用Python輕松設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)
定 價(jià)：79 元
叢書(shū)名：圖解IT技術(shù)系列叢書(shū)
- 作者：[日]南 裕樹(shù)(Yuki Minami)
- 出版時(shí)間：2021/9/1
- ISBN：9787111688112
- 出 版 社：機(jī)械工業(yè)出版社
- 中圖法分類：TP271-39
- 頁(yè)碼：
- 紙張：膠版紙
- 版次：
- 開(kāi)本：16開(kāi)
面向用Python進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人，邊學(xué)邊用Python進(jìn)行編程實(shí)踐。重點(diǎn)闡述以狀態(tài)空間模型為對(duì)象的現(xiàn)代控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。全書(shū)分七章，包括： Pythhon環(huán)境的構(gòu)建、數(shù)據(jù)和流控制、反饋控制、狀態(tài)空間模型、閉環(huán)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)、PID控制相位進(jìn)延遲補(bǔ)償，以及穩(wěn)健性控制數(shù)字實(shí)現(xiàn)的高級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
筆者在大學(xué)教授控制工程課程，深感對(duì)此課程感到苦惱的學(xué)生不在少數(shù)。造成學(xué)生不能充分理解本課程究竟在講些什么的主要原因是，課程中有很多與數(shù)學(xué)相關(guān)的抽象概念。鑒于此，筆者決定撰寫(xiě)一本能讓學(xué)生通過(guò)運(yùn)行程序來(lái)學(xué)習(xí)控制工程和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的書(shū)。
本書(shū)涉及很多與機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)的內(nèi)容，并使用熱門(mén)的編程語(yǔ)言Python。同時(shí)，本書(shū)致力于讓讀者能夠在運(yùn)行Python程序的同時(shí)，通過(guò)邊學(xué)邊做來(lái)實(shí)際體驗(yàn)控制工程。因此，對(duì)于想使用Python來(lái)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的人來(lái)說(shuō)，本書(shū)是絕佳選擇。此外，本書(shū)圖文并茂，盡可能以易于理解的方式進(jìn)行講解，因此，對(duì)于控制工程的初學(xué)者以及曾經(jīng)學(xué)過(guò)控制工程卻半途而廢，如今打算重拾書(shū)本的讀者而言，本書(shū)也是十分易讀的。
本書(shū)的內(nèi)容不僅包含實(shí)際工作中經(jīng)常使用的以傳遞函數(shù)模型為研究對(duì)象的經(jīng)典控制理論，還涉及以狀態(tài)空間模型為研究對(duì)象的現(xiàn)代控制理論，以及魯棒控制的基礎(chǔ)知識(shí)。不過(guò)，本書(shū)盡可能地減少了數(shù)學(xué)方面的描述，取而代之的是大量的Python示例代碼，以及兩姐妹（姐姐希波和妹妹望結(jié)）的可愛(ài)插圖和對(duì)話，這使得本書(shū)風(fēng)格輕松活潑，內(nèi)容易于理解。
在網(wǎng)頁(yè)https://y373.sakura.ne.jp/minami/pyctrl（日文）中可以找到本書(shū)的補(bǔ)充內(nèi)容和練習(xí)題的參考答案。讀者也可以在該網(wǎng)站找到示例代碼。
話說(shuō)回來(lái)，筆者初接觸到控制理論是在高等專門(mén)學(xué)校四年級(jí)的時(shí)候（相當(dāng)于大學(xué)一年級(jí)）。筆者依然記得當(dāng)初自己曾被這一能夠自由操控被控對(duì)象的技術(shù)深深吸引。不僅如此，筆者深陷其中的另一個(gè)原因在于控制系統(tǒng)的解析和設(shè)計(jì)中用到了大量數(shù)學(xué)工具，并且通過(guò)使用控制工程的專門(mén)語(yǔ)言，能夠?qū)χ八鶎W(xué)的力學(xué)和電子電路的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行解釋說(shuō)明�？刂七@個(gè)概念在我們的日常生活中其實(shí)比比皆是，所謂久而不聞其香，能夠切實(shí)感受到其重要性是難能可貴的。其實(shí)，如果沒(méi)有控制，我們安心、安全而又舒適的生活就無(wú)法成立，此話所言非虛。此外，近年來(lái)各種智能化事物層出不窮，想要隨心所欲地對(duì)事物加以控制，改變世界的面貌，控制工程的知識(shí)是不可或缺的。由此可見(jiàn)，控制工程（控制理論加上控制技術(shù)）可以說(shuō)是一門(mén)非常重要的學(xué)問(wèn)。讀者倘若能夠通過(guò)本書(shū)喜歡上這門(mén)有魅力的學(xué)科，筆者將深感欣慰。
本書(shū)能夠成書(shū)離不開(kāi)許多人的大力支持。本書(shū)的內(nèi)容建立在一般社團(tuán)法人系統(tǒng)控制信息學(xué)會(huì)主辦的教習(xí)講座的基礎(chǔ)之上。筆者深深感謝提出了用Python學(xué)習(xí)控制工程這一想法并托付筆者付諸實(shí)踐的大阪府立大學(xué)的原尚之老師以及學(xué)會(huì)事業(yè)委員會(huì)的各位同人。另外，筆者想感謝大阪大學(xué)的石川將人老師，以及同研究室的吉田侑史、田中颯樹(shù)、楠井大氣、奧田貴裕、平野貴裕、青木達(dá)朗等幫助審閱書(shū)稿的同學(xué)。謝謝你們。
后，感謝在家中默默支持筆者的賢妻和愛(ài)女。
南 裕樹(shù)
2019年4月
譯者序
前言
第1章 什么是控制 1
1.1 日常生活中的控制 3
1.2 反饋控制 4
1.3 控制工程的作用 6
1.4 本書(shū)概要 8
第2章 Python基礎(chǔ) 12
2.1 搭建Python環(huán)境 14
2.2 Jupyter Notebook的使用方法 14
2.3 Python基礎(chǔ) 18
2.3.1 數(shù)據(jù)和類型 19
2.3.2 流程控制 24
2.3.3 函數(shù)定義 27
2.3.4 閉包、lambda表達(dá)式、生成器、列表生成式 28
2.3.5 模塊 30
2.4 本書(shū)中用到的模塊 31
2.4.1 Numpy 31
2.4.2 Matplotlib 33
2.4.3 Scipy 37
2.4.4 Sympy 38
2.4.5 Python-Control 39
第3章 控制系統(tǒng)建模 43
3.1 描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 45
3.1.1 手推車的模型 46
3.1.2 垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的模型 46
3.1.3 RCL電路的模型 47
3.1.4 放大電路的模型 48
3.1.5 控制工程中使用的模型描述 49
3.2 傳遞函數(shù)模型 50
3.2.1 手推車和機(jī)械臂的傳遞函數(shù)模型 52
3.2.2 RCL電路和放大電路的傳遞函數(shù)模型 52
3.2.3 用Python表述模型 53
3.3 狀態(tài)空間模型 55
3.3.1 手推車和機(jī)械臂的狀態(tài)空間模型 57
3.3.2 RCL電路和放大電路的狀態(tài)空間模型 58
3.3.3 用Python表述模型 59
3.4 框圖 60
3.4.1 串聯(lián) 61
3.4.2 并聯(lián) 61
3.4.3 反饋 62
第4章 被控對(duì)象的行為 69
4.1 時(shí)域響應(yīng) 71
4.1.1 一階滯后系統(tǒng) 72
4.1.2 二階滯后系統(tǒng) 77
4.2 狀態(tài)空間模型的時(shí)域響應(yīng) 83
4.3 穩(wěn)定性 88
4.3.1 輸入輸出穩(wěn)定性 88
4.3.2 漸進(jìn)穩(wěn)定性 91
4.4 極點(diǎn)與系統(tǒng)行為的關(guān)系 93
4.5 頻域響應(yīng) 95
4.5.1 一階滯后系統(tǒng) 100
4.5.2 二階滯后系統(tǒng) 102
第5章 關(guān)注閉環(huán)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 109
5.1 閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)格 111
5.1.1 穩(wěn)定性 111
5.1.2 時(shí)域響應(yīng)特性 113
5.1.3 頻域響應(yīng)特性 113
5.1.4 閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)格 114
5.2 PID控制 115
5.2.1 P控制的性能分析 116
5.2.2 PD控制 119
5.2.3 PID控制 122
5.3 二自由度控制 127
5.4 使用臨界比例度法進(jìn)行增益調(diào)整 131
5.5 使用模型匹配法進(jìn)行增益調(diào)整 134
5.6 狀態(tài)反饋控制 138
5.6.1 極點(diǎn)配置法 139
5.6.2 調(diào)節(jié)器 142
第6章 關(guān)注開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 152
6.1 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)格 154
6.1.1 穩(wěn)定性 154
6.1.2 快速性與阻尼特性 160
6.1.3 穩(wěn)態(tài)誤差 162
6.1.4 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)格 163
6.2 PID控制 163
6.2.1 P控制 163
6.2.2 PI控制 165
6.2.3 PID控制 167
6.3 相位超前校正和相位滯后校正 172
6.3.1 相位滯后校正 172
6.3.2 相位超前校正 174
6.3.3 垂直驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 175
第7章 高級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 184
7.1 使用觀測(cè)器的輸出反饋控制 186
7.2 魯棒控制 193
7.3 數(shù)字化實(shí)現(xiàn) 200
7.3.1 使用零階保持的離散化 201
7.3.2 使用雙線性變換的離散化 202
附錄 數(shù)學(xué)補(bǔ)充內(nèi)容 208
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