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出版者:重庆大学出版社

作者:刘泉海

出品人:

页数:207

译者:

出版时间:2004-8-1

价格:18.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787562431329

丛书系列:

图书标签:

• 电力电子
• 电力系统
• 电子技术
• 开关电源
• 逆变器
• 整流器
• 电力变换
• 电路分析
• 控制工程
• 新能源

《控制理论与工程基础》：洞察现代控制系统的核心脉络 图书简介 本书旨在为读者系统地构建现代控制理论的坚实基础，深入剖析从经典控制到现代控制、再到智能控制领域的关键理论框架、数学工具以及工程应用实践。它并非一本侧重于电力电子器件工作原理或特定电力变换技术的专著，而是将视角聚焦于“控制”这一跨学科的通用科学，探讨如何利用数学模型精确描述、分析和设计使复杂系统稳定、高效运行的决策与调节机制。 第一部分：经典控制理论的基石 本部分着重于建立系统的动态描述能力，这是所有控制分析的前提。我们从时域分析入手，详细讲解线性定常（LTI）系统的基本概念，包括系统的零输入响应、零状态响应，以及如何使用微分方程来精确刻画系统的内部动态。系统性能指标，如一阶系统的建立时间、超调量、稳态误差等，被置于核心地位进行量化分析。 随后，我们转向频域分析，这是经典控制理论中处理稳定性和动态响应的强大工具。拉普拉斯变换作为连接时域与频域的桥梁被彻底阐释。本书详尽地介绍了传递函数（Transfer Function）的建立方法，并侧重于如何通过Bode图、Nyquist图等图形工具，直观地评估系统的相对稳定裕度（增益裕度和相位裕度）以及低频、高频段的动态特性。波特图的绘制与分析技巧，特别是针对高阶系统的简化近似方法，被赋予了大量的工程实例支撑。 根轨迹分析作为设计补偿器的重要手段，在本部分占据重要篇幅。我们不仅推导了根轨迹绘制的基本法则，更强调其在参数变化过程中系统稳定性和过渡过程如何演变的功能性洞察。最后，经典控制器的设计，特别是PID（比例-积分-微分）控制器的结构、参数整定方法（如Ziegler-Nichols法）及其在消除稳态误差和改善瞬态响应中的具体作用被详尽剖述。 第二部分：现代控制理论的飞跃 进入现代控制理论篇章，本书实现了从单输入单输出（SISO）到多输入多输出（MIMO）系统的范式转换。核心工具是状态空间表示法。我们详细阐述了如何将高阶微分方程转化为一组一阶线性微分方程组，即状态空间模型 $dot{mathbf{x}} = mathbf{A}mathbf{x} + mathbf{B}mathbf{u}$ 和 $mathbf{y} = mathbf{C}mathbf{x} + mathbf{D}mathbf{u}$。这种描述方式极大地提升了对复杂系统内部耦合关系的认知能力。 系统的能控性（Controllability）和能观测性（Observability）是现代控制理论的两个基石。本书通过判据（如卡尔曼判据）严格证明了这两个概念的数学意义，并阐明了它们对状态反馈设计和状态观测器设计的基础性约束。 基于这些基础，我们进入极点配置（Pole Placement）设计。利用状态反馈 $mathbf{u} = -mathbf{K}mathbf{x} + mathbf{r}$ 来驱动闭环系统的极点到期望的位置，从而精确设定系统的动态特性。在此基础上，针对无法直接测量所有状态变量的情况，本书深入讲解了状态观测器（State Observer）的设计，包括Luenberger观测器和卡尔曼滤波器的基本原理，确保系统在仅依赖输出信息的情况下仍能精确估计内部状态。 最优控制是现代控制理论的高级主题。本书聚焦于线性二次型调节器（LQR）问题。我们详细推导了求解最优反馈增益 $mathbf{K}$ 所依赖的代数黎卡提方程（ARE），并讨论了其在权衡控制能耗与性能偏差之间的平衡艺术。 第三部分：系统分析与鲁棒性 现代工程系统面对不确定性和外界扰动，对控制器的鲁棒性提出了更高要求。本部分探讨了系统在存在不确定性时的分析方法。 离散时间系统分析是数字化控制的必然要求。我们介绍了Z变换、脉冲响应函数，以及如何将连续时间系统转换为离散时间模型。离散状态空间方程、离散系统的能控性/能观测性检验，以及离散PID控制器的实现方法是重点内容。 对于非线性系统的分析，本书引入了描述函数法和相平面法，用于初步判断系统的稳定性和极限环特性，为进一步的先进控制提供直观理解。同时，李雅普诺夫稳定性理论被作为判断非线性系统全局稳定性的强大、通用的数学工具进行系统阐述，特别是二次型李雅普诺夫函数在证明线性系统稳定性的优雅应用。 第四部分：先进控制策略概述 在打下经典与现代控制的坚实基础后，本书简要介绍了当前控制工程领域的前沿方法，着重于其背后的控制思想，而非具体复杂的数学推导（这些通常留给高级专题书籍）。 鲁棒控制：引入 $mathbf{H}_{infty}$ 控制的基本思想，即在模型不确定性存在的情况下，如何最小化闭环系统的“最坏情况”的性能指标。 自适应控制：阐述系统参数随时间变化的场景，以及控制器如何通过在线估计系统参数来实时调整自身结构和参数，以维持既定性能。 智能控制的接口：简要介绍了模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）和神经网络控制（Neural Network Control）如何利用知识工程和学习能力来处理难以建立精确数学模型的复杂系统，为系统设计者提供多维度的解决方案视角。 总结 《控制理论与工程基础》全书结构严谨，逻辑清晰，强调理论与工程实践的紧密结合。它致力于培养读者运用数学语言精确描述、分析和综合设计控制系统的能力，是控制科学、自动化、机器人、航空航天、精密仪器等领域工程技术人员和高年级本科生、研究生的核心参考书。本书不涉及电力电子器件的开关特性、半导体器件的物理模型、或特定电力变换电路（如AC/DC、DC/DC、DC/AC变换器）的拓扑结构分析与纹波抑制技术。它的关注点是“如何让系统按照我们期望的方式运行”这一普遍规律。

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