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出版者:哈尔滨工程大学出版社

作者:李文秀

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2000-1-1

价格:19.00元

装帧:

isbn号码:9787810733793

丛书系列:

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• 系统分析
• 优化控制

《电路原理与分析》 内容提要 本书系统阐述了电路理论的基础概念、分析方法与实际应用，是电子工程、通信工程、自动化等理工科专业学生不可或缺的经典教材。全书内容严谨、逻辑清晰，覆盖了从直流电路到交流电路的全面分析体系，并深入探讨了暂态分析、频率响应、网络函数以及二端口网络等高级主题。 第一部分：电路基础与元件模型 本书伊始，我们首先确立电路分析的基石——基本概念。详细介绍了电荷、电流、电压、功率和能量的物理意义及其量纲。随后，对集总电路模型进行了严格定义，强调了元件的集总性假设在工程实践中的适用范围。 核心的元件模型部分，我们以翔实的篇幅描述了电阻（R）、电容（C）、电感（L）这三种基本无源元件的伏安特性、能量存储与耗散机制。特别地，电阻部分深入剖析了欧姆定律的微观本质及其在不同材料中的表现，并引入了导体的热效应（焦耳定律）。对于电容和电感，则从场论角度阐述了它们与电场、磁场的关联，并给出了其瞬时和微分形式的本构方程。对于实际应用中不可避免的非理想元件，如实际电阻的温度系数、实际电容的漏电、以及实际电感的分布电容，均进行了定性描述和初步的量化分析。 第二部分：电路分析方法 本部分是全书的核心，旨在教授读者掌握求解复杂电路的数学工具和系统化方法。 首先，我们从拓扑学角度引入了电路的节点（Node）、支路（Branch）、回路（Loop）和割集（Cut-set）的概念，为构建电路方程奠定结构基础。 随后，重点讲解了电路的基本定律：基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）。通过大量的实例，演示如何利用这些定律建立电路的拓扑方程组。 在此基础上，本书系统地介绍了电路分析的经典方法： 1. 节点电压法 (NVM)： 侧重于以节点电压为基本变量，通过KCL方程求解电路的拓扑结构。我们详细推导了包含独立源、理想电流源和理想电压源的节点方程的通用形式，并讨论了超级节点（Supernode）的处理技巧。 2. 回路电流法 (LMM)： 侧重于以回路电流为基本变量，通过KVL方程求解。本书清晰界定了主回路和网孔（Mesh）的区别，并详细说明了如何运用回路电流法处理桥式电路和非平面电路。 3. 网孔分析与节点分析的推广： 引入受控源（Controlled Sources）对传统方法的修正，特别是当受控源与受控变量不在同一回路或节点时，需要引入额外的耦合方程，本书对此进行了细致的分析和演示。 第三部分：直流与稳态交流电路分析 在掌握了基本分析方法后，我们转向特定电路状态的分析。 直流电路分析（DC Analysis）： 详细阐述了在所有电容视为开路、所有电感视为短路的直流稳态条件下的简化分析流程。 稳态交流电路分析（AC Steady-State Analysis）： 引入了相量（Phasor）的概念，这是从时域分析过渡到频域分析的关键桥梁。我们详细解释了相量如何表示正弦信号的幅值和相位，并推导了元件在相量域的复阻抗（Impedance）和导纳（Admittance）。利用复数运算，将微分方程转化为代数方程，使得交流稳态分析得以简化。重点分析了RL、RC、RLC串联和并联电路的阻抗特性，以及相量图的绘制与应用。 第四部分：电路的暂态分析与瞬态响应 本部分关注电路从一种状态过渡到另一种状态的动态过程，即暂态过程。 1. 一阶电路分析（RC 与 RL）： 深入分析了仅含一个储能元件的电路的零输入响应（Zero-Input Response）和零状态响应（Zero-State Response）。通过时间常数 $ au$ 的概念，直观地揭示了电路响应的快慢特性。我们还讨论了含独立源的完整响应求解（自然响应与特定响应之和）。 2. 二阶电路分析（RLC）： 系统地研究了包含电容和电感的电路。重点分析了欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种情况，详细阐述了特征根（Pole）的性质如何决定系统的动态行为（如振荡、衰减）。 第五部分：频率响应与网络函数 本部分将分析方法提升到更抽象的频域，为系统级设计打下基础。 1. 系统函数与传递函数： 定义了线性时不变（LTI）系统的输入输出关系——网络函数 $H(s)$，其中 $s$ 为复频率变量（拉普拉斯变量）。本书强调了传递函数的分子和分母多项式的根（零点和极点）在确定系统行为中的核心作用。 2. 频率响应： 通过令 $s = jomega$（令 $s$ 沿虚轴取值），我们得到了系统的频率响应 $H(jomega)$。本书详细解释了如何通过伯德图（Bode Plot）——幅频特性和相频特性曲线，来直观地分析电路对不同频率信号的放大或衰减效果。重点分析了低通、高通、带通和带阻滤波器的基本结构及其截止频率的确定。 第六部分：高级网络分析工具 为了解决更复杂的电路问题，本书引入了强大的替代分析工具。 1. 二端口网络（Two-Port Networks）： 定义了输入端口和输出端口，并系统地介绍了描述二端口网络的四种基本参数集： Z参数（阻抗参数）： 基于开路阻抗矩阵，适用于串联连接网络。 Y参数（导纳参数）： 基于短路导纳矩阵，适用于并联连接网络。 H参数（混合参数）： 结合了电压和电流，常用于放大器分析。 T参数（传输参数）： 适用于级联连接网络。 本书详细推导了这些参数矩阵之间的相互转换关系，并演示了如何利用它们分析复合网络（多个二端口网络串联或并联的组合）。 2. 电路定理回顾： 再次强调并深化了最大功率传输定理、互易定理（Reciprocity Theorem）等重要结论，并展示了它们在特定电路简化中的应用。 全书结构层层递进，从基础定律到数学工具，再到动态分析和频域特性，力求使读者不仅掌握解题技巧，更能深入理解电路现象背后的物理规律。配有大量的例题和习题，确保理论与实践的紧密结合。

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这本《数字控制系统》的书，说实话，我对它抱持着一种既期待又略带忐忑的心情翻开的。首先映入眼帘的排版和图示设计，给我的感觉是相当的专业和严谨，那种教科书特有的厚重感扑面而来。我原本以为它会像我之前接触过的一些同类书籍一样，在理论推导的深处就戛然而止，留给读者大量需要自行脑补的工程实现细节。然而，这本书的开篇部分，对于离散化过程的引入，处理得尤为细腻。它没有直接跳入Z变换的公式堆砌，而是花了大量篇幅去阐述采样定理在实际系统中的局限性，以及为什么要引入数字控制器。这种由实践问题倒推理论模型的叙事方式，极大地降低了初学者的门槛。特别是关于量化误差和有限字长效应的讨论，作者似乎非常注重工程实践中的“痛点”，这让我感觉作者不仅仅是一个理论家，更是一个在实际项目中摸爬滚打过的工程师。书中的例子，从简单的PID算法的离散化到更复杂的现代控制理论在数字域的映射，每一步都有详尽的数学推导，但又辅以直观的物理意义解释，读起来不至于枯燥。总而言之，初看之下，它展现出了一种扎实、注重工程落地性的特点，让人有信心继续深挖下去。

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合上这本书的时候，我有一种豁然开朗的感觉，但这份清晰感并非来自知识的简单积累，而是源于对控制理论视角转变的深刻理解。这本书的结构设计，从第一章的离散化引入，到中间的辨识、设计，再到后期的鲁棒性分析，形成了一个完整的闭环思考链条。它成功地将“连续”的世界观巧妙地映射到了“离散”的数字领域，而不是简单地进行公式替换。最让我印象深刻的是，它没有把数字控制系统视为一个孤立的学科，而是将其置于整个自动控制体系中进行审视。例如，在讨论离散化对根轨迹的影响时，作者会不时地穿插对比其在连续时间系统中的表现，这种对比极大地增强了读者的全局观。这本书的语言风格在不同章节间变化明显，有的地方严谨如规范文件，有的地方则充满启发性，这使得长达数百页的内容阅读下来，疲劳感被有效的调动和平衡。对于任何想要深入理解数字控制核心思想，而非仅仅停留在套用公式层面的工程师或研究生来说，这本书无疑是一份极具价值的参考资料。

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这本书在处理“实时性与计算效率”这一工程瓶颈问题时，展现出了一种罕见的务实态度。在很多理论书籍里，我们常常会看到设计出精妙的控制器，然后就假设计算机的处理速度是无限的。但这本《数字控制系统》则明确指出，数字控制的成败，很大程度上取决于你的采样周期能否被你的计算能力所支撑。作者非常详细地分析了不同算法的计算复杂度（$ ext{FLOPs}$），并提供了关于如何选择合适的固定点运算替代浮点运算的实用建议。我特别喜欢其中关于$ ext{Deadbeat}$控制器的讨论，它在追求最快收敛速度的同时，往往伴随着巨大的控制量跳变，作者非常直接地指出了这一点，并引导读者权衡“最优性能”与“物理可行性”。这种对系统约束条件的深刻理解，使得这本书的价值远远超越了纯粹的数学工具书。它更像是一本“如何用有限资源解决实际工程问题的实战手册”，其中关于$ ext{ADC/DAC}$转换精度和时间延迟补偿的章节，读起来就像是直接听取了资深硬件工程师的经验之谈。

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深入到高级控制结构的部分，比如状态空间方法的应用，这本书的深度开始显现出来，并且风格上又出现了一次明显的转变，从前面偏向基础离散化的娓娓道来，转变为一种更具结构化和模块化的讲解。对于可控性和可观测性的讨论，处理得非常到位，特别是引入了离散时间系统的李雅普诺夫稳定性判据时，行文变得更加凝练和严谨，仿佛从一个耐心的导师突然切换到了一个要求严格的研究所教授。我注意到，作者在讲解极点配置和状态反馈设计时，巧妙地结合了频率响应的概念，这在很多纯粹的时域教材中是不常见的融合。通过将离散时间系统的单位圆邻域与连续时间系统的右半平面进行类比，帮助读者建立起跨越时域转换的直觉。然而，在讲解一些前沿的数字滤波器设计，比如$ ext{IIR}$和$ ext{FIR}$滤波器的具体结构优化时，感觉篇幅略显保守，可能受限于传统教材的范畴，对于近年来新兴的基于$ ext{MPC}$（模型预测控制）的数字实现细节涉及得不够深入，略感意犹未尽，期待后续的增补或者作者的进阶著作能在这方面有所突破。

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我花了整整一个周末的时间来啃这本书的前半部分，最大的感受是，作者对“系统辨识”这一环的把握，简直是神来之笔。很多教材往往将辨识作为附录或者一笔带过，似乎默认我们已经拥有了一个完美的系统模型。但现实是，从物理世界到数学模型，中间的鸿沟才是最难跨越的。这本书却将辨识放在了一个极其重要的位置，专门辟出了一章来详细讲解参数估计的经典方法，比如最小二乘法在时域和频域的应用差异。我尤其欣赏它对“模型不确定性”的强调，而不是一味追求完美的模型匹配度。作者似乎在反复提醒读者：数字控制的精髓，在于如何用一个“足够好”的模型去稳定和优化一个“不完美”的物理实体。书中的图表质量很高，对比不同辨识算法在噪声环境下的表现，数据拟合曲线清晰可见，这比单纯的公式推演更有说服力。读到这里，我开始意识到，这不仅仅是一本关于如何设计数字控制器的手册，更是一本关于如何理解和驾驭物理世界不确定性的指南。它迫使我跳出纯粹的算法思维，去思考传感器噪声、执行器饱和这些“脏数据”对控制性能的实际影响。

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