现代控制理论与方法概论第2版机电控制工程系列教材 pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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董景新，吴秋平著

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控制理论
现代控制
机电控制
控制工程
自动控制
系统分析
数学模型
反馈控制
二阶版
教材

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出版社：清华大学出版社

ISBN：9787302424154

版次：2

商品编码：11939485

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-06-01

用纸：胶版纸

页数：484

字数：748000

具体描述

编辑推荐

本教材是清华大学“985”二期研究生建设课程配套教材，是教育部仪器科学与技术教学指导委员会建议的学科研究生培养核心知识点课程教材。

内容简介

　　该教材是在董景新、吴秋平编著的《现代控制理论与方法概论》的基础上，补充现代控制新理论与方法重新编写的。主要内容包括：控制系统的状态空间数学模型；线性控制系统状态时域响应；线性系统的能控性和能观测性；系统的稳定性；线性控制系统的综合方法；线性及非线性估计理论基础；变分法求优控制；极大值原理；动态规划法；线性二次型优控制；线性系统的随机优控制；模型参考自适应控制；自校正控制；模糊控制；神经网络控制；遗传算法和免疫控制；其他智能控制以及倒立摆控制实例。该教材对现代控制理论基础、优控制、自适应控制、智能控制均有所介绍；着重于概念的建立和理解，不追求严格的定理理论证明；引入较多例题帮助读者理解概念和方法，侧重于应用；同时将MATLAB软件工具的应用引入教材。本书可作为《控制工程基础（第4版）》（董景新等编著，清华大学出版社，2015）的后续教材，主要面向机械类、仪器类及其他非控制专业的高年级本科生和研究生，也可供相关领域的科技人员参考。

内页插图

前言/序言

《现代控制理论与方法概论（第2版）》机电控制工程系列教材图书简介本书是“机电控制工程系列教材”中的一本，旨在为高等院校机电一体化、自动化、控制工程、机器人工程等相关专业的本科生和研究生提供一套系统、深入的现代控制理论与方法基础知识。本教材第二版在继承第一版优秀内容的基础上，结合当前控制工程领域的前沿发展和教学实践需求，对内容进行了修订与更新，力求更加贴合实际应用，更具前瞻性。一、编写宗旨与特色本教材的编写宗旨在于：夯实理论基础：深入浅出地阐述现代控制理论的核心概念、基本原理和数学工具，帮助读者建立坚实的理论根基。强调工程应用：紧密结合机电控制工程的实际需求，着重介绍各种控制方法的工程实现、设计流程和应用案例，培养读者的工程实践能力。突出前沿发展：融入近年来控制科学与工程领域的重要进展，如智能控制、自适应控制、鲁棒控制等，拓宽读者的视野。注重方法论：不仅介绍控制理论的“是什么”，更强调“如何做”，引导读者掌握分析、设计和实现控制系统的系统性方法。结构清晰，循序渐进：全书章节安排合理，内容由浅入深，逻辑严谨，便于读者自主学习和理解。本书的特色主要体现在：内容全面且深入：涵盖了经典控制理论的精华，并系统介绍了现代控制理论的关键内容，同时对一些先进的控制技术也进行了初步的探讨。数学工具与物理模型结合：在介绍抽象的控制理论时，始终贯穿对实际机电系统的物理模型构建和数学描述的讲解，使读者能够清晰地理解理论与实践的联系。丰富且贴切的算例：每章都配有大量的例题，这些例题取材于典型的机电控制工程问题，通过详细的解题过程，帮助读者理解和掌握所学知识，并能迁移到实际工程中。清晰的章节逻辑与过渡：各章之间联系紧密，内容层层递进，确保读者在学习过程中能够顺畅地掌握知识体系。适度的难度与广度：兼顾了理论的深度和工程的广度，既能满足专业学习的基本要求，也能为进一步的研究或工作打下良好的基础。二、内容体系概述本书共分为若干个主要部分，每个部分都围绕现代控制理论及其在机电控制工程中的应用展开：第一部分：控制系统的基本概念与建模本部分是全书的基石，旨在为后续的学习打下坚实的基础。绪论：介绍控制工程在现代科技和工业中的重要地位，阐述现代控制理论的发展历程和研究意义，明确本书的学习目标和内容框架。控制系统的基本概念：定义和阐述了反馈控制、开环控制、闭环控制等基本概念，区分了稳态和动态特性，引入了系统性能指标（如响应速度、稳定性、稳态精度等）。控制系统的数学模型：重点讲解如何对实际机电系统进行数学建模。这部分内容将涵盖：物理模型的建立：以常见的机电系统（如电机、减速器、机械臂、车辆动力学等）为例，讲解如何根据物理定律（牛顿定律、欧姆定律、基尔霍夫定律等）建立系统的微分方程或代数方程。传递函数模型：介绍拉普拉斯变换在建立系统传递函数中的作用，讲解传递函数的基本性质和意义，以及如何通过传递函数描述系统的动态特性。状态空间模型：这是现代控制理论的核心描述方式。本书将详细介绍状态变量的概念，如何由微分方程或传递函数转换为状态空间方程，以及状态空间模型的优点，包括能处理多输入多输出（MIMO）系统，能全面描述系统内部状态等。第二部分：线性定常系统的时域分析与设计本部分着重于对线性定常（LTI）控制系统的时域分析方法和初步设计。时域响应分析：单位阶跃响应：分析系统在单位阶跃输入下的典型时域响应曲线，如上升时间、响应时间、超调量、稳态误差等，并讲解这些性能指标与系统参数的关系。系统稳定性分析：介绍线性系统稳定性的几种判定方法，包括代数稳定判据（如劳斯判据）和几何稳定判据。暂态响应分析：探讨如何通过分析系统零极点位置来预估其暂态响应特性，包括对响应速度和振荡特性的影响。控制器的设计（经典方法）： PID 控制器：详细介绍比例（P）、积分（I）、微分（D）控制的原理和作用，分析不同参数组合对系统性能的影响，并讲解PID控制器的整定方法（如Ziegler-Nichols法、人工调参法等）。PID控制器在机电工程中应用极其广泛，本书将通过具体算例展现其在位置控制、速度控制等方面的应用。超前/滞后校正：介绍如何通过引入超前或滞后补偿网络来改善系统的频率响应特性，从而达到提高系统稳定性和动态性能的目的。第三部分：线性定常系统的频域分析与设计本部分将介绍另一套重要的控制系统分析工具——频域方法。频率响应分析：幅频特性与相频特性：讲解如何通过系统的幅频特性和相频特性来分析系统的稳定性、动态性能和抗干扰能力。波特图：详细介绍波特图的绘制方法和读图技巧，以及如何利用波特图分析系统的增益裕度和相位裕度。奈奎斯特图：介绍奈奎斯特稳定判据，并通过奈奎斯特图分析系统的稳定性，同样关注增益裕度和相位裕度。频率域控制器设计：超前/滞后校正（频域）：在频域视角下，再次讨论超前和滞后补偿器的设计，如何通过补偿器在频域图中调整系统的幅相特性，以满足稳定性与动态性能的要求。 PID 控制器（频域）：结合频域分析，进一步理解PID控制器的参数对系统频率特性的影响，以及如何通过频域方法优化PID参数。第四部分：现代控制理论（状态空间方法）本部分将系统介绍现代控制理论的核心——状态空间方法。线性系统状态空间方程的解：状态转移矩阵：讲解状态转移矩阵的概念，以及如何利用状态转移矩阵求解线性定常系统的零输入响应和零状态响应。连续时间系统与离散时间系统：介绍连续时间系统和离散时间系统的状态空间表示，以及离散化方法，为数字控制打下基础。可控性与可观测性：可控性：定义和判别线性系统的可控性，理解可控性对状态反馈控制设计的重要性。可观测性：定义和判别线性系统的可观测性，理解可观测性对状态估计和观测器设计的重要性。状态反馈控制：极点配置：介绍利用全状态反馈实现任意极点配置的理论和方法，即通过选择合适的状态反馈增益矩阵，将闭环系统的极点放置在期望的位置，从而达到预期的性能指标。最优控制基础：引入二次型最优控制问题，讲解LQR（线性二次型调节器）的设计方法，并阐述其在性能与代价权衡方面的意义。状态观测器：观测器的概念与作用：当系统状态无法直接测量时，需要设计状态观测器来估计系统状态。介绍观测器的基本原理，如Luenberger观测器。观测器设计：讲解如何设计具有期望收敛速度的状态观测器，以及观测器极点与状态反馈极点的配置关系。状态估计（可选，视教材深度）：简要介绍卡尔曼滤波器（Kalman Filter）的基本思想，以及其在处理有噪声测量下的状态估计问题中的应用。第五部分：控制系统设计实例与发展趋势本部分将前面所学理论知识进行整合，并展望未来的发展方向。机电一体化控制系统设计实例：伺服系统设计：以常见的电机伺服系统为例，综合运用建模、分析、控制器设计（PID、状态反馈等）的完整流程，展示如何实现高性能的位置或速度控制。机器人控制基础：简要介绍机器人动力学模型、逆运动学以及简单的机器人轨迹跟踪控制问题，体现控制理论在机器人领域的应用。其他典型应用：可能还会涉及如数控机床、自动导引车（AGV）等典型机电控制系统的设计思路和关键技术。现代控制理论的发展趋势：数字控制与采样系统：探讨离散时间系统的分析与设计，以及数字控制器在实际工程中的应用。智能控制：简要介绍模糊控制、神经网络控制等智能控制方法，以及它们在处理非线性、不确定性系统中的优势。自适应控制与鲁棒控制：介绍当系统参数变化或存在不确定性时，如何通过自适应控制和鲁棒控制来保证系统的性能和稳定性。模型预测控制（MPC）：简要介绍MPC的基本原理，以及其在优化控制和多变量系统中的应用。三、适用对象本书适用于以下读者群体：高等院校本科生：自动化、控制科学与工程、机电一体化、机器人工程、电气工程及其自动化、机械电子工程等专业的学生，作为核心专业课程的教材。高等院校研究生：硕士、博士研究生，作为进一步深入学习控制理论与工程的入门或参考教材。工程技术人员：从事机电一体化产品研发、自动化系统设计、工业过程控制等领域的工程师，用于提升理论知识和解决实际工程问题。相关领域的研究人员：希望了解和掌握现代控制理论基础的研究者。四、学习建议为了更好地掌握本书内容，建议读者：重视基础：扎实掌握第一部分关于系统建模和基本概念的内容，这是后续学习的关键。勤于计算：控制理论的许多内容离不开数学推导和计算，务必多做习题，动手实践。结合实际：尝试将书中的模型和方法与身边可见的机电系统联系起来，培养工程直觉。深入理解：对于抽象的理论概念，要结合其物理意义和工程背景进行理解，而不仅仅是记忆公式。利用工具：配合MATLAB/Simulink等仿真软件进行系统建模、仿真和分析，可以大大提高学习效率，并加深理解。《现代控制理论与方法概论（第2版）》旨在成为读者探索复杂控制世界的一张可靠地图，引领大家走进高效、智能的现代控制工程新时代。

用户评价

评分☆☆☆☆☆

我是一位对机器人技术充满热情的爱好者，尤其痴迷于让机器人能够像人一样灵活地运动和感知。在摸索过程中，我发现控制理论是实现这一切的关键。最近，我偶然发现了《现代控制理论与方法概论》（第二版），这本书给我打开了一个新的视野。它不仅仅是关于数学公式和算法的堆砌，更侧重于传达控制工程的哲学和思维方式。书中对于“状态”和“观测”的定义，以及如何通过“反馈”来修正系统行为，这些基础概念的阐述，让我对整个控制系统的运作原理有了更深刻的理解。特别是关于模糊控制和神经网络控制的介绍，虽然只是概览，但让我看到了人工智能技术在控制领域的巨大潜力。我甚至开始尝试将书中关于系统辨识的思想，应用到我自制的一个小型无人机上，试图让它能够根据环境变化自动调整飞行姿态。这本书就像是一位经验丰富的导师，循循善诱地引导我一步步走进控制的奇妙世界。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，我对于机电一体化工程领域有着浓厚的兴趣，尤其是在控制系统设计和优化方面。我曾阅读过不少相关的教材，但总觉得在理论深度和工程实践的结合上，还存在一些不足。最近，我翻阅了《现代控制理论与方法概论》（第二版），这本书给我的感受非常独特。它并没有直接深入到复杂的数学推导，而是从一个更加宏观的视角，为读者构建了一个清晰的控制理论知识体系。书中对各种控制策略的引入，都力求用直观的语言和贴近实际的例子来解释其核心思想，这对于初学者来说无疑是极大的福音。我特别欣赏它在章节安排上，循序渐进，从基本的反馈控制概念，到PID控制器的原理和整定，再到更高级的状态空间方法，都梳理得井井有条。虽然我目前还处于学习的初级阶段，但通过这本书，我仿佛看到了控制工程这座宏伟殿堂的入口，让我对接下来的深入学习充满了期待。它成功地激发了我对这个领域进一步探索的欲望，也让我认识到，扎实的理论基础是进行任何创新性工程设计的基石。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我拿到《现代控制理论与方法概论》（第二版）这本书时，并没有抱太高的期望。我是一名对理论研究比较感兴趣的学生，平时阅读的大多是偏向学术期刊和研究论文。然而，这本书的出版，却给了我意料之外的启发。它在对各种控制理论进行介绍时，始终没有脱离其背后的物理意义和工程背景。例如，在讲解Lyapunov稳定性分析时，它并没有直接给出抽象的数学定理，而是从能量守恒的角度来解释系统为何能够达到稳定状态，这种类比和解释方式，大大降低了理解难度，也让我看到了理论与实际之间的紧密联系。书中对鲁棒控制和自适应控制的介绍，也触及了我目前正在研究的课题，虽然篇幅有限，但它提供了一个非常好的切入点，让我能够更系统地梳理相关文献，并找到新的研究思路。总的来说，这本书在我看来，更像是一本“思想的启迪者”，它用一种相对通俗易懂的方式，将复杂的控制科学呈现出来，让我在理论探索的道路上，看到了更多可能性。

评分☆☆☆☆☆

我是一名退休多年的老工程师，虽然已经离开工作岗位多年，但我对控制工程的热情从未减退。这些年，我一直通过阅读来关注行业的发展。最近，我读到了《现代控制理论与方法概论》（第二版），这本书让我对现代控制理论有了全新的认识。与我当年学习的控制理论相比，这本书的内容更加丰富和系统。我尤其赞赏它对于不同控制方法的辨析，比如对于最优控制和预测控制的介绍，让我看到了控制理论是如何从“让系统稳定”向“让系统做得更好”演进的。书中对权函数和代价函数的讲解，也让我明白了如何用数学语言来量化“好”的标准，这在工程实践中是非常重要的。虽然我可能不会再亲自参与具体的项目设计，但这本书让我能够跟上时代发展的步伐，对现代控制工程的最新进展有了清晰的认知。它就像是一扇窗户，让我看到了控制科学的蓬勃生命力，也让我为这个领域取得的巨大成就感到由衷的自豪。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在自动化生产线上工作的工程师，日常工作离不开各种控制系统的调试和维护。之前，我主要依赖经验和一些零散的资料来解决问题，但随着生产工艺的不断升级，我深感现有知识的局限性。在一次技术交流中，有同事推荐了《现代控制理论与方法概论》（第二版），说是对理解更复杂的控制算法很有帮助。我带着半信半疑的态度借来一看，结果大为惊喜。这本书的语言风格非常严谨，但又不失清晰。它在讲解经典控制理论的同时，也融入了许多现代控制的思想，比如模型预测控制的初步介绍，让我了解到这种前沿技术是如何通过预测未来系统行为来优化控制决策的。书中对不同控制方法的优缺点分析也非常到位，这对于我在实际工作中选择最适合的控制策略，提供了非常有价值的参考。我尝试将书中介绍的一些整定方法应用到实际的伺服系统上，效果比我以往的经验值更加理想，系统响应速度和稳定性都有显著提升。这本书确实是一本能够直接指导工程实践的宝贵财富。

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准备读一读

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挺好

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绝对一流，对得起清华的名声！

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