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现代控制理论基础：系统建模、分析与设计 作者： 郭文林，李明 教授 出版社： 科学技术文献出版社 ISBN： 978-7-5043-8891-2 页数： 680 页 装帧： 精装 定价： 128.00 元 --- 内容简介 本书是一部系统介绍现代控制理论核心概念、分析工具与设计方法的经典教材。全书结构严谨，内容全面，旨在为读者建立扎实的数学基础，并培养解决复杂工程控制问题的能力。本书特别强调理论与工程实践的紧密结合，辅以大量的实例和习题，确保学习者能够真正掌握现代控制系统的分析与设计技术。 本书的编写严格遵循控制理论的发展脉络，从系统动态特性的描述入手，逐步深入到系统的稳定性分析、性能评估以及控制器设计等关键环节。不同于传统的侧重于经典控制理论的教材，本书将重心放在了以状态空间法为核心的现代控制理论框架下，使其能够有效地处理多输入多输出（MIMO）系统，并为先进控制（如鲁棒控制、最优控制）的学习打下坚实基础。 第一部分：系统描述与建模 本书开篇详尽介绍了连续时间和离散时间系统的数学模型。我们首先回顾了经典电路理论、机械系统动力学等在控制系统建模中的应用。重点阐述了状态空间表示法，这是现代控制理论的基石。 连续时间系统： 详细推导了线性时不变（LTI）系统的状态方程 $dot{mathbf{x}}(t) = mathbf{A}mathbf{x}(t) + mathbf{B}mathbf{u}(t)$ 和输出方程 $mathbf{y}(t) = mathbf{C}mathbf{x}(t) + mathbf{D}mathbf{u}(t)$ 的建立过程。特别关注了如何将高阶微分方程转化为标准状态空间形式。 离散时间系统： 引入了差分方程和离散状态空间模型 $mathbf{x}[k+1] = mathbf{A}_dmathbf{x}[k] + mathbf{B}_dmathbf{u}[k]$，这是数字控制系统分析的基础。 系统的基本性质： 深入探讨了系统的线性、时不变性的严格定义。通过对状态转移矩阵 $mathbf{Phi}(t)$ 的分析，讲解了系统的自由响应和完全响应。 第二部分：系统分析与性能评估 在系统模型建立后，本书的核心工作转向了对系统动态性能的量化分析。 能控性与能观测性： 这是现代控制理论区别于经典控制理论的关键特征。我们使用卡尔曼可控性矩阵和可观测性矩阵，系统地介绍了判断系统是否能被完全控制或完全观测的充要条件。对于不可控或不可观测的部分，本书详细讨论了如何将其分离，并分析其对系统整体性能的影响。 系统的稳定性分析： 稳定性是控制系统的生命线。本书从李雅普诺夫意义下的稳定性出发，详细分析了LTI系统在时域（基于特征值/极点位置）和频域（虽然本书更侧重时域分析，但也引入了与频域分析的联系）的稳定性判据。对渐近稳定、指数稳定和 BIBO 稳定性的概念进行了严格区分和阐述。 系统性能指标： 对时间响应性能进行了详尽的量化分析，包括一阶系统的建立时间、超调量、峰值时间、稳定时间等。对于二阶系统，则重点分析了阻尼比和无阻尼自然频率对性能的决定性影响。 第三部分：状态反馈与状态观测器设计 本部分是现代控制系统设计的核心内容，聚焦于如何通过设计反馈控制器和状态观测器来修改系统的动态特性。 状态反馈极点配置： 详细介绍了利用线性状态反馈 $mathbf{u} = -mathbf{K}mathbf{x} + mathbf{r}$ 来任意配置闭环系统极点的技术（Ackermann 公式及其等效方法）。书中对如何处理参考输入 $mathbf{r}$ 进行了严谨的数学推导，确保系统满足零初值、单位阶跃输入时的稳态误差要求。 状态观测器设计： 针对状态变量往往难以直接测量的工程实际，本书引入了Luenberger 观测器。我们不仅推导了状态观测器的结构，还详细论述了观测器误差系统的稳定性与极点配置的关系，证明了观测器极点可以选择独立于控制器极点进行设计（分离原理）。 最小阶观测器与卡尔曼滤波的引入： 在详述全阶观测器的基础上，简要介绍了最小阶观测器的原理，并为后续学习最优估计理论（如卡尔曼滤波）奠定了基础，虽然卡尔曼滤波本身内容更深，但本书提供了必要的过渡和背景知识。 第四部分：现代控制理论在工程中的应用拓展 本书最后一部分将理论知识应用于更广泛的工程领域，并为进阶学习提供了方向。 系统对角化与模态分析： 运用状态空间矩阵的对角化（或若当标准型）方法，直观地展示了系统内部各模态（或特征向量）的动态行为，这对于理解系统响应的耦合程度至关重要。 离散系统控制设计： 针对数字控制系统，详细讨论了如何将连续系统的设计结果（如极点配置）通过 Z 变换转化为离散控制律，以及直接在 Z 域进行极点配置的方法。 鲁棒性概念的初步探讨： 简要介绍了对模型不确定性（如参数微小变动）的控制设计思想，为读者理解鲁棒控制奠定初步概念框架。 本书特色： 1. 数学严谨性与工程直观性的结合： 每一理论推导都力求清晰，同时配有大量的工程背景解释。 2. 丰富的实例和 MATLAB 辅助： 书中穿插了电力系统、机械臂控制等多个实际工程案例，并提供了相应的 MATLAB 仿真代码示例（代码不包含在本书的纸质内容中，但其理论基础和算法均已详细讲解）。 3. 习题设计梯度合理： 每章末尾的习题从基础验证到综合应用，难度逐级递增，有助于读者巩固知识。 本书适合作为高等院校自动化、电子信息工程、航空航天工程、机械工程等专业本科高年级和研究生“现代控制理论”课程的教材或参考书，对从事控制系统研发和调试的工程师也具有极高的参考价值。
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