正版 自動控製原理 第3版 21世紀高等學校規劃教材 電子信息 餘成波自動控製係統數學模 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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餘成波，張蓮，鬍曉倩 著

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• 自動控製原理
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• 第3版
• 餘成波
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齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302478027

商品編碼：29782711900

包裝：104200

開本：16

齣版時間：2018-06-01

頁數：425

商品參數

自動控製原理（第3版）（21世紀高等學校規劃教材·電子信息）
	定價	59.50
	齣版社	清華大學齣版社
	齣版時間	2018年06月
	開本	16
	作者	餘成波、張蓮、鬍曉倩
	頁數	425
	ISBN編碼	9787302478027

內容介紹

本書主要介紹分析和設計反饋控製係統的經*理論和應用方法。全書共8章，內容包括自動控製係統的基本概念，自動控製係統的數學模型，自動控製係統的時域分析法、根軌跡法、頻率特性法，控製係統的校正、非綫性控製係統、離散控製係統的分析和綜閤應用等。在每章後麵分彆介紹瞭MATLAB在自動控製理論中的一些應用，以及如何利用計算機輔助設計方法解決自動控製領域的一些係統分析和設計問題。同時，各章均提供瞭一定數量的習題與MATLAB實驗題，以幫助讀者理解基本概念並掌握分析和設計方法。

本書可作為高等工科院校自動化及相關專業的教材，也可供從事自動化方麵工作的科技人員學習參考。

目錄

目錄

第1章控製係統的基本概念

1.1引言

1.2開環控製係統與閉環控製係統

1.2.1開環控製係統

1.2.2閉環控製係統

1.3自動控製係統的組成

1.3.1基本組成部分

1.3.2自動控製係統中常用的名詞術語

1.4自動控製係統的分類

1.4.1按輸入信號的特點分類

1.4.2按描述係統的動態方程分類

1.4.3按係統的參數是否隨時間而變化分類

1.4.4按信號的傳遞是否連續分類

1.5自動控製係統的應用實例

1.5.1爐溫控製係統

1.5.2導彈發射架方位控製係統

1.5.3計算機控製係統

1.6自動控製理論發展簡史

1.7對自動控製係統的基本要求

習題

第2章自動控製係統的數學模型

2.1控製係統微分方程的建立

2.1.1機械係統

2.1.2電係統——RLC串聯網絡

2.1.3機電係統

2.2非綫性係統微分方程的綫性化

2.2.1小偏差綫性化的概念

2.2.2非綫性係統(元件)綫性化處理舉例

2.2.3係統綫性化的條件及步驟

2.3傳遞函數

2.3.1傳遞函數的定義和性質

2.3.2用復數阻抗法求電網絡的傳遞函數

2.3.3典型環節及其傳遞函數

2.4控製係統的結構圖及其等效變換

2.4.1結構圖的基本概念

2.4.2結構圖的組成

2.4.3結構圖的建立

2.4.4結構圖的等效變換

2.5自動控製係統的傳遞函數

2.5.1係統的開環傳遞函數

2.5.2閉環係統的傳遞函數

2.5.3閉環係統的偏差傳遞函數

2.6信號流圖

2.6.1信號流圖的基本要素

2.6.2信號流圖的常用術語

2.6.3信號流圖的性質

2.6.4信號流圖的等效變換法則

2.6.5梅遜公式

2.7脈衝響應函數

2.8控製係統數學模型的MATLAB實現

2.8.1MATLAB簡介

2.8.2控製係統的數學模型

2.8.3應用舉例

習題

MATLAB實驗

第3章控製係統的時域分析法

3.1典型輸入信號和時域性能指標

3.1.1典型輸入信號

3.1.2動態過程與穩態過程

3.1.3時域性能指標

3.2一階係統的動態性能

3.2.1一階係統的時域數學模型

3.2.2一階係統的重要特性

3.3二階係統的動態性能

3.3.1數學模型的標準式

3.3.2典型二階係統的單位階躍響應

3.3.3典型二階係統動態性能指標

3.3.4二階係統性能的改善

3.4高階係統的動態性能

3.4.1高階係統的數學模型

3.4.2高階係統的單位階躍響應

3.4.3高階係統的分析方法

3.5穩定性和代數穩定判據

3.5.1穩定的概念

3.5.2綫性定常係統穩定的充分必要條件

3.5.3勞斯穩定判據

3.5.4勞斯穩定判據的應用

3.6係統穩態誤差分析

3.6.1誤差與穩態誤差的定義

3.6.2控製係統的型彆

3.6.3給定輸入下的穩態誤差

3.6.4擾動作用下的穩態誤差

3.6.5改善係統穩態精度的方法

3.7控製係統時域分析的MATLAB應用

3.7.1基於Toolbox工具箱的時域分析

3.7.2Simulink

習題

MATLAB實驗

第4章根軌跡法

4.1根軌跡的基本概念

4.1.1根軌跡概念

4.1.2根軌跡方程

4.2繪製根軌跡圖的基本規則

4.3控製係統根軌跡的繪製

4.3.1單迴路負反饋係統的根軌跡

4.3.2參數根軌跡

4.3.3多迴路係統的根軌跡

4.3.4正反饋係統的根軌跡

4.3.5滯後係統的根軌跡

4.4控製係統的根軌跡分析

4.4.1閉環零、極點和時間響應

4.4.2增加開環零、極點對根軌跡和係統性能的影響

4.4.3條件穩定係統的分析

4.5應用MATLAB繪製係統的根軌跡

4.5.1繪製根軌跡的相關函數

4.5.2利用MATLAB繪製係統的根軌跡

習題

MATLAB實驗

第5章頻率特性法

5.1頻率特性的基本概念

5.1.1頻率響應

5.1.2頻率特性

5.1.3由傳遞函數求取頻率特性

5.1.4常用頻率特性麯綫

5.2幅相頻率特性及其繪製

5.2.1幅相頻率特性麯綫(奈氏圖)基本概念

5.2.2典型環節的幅相頻率特性

5.2.3開環奈氏圖的繪製

5.3對數頻率特性及其繪製

5.3.1對數頻率特性麯綫基本概念

5.3.2典型環節的伯德圖

5.3.3開環伯德圖的繪製

5.3.4*小相位係統

5.3.5由實測伯德圖求傳遞函數

5.4奈奎斯特穩定判據

5.4.1幅角原理

5.4.2奈奎斯特穩定判據

5.4.3簡化奈奎斯特穩定判據

5.4.4奈奎斯特穩定判據在伯德圖上的應用

5.4.5奈奎斯特穩定判據的其他應用

5.5控製係統的相對穩定性

5.5.1幅值穿越頻率ωc與相位穿越頻率ωg

5.5.2相位裕量

5.5.3幅值裕量

5.5.4係統的穩定裕量

5.6利用開環頻率特性分析係統的性能

5.6.1開環對數幅頻特性L(ω)低頻段與係統性能的關係

5.6.2開環對數幅頻特性L(ω)中頻段與係統動態性能的關係

5.6.3開環對數幅頻特性L(ω)高頻段與係統性能的關係

5.7閉環係統頻率特性

5.7.1閉環頻域指標

5.7.2閉環頻率特性的求取

5.7.3閉環頻域指標與時域指標的關係

5.8MATLAB在頻率特性法中的應用

5.8.1奈氏圖的繪製

5.8.2伯德圖的繪製

5.8.3尼柯爾斯圖的繪製

習題

MATLAB實驗

第6章控製係統的校正

6.1控製係統校正的基本概念

6.1.1控製係統的性能指標

6.1.2校正的一般概念與基本方法

6.1.3頻率法校正

6.1.4其他設計方法

6.2控製係統的基本控製規律

6.2.1基本控製規律

6.2.2比例�參⒎摯刂�

6.2.3比例�不�分控製

6.2.4比例�不�分�參⒎摯刂�

6.3超前校正裝置及其參數的確定

6.3.1相位超前校正裝置及其特性

6.3.2係統超前校正的分析法設計

6.3.3小結

6.4滯後校正裝置及其參數的確定

6.4.1相位滯後校正裝置及其特性

6.4.2串聯滯後校正裝置的分析法設計

6.4.3小結

6.5滯後�渤�前校正裝置及其參數的確定

6.5.1相位滯後�渤�前校正裝置及其特性

6.5.2係統滯後�渤�前校正的分析法設計

6.5.3小結

6.6期望對數頻率特性設計法

6.6.1期望法設計的基本概念

6.6.2常見係統的期望特性

6.6.3應用實例

6.6.4小結

6.7基於根軌跡法的串聯校正

6.7.1根軌跡法校正的基本概念

6.7.2利用根軌跡法設計超前校正裝置

6.7.3利用根軌跡法設計滯後校正裝置

6.7.4利用根軌跡法設計滯後�渤�前校正裝置

6.8反饋校正裝置及其參數的確定

6.8.1反饋校正的基本概念

6.8.2反饋校正的設計方法

6.8.3常用反饋校正形式與功能

6.8.4小結

6.9控製係統校正的MATLAB應用

6.9.1MATLAB函數在控製係統校正中的應用

6.9.2基於Simulink的係統校正

習題

MATLAB實驗

第7章非綫性控製係統

7.1非綫性係統的基本概念

7.1.1非綫性係統的數學描述

7.1.2非綫性特性的分類 

7.1.3非綫性係統的特點

7.1.4非綫性係統的分析和設計方法

7.2二階綫性和非綫性係統的相平麵分析

7.2.1相平麵、相軌跡和平衡點

7.2.2二階綫性係統的特徵

7.2.3二階非綫性係統的特徵

7.3非綫性係統的相平麵分析

7.3.1繪製相軌跡的方法

7.3.2相軌跡求係統暫態響應

7.3.3相軌跡分析非綫性係統

7.4非綫性特性的一種綫性近似錶示——描述函數

7.4.1描述函數的意義

7.4.2典型非綫性特性的描述函數

《控製理論基礎與應用》 一、 控製理論的基石：係統建模與分析 本書以嚴謹的學術態度，深入淺齣地闡釋瞭現代控製理論的核心概念。我們將從係統建模的基石齣發，逐步揭示控製係統的本質。 數學模型：控製世界的語言。 任何一個可控係統，無論是物理的、生物的還是經濟的，都可以用一組數學方程來描述其動態行為。本書將引導讀者掌握建立這些數學模型的方法，從時域的微分方程、傳遞函數，到頻域的頻率響應，再到狀態空間等價錶示。我們將重點介紹如何根據物理係統的特性，提取關鍵參數，構建精確而簡潔的數學模型。例如，對於一個簡單的RLC電路，我們將推導其電壓-電流關係方程；對於一個機械振動係統，我們將建立其運動方程。我們會強調模型簡化在實際工程中的重要性，以及不同模型適用於不同分析場景的考量。 時域分析：係統行為的時間軌跡。 一旦建立瞭係統的數學模型，我們便可以通過時域分析來理解係統在不同輸入信號作用下的響應。本書將詳盡介紹瞬態響應（如單位階躍響應、單位脈衝響應）的計算與特性分析，包括上升時間、超調量、調節時間等關鍵指標。我們將深入探討係統的穩定性問題，解析零輸入響應和零狀態響應的物理意義，以及如何通過係統的極點位置來判斷其穩定性。此外，本書還將引入激勵-響應分析，闡明外部激勵如何驅動係統演變。 頻域分析：揭示係統的頻率特性。 頻率響應分析是理解係統在不同頻率信號作用下行為的強大工具。我們將介紹如何從時域模型導齣係統的頻率響應函數，並通過Bode圖、Nyquist圖等圖形工具來直觀地展示係統的幅頻特性和相頻特性。讀者將學習如何從這些圖錶中分析係統的帶寬、增益裕度、相位裕度，並理解它們與係統穩定性和動態性能的關係。本書還將觸及LTI（綫性時不變）係統的傅裏葉變換分析，理解係統如何對不同頻率分量的輸入進行響應。 狀態空間方法：現代控製理論的強大框架。 狀態空間方法提供瞭一個更為通用和強大的框架來描述和分析多輸入多輸齣（MIMO）係統。我們將介紹狀態嚮量、狀態方程和輸齣方程的概念，並演示如何將傳遞函數模型轉化為狀態空間模型，反之亦然。本書將重點講解狀態空間模型的能控性、可觀測性等基本概念，並闡述它們在控製器設計和狀態估計中的重要作用。我們還將介紹模態分析，理解係統內部狀態的演化規律。 二、 控製器的設計：塑造係統行為的關鍵 理論模型的建立是為瞭更好地控製係統。本書將聚焦於各種經典和現代的控製器設計方法。 PID控製器：工業控製的“萬金油”。 比例-積分-微分（PID）控製器是目前工業界應用最廣泛的控製器。本書將深入剖析PID控製的原理，詳細講解比例（P）、積分（I）和微分（D）各自的作用及其對係統性能的影響。我們將介紹多種PID參數整定方法，包括試湊法、Ziegler-Nichols方法，以及基於模型的方法。本書將強調PID控製器在剋服穩態誤差、抑製暫態振蕩方麵的作用，並討論其在實際應用中的局限性以及針對性的改進策略。 超前/滯後補償：頻率域的精妙調控。 針對係統在特定頻率範圍內的性能不足，我們可以引入超前或滯後補償器來改善其頻率響應。本書將詳細講解超前補償器和滯後補償器的工作原理，以及它們如何改變係統的增益和相位特性。我們將通過Bode圖來演示如何設計這些補償器，以滿足特定的穩定性和動態性能要求。例如，超前補償器可以提高係統的相位裕度，從而提高係統的穩定性；滯後補償器則可以改善係統的低頻增益，減少穩態誤差。 前饋控製：主動消除擾動的影響。 與反饋控製不同，前饋控製在擾動發生之前就進行乾預，從而主動地消除擾動對被控變量的影響。本書將介紹前饋控製的基本原理，以及如何根據對擾動的測量或預測來設計前饋控製器。我們將分析前饋控製與反饋控製相結閤的優勢，以及如何通過這種方式獲得更優越的控製性能。 狀態反饋控製：現代控製設計的有力工具。 基於狀態空間方法，狀態反饋控製技術允許我們根據係統的所有狀態變量來設計控製器。本書將詳細介紹如何設計狀態反饋增益矩陣，以實現期望的係統極點配置，從而達到任意動態性能的設計目標。我們將討論極點配置法的原理，以及如何利用可控性矩陣來判斷是否能夠實現期望的極點配置。 觀測器設計：估計不可測狀態。 在許多實際係統中，並非所有的狀態變量都可以直接測量。觀測器（或狀態估計器）就是用於根據係統的輸入和輸齣信號來估計其內部狀態的設備。本書將介紹觀測器的工作原理，包括Luenberger觀測器等經典設計方法，以及如何設計觀測器增益，以確保估計的準確性和收斂速度。我們將探討觀測器與狀態反饋控製器相結閤的設計過程。 三、 現代控製理論的拓展與進階 除瞭經典控製理論，本書還將帶領讀者探索現代控製理論的更廣闊領域。 魯棒控製：應對不確定性的挑戰。 實際係統總是存在模型不確定性、參數攝動和外部噪聲等不確定因素。魯棒控製旨在設計能夠在這些不確定性存在的情況下，仍然保持良好性能的控製器。本書將介紹魯棒控製的基本思想，以及一些常見的魯棒控製方法，如H-無窮控製的初步概念，以及如何通過保守性來權衡性能和魯棒性。 最優控製：追求最佳性能。 最優控製的目標是設計一個控製器，使得係統的某種性能指標（如能量消耗、響應時間）達到最優。本書將介紹最優控製的基本原理，包括性能指標函數的選擇，以及如何應用變分法、龐特裏雅金最小值原理等數學工具來求解最優控製問題。我們將初步介紹綫性二次型調節器（LQR）的設計，並闡述其在實現最優控製方麵的優勢。 數字控製係統：從模擬到數字的飛躍。 隨著計算機技術的發展，數字控製係統已經成為現代控製工程的主流。本書將介紹如何將連續時間控製係統離散化，以及數字控製器的設計方法。我們將重點講解采樣定理、零階保持器等概念，並討論數字PID控製器、數字濾波器的設計。 四、 控製係統的分析與仿真 理論知識的掌握離不開實踐的檢驗。本書將強調仿真在控製係統設計中的重要作用。 仿真工具的應用：MATLAB/Simulink。 我們將介紹如何使用強大的工程仿真軟件，如MATLAB及其Simulink模塊，來對建立的係統模型進行仿真分析。通過仿真，讀者可以直觀地觀察係統在不同控製器作用下的動態響應，並驗證理論設計的正確性。我們將指導讀者如何搭建仿真模型，設置仿真參數，並對仿真結果進行解讀。 性能評估與優化：從仿真到實踐。 仿真不僅僅是驗證，更是優化設計參數、探索不同控製策略的平颱。本書將引導讀者利用仿真結果來評估控製係統的性能，識彆潛在問題，並根據仿真結果對控製器進行迭代優化，直至達到預期的設計目標。 五、 應用實例與工程展望 控製理論的應用無處不在，貫穿於我們生活的方方麵麵。 工業自動化： 從生産綫的自動化控製，到機器人末端執行器的精確運動，控製理論是實現高效、穩定生産的關鍵。 航空航天： 飛機、導彈、衛星的姿態控製、導航係統，無不依賴於復雜的控製係統。 汽車工業： 自動駕駛、發動機管理、懸架控製等，都融入瞭先進的控製技術。 生物醫學工程： 醫療器械的精密控製，如手術機器人、輸液泵，以及人體生理信號的監測與調控。 環境保護： 汙水處理、環境監測、能源管理等領域，都需要精密的控製係統來保障效率和效益。 本書的目標是為讀者構建一個堅實的控製理論基礎，並引導他們理解這些理論如何在實際工程中落地。通過理論學習與仿真實踐相結閤，讀者將能夠分析和設計各種復雜的控製係統，解決工程實際中的問題，並為未來在自動化、智能化領域的發展打下堅實的基礎。我們鼓勵讀者在掌握基本原理的基礎上，積極探索更先進的控製技術，迎接控製科學與工程不斷湧現的新挑戰。

評分☆☆☆☆☆

閱讀體驗上，我必須稱贊這本書的語言風格。它不像某些經典老教材那樣古奧難懂，充滿瞭晦澀的術語，作者的文字非常流暢自然，仿佛一位耐心的老師在與你對話，逐步引導你領悟復雜的數學思想。比如，在講解李雅普諾夫穩定性理論時，作者巧妙地引入瞭能量守恒的概念作為類比，這使得抽象的能量函數（李雅普諾夫函數）的物理意義立刻變得具體起來。另外，這本書在對不同控製方法的適用性進行比較時，做得非常客觀和平衡，它不會盲目吹捧某一類方法，而是清晰地指齣每種方法的優勢、局限性以及在什麼特定工況下應該優先選用。這種批判性的思維引導，對於培養一個閤格的控製工程師至關重要。它教會我的不隻是“如何做”，更是“為什麼這樣做”以及“什麼時候不應該這樣做”。這本書的綜閤質量，絕對是值得在專業領域反復研讀的經典之作。

評分☆☆☆☆☆

說實話，一開始我對“規劃教材”這類定位的書籍抱有謹慎態度，總擔心內容會為瞭照顧廣度而犧牲深度。然而，這本書徹底顛覆瞭我的看法。它的深度足以支撐研究生階段的學習，廣度也足夠覆蓋當前主流的工程需求。讓我印象最為深刻的是，它在介紹現代控製理論時，對可控性和可觀測性給齣瞭非常清晰的物理意義闡釋，這比單純記住矩陣秩的判定標準重要得多。書中關於極點配置的講解，邏輯性極強，從綫性代數的角度切入，自然而然地推導齣如何通過狀態反饋來實現期望的係統動態性能。此外，它對一些前沿的議題也有所涉及，比如模糊控製和自適應控製的初步概念介紹，雖然篇幅不長，但為我們這些希望繼續深造的讀者指明瞭後續學習的方嚮。這本書的排版也十分人性化，關鍵概念加粗，重要的定理和引理都有編號，查閱起來非常方便，極大地提高瞭我的學習效率。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計得相當樸實，沒什麼花哨的裝飾，一看就知道是麵嚮專業學習者的紮實教材。我第一次翻開它，就被其中清晰的章節結構和詳盡的公式推導所吸引。作者在基礎概念的引入上做得非常到位，對於控製係統的基本假設和數學描述，講解得深入淺齣，即便是初次接觸這門學科的讀者，也能快速抓住核心要義。特彆是關於傳遞函數和狀態空間模型的對比分析，處理得非常巧妙，沒有陷入純理論的泥沼，而是緊密結閤實際工程中的應用場景進行闡述。書中的例題設計得很有層次感，從最簡單的二階係統到復雜的反饋迴路，每一步的計算過程都展示得清清楚楚，這對於我這種習慣於動手演算的學習者來說，簡直是福音。我特彆喜歡它在引入根軌跡法時，不僅展示瞭繪圖的步驟，更深挖瞭參數變化對係統穩定性和性能的實質性影響，讓人對“調參”有瞭更直觀的理解。總的來說，這本書的學術嚴謹性毋庸置疑，是打好自動控製理論基礎的絕佳選擇。

評分☆☆☆☆☆

我是一位工作多年的工程師，重新拾起自動控製的理論知識來優化我們生産綫上的一條舊的控製迴路。市麵上的很多教材都過於偏重理論推導，讀起來費時費力，但這本書的實用性讓我驚喜。它在講解PID控製器設計時，沒有停留在經典的Ziegler-Nichols整定法，而是結閤瞭對一階加純滯後模型（FOPDT）的分析，提供瞭更符閤現代工業實踐的調試思路。我特彆參考瞭其中關於魯棒控製基礎的那一節，作者用非常簡潔的方式解釋瞭$H_infty$控製的基本思想，避免瞭復雜的矩陣不等式推導，讓我們這些偏嚮應用的工程師也能快速理解其核心價值——即如何在模型不確定性的情況下保證控製性能。書中的附錄部分對MATLAB/Simulink的仿真應用也有詳細指導，這直接加速瞭我將理論轉化為實際控製代碼的速度。這本書的價值就在於，它既能滿足學術上的嚴謹要求，又能為工程實踐提供堅實的理論支撐。

評分☆☆☆☆☆

我最近在準備一個涉及復雜係統建模的項目，手頭上的參考資料不少，但真正能讓人醍醐灌頂的卻不多。這本教材恰好填補瞭我的這個“空白點”。它的精彩之處在於對非綫性係統的處理上，很多教科書往往一筆帶過，或者僅僅停留在李雅普諾夫穩定性的理論證明上，但這本書卻花瞭大量的篇幅去介紹各種工程上實用的近似方法，比如描述函數法和相平麵法，這些工具在實際工程分析中比純粹的解析解要管用得多。我尤其欣賞作者在討論係統辨識部分時，沒有將它處理成一個孤立的章節，而是巧妙地將其融入到整個係統設計流程中，強調瞭模型準確性對於後續控製器設計的決定性作用。閱讀過程中，我發現書中的一些圖錶製作得非常精良，尤其是對波特圖和奈奎斯特圖的解讀，配以直觀的文字說明，讓原本抽象的頻域分析變得觸手可及。這本書不僅僅是知識的堆砌，更像是一位經驗豐富的導師在手把手地教你如何將理論應用於解決實際的工程難題。