《自動控制：多學(xué)科視角》是自動控制領(lǐng)域國際級權(quán)威的經(jīng)典著作。書中通過物理學(xué)、生物學(xué)、計算機科學(xué)和運籌學(xué)等學(xué)科中的應(yīng)用實例，全面闡述了反饋控制的基本理論和設(shè)計方法，介紹了對反饋系統(tǒng)進行建模、分析和設(shè)計時的數(shù)學(xué)應(yīng)用，講解了頻域中的分析方法，包括傳遞函數(shù)、奈奎斯特分析、PID控制、頻域設(shè)計和魯棒性等。
對于本科生和研究生來說，這是一本完美的自動控制原理教科書；對于研究人員來說，這是一本必不可少的內(nèi)容全面的參考書。
《自動控制：多學(xué)科視角》介紹了反饋控制系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計。與其他同類書不同，《自動控制：多學(xué)科視角》基于指數(shù)響應(yīng)來建立傳遞函數(shù)的概念，并從物理學(xué)、生物學(xué)、信息科學(xué)以及經(jīng)濟學(xué)等許多領(lǐng)域中選取反饋實例來進行闡述。 書中先從反饋系統(tǒng)設(shè)計與分析的狀態(tài)空間工具入手。介紹解的穩(wěn)定性、李雅普諾夫函數(shù)、可達性、狀態(tài)反饋的可觀測性以及觀測器。接著建立并解釋了頻域工具，其中包括傳遞函數(shù)、奈奎斯特分析、PID控制、頻域設(shè)計以及魯棒性等。另外，書中每章還提供了大量習(xí)題。
第1章 引論 1
1.1 什么是反饋 1
1.2 什么是控制 3
1.3 反饋實例 4
1.3.1 早期技術(shù)實例 4
1.3.2 發(fā)電與輸電 5
1.3.3 航空與運輸 6
1.3.4 材料及其處理 7
1.3.5 儀器 8
1.3.6 機器人學(xué)與智能機器 9
1.3.7 網(wǎng)絡(luò)與計算系統(tǒng) 10
1.3.8 經(jīng)濟學(xué) 11
1.3.9 自然中的反饋 12
1.4 反饋特性 14
1.4.1 魯棒性與不確定性 14
1.4.2 動態(tài)特性的設(shè)計 15
1.4.3 高級自動控制 16
1.4.4 反饋的缺點 17
1.4.5 前饋 17
1.4.6 正反饋 18
1.5 簡單形式的反饋 18
1.5.1 通斷控制 18
1.5.2 PID控制 19
1.6 進階閱讀 20
習(xí)題 21
第2章 系統(tǒng)建模 22
2.1 建模的概念 22
2.1.1 力學(xué)中的闡釋 22
2.1.2 電氣工程的闡釋 24
2.1.3 控制的觀點 25
2.1.4 多學(xué)科建模 26
2.2 狀態(tài)空間模型 27
2.2.1 常微分方程組 27
2.2.2 差分方程 30
2.2.3 仿真與分析33
2.3 建模方法 35
2.3.1 方框圖 36
2.3.2 實驗建模 38
2.3.3 歸一化與定標 39
2.3.4 模型的不確定性 40
2.4 建模實例 41
2.4.1 運動控制系統(tǒng) 41
2.4.2 信息系統(tǒng) 43
2.4.3 生物系統(tǒng) 47
2.5 進階閱讀 49
習(xí)題 49
第3章 實例 53
3.1 定速巡航控制 53
3.2 自行車動態(tài)特性模型 56
3.3 運算放大器電路 58
3.4 計算系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò) 61
3.4.1 Web服務(wù)器控制 61
3.4.2 擁塞控制 63
3.5 原子力顯微鏡 65
3.6 藥物管理 68
3.6.1 房室模型 69
3.6.2 胰島素-葡萄糖動態(tài)平衡 70
3.7 種群動態(tài)特性 72
3.7.1 后勤增長模型 72
3.7.2 捕食者-獵物模型 72
習(xí)題 73
第4章 動態(tài)行為 76
4.1 求解微分方程 76
4.2 定性分析 78
4.2.1 相圖 79
4.2.2 平衡點和極限環(huán) 79
4.3 穩(wěn)定性 81
4.3.1 定義 81
4.3.2 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性 83
4.3.3 基于線性近似的穩(wěn)定性分析 86
4.4 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析 88
4.4.1 李雅普諾夫函數(shù) 88
4.4.2 Krasovski-Lasalle不變性原理 94
4.5 參數(shù)化行為與非局部行為 95
4.5.1 吸引域 95
4.5.2 分岔 96
4.5.3 利用反饋進行非線性動態(tài)特性設(shè)計 98
4.6 進階閱讀 100
習(xí)題 100
第5章 線性系統(tǒng) 104
5.1 基本定義 104
5.1.1 線性特性 105
5.1.2 時不變性 107
5.2 矩陣指數(shù) 108
5.2.1 初始條件響應(yīng) 108
5.2.2 約當標準型 111
5.2.3 特征值和模式 114
5.3 輸入/輸出響應(yīng) 116
5.3.1 卷積方程 116
5.3.2 坐標不變性 118
5.3.3 穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 120
5.3.4 采樣 125
5.4 線性化 127
5.4.1 平衡點處的雅可比線性化 128
5.4.2 反饋線性化 130
5.5 進階閱讀 131
習(xí)題 131
第6章 狀態(tài)反饋 134
6.1 可達性 134
6.1.1 可達性的定義 134
6.1.2 可達性的判定 135
6.1.3 可達標準型 138
6.2 基于狀態(tài)反饋的穩(wěn)定化 141
6.2.1 狀態(tài)空間控制器的結(jié)構(gòu) 141
6.2.2 可達標準型系統(tǒng)中的狀態(tài)反饋 144
6.2.3 特征值配置 145
6.3 狀態(tài)反饋的設(shè)計 147
6.3.1 二階系統(tǒng) 147
6.3.2 高階系統(tǒng) 151
6.3.3 線性二次調(diào)節(jié)器 153
6.4 積分作用 157
6.5 進階閱讀 159
習(xí)題 160
第7章 輸出反饋 163
7.1 可測性 163
7.1.1 可測性的定義 163
7.1.2 可測性的檢驗 164
7.1.3 可測標準型 166
7.2 狀態(tài)估算 167
7.2.1 觀測器 167
7.2.2 觀測器增益的計算 170
7.3 基于狀態(tài)估計的控制 171
7.4 卡爾曼濾波器 174
7.5 一種通用控制器結(jié)構(gòu) 177
7.5.1 前饋 177
7.5.2 線性系統(tǒng)的卡爾曼解構(gòu) 180
7.5.3 計算機實現(xiàn) 181
7.6 進階閱讀 183
習(xí)題 183
第8章 傳遞函數(shù) 185
8.1 頻域建模 185
8.2 傳遞函數(shù)的推導(dǎo) 186
8.2.1 指數(shù)信號的傳輸 186
8.2.2 坐標的改變 189
8.2.3 線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 189
8.2.4 增益、極點和零點 192
8.3 方框圖和傳遞函數(shù) 195
8.3.1 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 196
8.3.2 極點/零點抵消 199
8.3.3 代數(shù)環(huán) 200
8.4 伯德圖 201
8.4.1 伯德圖的繪制及解釋 202
8.4.2 由實驗獲得傳遞函數(shù) 207
8.5 拉普拉斯變換 209
8.6 進階閱讀 210
習(xí)題 211
第9章 頻域分析法 215
9.1 環(huán)路傳遞函數(shù) 215
9.2 奈奎斯特判據(jù) 217
9.2.1 奈奎斯特圖 217
9.2.2 條件穩(wěn)定性 221
9.2.3 通用奈奎斯特判據(jù) 221
9.2.4 奈奎斯特穩(wěn)定定理的推導(dǎo) 222
9.3 穩(wěn)定裕度 223
9.4 伯德圖關(guān)系和最小相位系統(tǒng) 227
9.5 增益和相位的廣義概念 229
9.5.1 系統(tǒng)增益 229
9.5.2 小增益和無源性 230
9.5.3 描述函數(shù) 231
9.6 進階閱讀 232
習(xí)題 233
第10章 PID控制 235
10.1 基本控制功能 235
10.2 用于復(fù)雜系統(tǒng)的簡化控制器 239
10.3 PID整定 242
10.3.1 Ziegler-Nichols整定 242
10.3.2 延遲反饋 244
10.4 積分器飽和 245
10.5 實現(xiàn) 247
10.5.1 濾波微分 247
10.5.2 給定加權(quán) 247
10.5.3 基于運算放大器的實現(xiàn) 248
10.5.4 計算機實現(xiàn) 249
10.6 進階閱讀 250
習(xí)題 251
第11章 頻域設(shè)計 253
11.1 靈敏度函數(shù) 253
11.2 前饋設(shè)計 256
11.3 性能指標 258
11.3.1 對參考信號的響應(yīng) 258
11.3.2 對負載干擾及測量噪聲的響應(yīng) 259
11.4 基于環(huán)路整形的反饋設(shè)計 261
11.4.1 設(shè)計考慮因素 261
11.4.2 超前和滯后補償 262
11.5 基本限制因素 265
11.5.1 右半平面極點、零點以及時間延遲 265
11.5.2 波特積分公式 268
11.5.3 波特公式的推導(dǎo) 271
11.6 設(shè)計實例 272
11.7 進階閱讀 275
習(xí)題 275
第12章 魯棒性能 278
12.1 建模的不確定性 278
12.1.1 未被建模的動態(tài)特性 279
12.1.2 兩個系統(tǒng)的相似——維尼科姆度量 280
12.2 存在不確定性時的穩(wěn)定性 282
12.2.1 應(yīng)用奈奎斯特判據(jù)判斷魯棒穩(wěn)定性 282
12.2.2 Youla參數(shù)化 285
12.3 存在不確定性時的性能 287
12.3.1 干擾衰減 287
12.3.2 參考信號的跟蹤 288
12.4 魯棒性極點配置 290
12.4.1 慢穩(wěn)過程零點 290
12.4.2 快穩(wěn)過程極點 292
12.4.3 極點配置的設(shè)計準則 293
12.5 魯棒性能設(shè)計 296
12.5.1 定量反饋理論 296
12.5.2 線性二階控制 297
12.5.3 H1控制 297
12.5.4 干擾加權(quán) 299
12.5.5 魯棒設(shè)計的局限 299
12.6 進階閱讀 300
習(xí)題 300
參考文獻 302
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