控製係統設計與模擬：使用MATLAB/SIMULINK(第八版)(附範例光碟) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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本書跳脫嚴謹的控製理論，改以應用MATLAB/SIMULINK來瞭解控製工程的問題，內容包含兩大部份，第一部份介紹SIMULINK的使用法，從基本到進階皆有詳細介紹，並對每一個方塊函數做解析，第二部份介紹控製係統的設計、分析與模擬如時域響應分析、頻域響應分析、根軌跡法、狀態空間設計法及離散控製係統等。本書適閤科大電機係「控製係統」課程使用。

現代控製理論的基石與實踐：深入解析經典與前沿設計方法 本書旨在為讀者提供一個全麵且深入的現代控製係統設計與分析框架，重點關注理論的嚴謹性與工程實踐的緊密結閤。全書內容涵蓋瞭從基礎概念到高級控製策略的完整體係，尤其側重於綫性定常係統（LTI）的建模、時間域與頻域分析，以及經典反饋控製器的設計與性能優化。 --- 第一部分：控製係統的基礎與建模——理解係統的本質 本捲首先奠定瞭紮實的數學基礎，以確保讀者能夠準確地描述和理解動態係統的行為。 1. 動態係統的基本概念與描述： 詳細闡述瞭控製係統的基本組成（傳感器、執行器、控製器、被控對象）和反饋控製的必要性。引入瞭係統的基本屬性，如綫性度、時不變性、因果性與穩定性。深入探討瞭連續時間係統與離散時間係統的本質區彆，為後續的數字控製打下基礎。 2. 時域建模方法：微分方程與傳遞函數： 這是描述物理係統的核心工具。本書詳盡講解瞭如何利用牛頓第二定律、基爾霍夫定律等物理學原理，推導機械係統（如彈簧-質量-阻尼器）、電路係統以及機電係統的常微分方程（ODE）模型。隨後，通過拉普拉斯變換，係統地介紹傳遞函數（Transfer Function）的構造、性質（如零點、極點、增益）及其在係統框圖簡化中的應用。強調瞭傳遞函數在分析係統動態響應中的直觀優勢。 3. 狀態空間錶示法：現代控製的基石： 作為現代控製理論的支柱，狀態空間法被深入探討。詳細介紹瞭狀態變量的選擇原則，以及如何將高階微分方程轉換為一階狀態空間方程組（$dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$ 和 $mathbf{y} = mathbf{Cx} + mathbf{Du}$）。重點分析瞭矩陣 $mathbf{A}$（係統矩陣）的特徵值與係統動態響應的關係。此外，還包含瞭可控性（Controllability）和可觀測性（Observability）的嚴格判據（如行列式判據），這是設計狀態反饋控製器和觀測器的前提條件。 4. 係統的時域響應分析： 係統分析的核心在於預測其對標準輸入（如單位階躍、單位脈衝）的反應。本書詳細分析瞭一階係統和二階係統的瞬態響應特性，包括上升時間、超調量、峰值時間和穩定時間。對於高階係統，引入瞭主導極點近似的概念，用以簡化分析，並展示瞭零點和非主導極點對係統瞬態性能的微小但關鍵的影響。 --- 第二部分：經典控製理論的深度挖掘與設計 本部分聚焦於基於傳遞函數和頻率響應的經典控製方法，這是工程實踐中最成熟、最直觀的設計工具集。 5. 穩態誤差分析與前饋/反饋結構： 深入剖析瞭係統在穩態下對不同輸入信號（如位置、速度、加速度誤差信號）的跟蹤能力。係統地解釋瞭開環型數（Type Number）的概念，並展示瞭如何通過引入PID控製器的比例（P）、積分（I）和微分（D）項，有效地消除穩態誤差，提升係統的誤差常數 $K_p, K_v, K_a$。 6. 根軌跡法：設計與性能的幾何解釋： 根軌跡法是直觀理解反饋係統穩定裕度和瞬態性能如何隨增益 K 變化的強大工具。本書詳細推導瞭根軌跡的基本繪製規則，包括漸近綫、虛軸交點和起跑角。通過對根軌跡圖的分析，讀者可以精確地確定所需的極點位置，從而設計齣具有特定阻尼比和自然頻率的閉環係統。 7. 頻率響應分析與波德圖/奈奎斯特圖： 頻率響應分析將時域問題轉化為頻域問題，特彆適用於存在大量不確定性和高頻噪聲的實際係統。 波德圖（Bode Plot）： 詳細講解瞭如何快速繪製開環係統的波德圖，並利用其分析係統的帶寬、增益裕度（GM）和相角裕度（PM），這是衡量反饋係統穩定性的關鍵指標。 奈奎斯特圖（Nyquist Plot）： 提供瞭更精確的穩定性判據——奈奎斯特穩定性判據。通過分析開環頻率響應麯綫對 $(-1, 0)$ 點的包圍次數，可以嚴格判斷閉環係統的穩定性，尤其適用於穩定裕度分析。 8. 經典補償器的設計（前饋網絡設計）： 重點教授如何使用超前（Lead）、滯後（Lag）和超前-滯後（Lead-Lag）補償器來修正開環頻率響應，以滿足特定的穩態要求（如提高靜態誤差常數）和動態性能要求（如增加相位裕度）。提供瞭詳細的、一步步的波德圖設計流程，強調瞭補償器對係統零極點位置的影響。 --- 第三部分：現代控製理論與先進的係統實現 本部分轉嚮以狀態空間為基礎的現代控製方法，並探討瞭係統實現的具體技術。 9. 李雅普諾夫穩定性理論： 在不能直接計算閉環極點或在非綫性係統分析中，李雅普諾夫方法是判定穩定性的首選。本書清晰闡述瞭直接法（第二法）的原理，包括構造閤適的李雅普諾夫能量函數，並推導瞭穩定性的必要和充分條件，使得讀者能夠對復雜係統的穩定性進行“無求解”的分析。 10. 極點配置與狀態反饋設計： 基於狀態空間模型，極點配置（Pole Placement）允許設計者將閉環係統所有的極點放置到s平麵上的任意期望位置，隻要係統是可控的。詳細講解瞭Ackermann公式在計算所需狀態反饋增益矩陣 $mathbf{K}$ 上的應用，以及如何利用反饋信號 $u = -mathbf{Kx}$ 來實現期望的動態性能。 11. 觀測器的設計與狀態估計： 由於係統的狀態變量通常無法直接測量，需要設計狀態觀測器（State Observer）來估計這些狀態。本書介紹瞭“分離原理”（Separation Principle），並詳細闡述瞭Luenberger觀測器的構造。通過將觀測器極點放置在比控製器極點更遠的位置（以確保快速收斂），實現瞭狀態估計與反饋控製的解耦設計。 12. 離散時間係統與數字控製基礎： 針對現代嵌入式控製器的廣泛應用，本書深入分析瞭從連續時間係統到離散時間係統的Z變換和采樣過程。重點討論瞭脈衝響應不變法和雙綫性變換法（Tustin變換）在離散化過程中的應用，以及離散係統極點（位於單位圓內）的穩定性判據。 --- 核心特點： 本書強調理論與工程實踐的完美融閤，通過嚴謹的數學推導確保瞭理論的深度，並通過大量的、詳細的步驟化設計實例（涵蓋典型如伺服機構、熱係統等）展示瞭如何應用這些工具解決實際問題。它為工程師和研究人員提供瞭一個堅實的平颱，不僅理解“為什麼”控製是有效的，更掌握瞭“如何”精確地設計齣滿足性能指標的控製律。

第一章 概論 1-1
1-1 控製係統簡介 1-2
1-2 MATLAB/SIMULINK簡介 1-3
1-3 係統需求 1-9
1-4 本書說明與使用 1-10
1-5 MATLAB的基本使用法 1-13

第一篇 SIMULINK 2-1

第二章 快速開始 2-2
2-1 如何開始 2-2
2-2 一個簡單的模型 2-4
2-3 快速上手 2-11
2-4 另一個簡單的模型 2-12
2-5 PID控製器模型 2-20

第三章 建構模型 3-1
3-1 建構新模型 3-2
3-2 編輯已存在的模型 3-2
3-3 選取物件 3-4
3-4 在不同視窗間復製或移動blocks 3-6
3-5 在模型視窗中移動blocks 3-7
3-6 在模型視窗中復製blocks 3-8
3-7 設定block的參數 3-9
3-8 刪除blocks 3-9
3-9 改變blocks的置放方嚮 3-9
3-10 改變blocks圖示的形狀大小 3-10
3-11 修改blocks的名稱 3-11
3-12 輸入值與參數值的純量展開 3-12
3-13 在blocks間連接綫段 3-13
3-14 刪除綫段 3-15
3-15 移動綫段 3-16
3-16 移動頂點 3-17
3-17 分割直綫段 3-17
3-18 産生次係統 3-18

第四章 模擬與分析 4-1
4-1 簡介 4-2
4-2 模擬 4-5
4-3 離散時間係統 4-25
4-4 綫性化 4-29
4-5 平衡點之決定 4-32

第五章 自訂方塊函數 5-1
5-1 簡介 5-2
5-2 Masking 程序的概觀 5-2
5-3 産生一個 Masked Block 5-3
5-4 另一個例子 5-15
5-5 S-函式 5-20
5-6 一個完整的例子 5-26

第六章 方塊函數解析 6-1
6-1 Sources方塊函數庫 6-2
6-2 Sinks方塊函數庫 6-29
6-3 Continuous方塊函數庫 6-44
6-4 Discrete方塊函數庫 6-59
6-5 Math方塊函數庫 6-75
6-6 Funcctions & Tables方塊函數庫 6-99
6-7 Nonlinear方塊函數庫 6-117
6-8 Signals & Systems方塊函數庫 6-138
6-9 Subsystems方塊函數庫 6-166

第二篇 控製係統 7-1

第七章 動態係統模型之建立 7-2
7-1 引言 7-2
7-2 機械係統 7-17
7-3 電路係統 7-33
7-4 電機械係統 7-35

第八章 時域響應分析法 8-1
8-1 引言 8-2
8-2 時域響應 8-2
8-3 根軌跡分析 8-21

第九章 頻域響應分析法 9-1
9-1 引言 9-2
9-2 波德圖 9-2
9-3 奈氏圖 9-8
9-4 相對穩定度 9-18
9-5 標準二階係統頻率響應 9-25
9-6 尼可士圖 9-32

第十章 控製器設計 10-1
10-1 引言 10-2
10-2 PID控製器 10-2
10-3 PID控製器之積分終結 10-10
10-4 相位領先補償器 10-19
10-5 相位落後補償器 10-30
10-6 相位落後-領先補償器 10-39

第十一章 狀態空間設計法 11-1
11-1 引言 11-2
11-2 可控製性與可觀測性 11-2
11-3 極點安置設計 11-7
11-4 觀測器設計 11-15
11-5 綫性二次最佳控製器設計 11-23

第十二章 離散時間控製係統 12-1
12-1 引言 11-2
12-2 連續係統的離散化 12-3
12-3 時域分析 12-11
12-4 頻域分析 12-21
12-5 自動導引車係統 12-25

第十三章 LTI Viewer 13-1
13-1 簡介 13-2
13-2 直流伺服馬達模型 13-2
13-3 顯示多個模型的響應圖形 13-12
13-4 多輸入多輸齣模型響應 13-14
13-5 Simulink LTI Viewer 13-17

第十四章 SISO Design Tool 14-1
14-1 簡介 14-2
14-2 直流伺服馬達模型 14-2
14-3 增加積分器 14-8
14-4 增加領先 (超前) 網路 14-10
14-5 凹陷濾波器 14-15
14-6 附註 14-17
A1 方塊函數索引 A1-1
A2 參考資料 A2-1

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在教學一綫，我始終在尋找一本能夠既滿足本科生入門需求，又能作為研究生深入研究參考的優秀教材。《控製係統設計與模擬：使用MATLAB/SIMULINK (第八版)》這個名稱，讓我看到瞭它的普適性和實用性。我設想，這本書的編寫風格一定是循序漸進的，從最基礎的係統建模、傳遞函數、時域響應分析開始，逐步過渡到更復雜的頻率域分析、穩定性判據，以及各種控製器的設計方法。並且，它會非常注重MATLAB/SIMULINK在整個設計過程中的作用，詳細介紹如何利用這些工具進行係統辨識、控製器設計、仿真調試以及性能評估。我尤其看重書中可能包含的“範例光碟”，因為它能夠為學生提供一個動手實踐的環境，讓他們能夠親眼看到理論知識如何轉化為具體的控製係統，如何通過仿真來驗證設計的效果。對於我而言，這本教材的價值在於，它能夠幫助我的學生們更好地理解抽象的控製理論，培養他們解決實際工程問題的能力，為他們未來的學術或職業生涯打下堅實的基礎。

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我是一位對自動化和機器人領域充滿熱情的研究生，在過去的研究項目中，我深切體會到紮實的控製理論基礎和熟練的仿真工具運用是多麼重要。我一直在尋找一本能夠幫助我深入理解現代控製理論，並掌握最新仿真技術的高級教材。《控製係統設計與模擬：使用MATLAB/SIMULINK (第八版)》以其“第八版”的迭代更新，預示著它緊跟學術前沿，內容必然是與時俱進的。我猜測書中會涵蓋諸如模型預測控製、自適應控製、魯棒控製等更先進的控製技術，並且會詳細講解如何在MATLAB/SIMULINK環境中實現這些復雜算法的建模、仿真與分析。我特彆關注的是書中的“模擬”部分，這不僅僅是簡單的代碼堆砌，而是對係統動態行為進行深入探究的過程。我相信，通過學習書中詳盡的範例，我將能夠掌握如何構建復雜的係統模型，進行係統穩定性分析、性能評估，以及如何利用仿真結果來指導實際係統的設計和優化。對於我正在進行的復雜機器人控製算法的研究，這本書無疑將提供寶貴的理論指導和實踐工具。

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對於許多想要進入工業界，尤其是在航空航天、汽車製造、過程控製等領域工作的工程師而言，掌握一套高效的控製係統設計工具至關重要。《控製係統設計與模擬：使用MATLAB/SIMULINK (第八版)》這樣的書籍，正是連接課堂理論與工業實踐的紐帶。我之前接觸過一些基礎的控製理論，但缺乏將這些理論轉化為實際可操作的設計方案的經驗。我期望這本書能提供大量的工程實例，從簡單的電機控製到復雜的飛行器姿態控製，能夠涵蓋不同領域的典型問題。更重要的是，我希望通過書中詳細的MATLAB/SIMULINK操作指南，我能夠學會如何根據實際係統的物理模型，建立精確的仿真模型，然後運用書中介紹的各種控製設計方法，如根軌跡法、頻率響應法、狀態反饋等，來設計齣滿足性能要求的控製器。並且，我期待書中能夠講解如何利用SIMULINK的各種模塊來構建直觀的係統框圖，並對其進行參數調優，最終通過仿真驗證控製器的有效性，為實際部署提供可靠的依據。

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作為一名正在學習控製係統設計的新手，我一直渴望找到一本能夠係統地介紹理論知識，同時又能提供實際操作指導的教材。在瀏覽瞭眾多書籍後，《控製係統設計與模擬：使用MATLAB/SIMULINK (第八版)》立刻吸引瞭我。雖然我還沒有開始閱讀，但僅從書名和宣傳來看，它就仿佛是我理論學習和實踐探索之間的橋梁。我尤其期待的是它能夠深入淺齣地講解控製係統的基本原理，例如PID控製、模糊邏輯控製、狀態空間方法等，並能清晰地闡述這些理論在實際工程應用中的價值。更重要的是，書名中明確提到瞭“使用MATLAB/SIMULINK”，這讓我看到瞭將抽象概念轉化為具體模型的可能性。我相信，通過MATLAB/SIMULINK強大的仿真能力，我將能夠更直觀地理解不同控製策略的效果，並學會如何根據實際需求進行參數調整和優化。對於我這種希望將理論與實踐緊密結閤的學習者來說，能夠通過仿真來驗證理論，這無疑是提升學習效率和解決實際工程問題的關鍵。這本書的齣現，讓我看到瞭通往精通控製係統設計之路的希望，我迫不及待地想翻開它，開始我的探索之旅。

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作為一個在自動化領域工作多年的老兵，我一直認為持續學習和更新知識體係是保持競爭力的關鍵。《控製係統設計與模擬：使用MATLAB/SIMULINK (第八版)》的齣現，讓我看到瞭一個深入學習控製係統設計新進展的機會。我猜想，相較於之前的版本，第八版在內容上必然有所拓展和深化，可能會加入一些關於非綫性控製、智能控製（如神經網絡控製、遺傳算法優化）或者與其他工程學科交叉的應用，比如在電力電子、通信係統中的控製。而“範例光碟”的附帶，則為學習者提供瞭一個動手實踐的絕佳平颱，我期望光盤中包含的不僅僅是書中提到的例子的代碼，可能還會提供更豐富的實驗場景和數據集，讓我們可以直接上手操作，進行仿真實驗，甚至可以嘗試修改和擴展這些例子。這種“理論+實踐”的學習模式，對於我們這些需要將前沿技術應用到實際項目中去的工程師來說，是極其寶貴的。這本書，很可能就是我接下來一段時間提升自身技能的重要資源。