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出版者:东北大学出版社

作者:郝培锋

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1900-01-01

价格:18.0

装帧:

isbn号码:9787810549080

丛书系列:

图书标签:

• 计算机仿真
• 仿真技术
• 数值计算
• 建模与仿真
• 科学计算
• 工程仿真
• 模拟技术
• MATLAB
• Simulink
• Python

现代控制系统设计与应用：面向工程实践的优化策略 图书简介 本书旨在为从事现代控制系统设计、分析与实现的高级工程师、科研人员以及相关专业的研究生提供一本全面、深入且高度面向工程实践的参考手册。全书立足于经典控制理论的坚实基础，系统地引入并详尽阐述了现代控制理论的核心概念、数学工具和前沿算法，重点聚焦于如何将这些理论有效地应用于解决复杂的、多变量的、带有约束条件的实际工程问题。 本书结构严谨，逻辑清晰，从系统的状态空间建模入手，逐步深入到最优控制、鲁棒控制、非线性控制以及现代估计与滤波技术，最终覆盖了当前工业界对智能化控制系统的迫切需求。 --- 第一部分：状态空间建模与系统分析基础 (Chapters 1-3) 第一章：连续与离散系统状态空间表示 本章首先回顾了物理系统（如机电一体化系统、热力学过程等）向标准状态空间形式 $dot{mathbf{x}} = mathbf{A}mathbf{x} + mathbf{B}mathbf{u}$ 和 $mathbf{y} = mathbf{C}mathbf{x} + mathbf{D}mathbf{u}$ 转换的完整方法论。我们不仅关注线性系统的建模，还详细探讨了如何利用泰勒级数展开、雅可比线性化技术，将复杂的非线性动力学模型准确地线性化到特定的工作点附近，为后续的现代控制设计奠定数学基础。重点解析了系统的可控性和可观测性在判断系统设计可行性中的决定性作用，并提供了基于奇异值分解（SVD）的数值判定标准。 第二章：系统时间响应与稳定性判据 本章深入分析了系统的零输入响应、零状态响应及其对系统性能指标（如超调量、建立时间、稳态误差）的影响。稳定性分析部分超越了传统的Routh-Hurwitz判据，重点阐述了利用李雅普诺夫稳定性理论进行全局稳定性和局部稳定性的严格证明方法。对于时间系统，则详细对比了离散时间系统李雅普诺夫方程的求解策略，确保读者能够对系统在不同时间尺度下的行为有深刻的理解。 第三章：反馈控制系统的结构设计 本章着重于现代控制设计的核心——状态反馈。详细介绍了极点配置（Pole Placement）的技术，不仅展示了如何通过全状态反馈 $mathbf{u} = -mathbf{K}mathbf{x} + mathbf{r}$ 来达到期望的动态性能，还引入了输出反馈和动态反馈的概念，讨论了在传感器成本或信息限制下的设计折衷方案。此外，还首次引入了重构观测器的概念，如Luenberger观测器，作为实现状态反馈的必要前提。 --- 第二部分：最优控制理论与算法 (Chapters 4-6) 第四章：线性二次型最优控制 (LQR) LQR是现代控制设计中最成熟且应用最广泛的理论之一。本章从性能指标函数 $J = int_{0}^{infty} (mathbf{x}^Tmathbf{Q}mathbf{x} + mathbf{u}^Tmathbf{R}mathbf{u}) dt$ 的定义出发，推导了求解最优反馈增益 $mathbf{K}$ 的代数黎卡提方程 (ARE)。我们详细分析了权重矩阵 $mathbf{Q}$ 和 $mathbf{R}$ 如何直观地影响控制器的响应速度与控制能量之间的权衡。本章的重点在于ARE的数值求解方法及其在有限时间最优控制问题中的推广。 第五章：最优状态估计：卡尔曼滤波 对于绝大多数实际系统，状态变量无法直接测量，需要依赖传感器数据和系统模型进行估计。本章是本书的亮点之一。我们系统地推导了离散时间卡尔曼滤波器 (DKF) 的递推公式，详细解释了状态估计器的“预测”和“更新”两个核心步骤。随后，扩展到扩展卡尔曼滤波器 (EKF) 和无迹卡尔曼滤波器 (UKF)，重点讨论了它们在线性度欠佳的非线性系统中的实际应用、迭代策略以及协方差矩阵的收敛性分析。 第六章：最优控制与估计的统一：LQG控制 本章将第四章的最优控制与第五章的最优估计结果相结合，形成了线性二次高斯 (LQG) 控制器。根据分离原理 (Separation Principle)，最优状态反馈增益 $mathbf{K}$ 和最优状态估计器 $hat{mathbf{x}}$ 可以独立设计。本章详细分析了LQG系统的整体性能、其与LQR的性能差异，并引入了回 শঙ্ক (Bounded Input, Bounded Output, BIBO) 稳定性在LQG设计中的验证方法。 --- 第三部分：鲁棒性与抗干扰控制 (Chapters 7-8) 第七章：鲁棒控制基础与 $mathbf{H}_{infty}$ 范数 在实际工程中，系统模型总存在不确定性（参数变化、未建模动态）。本章介绍了度量系统“健壮性”的数学工具——奇异值和$mathbf{H}_{infty}$ 范数。我们详细阐述了如何构建加权函数 $W_S$ 和 $W_T$ 来分别限制系统的敏感度（抑制外部扰动）和控制器的动作（限制控制信号的放大），从而将鲁棒控制问题转化为求解一个加权 $mathbf{H}_{infty}$ 控制器的优化问题，这通常涉及求解两个关联的黎卡提方程。 第八章：控制设计中的裕度分析 本章侧重于工程上直观的鲁棒性验证。详细讲解了增益裕度 (Gain Margin) 和相角裕度 (Phase Margin) 的计算方法及其物理意义。我们利用奈奎斯特图 (Nyquist Plot) 和波德图 (Bode Plot)，结合闭环系统的特征方程，演示了如何通过图形分析来确定系统在参数微小变化下保持稳定的边界，并指导控制器参数的微调。 --- 第四部分：先进控制技术与工程实现 (Chapters 9-10) 第九章：非线性控制基础：反馈线性化与滑模控制 针对无法有效线性化的复杂系统，本章介绍了两种强大的非线性控制策略。首先是输入-输出反馈线性化，通过坐标变换和微分几何思想，将非线性系统转化为等效的线性系统进行控制设计，并讨论了其对模型精确度的敏感性。其次是滑模控制 (SMC)，重点讲解了如何设计滑模面 (Sliding Surface) 以保证系统快速收敛到期望轨迹，并深入分析了SMC中抖振 (Chattering) 现象的产生机理及边界层方法的工程化处理。 第十章：模型预测控制 (MPC) 原理与实践 模型预测控制是当前工业控制领域的热点，尤其适用于约束优化问题。本章系统地介绍了MPC 的核心思想：在每一步采样时刻，利用当前系统的状态，基于系统模型在线求解一个有限时域的优化问题，仅执行第一个控制动作，然后在下一时刻重复该过程。我们详细分析了如何将系统约束（如执行器饱和、状态限制）纳入到在线求解的二次规划 (QP) 问题中，并讨论了MPC在延迟系统和时间延迟补偿方面的应用优势。 --- 总结与展望 本书的编写遵循“理论推导严谨、实例分析详尽”的原则，所有理论推导均采用矩阵代数和系统理论的规范表达。每章末均附有详细的工程案例分析，结合MATLAB/Simulink工具箱中的相关函数（如Control System Toolbox），展示了如何将所学知识转化为可运行的控制代码。本书是系统控制工程师迈向高阶设计与实现，解决复杂工业自动化挑战的必备工具书。

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阅读体验上，作者的叙述风格着实值得称赞。他没有采用那种冷冰冰、公式堆砌的写作方式，而是采用了相当具亲和力的引导性语言。很多复杂的概念，他都能用日常生活中容易理解的比喻来阐释，这极大地降低了初学者的入门门槛。我试着理解了几个比较绕的数学模型推导过程，发现作者在关键步骤都附带了详细的文字解释，仿佛有一个经验丰富的导师在旁边手把手地教你一样。这种“带着走”的教学方式，比单纯罗列公式有效得多。而且，书中似乎还穿插了一些作者个人的实践心得或者“避坑指南”，这些基于经验的提醒，往往比纯理论指导更有价值，能让人少走很多弯路。

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这本书的价值感不单单体现在知识的传递上，更在于它提供了一种解决问题的思路和框架。我感受得到，作者不仅仅是在教我们“怎么做”，更是在引导我们思考“为什么这么做”以及“在什么情况下应该用别的方法”。例如，书中对不同仿真环境下的误差分析和精度验证部分，讨论得尤为深入，这直接关系到仿真结果的可靠性和可信度。对于我们做工程验证的人来说，模型的准确性才是生命线。这本书提供的系统性思维训练，远远超过了一本纯粹的操作手册的价值，它更像是一本能帮你建立起扎实理论基础和批判性分析能力的工具书。

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从排版和细节处理上来看，这本书的编辑团队也绝对是专业的。我注意到书中的术语表做得非常规范，而且很多关键的专业词汇在首次出现时都做了加粗或斜体标注，这对于快速查找和记忆专业术语很有帮助。另外，书中对公式的编号和引用逻辑非常清晰，你在后续章节引用前面的公式时，能够毫不费力地追溯源头，阅读流畅性得到了保证。有时候读技术书最怕的就是东一榔头西一棒槌，找不到上下文，但这本书似乎在这方面做了大量细致的工作，确保了知识点的串联性。这种对细节的关注，往往体现了一本书的整体制作水准。

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这本书的装帧设计和印刷质量真的没得说，拿到手里沉甸甸的，感觉挺有分量的。纸张摸起来光滑细腻，内页的排版布局也十分清晰，字体大小适中，阅读起来非常舒服，长时间盯着也不会觉得眼睛特别累。封面采用了磨砂质感，配上深邃的蓝色调，一下子就给人一种专业、严谨的理工科书籍的感觉，非常符合我对技术类书籍的期待。我特地留意了一下目录结构，感觉章节划分逻辑性很强，从基础概念到复杂的应用案例，层层递进，应该能帮助读者系统地构建知识体系。而且，书里似乎还包含了不少图表和示意图，这些视觉辅助工具对于理解抽象的理论知识至关重要，光从这一点就能看出作者在内容组织上下了真功夫，这对于我这种喜欢边看边画思维导图的读者来说，绝对是个加分项。

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我之前接触过几本同类的技术书籍，很多要么是理论讲得过于晦涩，要么就是案例陈旧跟不上时代。但这本新书给我的第一印象是它的前沿性。我随便翻开其中一章，发现它居然深入探讨了某些新兴算法在优化模型中的应用，这正是目前行业内大家都在关注的热点。作者显然不是停留在教科书上那些老掉牙的例子，而是紧密结合了最新的研究成果和工业实践。更让我惊喜的是，书中似乎对不同仿真软件之间的比较和适用场景分析也做了详细的论述，这对于我们实际工作选型时提供了非常宝贵的参考意见，避免了盲目跟风投入资源。这种既有深度又有广度的内容覆盖，让人觉得物有所值，不像很多书只是浅尝辄止地堆砌概念。

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