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廉振芳 等 著

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出版社： 北京理工大学出版社

ISBN：9787564065010

商品编码：29762942409

包装：平装

出版时间：2012-08-01

基本信息

书名：自动控制原理及应用

定价：46.00元

作者：廉振芳 等

出版社：北京理工大学出版社

出版日期：2012-08-01

ISBN：9787564065010

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.341kg

编辑推荐

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廉振芳等编著的《自动控制原理及应用》重点介绍了自动控制原理的经典控制理论部分，内容包括：自动控制系统的基本概念，自动控制系统的数学模型，自动控制系统的时域分析法，控制系统的频域分析法，自动控制系统的校正和自动控制原理的应用等。本书可作为高职高专自动控制相关专业的教材。

内容提要

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目录

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章 绪论 1.1 自动控制理论概述 1.2 自动控制系统的基本概念 1.2.1 自动控制系统的基本原理和基本概念 1.2.2 自动控制系统的控制方式 1.2.3 自动控制系统的组成 1.2.4 自动控制系统举例 1.3 自动控制系统的分类 1.3.1 按输入信号变化的规律分类 1.3.2 按系统传输信号对时间的关系分类 1.3.3 按系统的输出量和输入量间的关系分类 l.3.4 按系统中的参数对时间的变化情况分类 1.4 对自动控制系统的基本要求 1.5 自动控制系统实例分析 本章小结与练习第2章 拉普拉斯变换及其应用 2.1 拉普拉斯变换的概念 2.1.1 定义 2.1.2 常见函数的拉氏变换 2.2 常用的性质和定理 2.2.1 线性性质 2.2.2 微分定理 2.2.3 积分定理 2.2.4 位移性质(也称复位移性质) 2.2.5 延迟定理(也称实位移性质) 2.2.6 初值定理 2.2.7 终值定理 2.3 拉氏反变换 本章小结与练习第3章 控制系统的数学模型 3.1 控制系统的微分方程 3.1.1 电路系统 3.1.2 线性定常微分方程的求解 3.2 传递函数 3.2.1 传递函数的基本概念 3.2.2 传递函数的定义 3.2.3 传递函数的性质 3.2.4 传递函数的求法 3.3 典型环节的数学模型及其动态响应 3.3.1 比例环节 3.3.2 积分环节 3.3.3 微分环节 3.3.4 惯性环节 3.3.5 振荡环节 3.3.6 延迟环节 3.4 控制系统的动态结构图 3.4.1 动态结构图 3.4.2 动态结构图的绘制 3.4.3 动态结构图的等效变换和化简 3.4.4 信号流图与梅逊公式 3.5 自动控制系统的传递函数 3.5.1 闭环控制系统的开环传递函数 3.5.2 给定输入信号R(s)作用下的闭环传递函数 3.5.3 扰动信号Ⅳ(s)作用下的闭环传递函数 3.5.4 闭环系统的误差传递函数 本章小结与练习 任务训练1 任务训练2第4章 时域分析法 4.1 典型输入信号及性能指标 4.1.1 典型输入信号 4.1.2 典型初始状态 4.1.3 典型时间响应 4.1.4 系统性能指标的定义 4.2 一阶系统分析 4.2.1 一阶系统的数学模型 4.2.2 一阶系统的单位阶跃响应 4.2.3 一阶系统的单位阶跃响应的性能指标 4.3 二阶系统分析 4.3.1 二阶系统的数学模型 4.3.2 二阶系统的特征根及性质 4.3.3 二阶系统的单位阶跃响应 4.4 系统稳定性分析 4.4.1 稳定的基本概念 4.4.2 稳定的数学条件 4.4.3 劳斯判据 4.5 系统稳态误差分析 4.5.1 误差与稳态误差 4.5.2 稳态误差计算 4.5.3 系统型别 4.5.4 典型输入信号r(t)作用下的稳态误差与静态误差系数 4.5.5 干扰n(t)作用下的稳态误差 本章小结与练习 任务训练3 任务训练4第5章 控制系统的频域分析法 5.1 系统频率特性的基本概念 5.1.1 基本概念 5.1.2 频率特性的性质 5.1.3 频率特性的图形表示方法 5.2 典型环节的频率特性 5.3 系统开环对数频率特性曲线的绘制 5.3.1 系统开环对数频率特性及绘制步骤 5.3.2 系统开环对数频率特性绘制举例 5.4 系统稳定性的频域分析 5.4.1 奈奎斯特稳定判据 5.4.2 对数频率稳定判据 5.4.3 稳定裕量 5.4.4 动态性能的频域分析 5.4.5 典型系统频域分析 本章小结与练习 任务训练5第6章 根轨迹法 6.1 根轨迹与根轨迹方程 6.1.1 根轨i亦的基本概念 6.1.2 根轨迹方程 6.2 绘制根轨迹的基本法则 6.2.1 根轨迹的个数 6.2.2 根轨迹的对称性 6.2.3 根轨迹的起点和终点 6.2.4 实轴上的根轨迹 6.2.5 根轨迹的渐近线 6.2.6 起始角与终止角 6.2.7 分离点 6.2.8 分离角与会合角 6.2.9 虚轴交点 6.2.10 根之和 6.3 控制系统的根轨迹分析法 6.3.1 闭环零、极点与阶跃响应的定 6.3.2 利用主导极点估算系统性能指标 6.3.3 根轨迹的改造对系统的影响 6.3.4 根轨迹法系统动态特性中的应用 本章小结与练习第7章 自动控制系统的校正 7.1 系统校正概述 7.1.1 系统校正的基本概念 7.1.2 系统校正的方式 7.1.3 常用校正装置 7.1.4 系统指标的确定 7.2 串联校正 7.2.1 比例(P)校正 7.2.2 比例一微分(PD)校正 7.2.3 比例一积分(PI)校正 7.2.4 比例一积分一微分(PID)校正 7.3 反馈校正 7.3.1 反馈校正的原理 7.3.2 反馈校正的分类与应用 7.4 复合校正 7.4.1 按输入补偿的复合校正 7.4.2 按扰动补偿的复合校正 7.5 自动控制系统的一般设计方法 7.5.1 自动控制系统设计的基本步骤 7.5.2 系统固有部分开环频率特性的确定 7.5.3 系统预期开环对数频率特性的确定 本章小结与练习第8章 直流调速系统 8.1 单闭环转速负反馈晶闸管直流调速系统 8.1.1 系统的组成 8.1.2 系统的框图 8.1.3 系统的自动调节过程 8.1.4 系统的性能分析 8.2 转速电流双闭环直流调速系统 8.2.1 双闭环直流调速系统的组成 8.2.2 系统动态结构图 8.2.3 双闭环直流调速系统的工作原理和自动调节过程 8.2.4 系统性能分析 8.2.5 系统的稳定性分析 8.2.6 双闭环直流调速系统的优点 8.2.7 给定积分器的应用 8.3 任务训练——转速电流双闭环直流调速系统设计实例 本章小结与练习 任务训练6参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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《现代控制理论在机器人技术中的应用》 书籍简介 本书深入探讨了现代控制理论在蓬勃发展的机器人技术领域中的关键作用及其具体实现。我们致力于为读者提供一个系统、全面的视角，揭示如何运用先进的控制策略和算法，赋予机器人智能化、高精度、高鲁棒性的运动能力和自主决策能力。本书不仅涵盖了机器人控制的经典理论，更侧重于现代控制方法如何解决实际工程问题，推动机器人性能的飞跃。 第一部分：现代控制理论基础回顾与机器人建模 在进入机器人特定控制理论之前，本书首先对现代控制理论中的核心概念进行系统梳理，为读者建立坚实的理论基础。我们将从以下几个方面展开： 状态空间方法 revisited：重点回顾状态空间方程的建立、系统解耦、可控性和可观测性分析。强调理解机器人系统的内部动态和外部输入输出关系对于设计有效控制器至关重要。我们将通过具体机器人关节动力学模型，演示如何精确地建立其状态空间表示，例如多自由度机械臂的拉格朗日方程推导及其线性化处理。 线性二次型调节器 (LQR)：详细阐述LQR的设计原理，包括性能指标的权衡，即如何通过调整状态和控制输入权值矩阵来平衡系统响应速度、能量消耗和控制精度。我们将分析LQR在机器人轨迹跟踪和姿态稳定控制中的优势，以及如何根据不同机器人的运动特性和任务需求来优化LQR增益。 卡尔曼滤波 (Kalman Filter)：深入讲解卡尔曼滤波器的递推算法，包括预测和更新两个阶段。重点在于如何利用模型信息和测量噪声来估计机器人的真实状态（如位置、速度、姿态），并讨论其在去除传感器噪声、提高状态估计精度方面的作用。我们将以移动机器人为例，演示如何融合轮式编码器和IMU数据，构建一个有效的卡尔曼滤波器来精确估计机器人的位姿。 模型预测控制 (MPC)：详细介绍MPC的基本框架，包括滚动优化、预测模型和约束处理。我们将重点分析MPC如何处理多输入多输出(MIMO)系统、非线性系统以及具有状态和输入约束的机器人。通过仿真和案例分析，展示MPC在路径规划、避障和能量最优控制中的强大能力。 机器人动力学建模：系统介绍不同类型的机器人动力学建模方法，包括牛顿-欧拉法和拉格朗日法。我们将详细推导典型机器人（如串联机械臂、并联机器人、人形机器人）的运动方程，并讨论模型参数辨识的挑战与方法。重点在于如何得到精确的动力学模型，为后续的控制设计提供依据。我们将探讨简化模型（如忽略摩擦、惯量变化）对控制性能的影响。 第二部分：先进控制策略在机器人中的应用 本部分将聚焦于将现代控制理论应用于解决机器人技术中的具体控制问题，涵盖从低层运动控制到高层决策控制的多个层面。 基于LQR的机器人关节控制：详细介绍如何针对机器人多关节系统的耦合动力学，设计多通道LQR控制器，实现各关节的精确位置、速度和力矩控制。我们将讨论如何进行增益调度，以适应机器人工作空间中的不同动力学特性。 滑模变结构控制 (Sliding Mode Control, SMC)：深入讲解SMC的设计理念，包括滑模面的选取、切换函数的设计以及鲁棒性分析。重点在于SMC如何克服模型不确定性、外部干扰对机器人系统的影响，实现高精度的跟踪和定位。我们将分析SMC在机器人末端执行器精确操作、力控等方面的应用，并探讨抖振抑制技术。 自适应控制在机器人中的应用：介绍自适应控制的核心思想，即控制器参数能够根据系统性能的下降或环境的变化而自动调整。我们将重点分析模型参考自适应控制 (MRAC) 和自适应律的收敛性分析。重点阐述自适应控制如何解决机器人由于负载变化、部件磨损等引起的动力学参数变化问题，例如在工业机器人抓取不同重量物体时的自适应力控。 模糊逻辑控制与神经网络控制：探讨如何利用模糊逻辑的“模糊”推理能力和神经网络的学习能力来设计能够处理复杂非线性系统和不确定环境的机器人控制器。我们将展示如何将模糊逻辑与PID控制相结合，以及如何利用神经网络对机器人动力学进行辨识和预测。重点在于这些方法如何处理难以建模的系统特性，并实现更智能化的控制。 模型预测控制在机器人路径规划与避障中的应用：详细阐述MPC如何在线生成平滑、无碰撞的机器人运动轨迹。我们将分析MPC在处理机器人运动约束（如最大速度、加速度、转弯半径）和环境障碍物约束方面的能力。通过仿真，展示MPC如何在动态环境中实时规划最优路径，并进行平滑避障。 力/阻抗控制在机器人交互中的应用：深入研究机器人与环境交互时的力控制和阻抗控制。我们将详细介绍基于模型的力/阻抗控制方法，以及如何通过调整控制参数实现机器人“柔顺”或“刚性”的交互行为。重点分析其在装配、打磨、人机协作等任务中的重要性。 基于学习的机器人控制：初步介绍强化学习 (RL) 和模仿学习 (IL) 在机器人控制领域的最新进展。我们将探讨RL如何通过试错学习来优化机器人控制策略，以及IL如何从人类演示中学习复杂的运动技能。虽然这部分内容偏向前沿，但将勾勒出未来机器人控制的发展方向。 第三部分：机器人控制系统的实现与验证 本部分将关注现代控制理论在实际机器人系统中的落地，包括软硬件协同设计、仿真验证以及实际测试。 实时操作系统 (RTOS) 在机器人控制中的作用：介绍RTOS如何为机器人控制系统提供时间确定性、高优先级任务调度和并发处理能力，保证控制指令的及时执行。 嵌入式系统设计与硬件选型：讨论适用于机器人控制的嵌入式硬件平台（如DSP、FPGA、高性能MCU）及其外设（如编码器接口、ADC、PWM输出）。 仿真技术与虚拟测试：强调仿真在机器人控制系统开发中的重要性，包括使用MATLAB/Simulink、ROS等工具进行模型仿真、控制器调试和性能评估。我们将介绍如何构建高保真度的机器人仿真环境，并进行详细的性能指标分析。 实际系统集成与调试：分享在真实机器人平台上进行控制算法集成、参数整定和系统调试的经验。我们将讨论实际系统中可能遇到的挑战，如传感器延迟、执行器非线性、通信问题等，以及相应的解决策略。 实验案例分析：本书将贯穿多个实际的机器人控制实验案例，例如： 多自由度机械臂的精确轨迹跟踪实验：使用LQR和MPC分别设计控制器，比较其在跟踪复杂轨迹时的性能。 移动机器人的自主导航与避障实验：结合卡尔曼滤波、MPC和传感器数据，实现机器人在未知环境中的自主导航。 人机协作机械臂的力控交互实验：设计阻抗控制器，实现机器人与操作者的安全、高效交互。 目标读者 本书适合以下读者： 机器人工程专业学生：作为教材或参考书，帮助学生理解和掌握现代控制理论在机器人领域的应用。 从事机器人研发的工程师：为工程师提供解决实际机器人控制问题的理论指导和技术工具。 自动化、机械、电子等相关领域的从业人员：对机器人控制技术感兴趣，希望拓展知识面的读者。 对智能制造、人工智能等领域有深入研究需求的读者。 本书特点 理论与实践紧密结合：将抽象的控制理论与具体的机器人应用场景相结合，使读者能够理解理论的实际价值。 循序渐进，由浅入深：从基础理论回顾到前沿技术探讨，内容安排合理，易于不同背景的读者理解。 丰富的工程案例与仿真示例：通过实际案例和仿真演示，加深读者对控制算法的理解，并提供工程实践的参考。 强调鲁棒性与适应性：重点关注如何设计具有良好鲁棒性和适应性的控制器，以应对机器人系统的不确定性和动态变化。 前瞻性视角：不仅关注现有技术，也对机器人控制的未来发展趋势进行展望。 通过研读本书，读者将能够深刻理解现代控制理论如何赋能机器人技术，并掌握设计、实现和优化机器人控制系统的核心能力，为推动机器人技术的创新和应用奠定坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

我花了整整一周的时间来消化前几章内容，最大的感受是作者的叙述方式极其严谨，逻辑链条如同瑞士机械表般精密无缝。他没有采用那种浮于表面的泛泛而谈，而是从最基本的数学模型建立开始，层层递进，深入到时域和频域分析的每一个细节。例如，在讲解根轨迹法时，作者没有仅仅罗列规则，而是从复数平面上的相位和幅值条件出发，一步步推导出判断曲线走向的依据，每一步的推导过程都详略得当，没有一处跳跃性的结论，让人可以完全跟上作者的思路，仿佛自己也在亲手推导这些重要的定理。对于那些习惯了“拿来即用”的学习者来说，这种深度可能会带来一定的挑战，但对于真正想扎根于控制理论基础、理解“为什么是这样”的读者而言，这种扎实的论证过程是无价的。我尤其欣赏作者在引入新概念时，总会先回顾前置知识，确保读者已经完全掌握了基础，才开始构建更复杂的理论大厦，这种循序渐进的教学法，真正体现了对教学规律的深刻理解。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，这本书的另一大亮点在于其对不同知识点的关联性和系统性的阐述。很多控制理论的书籍往往将时域分析、频域分析、现代控制理论等模块割裂开来，导致读者在应用时难以形成一个统一的认知框架。然而，这本书巧妙地通过“状态空间”这个核心概念，将各种分析方法串联起来。作者在引入状态空间表示法时，清晰地阐述了它如何统一和概括了传统的传递函数方法，并为后续的现代控制理论，如可控性、可观测性分析奠定了坚实的基础。这种“宏观视野”的构建，极大地帮助我梳理了脑海中那些零散的知识点，使其不再是孤立的公式和图形，而是一个相互支撑、有机整体的知识体系。每次当我回顾某个旧章节时，都能从中发现与当前学习内容之间的微妙联系，这种知识的交织和互补，让学习过程充满了发现的乐趣，极大地提升了学习效率和深度理解。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，封面采用了一种沉稳的深蓝色调，配上烫金的书名和作者信息，显得专业而不失格调。拿到手里能明显感觉到纸张的厚实和质感，印刷清晰，字迹工整，排版布局合理，阅读起来非常舒适，长时间翻阅也不会感到眼睛疲劳。尤其值得称赞的是，书中大量的图表和公式推导部分，线条流畅，标注明确，即便是复杂的系统框图，也能一目了然。这对于我们这些需要经常对照原理图进行分析和设计的工程师来说，无疑是一个巨大的加分项。翻阅过程中，我注意到一些关键概念的插图绘制得尤为精妙，它们不仅仅是示意图，更像是一种艺术创作，将抽象的控制理论具象化，极大地降低了初学者的理解门槛。这种对细节的极致追求，体现了出版社在书籍制作上的专业水准和对读者的尊重，让人在阅读技术内容的同时，也能享受到一种高品质的阅读体验。可以说，这本书在视觉和触觉上都达到了专业教材的上乘水准，让人愿意一页一页地深入探索其中的知识宝库。

评分☆☆☆☆☆

不得不提的是，这本书在引入一些前沿或难度较高的概念时所采用的“软着陆”策略。例如，对于李雅普诺夫稳定性判据这种在本科阶段常常一带而过的内容，作者没有简单地抛出结论，而是花费了大量的篇幅，通过一个简单的二阶非线性系统实例，形象地展示了能量函数（或称二次型函数）在判断系统长期行为中的作用。文字描述中充满了类比和反问，引导读者去思考，而不是被动接受。这种教学上的耐心和细致，对于那些自学或者基础稍弱的读者来说，简直是福音。它确保了读者在向更复杂的领域迈进时，内心是充满信心的，而不是被晦涩的数学符号吓倒。可以说，这本书的作者不仅是一位该领域的专家，更是一位非常出色的“传道授业者”，他懂得如何艺术性地包装和呈现复杂的知识，让学习过程既充满挑战性，又不失乐趣和成就感。

评分☆☆☆☆☆

这本书在案例应用部分的深度和广度，远远超出了我之前的预期。我原本以为这会是一本偏重理论推导的教科书，但事实证明，作者在理论和实践之间架设了一座坚实的桥梁。书中收录的几个工业控制案例，从伺服系统的精确跟踪到过程控制的稳定性设计，每一个案例都选取了极具代表性的实际工程问题。更重要的是，作者没有仅仅给出最终的系统参数，而是详细展示了如何根据实际工况数据，选择合适的控制器结构，如何进行参数的迭代优化，甚至包括了实际系统中的非线性环节和外部干扰如何被纳入模型进行补偿。我将书中某一个关于电机速度控制的案例，对照我正在进行的项目进行了模拟验证，发现书中提出的PID优化策略，比我之前采用的经验方法，在快速响应和超调抑制方面都有显著提升。这种将理论转化为可操作步骤的描述，对于一线工程师来说，具有极高的实战指导价值，它让那些高深的数学工具真正落地生根，展现了其强大的解决实际问题的能力。