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出版者:电子工业出版社

作者:宋悦孝 编

出品人:

页数:193

译者:

出版时间:2003-8

价格:17.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787505387669

丛书系列:

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现代控制系统设计与应用 作者：张伟 教授，李明 博士 出版社：高等教育出版社 出版年份：2023年 页数：680页 定价：128.00元 --- 内容简介 《现代控制系统设计与应用》是一部面向工程技术人员、研究生及高年级本科生的权威性专著。本书系统地阐述了经典控制理论向现代控制理论过渡的核心思想、数学基础以及在实际工程问题中的最新应用。全书结构严谨，理论深入浅出，力求在保持数学严密性的同时，充分体现工程实践中的操作性和指导性。 本书共分为十五章，内容涵盖了从控制系统的基本描述到复杂非线性系统的先进控制策略，重点突出了状态空间法在多输入多输出（MIMO）系统分析与综合中的核心地位。 第一部分：控制系统的数学描述与分析（第1章至第4章） 第1章：控制系统的基本概念与发展历程 本章首先界定了自动控制的内涵、重要性及发展趋势，回顾了从继电器控制到数字控制的演进脉络。重点介绍了线性、时不变（LTI）系统的基本假设，并引入了系统的时域分析方法，包括瞬态响应、稳态误差的分析框架。讨论了系统的稳定性判据，如李雅普诺夫第一法和第二法的基本思想。 第2章：状态空间描述的建立与变换 本章是全书的理论基石。详细介绍了用状态变量描述多自由度系统的必要性，区分了内、外变量的选取原则。深入探讨了如何将原有的传递函数模型、微分方程模型精确地转化为标准状态空间形式（如约旦标准型、可控标准型和可观标准型）。同时，讲解了相似变换在简化系统模型和便于分析中的作用，包括如何通过状态反馈矩阵实现极点配置，以及状态观测器设计所需的状态变换。 第3章：线性系统的时域分析与性能判据 本章集中于对状态空间模型在时域中的响应分析。通过矩阵指数函数 $mathrm{e}^{At}$，推导了系统的状态转移矩阵。详细分析了系统的能控性和能观性，并给出了基于可控性矩阵和可观性矩阵的严格判据。能控性与能观性是后续设计的基础，本章通过大量实例演示了如何判断和改善系统的这些基本性质。 第4章：线性系统的频域分析与根轨迹法扩展 尽管本书侧重于现代控制，但本章仍对经典频域分析工具进行了回顾和提升。探讨了频域特性（如带宽、截止频率）与时域性能（如超调量、调节时间）之间的内在联系。着重于介绍如何利用频域指标（如波特图、奈奎斯特图）来评估具有复杂结构和延迟环节的系统的相对稳定性裕度。 第二部分：现代控制系统的设计方法（第5章至第9章） 第5章：极点配置与状态反馈控制 本章是现代控制设计的核心内容。详细阐述了利用全状态反馈实现任意指定极点配置的可能性和方法（Ackermann公式及矩阵右乘法）。讨论了局部反馈与全局反馈的差异，并引入了基于最小二乘法的实际系统参数辨识与反馈增益计算流程。本章还首次引入了输出反馈和复合控制的概念作为状态反馈的补充。 第6章：状态观测器设计与输出反馈控制 针对无法获取所有状态变量的实际情况，本章聚焦于状态观测器的设计。系统地介绍了Luenberger观测器（全阶和降阶）的原理、设计步骤及其稳定性分析。重点论述了观测器误差的动态特性，并结合极点配置，阐述了“分离原理”在状态反馈与状态观测器独立设计中的应用。 第7章：最优控制理论基础——LQR设计 本章引入了基于性能指标的现代控制设计思想。详细介绍了线性二次型调节器（LQR）的设计原理，包括代价函数（二次型性能指标）的构建、代数Riccati方程（ARE）的求解方法（如迭代法和矩阵分解法），以及最优反馈增益 $K$ 的计算。讨论了权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 对控制性能（如能量消耗与跟踪精度）的影响。 第8章：卡尔曼滤波与估计理论 在存在随机干扰和测量噪声的环境中，本章引入了随机系统理论的基石——卡尔曼滤波。详细推导了离散时间卡尔曼滤波器的递推公式，包括状态估计和误差协方差矩阵的更新过程。对比了卡尔曼滤波与传统滤波器（如Wiener滤波器）的优势，并展示了其在导航、定位和数据平滑中的应用案例。 第9章：鲁棒控制与H$infty$ 控制基础 针对模型不确定性和外部扰动，本章将控制设计提升到鲁棒性的层面。介绍了鲁棒控制的基本概念，如稳定性裕度和性能裕度。重点讲解了 $mathrm{H}_{infty}$ 控制的设计框架，包括如何将控制问题转化为奇异值最小化问题，并简要介绍了求解加权 $mathrm{H}_{infty}$ 控制器的基本步骤，为处理实际工程中的不确定性提供了强有力的工具。 第三部分：复杂系统的控制策略与实践（第10章至第15章） 第10章：非线性系统的分析与基础控制 本章开始探讨超越LTI系统的范畴。介绍了描述函数法、相平面法等定性分析非线性系统的方法。重点讲解了反馈线性化技术，通过坐标变换和输入变换将非线性系统转化为等效的线性系统，从而应用现代控制设计方法。 第11章：自适应控制系统 针对系统参数时变或未知的情况，本章深入探讨了自适应控制。详细分析了间接自适应控制和直接自适应控制的结构。重点介绍了基于模型的参考自适应控制（MRAC）的原理，包括误差动态系统的构建和参数估计器的设计。 第12章：智能控制方法概述 本章概述了近年来快速发展的智能控制技术。详细介绍了模糊控制（Fuzzy Control）的基本结构、模糊规则库的建立和模糊推理过程。同时，对神经网络控制（Neural Network Control）的基本结构（如前馈、反馈补偿）及其在辨识和控制中的作用进行了介绍。 第13章：离散时间系统与数字控制 鉴于绝大多数现代控制系统依赖于微处理器实现，本章专注于离散系统理论。介绍了Z变换在离散系统分析中的应用，包括离散系统的稳定性判据（如 Jury 判据）。详细阐述了采样周期的选择对系统性能和稳定性的影响，并讨论了连续系统到离散系统的精确映射方法。 第14章：多变量系统与解耦控制 针对涉及多个相互耦合的控制回路的复杂工业过程（如化工反应器、航空器），本章专门讨论了MIMO系统的设计。重点介绍了动态矩阵控制（DMC）和模型预测控制（MPC）的基本原理，特别是MPC中在线优化和滚动时域计算的应用，展示了其在约束条件下的优越性能。 第15章：控制系统仿真与工程实现 本章将理论与实践紧密结合。详细介绍了使用MATLAB/Simulink环境进行控制系统建模、仿真和验证的流程。讲解了如何将理论设计的控制器（如LQR增益 $K$）转化为实际可运行的数字控制算法（如固定点运算），并讨论了硬件在环（HIL）测试的重要性。 --- 本书特色 1. 理论与实践深度融合： 不仅提供了严谨的数学推导，更穿插了大量工程实例和Simulink仿真流程，确保读者能将理论转化为可操作的工程设计方案。 2. 体系完整性： 覆盖了从经典到现代，从线性到非线性，从确定性到随机性的完整控制理论光谱。 3. 前沿视角： 专门设立了鲁棒控制、最优控制以及智能控制章节，反映了当前控制工程领域的研究热点。 4. 面向工程： 特别强调了能控性、能观性在实际系统辨识中的指导意义，以及LQR/卡尔曼滤波在工业应用中的权衡取舍。 本书是控制工程、电气工程、航空航天工程、机械工程等专业领域研究人员和工程师的理想参考书。

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这本书的配套资源和自学友好度设计，是我作为一名自学者最为欣赏的地方。虽然我们现在获取资料很方便，但一本结构清晰的教材仍然是骨架。这本书的每一章末尾都设置了“自测与拓展思考”部分，这些问题往往不是简单地重复书本内容，而是要求读者结合前文知识进行综合应用和批判性思考。比如，有一个思考题是要求读者设计一个在强电磁干扰环境下，能保证测量精度不低于某个阈值的方案，这迫使我必须将不同章节中分散的抗干扰技术和滤波原理串联起来。更贴心的是，书中对一些核心概念的定义和公式的推导过程，都清晰地标注了页码跳转提示，使得在查阅回顾知识点时，流程非常顺畅，避免了在厚厚的书中迷失方向。整体来说，它为自学提供了一条清晰、结构化的路径图，让你感觉每一步都有清晰的指引，而不是独自在迷雾中摸索。

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我花了一周的时间，集中精力攻克了这本教材中关于数据采集系统的章节，坦白说，一开始我有些担心内容会过于偏向理论推导，毕竟很多教材都是如此，堆砌公式，让人望而却步。然而，这本书的叙述方式让我惊喜。它并没有直接抛出复杂的公式，而是先通过描述一个实际的应用场景——比如如何精确测量一个快速变化的物理量——来引出问题，然后逐步引入所需的理论基础和相应的硬件接口标准。这种“问题驱动”的学习路径非常高效。更值得称赞的是，书中对于不同类型传感器的特性匹配和误差分析部分，提供了大量的实际工程案例作为佐证。我记得有一个案例对比了两种不同采样率下对同一高频信号的重构效果，配图非常清晰地展示了欠采样可能导致的混叠现象，并给出了相应的抗混叠滤波器的设计思路。这种理论与实践紧密结合的写法，让原本抽象的参数选择问题变得具体可操作，极大地提升了我对系统设计的信心。

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这本书的语言风格非常独特，它不像某些教科书那样板着脸孔，而是带有一种老教授特有的幽默感和对领域的热情。尤其是在介绍一些经典测量原理时，作者会穿插一些行业内的“黑历史”或者早期的技术难题，用一种讲故事的方式把技术演进的过程串联起来。这使得阅读过程充满了探索的乐趣，而不是机械的知识灌输。例如，在阐述数字反馈控制回路的稳定性时，作者用了大段文字来描绘早期工程师们如何通过反复试验来调整PID参数的艰辛历程，这种人文关怀让冰冷的技术变得有血有肉。这种叙述手法极大地降低了读者的心理门槛，让我觉得这些高深的技术并非遥不可及，而是人类智慧不断试错和优化的结果。读完相关章节后，我感觉自己不仅仅是学会了如何计算，更理解了为什么这些计算方法会成为行业标准。

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这本书的装帧设计确实很有心意，封面那种哑光的质感拿在手里沉甸甸的，透露着一股严谨的气息。我刚拿到手的时候，光是翻看目录就觉得信息量惊人，里面的章节划分非常细致，感觉作者对这个领域的基础理论掌握得炉火纯青。我特别留意了关于信号处理那一部分的章节，内容深入浅出，很多复杂的数学模型都被用非常直观的图表和例子进行了阐述，这对于我们这些非科班出身但又需要在工作中接触相关技术的人来说，简直是救命稻草。比如，书中对傅里叶变换在时域和频域之间的转换描述，清晰到我几乎能想象出那些波形的动态变化过程，完全没有那种晦涩难懂的感觉。而且，书中的排版也做得很好，字号大小适中，行间距也拉得恰到好处，长时间阅读下来眼睛也不会感到太累，这在技术类书籍中是难能可贵的。看得出来，编辑和作者在细节上都下了大功夫，体现了对读者体验的尊重。总而言之，从物理层面来看，这是一本让人爱不释手的工具书，光是放在书架上，都能感受到那种专业学术的沉淀感。

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我主要是冲着这本书对于高级计量标准和不确定度评定的深入探讨才购入的。市面上很多书籍在这一块往往草草了事，仅仅停留在基础的A类和B类不确定度的简单叠加上。但这本书显然是面向更高层次的研究人员或质量控制工程师的。它详细分析了不同测量链中系统误差的来源、传递机制，以及如何利用蒙特卡洛模拟方法来更精确地评估复合不确定度。书中给出的不确定度树状图（Uncertainty Tree Diagram）的绘制规范和解析，是目前我见过的最系统、最易于理解的指南之一。它不仅告诉你“如何做”，更深层次地解释了“为什么这么做在计量学上是合理的”。此外，对于国际计量学基础（如ISO/IEC Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, GUM）的引用和解读也十分到位，确保了我们遵循的是最前沿的国际规范。这部分内容对于准备进行高精度校准或认证工作的人员来说，价值是无可替代的。

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