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出版者:中国标准出版社

作者:瞿德福

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2004-5

价格:55.00元

装帧:

isbn号码:9787506633703

丛书系列:

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• 研究生
• 数字电路
• 模拟电路
• 电子技术
• 电路分析
• 电路设计
• 高等教育
• 工程技术
• 电子工程
• 信号处理
• 嵌入式系统

现代控制系统设计与实现 本书导言：驾驭复杂性，实现精准控制 在当今高度自动化和信息化的时代，控制系统无处不在，从精密工业机器人到智能电网，从航空航天器的姿态调整到日常家用电器的能耗优化，无不依赖于稳定、高效、可靠的控制技术。然而，随着系统复杂度的指数级增长，传统基于线性模型和经验方法的控制设计已难以满足现代工程对高性能、强鲁棒性和实时性的苛刻要求。 《现代控制系统设计与实现》正是为应对这一挑战而诞生的权威著作。本书旨在为读者提供一套系统、深入且实用的现代控制理论与工程实践的知识体系。它不再仅仅停留在理论推导的层面，而是紧密结合前沿的工程应用需求，指导读者如何将复杂的数学模型转化为能够实际部署、调试和优化的智能控制解决方案。 第一部分：控制系统的数学基础与状态空间理论的深化 本部分是理解现代控制系统的基石，重点在于从传统的传递函数视角转向更具物理直观性和数学完备性的状态空间表示法。 第一章：系统建模与时间响应分析的提升 本章首先回顾了经典控制理论中的拉普拉斯变换和传递函数，为过渡做铺垫。核心内容集中在系统辨识的高级技术，包括基于非线性最小二乘法和系统辨识工具箱（如MATLAB System Identification Toolbox）的应用。我们深入探讨了高阶系统的约减技术，如皮尔逊（Pade）近似和模态截断法，确保在不损失关键动态特性的前提下，获得更简洁、更利于控制器设计的低阶模型。此外，对系统时间响应的分析不再局限于单位阶跃响应，而是扩展到脉冲响应的频率特性分析，以及如何利用时间尺度分离原理来处理快慢模态并存的复杂系统。 第二章：状态空间表示法的精炼与可控性、可观测性 本章详细阐述了状态空间模型的构建，包括物理状态变量的选择与变换。重点在于可控性与可观测性的判据——卡尔曼行列式（Kalman Rank Condition）的严格推导与工程意义解读。我们引入了结构矩阵分析，帮助读者理解系统模态的耦合程度。此外，本章引入了对角化、Jordan标准型等相似变换，展示如何通过变换简化系统矩阵，为后续的状态反馈设计提供便利。 第二部分：基于状态反馈的现代控制设计 本部分是本书的实践核心，聚焦于如何利用系统的完整状态信息（或估计信息）来设计高性能控制器。 第三章：极点配置与状态反馈设计 本章详细讲解了极点配置（Pole Placement）的原理和算法，包括Ackermann公式及其局限性。更重要的是，我们深入探讨了基于LQR（Linear Quadratic Regulator）最优控制的设计方法。LQR不仅能保证系统的稳定性，还能在满足性能指标（如快速性、平稳性和控制能量消耗）之间取得最优平衡。本章提供了从性能指标权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 的选择到代数Riccati方程求解的全套工程流程，并配以实际的机械臂运动控制案例进行演示。 第四章：状态观测器设计与全阶/降阶估计器 在许多实际系统中，所有状态变量无法直接测量。本章引入状态观测器的概念。从最小阶观测器（Luenberger Observer）的理论构建到卡尔曼滤波（Kalman Filtering）的引入，循序渐进地介绍了状态估计的先进技术。卡尔曼滤波部分，我们不仅解释了其递推公式，更侧重于系统噪声协方差矩阵 $Q$ 和测量噪声协方差矩阵 $R$ 的实时估计与调优，这对于处理实际非平稳噪声环境下的传感器数据至关重要。 第五章：复合控制与前馈补偿 本章探讨如何整合状态反馈和状态观测器，形成闭环控制系统。我们详细分析了分离原理（Separation Principle），证明了最优控制器和最优观测器可以独立设计。此外，本章引入了前馈控制（Feedforward Control）的设计方法，用以抵消已知外部扰动和参考信号变化对系统性能的影响，显著提升系统的瞬时响应速度和跟踪精度。 第三部分：鲁棒性与先进控制理论 面对模型不确定性、参数摄动和外部干扰，控制系统必须具备足够的鲁棒性。本部分探讨了超越线性定常（LTI）系统的限制，迈向更具工程实用性的方法。 第六章：鲁棒控制导论：H-无穷范度（H-infinity）基础 本章是连接经典控制（如 $H_2$ 范度/LQG）和现代鲁棒控制的桥梁。我们从加权函数的设计角度切入 $H_infty$ 控制，强调如何通过选择合适的输入/输出加权函数来平衡性能和鲁棒性。本章详细阐述了$H_infty$ 控制器的求解，包括转化为半定规划问题（SDP）的求解思路，为处理模型不确定性下的控制设计打下坚实基础。 第七章：滑模变结构控制（Sliding Mode Control, SMC） SMC因其对系统参数变化和外部干扰的极强鲁棒性而在航空航天和伺服系统中得到广泛应用。本章深入剖析了SMC的切换面的设计、滑模控制律的构造，以及趋近律的选择（如S型函数、指数趋近律）以解决“抖振”问题。我们提供了等效控制量的计算方法，确保系统在滑模面上能实现期望的动态性能。 第八章：非线性控制导论与反馈线性化 对于大量存在于现实世界的非线性系统，线性化方法往往过于简化。本章介绍了反馈线性化（Feedback Linearization）技术，包括输入-状态线性化和输入-输出线性化。我们通过微分同胚映射和李导数的概念，展示如何通过状态反馈和坐标变换将复杂的非线性系统转化为等效的线性系统，从而应用前述的线性控制设计方法。同时，本章也讨论了反馈线性化技术的局限性及其在实际应用中对模型精确度的依赖。 第四部分：系统辨识与在线优化 第九章：自适应控制概述 本章介绍了在系统参数未知或时变情况下的控制策略。重点介绍基于模型参考自适应控制（MRAC）的设计思想，以及参数估计与控制器更新律的解耦。我们详细分析了诸如Lyapunov稳定性理论在证明自适应系统收敛性中的应用，确保在参数调整过程中系统的闭环稳定性得以保持。 第十章：数字实现与嵌入式系统集成 本章聚焦于控制算法的实际部署。讨论了从连续时间模型到离散时间系统的Z变换与Tustin变换的应用，以及采样周期的选择对系统稳定性和性能的影响。内容覆盖定点运算对控制精度和动态范围的影响、实时操作系统（RTOS）的调度策略在控制应用中的重要性，以及CAN总线和EtherCAT等工业通信协议在分布式控制系统中的数据同步与时间戳处理。 结语：展望未来 本书的知识体系旨在培养工程师具备“设计思维”——即从物理现象到数学模型，再到控制器设计、仿真验证，直至最终嵌入式系统实现的完整闭环能力。现代控制理论的未来，在于更有效地融合人工智能（如强化学习）与传统严谨的稳定性分析，实现真正意义上的智能自适应系统。掌握本书内容，即是站在当前控制工程前沿的坚实基础上，面向未来复杂系统的挑战做好了充分准备。

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我必须承认，这本书的排版和插图质量，简直是电子工程书籍中的一股清流。很多技术书籍的插图模糊不清，或者关键标注缺失，让人看得非常费劲，但这本则完全没有这个问题。无论是放大后的芯片内部结构图，还是不同工作状态下的输入输出波形图，都清晰锐利，对比度适宜。更别提那些复杂的公式块了，它们被完美地格式化，没有任何断行或错位的尴尬情况。这种对细节的关注，间接反映了作者对内容准确性的极致追求。对我而言，阅读体验直接影响学习效率，而这本书在视觉友好性上做到了极致。我甚至觉得，光是把这本书放在桌上，看着那些精美的图表，都能感受到一种沉静下来的学习氛围，让人更愿意沉浸其中。

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这本书的封面设计真是引人注目，那种深沉的蓝色调配上简洁的白色字体，透露出一种严谨而专业的学风。我一开始拿到手的时候，就被那种扎实的质感吸引了。翻开目录，感觉内容排布得非常合理，从基础的逻辑门讲起，一步步深入到复杂的组合逻辑和时序电路，逻辑性很强。作者似乎非常注重理论与实践的结合，光是看到那些电路图和波形图的精细程度，我就知道这本书不是那种泛泛而谈的入门读物。我尤其欣赏其中对几个经典电路，比如加法器和寄存器的深入剖析，讲解得清晰透彻，让人很容易就能把握住核心原理。对于我这种需要快速掌握电路设计精髓的人来说，这本书提供了一个非常坚实的理论基础，让我对后续的学习和实际应用充满了信心。我感觉作者在组织材料时，非常懂得读者的学习曲线，先易后难，循序渐进，绝不会让人感到突兀或晦涩难懂。

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坦白说，这本书的深度超出了我最初的预期，它绝对不是那种只停留在教科书表面知识的“快餐读物”。我发现它花了相当大的篇幅去探讨信号完整性、噪声抑制这些在实际工程中至关重要的“软技能”。很多大学教材往往会忽略这些细节，但这本书却把它们讲得深入且实用。对于那些希望从理论走向实际应用的工程师来说，这本书的价值简直是无法估量。我尤其赞赏作者在介绍高级主题时所展现出的那种毫不妥协的严谨性，每一个数学推导都力求完美，每一个参数的选取都有明确的物理意义支撑。读完关于功耗管理的章节，我立刻回去审视了我手头上的一个项目，发现了很多之前被我忽略的优化点。这本书更像是一本工具箱，里面装满了解决复杂电子问题的利器。

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这本书的语言风格简直就像一位经验丰富的老教授在跟你面对面讲解难题一样，充满了洞察力和幽默感，虽然主题是严谨的电子学，但读起来却一点也不枯燥。我特别喜欢作者在讲解一些容易混淆的概念时，会使用非常形象的比喻来帮助理解，比如他描述晶体管开关特性那一段，简直让我茅塞顿开。它不仅仅是罗列公式和定理，更重要的是，它教会了你“如何思考”一个电路问题。书中穿插的那些小故事和历史背景，虽然不是核心内容，却极大地丰富了阅读体验，让我对这些电子元件的诞生和发展有了更深的敬意。更难能可贵的是，它似乎预判了我们在学习过程中可能会遇到的所有“卡点”，并在关键时刻给出最精准的提示。阅读过程中，我常常会忍不住停下来，对照着书中的例题自己推演一遍，那种豁然开朗的感觉，是其他教材难以给予的。

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这本书最让我印象深刻的一点是它的系统性和前瞻性。它并没有固步自封于传统的电路分析方法，而是大胆地引入了现代仿真工具的使用指导和一些新兴的电路设计理念。比如，在讲解运放应用时，它不仅仅停留在教科书上常见的经典电路，还扩展到了如何使用仿真软件去验证这些电路在极端条件下的表现。这让我觉得，这本书不仅教授了“过去和现在”，更是在指引我们“面向未来”。它鼓励读者去质疑既有的标准，去探索更优的解决方案。对于想要在电子领域走得更远的人来说，这种培养批判性思维的引导至关重要。它就像一位高明的导师，不仅传授知识，更重要的是，塑造你的工程师思维模式。

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