系统与信号入门 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学出版社

作者:谢里克

出品人:

页数:331

译者:

出版时间:2005-9

价格:39.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787302114161

丛书系列:

图书标签:

• 通信
• 教材
• 专业－网络工程
• 400应用科学
• 信号与系统
• 电路分析
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• 数字信号处理
• 通信原理
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• 数学基础
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• 高等教育

浩瀚星河中的导航：深度探索《现代控制理论基础》 导读： 欢迎来到一个由精密计算、动态响应和最优决策构筑的迷人世界。本书并非聚焦于电子信号的传递与解析，而是将读者的目光引向一个更为宏大且具有实践意义的领域——如何精确地控制和引导复杂系统的行为。我们深知，在工程师和研究人员的工具箱中，有一柄至关重要的利剑，它决定了火箭能否准确入轨，机械臂能否平稳抓取，乃至电网的稳定运行。这柄利剑，便是现代控制理论。 《现代控制理论基础》是一部旨在为读者构建坚实理论框架、并展示其强大应用潜力的专业著作。它摒弃了纯粹的信号分析视角，转而专注于系统动态特性的刻画、稳定性判据的建立以及控制器设计的精妙艺术。本书的内容深度与广度兼顾，既是对经典控制思想的继承与提升，更是对前沿控制方法论的系统梳理。 --- 第一部分：系统状态的刻画与建模（从现象到本质的抽象） 本部分工作的核心是回答一个根本问题：如何用数学语言精确描述一个具有内部状态的动态物理实体？我们不会纠缠于输入信号的傅里叶变换或Z域特性，而是将重点放在状态空间表示法上。 1. 状态变量的选择与物理意义： 详细阐述了状态变量（State Variables）在描述系统内部能量存储和惯性特性中的不可替代性。我们将探讨如何从物理模型（如电路中的电容电压、机械系统中的位置与速度）中提炼出最小的、能完全表征系统当前行为的一组变量。 2. 线性时不变（LTI）系统的状态空间模型： 这是全书的基石。我们严谨地推导了标准的矩阵微分方程 $dot{mathbf{x}}(t) = mathbf{A}mathbf{x}(t) + mathbf{B}mathbf{u}(t)$ 和代数输出方程 $mathbf{y}(t) = mathbf{C}mathbf{x}(t) + mathbf{D}mathbf{u}(t)$ 的构建过程。深入剖析了系统矩阵 $mathbf{A}$、输入矩阵 $mathbf{B}$、输出矩阵 $mathbf{C}$ 和前馈矩阵 $mathbf{D}$ 的结构对系统动态行为的内在影响。 3. 系统特性的分析： 在构建模型之后，我们转向分析其固有属性。 能控性（Controllability）： 探讨系统是否可以通过有限的输入作用，将系统状态从任意初始状态转移到任意目标状态。这涉及卡尔曼能控性判据的推导，是设计有效控制器的先决条件。 能观测性（Observability）： 讨论能否仅凭系统的输出信号历史记录，唯一确定系统的当前状态。这直接关系到状态反馈控制（需要完整状态信息）的可实现性，并引出对卡尔曼观测性判据的深入研究。 4. 系统的解与时间的演化： 详细分析了齐次方程的解 $mathbf{x}(t) = e^{mathbf{A}t}mathbf{x}(0)$，重点讲解了状态转移矩阵 $e^{mathbf{A}t}$ 的计算方法，包括利用拉普拉斯逆变换法、特征值分解法（对角化）以及凯莱-哈密顿定理的实际应用。 --- 第二部分：稳定性判据与性能指标（系统的生死线） 控制的最高目标是稳定性。本部分将超越简单的根轨迹分析，引入更深刻、更具几何意义的稳定性判据，并建立量化系统性能的指标体系。 1. 状态空间下的稳定性分析： 李雅普诺夫稳定性理论（Lyapunov Stability Theory）： 这是现代控制理论的灵魂。本书将详细介绍李雅普诺夫第一法（基于特征值分析）和第二法（直接法）。重点阐述了如何构造李雅普诺夫能量函数 $V(mathbf{x})$，并利用 $dot{V}(mathbf{x})$ 的正定性与负定性来判断全局渐近稳定、指数稳定或仅是稳定。 稳定边界的几何解释： 结合系统的极点位置（位于复平面的左半平面），直观解释了系统行为（收敛、振荡或发散）的物理意义。 2. 性能指标的量化： 优秀的控制器不仅要稳定，还要快速、平稳。我们引入了如下量化指标： 瞬态响应指标： 如超调量（Overshoot）、建立时间（Settling Time）和峰值时间（Peak Time）在状态空间描述下的意义。 稳态误差分析： 分析系统在有、无外部扰动（如阶跃、斜坡输入）下的渐近行为，引入了系统型数（System Type）的概念，并将其与积分作用的必要性联系起来。 --- 第三部分：经典反馈与状态空间综合设计（从理论到实践的桥梁） 本部分是全书的实践核心，它展示了如何利用可控性和可观测性知识来设计高性能的反馈控制器。 1. 状态反馈极点配置（Pole Placement）： 原理与实现： 详细推导了如何通过设计反馈增益矩阵 $mathbf{K}$，使闭环系统矩阵 $(mathbf{A} - mathbf{B}mathbf{K})$ 具有期望的特征值（即期望的闭环极点位置）。 配方法（Ackermann 公式）： 给出了一种系统地计算增益矩阵 $mathbf{K}$ 的实用算法，该算法直接依赖于能控性矩阵的构造。 2. 状态观测器设计（Observer Design）： 针对无法直接测量所有内部状态的实际情况，我们设计了替代方案。 Luenberger 观测器： 阐述了如何利用输入 $mathbf{u}(t)$ 和输出 $mathbf{y}(t)$ 来重构系统状态 $hat{mathbf{x}}(t)$。观测器的误差动态 ($dot{mathbf{e}} = (mathbf{A} - mathbf{L}mathbf{C})mathbf{e}$) 被独立出来，其极点（观测器极点）可以独立于控制器极点进行配置，这依赖于系统的可观测性。 3. 状态反馈与观测器的结合——全阶反馈控制律： 将状态反馈 $mathbf{u} = -mathbf{K}hat{mathbf{x}}$ 引入闭环系统，形成一个完整且可实现的控制结构。 4. 性能增强：调节器与跟踪器（Regulator and Tracker）： 扩展了纯粹的零参考点控制，引入了对非零参考信号的跟踪能力，特别是通过引入积分项（如PI或PID的现代控制对应形式）来消除稳态误差。 --- 第四部分：最优控制与鲁棒性初步（面向未来的进阶） 本部分将控制理论提升到更高层次的优化和对不确定性的应对。 1. 线性二次型调节器（LQR）： 这是现代控制设计中最具影响力的方法之一。 优化目标： 阐述了如何定义一个二次型性能指标函数 $J = int_0^infty (mathbf{x}^Tmathbf{Q}mathbf{x} + mathbf{u}^Tmathbf{R}mathbf{u}) dt$，其中 $mathbf{Q}$ 和 $mathbf{R}$ 是权衡矩阵，分别代表状态误差和控制努力的成本。 代数黎卡提方程（ARE）： 详细推导了最优反馈增益 $mathbf{K}^$ 与 ARE 之间的关系，并讨论了求解该代数方程组的数值方法。LQR 的优势在于它在保证稳定性的同时，自动给出了性能最优的反馈。 2. 卡尔曼滤波（Kalman Filtering）： 当系统状态测量中包含噪声时，状态观测器就不再是最优的估计器。 随机过程的引入： 引入系统过程噪声 $mathbf{w}(t)$ 和测量噪声 $mathbf{v}(t)$ 的统计模型（白噪声假设）。 最优线性无偏估计： 导出卡尔曼滤波器的递推公式，它以最小均方误差（MMSE）准则，融合了系统动态预测和有噪声的测量数据，得到最优状态估计。 3. 鲁棒性概念的引入： 简要介绍控制系统面对模型不确定性（如参数微小变化）时的表现，为进一步研究 $mathcal{H}_{infty}$ 等鲁棒控制方法奠定基础概念。 --- 总结： 《现代控制理论基础》提供的是一套完整的、基于状态空间方法的分析与设计工具集。它指导读者如何从基本物理定律出发，建立系统的数学模型，利用李雅普诺夫理论保证其安全性，并通过极点配置或LQR优化来确保其高性能，是所有从事先进自动化、航空航天、精密仪器或复杂过程控制的专业人士不可或缺的理论基石。本书的价值在于其对“如何使系统按我们期望的方式运行”这一核心工程问题的系统性解答。

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我尝试了市面上好几本号称是“入门”的教材，但大多要么是过于侧重数学推导，让人在第一章就迷失在希尔伯特空间里，要么就是过于口语化，虽然读起来轻松，但关键的理论支撑却显得单薄无力。然而，这本《系统与信号入门》的作者显然找到了一个绝佳的平衡点。它的数学严谨性毋庸置疑，关键的定理和推导都完整呈现，保证了知识体系的正确性和完整性，但这并不意味着它是枯燥的。每当一个复杂的数学模型建立起来后，作者总会紧接着用一段文字，甚至是一段代码示例（虽然篇幅不多，但点到为止），来阐释这个模型在实际工程中究竟解决了什么问题。我印象最深的是关于卷积积分的部分，通常这是初学者最头疼的知识点之一，但这里的讲解，通过一个水波纹扩散的比喻，将时间域和频率域的相互作用展现得淋漓尽致。而且，书中大量的例题设计得非常巧妙，它们不是那种标准化的套路题，而是能引导你思考系统对不同输入信号的响应特性，培养了我的分析能力。这本书的优点在于，它不只教你“是什么”，更着重于教你“为什么会这样”以及“如何应用”。

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坦白说，我阅读这本书时，最惊喜的是它对现代信号处理中一些前沿概念的萌芽式介绍。虽然书名强调“入门”，但作者并没有将内容停留在上世纪八九十年代的经典知识点上。比如，在讨论采样定理时，它非常自然地引出了欠采样和过采样在现代通信系统中的应用场景，虽然没有深入探讨具体的算法，但已经为后续学习数字信号处理（DSP）打下了坚实的理论基础和前瞻性的视角。这种“今日之入门，明日之进阶”的布局，让这本书的生命力大大增强。我对它的语言风格非常欣赏，它既有学术的精确性，又没有传统教材那种高高在上的距离感。作者似乎非常理解初学者的困惑点，总能在关键时刻用一句精辟的比喻来点破迷思。它不是那种读完一遍就能立刻精通的速成秘籍，而是一本需要细细品味、反复研读、并会随着读者自身知识体系的增长而展现出更多内涵的工具书。这本书的价值在于它提供了一个扎实、可靠、并且面向未来的知识起点。

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这本书的配套学习资源，或者说它在结构设计上所体现出的“学习辅助系统”，给我留下了深刻的印象。虽然我只阅读了纸质版本，但从书中引用的图表和参考文献格式来看，作者显然是下了大功夫去构建一个连贯的学习路径。书中对拉普拉斯变换和Z变换的引入时机把握得相当精准，先通过拉普拉斯变换建立连续系统的分析框架，然后在完全理解了基本思想之后，再过渡到Z变换处理离散系统，这种顺序的安排避免了概念的混淆，让读者能够清晰地看到连续与离散之间的映射关系。更值得称道的是，每章末尾的“自测与拓展”部分，不仅仅是简单的习题，很多都设计成了开放性的思考题，引导读者去探究边界条件或者非线性情况下的系统行为。这使得阅读过程充满了探索的乐趣，而不是被动接受知识。我个人的阅读体验是，这本书的阅读节奏是可以由自己掌控的，它提供了坚实的骨架，但允许你根据自己的理解深度去填充血肉。

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作为一名在职场摸爬滚打多年的工程师，我重新拾起这些基础理论，希望能将它们与我目前负责的项目中的实时信号处理环节更好地结合起来。我发现这本书的视角非常贴合工程实践的需求。它没有陷入纯理论研究的泥潭，而是非常务实地探讨了滤波器设计中的实际考量，比如有限脉冲响应（FIR）和无限脉冲响应（IIR）滤波器的优缺点对比，以及在有限精度运算下可能出现的量化噪声问题。这些内容在一般的“初级”读物中是很少深入讲解的。作者对系统稳定性的讨论，也并非仅仅停留在代数判据上，而是结合了波特图和奈奎斯特图，直观地展示了系统在频域上的行为特征，这对于我们进行系统调试和优化非常有指导意义。我甚至发现了一些可以优化现有算法的思路，比如如何利用Z变换来更有效地分析离散系统的瞬态响应。总的来说，这本书的深度足够让一个有一定基础的人感到充实，同时它的广度也能覆盖到基础理论的各个重要分支，非常适合作为从理论到实践的桥梁。

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这本书的封面设计着实抓人眼球，那种简洁又不失深邃的蓝灰色调，仿佛预示着内容的严谨与广阔。我原本对“系统与信号”这个领域有些望而生畏，总觉得那是高深莫测的理论堆砌，但翻开扉页，作者的引言便展现出一种令人安心的姿态。它没有急于抛出复杂的数学公式，而是先从我们日常生活中的例子入手，比如音乐的频谱分析、电话信号的传输过程，这些接地气的引入，极大地降低了我对专业知识的心理门槛。阅读过程中，我特别欣赏作者在概念引入上的循序渐进。每一个新术语的出现，都会伴随着清晰的定义和直观的图示，即便是初次接触傅里叶变换这样的核心概念，也能通过巧妙的比喻，把握住其内在的物理意义，而不是仅仅停留在符号的运算层面。特别是关于离散时间系统那几章，作者的讲解逻辑性极强，仿佛是带着你在迷宫中一步步走出，每一步都有明确的方向指引。这本书的排版也做得非常出色，留白恰到好处，使得长时间阅读也不会感到眼睛疲劳，这对于需要反复研读的理工科书籍来说，绝对是一个加分项。我感觉，这本书更像是一位耐心的导师，而非冰冷的教科书，它鼓励你去思考，去探索背后的原理，而不是死记硬背结论。

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翻译不太好，没有基础知识的话完全不知所云。

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