运动控制实验教程(配光盘)(全国高等学校自动化专业系列教材) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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綦慧，杨玉珍 著

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出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302219705

商品编码：29768087751

包装：平装

出版时间：2010-06-01

基本信息

书名：运动控制实验教程(配光盘)(全国高等学校自动化专业系列教材)

定价：25.00元

作者：綦慧,杨玉珍

出版社：清华大学出版社

出版日期：2010-06-01

ISBN：9787302219705

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.499kg

编辑推荐

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内容提要

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本书以培养学生自主设计能力、综合实验能力、创新意识和创新能力为主导教学思想，不局限于某种实验装置。在具有可变直流电源（相控整流、PWM主电路）、交直交供电逆变电路等实验设施的基础上，以运算放大器等器件作为模拟量控制的载体，以DSP、工控机、PLC等作为数字控制的载体，构建各类实验系统。重点介绍实验原理、系统的设计实现方法和具体实验方法。
　　本书包括模拟控制和数字控制两部分。其中模拟控制实验系统主要是基于理论教学的原理性、验证性实验； 数字控制实验系统则以计算机为工具，引入先进的控制技术，拓展设计性、综合性实验。 模拟量控制系统中，重点介绍系统各环节特性的测试方法、开环与闭环系统的调试方法、系统稳态特性与动态特性的测试方法； 数字控制系统中详细介绍各类数字控制实验系统的实现原理，提供了数字控制的设计思路与方法，以此作为数字控制运动控制系统自主设计实验内容的参考与借鉴。
　　本书可作为普通高等院校自动化类专业本科生实验教学的教材，也可作为研究生及相关科研人员的参考书。

目录

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章　运动控制系统实验概述
　1.1　运动控制实验分类
　1.2　运动控制实验研究方法
　1.3　运动控制系统实验平台建设
　1.4　运动控制系统实验中的共性问题
第2章　直流调速系统各环节特性及参数测定
　2.1　实验目的
　2.2　实验原理
　　2.2.1　直流电动机原理及参数测定
　　2.2.2　电力电子变换器的工作参数测定
　　2.2.3　功率控制环节的工作特性测定
　2.3　实验内容
　2.4　实验器材
　2.5　实验方案及方法
　　2.5.1　直流电动机的参数及工作特性测定
　　2.5.2　功率主电路参数及工作特性测定
　　2.5.3　控制环节的工作特性测定
　2.6　实验报告
　2.7　注意事项
第3章　转速单闭环直流调速系统实验
　3.1　实验目的
　3.2　实验原理
　　3.2.1　转速单闭环直流调速系统的组成及工作原理
　　3.2.2　转速单闭环直流调速系统的特性
　　3.2.3　电流截止负反馈环节
　3.3　实验内容
　3.4　实验器材
　3.5　实验方案及方法
　　3.5.1　转速单闭环实验系统构建及单元环节测定
　　3.5.2　直流调速开环系统机械特性测定
　　3.5.3　转速单闭环直流调速系统静特性测定
　　3.5.4　电流截止负反馈环节整定与下垂特性测定
　　3.5.5　转速单闭环直流调速系统起动过程动态特性观测
　3.6　实验报告
　3.7　注意事项
第4章　转速、电流双闭环不可逆直流调速系统实验
　4.1　实验目的
　4.2　实验原理
　　4.2.1　转速、电流双闭环直流调速系统的组成及工作原理
　　4.2.2　双闭环直流调速系统的动态特性及性能指标
　　4.2.3　双闭环直流调速系统各调节器的工程设计
　4.3　实验内容
　4.4　实验器材
　4.5　实验方案及方法
　　4.5.1　双闭环直流调速系统的实验系统构建及单元环节测定
　　4.5.2　开环直流调速系统机械特性测定
　　4.5.3　转速、电流双闭环调速系统调试
　　4.5.4　转速、电流双闭环调速系统静特性测定
　　4.5.5　转速、电流双闭环调速系统动态特性测定
　4.6　实验报告
　4.7　注意事项
第5章　转速、电流双闭环直流脉宽可逆调速系统实验
　5.1　实验目的
　5.2　实验原理
　　5.2.1　转速、电流双闭环直流脉宽调速系统的组成及工作原理
　　5.2.2　可逆直流调速系统的工作特性
　5.3　实验内容
　5.4　实验器材
　5.5　实验方案及方法
　　5.5.1　单元环节测定
　　5.5.2　直流PWM开环调速系统机械特性测定
　　5.5.3　直流PWM调速系统闭环调试及可逆运行动态波形测试
　　5.5.4　直流PWM调速系统静特性测试
　5.6　实验报告
　5.7　注意事项
第6章　直流调速系统的数字仿真
第7章　直流调速系统的数字控制
第8章　转速开环异步电动机变压变频调速系统实验
第9章　异步电动机矢量控制系统实验
0章　异步电动机直接转矩控制变频调速系统实验
1章　永磁同步电动机自控变频调速系统实验
参考文献
附录

作者介绍

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文摘

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序言

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运动控制实验教程（配光盘）（全国高等学校自动化专业系列教材） 前言 在自动化技术飞速发展的今天，运动控制作为其核心组成部分，其重要性日益凸显。从工业生产线上精密高效的机器人手臂，到现代交通工具中的智能驾驶系统，再到医疗器械中的微创手术机器人，运动控制技术无处不在，深刻地改变着我们的生产生活方式。本教材旨在为全国高等学校自动化专业的学生提供一套系统、详实、实践性强的运动控制实验指导，帮助他们深入理解运动控制的基本原理，掌握关键技术，并具备解决实际工程问题的能力。 本教材的编写以培养学生的实践能力和创新思维为目标，紧密结合当前运动控制领域的最新发展和主流技术。我们力求在理论深度和实验广度之间取得平衡，既能帮助学生建立扎实的理论基础，又能通过丰富的实验项目让他们亲手操作，感受运动控制的魅力。教材内容涵盖了从基础的直流电机控制到先进的伺服系统设计，从单轴运动控制到多轴协调控制，力求全面覆盖自动化专业在运动控制方向的教学需求。 第一章 运动控制系统基础 本章将带领读者进入运动控制的广阔世界，从最基础的概念入手，逐步建立对运动控制系统的整体认识。我们将首先探讨运动控制在现代工业自动化中的地位和作用，阐述其在提高生产效率、优化产品质量、降低生产成本等方面的不可替代性。 运动控制的定义与分类： 什么是运动控制？它又如何根据不同的控制目标和实现方式进行分类？我们将介绍开环控制、闭环控制，以及位置控制、速度控制、力矩控制等基本类型。 运动控制系统的组成： 一个典型的运动控制系统通常包含哪些核心部分？我们将详细解析控制器、执行机构（如电机）、传感器、驱动器以及上位机（如PLC或PC）等关键组件的功能和相互关系。 运动控制系统的基本工作原理： 以一个简单的直流电机速度控制系统为例，我们将一步步剖析系统的工作流程：传感器采集实际速度，控制器进行比较和计算，驱动器根据指令驱动电机，从而实现对速度的精确控制。 运动控制中的关键性能指标： 什么是系统的响应速度？什么是超调量？什么是稳态误差？我们将介绍这些衡量运动控制系统性能的重要指标，并解释它们对实际应用的影响。 运动控制在不同领域的应用概述： 除了工业生产，运动控制技术还在哪些领域发挥着关键作用？我们将简要介绍其在机器人、数控机床、航空航天、医疗设备等领域的应用实例，激发读者的学习兴趣。 实验项目一：直流电机速度闭环控制实验 这是我们进入实践的第一个环节，旨在让学生亲手搭建并调试一个简单的运动控制系统。 实验目的： 掌握直流电机速度闭环控制的基本原理，熟悉PID控制器的基本参数整定方法，并能通过实验观察和分析系统性能。 实验设备： 直流电机、编码器、电机驱动模块、数据采集卡或控制板、上位机（PC或开发板）、电源、连接线等。 实验内容： 1. 硬件连接与调试： 按照实验原理图，正确连接直流电机、编码器、驱动器和控制板。进行通电检查，确保各部件工作正常。 2. 信号采集与显示： 编写程序读取编码器反馈的速度信号，并在屏幕上实时显示。 3. 开环特性测试： 在手动或固定电压控制下，观察电机的转速随负载变化的情况，了解其开环性能。 4. PID控制器设计与整定： 介绍PID控制器的工作原理，包括比例（P）、积分（I）和微分（D）项的作用。通过实验，尝试不同的PID参数组合，观察系统对给定速度变化的响应，学习常用的PID参数整定方法（如试凑法、Ziegler-Nichols方法等）。 5. 动态性能分析： 在不同的给定速度下，测试系统的响应速度、超调量和稳态误差，并记录实验数据。 6. 负载扰动测试： 在系统稳定运行时，突然施加不同的负载，观察系统如何通过闭环控制克服扰动，恢复到给定速度。 7. 实验数据分析与报告撰写： 对实验数据进行整理和分析，绘制相关曲线图，分析PID参数对系统性能的影响，撰写详细的实验报告。 第二章 步进电机与伺服电机控制 步进电机和伺服电机是现代运动控制中最常用的两种执行机构。本章将深入剖析它们的结构、工作原理、驱动方式以及控制策略。 步进电机： 结构与工作原理： 介绍步进电机的基本结构，如永磁式、反应式和混合式步进电机，以及它们如何通过脉冲信号驱动转子进行精确步进。 驱动方式： 详细讲解全步、半步、微步驱动模式，以及不同模式下的精度和平稳性差异。 步进电机控制器的组成： 介绍脉冲发生器、驱动电路和细分技术。 步进电机的优缺点及应用： 分析步进电机在开环控制下的优点（如定位精度高、无需编码器）和缺点（如低速时易失步、高速时转矩下降）。 伺服电机： 结构与工作原理： 介绍伺服电机，特别是交流伺服电机，包括其定子、转子、编码器等关键部件。讲解伺服系统如何通过闭环反馈实现对位置、速度和力矩的高精度控制。 伺服驱动器的功能： 详细介绍伺服驱动器在接收上位机指令后，如何对电流、电压进行调节，驱动电机转动，并读取编码器反馈信息进行闭环校正。 伺服电机控制模式： 重点介绍位置控制、速度控制和力矩控制模式，以及它们在不同应用场景下的选择。 伺服电机的优缺点及应用： 分析伺服电机的高动态响应、高精度、高效率等优点，以及其在复杂运动控制任务中的广泛应用。 步进电机与伺服电机的对比分析： 从控制方式、精度、速度范围、成本、功耗等方面对两种电机进行详细对比，帮助学生根据实际需求进行选择。 实验项目二：步进电机精确位置控制实验 本实验旨在让学生掌握步进电机的驱动方式和位置控制方法。 实验目的： 熟悉步进电机的驱动原理，掌握使用脉冲信号控制步进电机进行精确位置定位的方法，并能实现简单的直线和圆弧运动。 实验设备： 步进电机、步进电机驱动器、脉冲发生器（或使用控制板生成脉冲）、电源、导轨（可选）、上位机（PC或开发板）、连接线等。 实验内容： 1. 硬件连接与驱动器配置： 连接步进电机、驱动器和电源。根据驱动器的手册，配置步进电机的细分数（如全步、半步、1/4步、1/16步、1/256步等）和运行方向。 2. 脉冲信号生成与步进电机运动： 编写程序生成一定频率和数量的脉冲信号，驱动步进电机按照设定的方向和步数进行转动。观察电机运动情况，验证脉冲数与转动角度的关系。 3. 精确位置定位： 计算实现特定角度旋转所需的脉冲数量，编程控制电机到达预设的绝对位置或相对位置。 4. 直线运动模拟： 若配备直线导轨，可以控制步进电机通过丝杠带动负载进行直线运动，并验证位移量与脉冲数的对应关系。 5. 速度特性测试： 尝试改变脉冲的频率，观察步进电机在不同速度下的运行状态，分析不同细分数设置下的平稳性。 6. 失步现象分析（可选）： 在尝试高速或大负载时，观察是否出现失步现象，并分析可能的原因。 7. 实验数据记录与分析： 记录不同脉冲数、脉冲频率和细分数下的电机运动情况，分析其位置精度和运动平稳性。 实验项目三：伺服电机位置、速度混合控制实验 本实验将带领学生深入了解伺服电机的强大功能，掌握其在不同控制模式下的应用。 实验目的： 掌握伺服电机的位置控制和速度控制方法，理解伺服驱动器在不同控制模式下的配置和参数调整，并能实现平滑高效的运动。 实验设备： 伺服电机（带编码器）、伺服驱动器、上位机（PC或工业控制板，如PLC/PAC）、电源、连接线等。 实验内容： 1. 伺服系统硬件连接与初始化： 连接伺服电机、伺服驱动器和上位机。根据驱动器手册，完成伺服系统的初始化设置，包括电机参数的识别、编码器的配置等。 2. 位置模式控制： 绝对位置定位： 编程让伺服电机到达预设的绝对位置。 相对位置定位： 编程让伺服电机相对于当前位置移动指定的距离。 连续位置跟踪： 编写程序使伺服电机按照预设的路径点进行平滑连续的位置移动。 3. 速度模式控制： 恒定速度运行： 编程让伺服电机以指定的恒定速度正向或反向转动。 速度变化与加速/减速： 观察伺服电机在速度指令变化时的动态响应，以及驱动器内置的加减速功能如何实现平滑的运动。 4. 力矩模式控制（可选，若设备支持）： 简要介绍力矩控制的概念，并尝试在特定条件下限制电机的输出力矩。 5. 伺服参数调整与性能优化： 介绍伺服驱动器中的P、I、D参数，以及其他高级参数（如滤波参数、陷波滤波器等）的作用。在不同运行模式下，尝试调整参数，观察其对系统响应速度、平稳性、抗干扰能力的影响，以达到最佳控制效果。 6. 实验数据记录与分析： 记录在不同模式下，伺服电机到达目标位置或达到目标速度时的响应曲线（如位置误差、速度曲线），分析参数调整的效果，撰写实验报告。 第三章 运动控制器与PLC编程 本章将重点介绍运动控制的核心——控制器，特别是当前在工业自动化领域应用最广泛的PLC（Programmable Logic Controller）在运动控制中的应用。 运动控制器概述： 介绍不同类型的运动控制器，包括PLC、PC-based控制器、专用运动控制器等，以及它们在功能、性能和成本上的差异。 PLC在运动控制中的应用： PLC基本结构与工作原理： 简要回顾PLC的基本概念，包括CPU模块、I/O模块、通信模块等。 PLC运动控制指令： 重点介绍PLC中用于步进电机和伺服电机控制的常用指令，如脉冲输出指令（PLSY, PLSR）、伺服定位指令（MC_MoveAbsolute, MC_MoveRelative, MC_MoveVelocity）等。 PLC运动控制模块： 介绍专用的PLC运动控制模块（如伺服轴卡、脉冲定位模块）的功能和使用方法。 PLC运动控制编程： 讲解如何使用PLC的梯形图、指令表、结构化文本等编程语言，结合运动控制指令实现复杂的运动控制任务。 上位机与PLC的通信： 介绍RS232/485、Ethernet/IP、Profinet等常用的通信协议，以及如何通过这些协议实现上位机与PLC之间的数据交换和指令传输。 运动控制系统集成： 讲解如何将PLC、驱动器、电机、传感器等不同硬件设备有机地集成到一个完整的运动控制系统中。 实验项目四：使用PLC实现伺服电机多轴联动实验 这是本教材的进阶实验，旨在培养学生独立设计和实现复杂运动控制系统的能力。 实验目的： 掌握使用PLC实现多轴伺服电机联动控制的方法，能够根据工艺要求编写PLC程序，协调多个轴的运动，实现同步或插补运动。 实验设备： 2-3台伺服电机（带编码器）、配套的伺服驱动器、支持运动控制功能的PLC（或多轴运动控制器）、人机界面（HMI，可选）、电源、连接线等。 实验内容： 1. 系统配置与硬件连接： 将多台伺服电机、驱动器与PLC进行正确的硬件连接。根据PLC和驱动器的手册，配置各轴的运动参数（如最大速度、加速度、减速度、编码器反馈类型等）。 2. 单轴运动控制验证： 分别对每一台伺服电机进行单轴位置和速度控制，确保其独立运行正常。 3. 同步运动实现： 单轴同步： 编写PLC程序，使一台伺服电机的位置或速度跟随另一台伺服电机。例如，实现主轴带动从轴以一定的比例关系运动。 多轴同步： 实现两台或多台伺服电机同时到达目标位置，或同时以设定的速度运行。 4. 直线插补（2D）： 编程使两台伺服电机协同工作，实现沿着直线轨迹的运动。例如，一个轴控制X方向，另一个轴控制Y方向，共同完成画直线的功能。 5. 圆弧插补（2D）： 编程使两台伺服电机协同工作，实现沿着圆弧轨迹的运动。 6. HMI界面设计与交互（可选）： 若使用HMI，设计一个用户界面，允许操作者输入目标位置、速度参数，监控各轴状态，并启动/停止运动。 7. 工艺流程模拟： 根据一个简化的实际应用场景（如包装机械的运动协调、简单的搬运机器人轨迹），设计并实现相应的PLC程序。 8. 实验结果分析与优化： 记录多轴联动过程中的运动轨迹、同步精度和运动平稳性。分析程序逻辑，优化参数设置，提高系统的整体性能。 第四章 运动控制系统的进阶技术与应用 本章将触及运动控制领域更高级的话题，为学生未来的深入学习和研究打下基础。 高级运动控制策略： 自适应控制： 介绍如何让控制器根据系统性能的变化自动调整控制参数。 预测控制： 讲解如何利用系统模型预测未来状态，从而提前做出控制决策。 模糊控制与神经网络控制： 介绍基于智能算法的控制方法，及其在处理非线性、时变系统中的优势。 运动控制系统中的通信： 详细介绍工业以太网通信协议，如Ethernet/IP, Profinet, EtherCAT等，及其在实时性、确定性方面的特点。 机器人运动控制基础： 简要介绍机器人运动学（正运动学、逆运动学）的概念，以及如何将这些理论应用于机器人臂的轨迹规划与控制。 运动控制系统的调试与故障诊断： 介绍常用的调试工具和方法，以及如何对运动控制系统中的常见故障进行快速定位和排除。 运动控制技术的最新发展趋势： 探讨工业4.0、物联网（IoT）与运动控制的融合，以及在智能制造中的应用前景。 附录 A：常用运动控制元器件选型指南 电机类型（直流、交流、步进、伺服）的选择依据。 驱动器与电机的匹配原则。 编码器类型（增量式、绝对式）的选择。 控制器（PLC、PAC、PC）选型考虑因素。 附录 B：实验设备操作手册与注意事项 提供具体实验中使用的主要设备（如特定型号的PLC、伺服驱动器）的简要操作指南。 强调实验操作中的安全事项，如触电防护、机械伤害防护等。 光盘内容 本教材配带的光盘将包含以下内容，以辅助读者更好地进行实验和学习： 实验指导的电子版： 方便随时查阅。 PLC编程软件示例： 提供各实验项目对应的PLC（或模拟器）程序源代码，方便学生理解和修改。 上位机控制软件示例： 提供基于PC（如LabVIEW, C, Python等）的控制程序示例，用于与PLC或运动控制器通信，进行数据采集和界面显示。 仿真软件（可选）： 提供一些运动控制系统的仿真模型，用于在无实际设备的情况下进行原理验证和算法调试。 相关技术文档与参考资料： 收集一些重要的行业标准、技术白皮书和相关论文，供读者深入研究。 结语 通过本教材的学习和实验，我们期望学生能够： 深刻理解运动控制系统的基本原理和组成。 熟练掌握步进电机和伺服电机的控制方法。 掌握PLC在运动控制中的编程和应用。 具备独立设计和调试简单至中等复杂度的运动控制系统的能力。 为进一步学习和从事自动化领域的运动控制相关工作打下坚实基础。 我们相信，本教材将成为自动化专业学生在运动控制学习道路上的一位得力助手。

评分☆☆☆☆☆

这本书的编排哲学似乎是“以解决问题为导向”的。它没有过多地纠缠于纯数学上的完备性证明（尽管基础的数学工具是扎实的），而是将重点放在了如何将理论转化为可运行的物理控制方案上。我特别喜欢其中关于鲁棒性分析的章节，作者没有将鲁棒控制仅仅视为一个高级的理论分支，而是将其置于实际工程干扰的背景之下进行讲解。例如，书中会模拟电机绕组参数随温度变化的场景，然后展示如何利用H无穷范数等工具来保证系统在这些不确定性下依然能保持性能。这种将抽象的数学工具直接映射到具体工程挑战上的做法，极大地增强了学习的代入感和成就感。它让我们意识到，控制理论并非空中楼阁，而是解决真实世界工程难题的强大武器。这本书的价值，在于它成功架起了实验室理论与生产线应用之间的那座至关重要的桥梁。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和印刷质量着实让人眼前一亮，那种沉甸甸的纸张手感，配合着清晰锐利的插图和图表，简直是为那些需要精细观察细节的学习者量身定做。我尤其欣赏作者在复杂概念阐述时所采用的“循序渐进”的编排方式。比如，对于首次接触状态空间模型的读者，作者并没有直接抛出晦涩的矩阵方程，而是通过一系列直观的物理情景引入，将抽象的数学工具“具象化”了。书中大量的实例代码片段，虽然只是示意性的，但其注释的详尽程度令人叹服，几乎可以让人不借助其他参考资料，就能在自己的开发环境中快速复现和理解算法的运作过程。此外，章节之间的逻辑过渡非常自然流畅，从基础的信号处理过渡到经典的PID控制，再到现代控制理论的核心——例如李雅普诺夫稳定性分析，这种知识体系的搭建，使得读者能够清晰地看到整个学科的知识脉络，避免了“碎片化学习”的弊病。这本书的价值不仅仅在于知识的传递，更在于它在构建学习者系统化思维框架方面所起到的关键作用，让人感觉手中的不再是一本教材，而是一份精心策划的“工程思维训练手册”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格非常具有“工程师的严谨感”，直截了当，毫不拖泥带水，但又不失清晰度。它不像某些学术专著那样故作高深，而是用一种非常务实、注重“可操作性”的语调进行讲解。我特别欣赏它在介绍特定控制器设计流程时所展现出的那种结构化的思维模式。例如，在设计一个复杂的多变量控制系统时，书中会清晰地列出从“系统辨识”、“控制器结构选择”、“参数整定”到“稳定性验证”的完整流程图，每一步骤都配有明确的工程目标和评价标准。这种流程化的指导，对于缺乏项目经验的初学者来说，是建立信心和规范操作习惯的基石。它强迫读者思考的不仅仅是“这个公式是什么”，而是“我应该在什么时候、用什么目的来应用这个工具”，这种导向性的教学方式，极大地提升了学习的主动性和目的性。

评分☆☆☆☆☆

我拿到这本书后，最大的感受是它在理论深度与工程实践之间的拿捏得极其到位。很多教材要么过于偏重理论推导，将读者困在无穷无尽的公式海洋里无法自拔，要么就是沦为简单的“操作手册”，只教你如何调用库函数，却不告诉你背后的原理。然而，这本教材似乎找到了一个绝佳的平衡点。举个例子，在讨论离散化方法时，它不仅清晰地展示了欧拉法和Tustin变换的数学推导，更重要的是，它还用简短但有力的篇幅讨论了不同离散化方法在实际应用中可能引入的数值误差和系统延迟问题，这种对“工程约束”的关注，是教科书里常常缺失的宝贵视角。更别提那些穿插其中的“陷阱提醒”——那些作者以过来人身份标注出的，容易出错的计算步骤或概念混淆点，这些小小的提示，对于正在挣扎于理解难点的新手来说，无异于一座灯塔，极大地提高了学习效率，省去了我大量走弯路的工夫。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的某些高级章节，比如涉及非线性系统处理的部分，对于零基础的读者来说可能需要花费较多的时间去啃。但有趣的是，即便是这些高深的内容，作者也设计了一些巧妙的“回顾与衔接点”。每当进入一个新的复杂主题时，作者会先用一小节文字回顾前面学过的核心概念，然后才引入新概念，并在讲解结束后，立刻用一个简短的对比总结，将新旧知识点串联起来。这种“温故而知新”的巧妙设计，保证了知识的积累是稳固而非松散的。此外，书中对不同控制理论之间的哲学差异探讨得非常深刻——比如，经典控制与现代控制在处理系统结构信息上的根本区别，这些深层次的讨论，让读者在掌握技术细节的同时，也培养了对控制学科整体框架的宏观理解能力。这种对知识深度和广度的兼顾，是区分一本优秀教材和平庸教材的关键所在。