用Python輕鬆設計控制系統（簡體書）
商品資訊
商品簡介
面向用Python進行控制系統設計的人，邊學邊用Python進行編程實踐。重點闡述以狀態空間模型為物件的現代控制系統的設計。全書分七章，包括： Pythhon環境的構建、數據和流控制、反饋控制、狀態空間模型、閉環系統的控制設計、開環系統的控制設計、PID控制相位進延遲補償，以及穩健性控制數字實現的高級控制系統設計。
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序
筆者在大學教授控制工程課程，深感對此課程感到苦惱的學生不在少數。造成學生不能充分理解本課程究竟在講些什麼的主要原因是，課程中有很多與數學相關的抽象概念。鑒於此，筆者決定撰寫一本能讓學生通過運行程序來學習控制工程和控制系統設計的書。
本書涉及很多與機器學習和數據挖掘相關的內容，並使用熱門的編程語言Python。同時，本書致力於讓讀者能夠在運行Python程序的同時，通過“邊學邊做”來實際體驗控制工程。因此，對於想使用Python來設計控制系統的人來說，本書是絕佳選擇。此外，本書圖文並茂，盡可能以易於理解的方式進行講解，因此，對於控制工程的初學者以及曾經學過控制工程卻半途而廢，如今打算重拾書本的讀者而言，本書也是十分易讀的。
本書的內容不僅包含實際工作中經常使用的以傳遞函數模型為研究物件的經典控制理論，還涉及以狀態空間模型為研究物件的現代控制理論，以及魯棒控制的基礎知識。不過，本書盡可能地減少了數學方面的描述，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”）的可愛插圖和對話，這使得本書風格輕松活潑，內容易於理解。
在網頁y373sakuranejp/minami/pyctrl（日文）中可以找到本書的補充內容和練習題的參考答案。讀者也可以在該網站找到示例代碼。
話說回來，筆者最初接觸到控制理論是在高等專門學校四年級的時候（相當於大學一年級）。筆者依然記得當初自己曾被這一能夠自由操控“被控物件”的技術深深吸引。不僅如此，筆者深陷其中的另一個原因在於控制系統的解析和設計中用到了大量數學工具，並且通過使用控制工程的專門語言，能夠對之前所學的力學和電子電路的相關知識進行解釋說明。“控制”這個概念在我們的日常生活中其實比比皆是，所謂“久而不聞其香”，能夠切實感受到其重要性是難能可貴的。其實，“如果沒有控制，我們安心、安全而又舒適的生活就無法成立”，此話所言非虛。此外，近年來各種智能化事物層出不窮，想要隨心所欲地對事物加以控制，改變世界的面貌，“控制工程”的知識是不可或缺的。由此可見，控制工程（控制理論加上控制技術）可以說是一門非常重要的學問。讀者倘若能夠通過本書喜歡上這門有魅力的學科，筆者將深感欣慰。
本書能夠成書離不開許多人的大力支持。本書的內容建立在一般社團法人—系統控制信息學會主辦的教習講座的基礎之上。筆者深深感謝提出了“用Python學習控制工程”這一想法並托付筆者付諸實踐的大阪府立大學的原尚之老師以及學會事業委員會的各位同人。另外，筆者想感謝大阪大學的石川將人老師，以及同研究室的吉田侑史、田中颯樹、楠井大氣、奧田貴裕、平野貴裕、青木達朗等幫助審閱書稿的同學。謝謝你們。
最後，感謝在家中默默支持筆者的賢妻和愛女。
南 裕樹
2019年4月
目次
譯者序
前言
第1章 什麼是控制 1
11 日常生活中的控制 3
12 反饋控制 4
13 控制工程的作用 6
14 本書概要 8
第2章 Python基礎 12
21 搭建Python環境 14
22 Jupyter Notebook的使用方法 14
23 Python基礎 18
231 數據和類型 19
232 流程控制 24
233 函數定義 27
234 閉包、lambda表達式、生成器、列表生成式 28
235 模塊 30
24 本書中用到的模塊 31
241 Numpy 31
242 Matplotlib 33
243 Scipy 37
244 Sympy 38
245 Python-Control 39
第3章 控制系統建模 43
31 描述動態系統 45
311 手推車的模型 46
312 垂直驅動機械臂的模型 46
313 RCL電路的模型 47
314 放大電路的模型 48
315 控制工程中使用的模型描述 49
32 傳遞函數模型 50
321 手推車和機械臂的傳遞函數模型 52
322 RCL電路和放大電路的傳遞函數模型 52
323 用Python表述模型 53
33 狀態空間模型 55
331 手推車和機械臂的狀態空間模型 57
332 RCL電路和放大電路的狀態空間模型 58
333 用Python表述模型 59
34 框圖 60
341 串聯 61
342 並聯 61
343 反饋 62
第4章 被控物件的行為 69
41 時域響應 71
411 一階滯後系統 72
412 二階滯後系統 77
42 狀態空間模型的時域響應 83
43 穩定性 88
431 輸入輸出穩定性 88
432 漸進穩定性 91
44 極點與系統行為的關係 93
45 頻域響應 95
451 一階滯後系統 100
452 二階滯後系統 102
第5章 關注閉環系統的控制系統設計 109
51 閉環系統的設計規格 111
511 穩定性 111
512 時域響應特性 113
513 頻域響應特性 113
514 閉環系統的設計規格 114
52 PID控制 115
521 P控制的性能分析 116
522 PD控制 119
523 PID控制 122
53 二自由度控制 127
54 使用臨界比例度法進行增益調整 131
55 使用模型匹配法進行增益調整 134
56 狀態反饋控制 138
561 極點配置法 139
562 最優調節器 142
第6章 關注開環系統的控制系統設計 152
61 開環系統的設計規格 154
611 穩定性 154
612 快速性與阻尼特性 160
613 穩態誤差 162
614 開環系統的設計規格 163
62 PID控制 163
621 P控制 163
622 PI控制 165
623 PID控制 167
63 相位超前校正和相位滯後校正 172
631 相位滯後校正 172
632 相位超前校正 174
633 垂直驅動機械臂的控制系統設計 175
第7章 高級控制系統設計 184
71 使用觀測器的輸出反饋控制 186
72 魯棒控制 193
73 數字化實現 200
731 使用零階保持的離散化 201
732 使用雙線性變換的離散化 202
附錄 數學補充內容 208
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