间延迟 )
4.9　非线性系统的线性化
4.10　类比关系
4.11　个案研究
4.12　MATLAB 工具
4.13　摘　要

第 5 章　控制系统时域分析
5.1　连续资料系统的时间响应之介绍
5.2　控制系统时间响应的典型测试信号
5.3　单位步阶响应与时域规格
5.4　稳态误差
5.5　原型一阶系统的时间响应
5.6　原型二阶系统的暂态响应
5.7　直流马达的速度与位置控制
5.8　位置控制系统的时域分析
5.9　基本控制系统与转移函数中加入极点及零点的影响
5.10　转移函数的主极点与零点
5.11　使用增加极点与零点的基本控制系统
5.12　MATLAB 工具
5.13　摘　要

第 6 章　控制实验室 ( 置于随书光碟中 )
6.1　简　介
6.2　虚拟实验系统之描述
6.3　SIMLAB 及 VIRTUAL LAB 软体之介绍
6.4　模拟与虚拟实验
6.5　设计专题 1 ── 机械手臂
6.6　设计专题 2 ── 四分之一车体模型
6.7　摘　要

第 7 章　根轨迹分析
7.1　简　介
7.2　根轨迹 (RL) 的基本性质
7.3　根轨迹的性质
7.4　根轨迹之设计要点
7.5　根廓图：多重参数变动
7.6　MATLAB 工具与个案研究
7.7　摘　要

第 8 章　频域分析
8.1　简　介
8.2　原型二阶系统的 Mr，ωr 与频宽
8.3　在顺向路径转移函数加入一个零点的影响
8.4　在顺向路径转移函数加入一个极点的影响
8.5　奈奎斯特稳定度准则：基本原理
8.6　极小相位转移函数系统的奈奎斯特准测
8.7　根轨迹图与奈奎斯特图之间的关系
8.8　范例说明：针对极小相位转移函数之奈奎斯特准测
8.9　在 L(s) 加入极点与零点对奈奎斯特图形状的影响
8.10　相对稳定度：增益余裕与相位余裕
8.11　应用波德图的稳定度分析
8.12　相对稳定度与波德图的增益曲线斜率之关系
8.13　利用增益 – 相位图之稳定度分析
8.14　增益 – 相位平面上之定值 – M 轨迹：尼可斯图
8.15　非单位回授系统之尼可斯图之应用
8.16　频域中之灵敏度研究
8.17　MATLAB 工具与个案研究
8.18　摘　要

第 9 章　控制系统设计
9.1　简　介
9.2　PD 控制器设计
9.3　PI 控制器设计
9.4　PID 控制器设计
9.5　相位超前控制器设计
9.6　相位落后控制器设计
9.7　相位超前 – 落后控制器设计
9.8　极 – 零点对消设计：陷波泸波器
9.9　顺向控制器及前馈控制器
9.10　强健控制器及前馈控制器
9.11　内环回路回授控制
9.12　液压控制系统
9.13　控制器设计
9.14　MATLAB 工具与个案研究
9.15　绘图指导
9.16　摘　要

第10章　状态变数分析 ( 置于随书光碟中 )
10.1　简　介
10.2　方块图、转移函数和状态图
10.3　状态方程式的向量 – 矩阵表示法
10.4　状态转移矩阵
10.5　状态转移方程式
10.6　状态方程式和高阶微分方程式之关系
10.7　状态方程式与转移函数之关系
10.8　特征方程式、特征值与特征向量
10.9　相似变换
10.10　转移函数的分解
10.11　线性系统的可控性
10.12　线性系统的可观性
10.13　可控性、可观性和转移函数之间的关系
10.14　可控性与可观性的不变性定理
10.15　个案研究：磁浮球系统
10.16　状态回授控制
10.17　状态回授之极点配置设计
10.18　具有积分控制的状态回授
10.19　MATLAB 工具与个案研究
10.20　摘　要

附录

评分☆☆☆☆☆

這本《自動控制系統》對我來說，絕對是一本「工具書」的質感。我平常的工作會接觸到很多需要精密控制的機械設備，所以對自動控制的原理一直很有興趣，但總是覺得市面上的書籍要么太過艱澀，要么就是太過基礎，難以找到一本能兼顧理論深度和實用性的。這本書的「隨書附光碟」讓我眼睛一亮，我認為這代表著作者不僅僅是傳授知識，更是提供了解決問題的「工具」。 我非常好奇光碟裡會包含哪些實用的軟體工具，例如MATLAB/Simulink的相關模組，或是其他專門用於分析和設計控制系統的軟體。如果能有實際的範例程式碼，讓我們可以直接套用或修改，那學習效果肯定會事半功倍。我希望這本書能夠在理論講解清楚的同時，也能提供足夠多的實際操作指南，讓我們能夠透過光碟裡的資源，親自動手驗證書本上的理論，並且能夠將這些方法應用到我們實際的工作項目中。這本書的出現，讓我對學習自動控制充滿了期待。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，我挑選這本《自動控制系統》純粹是看中了它「隨書附光碟」的標示。因為我的工作經常需要做一些系統的模擬與分析，而傳統的學習方式往往只能停留在理論推導，對於實際操作的幫助有限。這本書的出現，正好填補了我學習過程中的一個重要環節。我還沒有詳細閱讀內容，但光是光碟裡可能包含的軟體套件或者模擬程式，就足以吸引我。我猜測，這些工具應該能讓我們更好地理解書本上所講述的演算法和理論，並且能夠親手去設計、調整和測試不同的控制策略。 我希望這本書能夠提供一些實際的案例研究，讓我們能夠將學到的知識應用到實際的工程問題中。畢竟，學習自動控制最終的目的還是為了解決實際問題，提高系統的性能和效率。如果光碟裡的內容能夠包含一些常用的控制演算法的實現範例，甚至是完整的模擬專案，那對於我來說將會是莫大的幫助。我期待能夠透過這本書的學習，將理論與實踐結合得更緊密，為我的工作帶來實質性的提升。

评分☆☆☆☆☆

這本《自動控制系統》的封面上「隨書附光碟」幾個字，對我來說簡直是神來之筆。身為一個對這個領域充滿好奇，但又經常被繁複數學公式嚇退的軟體工程師，我一直在尋找一本能夠 bridge 我理論知識和實際應用之間鴻溝的書籍。看到有光碟，我立刻聯想到裡面應該會有一些非常有價值的補充資源，比如能幫助我們進行系統模擬的軟體，或者是一些經典控制演算法的實作範例。 我個人比較在意的是，這本書在講解理論時，是否能提供足夠的視覺化輔助，比如系統方塊圖、信號流圖，甚至是一些動畫模擬，來幫助我們更直觀地理解複雜的動態系統。如果光碟裡有類似的模擬工具，能夠讓我們實際操作，觀察不同參數對系統響應的影響，那絕對會讓學習過程變得生動有趣，記憶也會更加深刻。我非常期待這本書能夠提供一個完整的學習路徑，從理論到實踐，讓我能夠真正掌握自動控制的精髓，並將其應用到我的軟體開發工作中。

评分☆☆☆☆☆

這本《自動控制系統》的編寫風格，說實話，一開始我以為會是那種死板板、充滿學術術語的教科書，畢竟「自動控制」這幾個字聽起來就夠硬了。但翻開之後，我整個改觀！作者的筆觸非常生動，而且他很有條理地將複雜的系統概念拆解成容易理解的部分。像是他在介紹「系統響應」的時候，不只是講時間響應、頻率響應，還會結合一些真實的物理現象，比如電梯的啟動與停止、機械手臂的精準定位，讓我們知道這些理論是如何體現在我們周遭的。 我尤其喜歡他在探討「系統穩定性」時所做的說明。以往我對這個概念總是有點模糊，但書中透過圖形化的方式，比如根軌跡圖、奈奎斯特圖，再搭配實際的系統故障例子，讓我深刻體會到穩定性對於一個自動控制系統的重要性，以及一旦失控會帶來怎樣的後果。這本書的優點在於，它不只告訴你「是什麼」，更重要的是讓你明白「為什麼」。光碟的附贈更是錦上添花，我認為這絕對是想深入理解自動控制原理，並將之應用於實際工作中的讀者，不可或缺的參考書。

评分☆☆☆☆☆

哇，這本《自動控制系統》真的是讓我眼睛為之一亮！身為一個在工程領域打滾多年的台灣上班族，我常常覺得理論知識和實際應用之間似乎總隔著一層紗，這次總算找到了一本能把這層紗撥開的書。我特別欣賞作者在解釋一些複雜概念時，能用非常貼近我們生活或工作中會遇到的例子來輔助說明，比如他在講到PID控制器時，不是單純地秀出數學公式，而是用室內溫度調節、汽車定速巡航等例子，讓我瞬間就能抓到核心精神。而且，書中結構編排的邏輯非常清晰，從最基本的系統分析，到進階的穩定性判斷、控制器設計，循序漸進，即使是剛接觸自動控制領域的初學者，也能感受到它的引導。 最令我驚喜的是，這本書居然還附帶了一張光碟！這在現在這個數位時代真的算是一個貼心的加分項。光碟裡應該是包含了一些軟體工具、範例程式，甚至是模擬實驗的環境吧？我還沒仔細研究，但光是想到能透過實際操作來驗證書本上的理論，就讓我躍躍欲試。這對於我們這些需要實際動手解決問題的工程師來說，是多麼寶貴的資源啊！很多時候，光看文字和圖表，總覺得隔靴搔癢，有了這些實用的工具，等於是為我們開啟了一扇通往真實世界自動控制應用的門。我已經迫不及待想把它跟我的電腦連結，好好地探索一番了。