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出版者:西安电子科技大学出版社

作者:吴晓燕、张双选

出品人:

页数:353

译者:

出版时间:2006-9

价格:34.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787560616957

丛书系列:

图书标签:

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《现代控制理论与信号处理：原理、算法与工程实践》 简介 在现代工程技术的飞速发展中，无论是航空航天、机器人技术、通信系统，还是生物医学工程、经济金融模型，都离不开对复杂动态系统的精确描述、分析与控制。这要求我们掌握一套系统而严谨的理论框架，并辅以强大的计算工具和高效的算法来实现。本书《现代控制理论与信号处理：原理、算法与工程实践》正是为了满足这一需求而编写，它深入浅出地介绍了现代控制理论的核心概念，并将其与信号处理的技术紧密结合，旨在为读者提供一套完整且实用的工程化解决方案。 本书内容涵盖了从基础的系统建模、时域与频域分析，到先进的状态空间方法、最优控制、鲁棒控制，再到信号的采集、变换、滤波以及特征提取等关键技术。我们力求在理论的深度与工程应用的广度之间找到最佳平衡点，确保读者在理解抽象概念的同时，能够将其转化为实际的工程问题解决策略。 第一部分：系统建模与分析基础 本部分将为读者奠定坚实的系统建模与分析基础。首先，我们将从物理系统的描述出发，引导读者理解如何将现实世界的各种动态系统抽象为数学模型。这包括对连续时间系统和离散时间系统的基本概念进行阐述，重点介绍传递函数、微分方程、差分方程等描述方式。我们将详细讲解如何根据物理原理（如牛顿定律、电路定律）建立系统的数学模型，以及如何利用实验数据进行系统辨识。 接着，我们将深入探讨系统的时域分析方法。读者将学习如何通过分析系统的响应（如单位阶跃响应、脉冲响应）来理解其动态特性，包括稳定性、瞬态响应和稳态响应。我们将详细介绍系统极点和零点的概念及其对系统行为的影响。 随后，本书将引入频域分析的概念。我们将重点介绍傅里叶变换及其在系统分析中的应用，解释频率响应的概念，并通过伯德图、奈奎斯特图等图形化工具来展示系统的频率特性。读者将学会如何通过频率响应来分析系统的稳定性、带宽、抑制噪声的能力等。 第二部分：状态空间方法与先进控制理论 本部分将带领读者进入更强大的控制理论领域——状态空间方法。与传递函数方法不同，状态空间方法能够更全面地描述系统的内部状态，对于多输入多输出（MIMO）系统和非线性系统尤为适用。我们将详细介绍状态向量、状态方程和输出方程的概念，以及如何进行状态空间模型的构建与转换。 接着，我们将深入探讨状态反馈控制的设计。读者将学习如何利用可控性与可观性概念来设计状态反馈增益矩阵，从而实现期望的系统性能，如极点配置。我们还将介绍观测器的设计，用于估计不可测量的系统状态。 本部分还将涵盖现代控制理论中的重要分支，如最优控制。我们将介绍LQR（线性二次调节器）等经典的最优控制方法，解释其目标是最小化一个二次型性能指标。读者将理解如何在权衡控制能量和系统性能之间做出最优选择。 此外，我们还将触及鲁棒控制的基本思想。在实际系统中，模型参数的不确定性或外部扰动是不可避免的。鲁棒控制旨在设计能够适应这些不确定性并保持良好性能的控制器。我们将介绍H∞控制等鲁棒控制的初步概念。 第三部分：信号处理基础与技术 信号是信息传递的载体，对信号的有效处理是实现系统功能和提升系统性能的关键。本部分将系统地介绍信号处理的基础理论和常用技术。 我们将从离散时间信号和系统的基本概念入手，包括采样定理、量化等数字信号处理的基础。读者将学习如何对连续信号进行离散化处理，以及离散时间系统（如FIR和IIR滤波器）的特性。 接着，我们将重点介绍数字滤波器的设计与应用。我们将介绍多种滤波器设计方法，如窗函数法、频率采样法、切比雪夫法等，并深入讲解低通、高通、带通和带阻滤波器的原理与实现。读者将学习如何根据具体需求选择和设计合适的滤波器来抑制噪声、提取特定频率成分。 傅里叶变换在信号处理中扮演着至关重要的角色。本部分将详细介绍离散傅里叶变换（DFT）及其高效算法——快速傅里叶变换（FFT）。读者将理解FFT在信号频谱分析、特征提取等方面的巨大作用。 我们还将介绍其他重要的信号处理技术，如相关分析、卷积、以及一些基本的自适应信号处理概念。这些技术在模式识别、故障诊断、通信信号检测等领域有着广泛的应用。 第四部分：工程实践与案例分析 理论的价值最终体现在实践中。本部分将重点关注将前述的控制理论与信号处理技术应用于实际工程问题。我们将通过详细的案例分析，演示如何将抽象的理论转化为可执行的工程方案。 我们将选取多个典型的工程领域，例如： 机器人控制：如何利用状态空间方法设计机器人关节的运动控制器，以及如何通过信号处理技术对传感器数据进行滤波和融合，提高机器人的感知和运动精度。 飞行器姿态控制：如何应用PID控制、状态反馈控制等技术实现飞行器的稳定飞行，并结合惯性测量单元（IMU）等传感器数据进行姿态估计和滤波。 通信系统信号：如何利用数字滤波器处理通信信号，抑制干扰，提高信噪比，并通过频谱分析技术检测和识别信号。 工业过程控制：如何对工业生产过程建立模型，设计控制器以实现产品质量的稳定和生产效率的提高，并利用信号处理技术对生产过程中的异常进行监测和预警。 在每个案例分析中，我们将引导读者按照“问题定义—模型建立—理论分析—算法设计—仿真验证—工程实现”的逻辑流程进行思考和实践。我们将强调在实际工程中可能遇到的挑战，如模型不确定性、传感器噪声、计算资源的限制等，并探讨相应的应对策略。 本书的特色与目标读者 本书的写作旨在： 系统性：全面覆盖现代控制理论与信号处理的核心概念，建立完整的知识体系。 理论与实践结合：在深入讲解理论的同时，强调工程应用，通过丰富的案例分析加深理解。 循序渐进：从基础概念出发，逐步深入到高级主题，适合不同层次的读者。 严谨性与易读性并存：保证数学的严谨性，同时采用清晰的语言和图示，便于读者理解。 本书适合以下读者群体： 高等院校相关专业学生：包括自动化、电气工程、机械工程、航空航天工程、通信工程、计算机科学与技术等专业本科生和研究生。 工程技术人员：从事系统设计、开发、调试和优化的工程师，希望提升在控制和信号处理方面的理论水平和实践能力。 科研人员：在相关领域进行研究的学者，需要掌握扎实的理论基础和前沿的工程技术。 对动态系统分析与控制感兴趣的自学者：希望系统学习控制理论和信号处理知识的爱好者。 通过阅读本书，读者将能够： 深刻理解现代控制理论的核心思想和数学工具。 掌握分析和设计各种动态系统的基本方法。 熟练运用信号处理技术对实际信号进行有效处理。 将理论知识转化为解决实际工程问题的能力。 为进一步学习更深入的控制理论（如自适应控制、非线性控制、智能控制）和信号处理技术打下坚实的基础。 我们相信，《现代控制理论与信号处理：原理、算法与工程实践》将成为您在探索复杂动态系统世界中的得力助手。

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这套书的装帧设计真不错，封面色彩搭配得很有现代感，拿在手里沉甸甸的，一看就是内容扎实的专业书籍。我本来对手册类的书籍不太抱有太高期望，总觉得那种书要么就是理论堆砌，要么就是操作步骤的简单罗列，读起来很枯燥。但是翻开这本《MATLAB在自动控制中的应用》之后，我立刻被它清晰的逻辑结构吸引住了。作者在开篇就非常巧妙地将复杂的自动控制理论与MATLAB的强大功能结合起来，不是硬生生地把两者拼凑在一起，而是让MATLAB成为理解和解决控制问题的“翻译官”。特别是关于**PID控制器的设计与仿真**那一章节，它没有停留在传统的经典控制理论公式上，而是通过大量的实际代码示例，手把手教你如何利用`simulink`搭建模型，如何调用内置的调参工具箱，观察不同参数对系统动态响应的影响。这种实践导向的叙述方式，对于我这种需要快速将理论知识转化为工程应用的学习者来说，简直是及时雨。书中的图表制作得极为精良，每一个波形图、每一个系统框图都标注得清清楚楚，让你一眼就能明白设计意图，而不是对着一堆看不懂的符号发呆。我感觉这本书更像是一位经验丰富的工程师在和你一对一交流，把那些晦涩的数学概念，用可视化的方式完美呈现了出来，极大地提升了我的学习效率和解决实际问题的信心。

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从阅读体验上来说，这本书的排版和术语一致性做得非常出色，这在技术书籍中常常被忽视，但对于需要频繁查阅的读者来说至关重要。尤其是对于**稳定性分析**这一块，书中对**根轨迹法**、**频率响应法（Bode图、Nyquist图）**的讲解，不仅提供了理论推导，更侧重于如何利用MATLAB的交互式工具来动态地观察和修改系统的零极点对稳定性的影响。比如，当你拖动一个极点的位置时，根轨迹图会实时更新，这种动态反馈极大地增强了对控制系统特性的直观理解。与我之前读过的其他教材相比，这本书对**鲁棒性裕度**的讨论非常深入，它不仅仅计算了增益裕度和相位裕度，还结合**M-分离度**和**奇异值分析**，展示了如何在控制器的设计中量化系统的健壮性。这种多维度、多角度的分析方法，使我对“稳定”这个概念有了更深层次的认识，从“能跑起来”提升到了“能抗干扰”的工程层面。整本书结构严谨，内容详实，真正配得上“权威参考”的称号。

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我之前在做毕业设计时，深陷于**系统辨识**的泥潭，各种参数估计模型试了一遍，结果总是不尽如人意。直到我翻阅了这本《MATLAB在自动控制中的应用》中关于**系统辨识工具箱**的那几个章节，才豁然开朗。这本书在这一块的论述，简直是教科书级别的范例展示。它详细区分了**时域辨识**和**频域辨识**的应用场景，并且清晰地指出了每种方法在处理噪声数据时的优缺点。我印象最深的是关于**非线性系统辨识**的案例，书中用了一个非常贴近实际的机电耦合系统作为例子，展示了如何利用**Hammerstein-Wiener模型**进行辨识。作者不仅给出了完整的MATLAB脚本，还贴心地解释了每一步参数选择的物理意义，比如收敛因子、正则化参数的调整对模型精度的影响。看完这部分内容，我立刻回去修改了我的实验数据处理流程，仅仅调整了几个关键参数，辨识精度就提升了近15个百分点！这种立竿见影的效果，让我对这本书的实用性深信不疑。它不是泛泛而谈，而是直击痛点，为工程师解决实际难题提供了直接可用的工具和思路。

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与其他偏向于纯粹编程技巧的书籍不同，这本《MATLAB在自动控制中的应用》真正做到了“控制”与“应用”的完美融合。我特别欣赏作者在**信号处理**与**控制律实现**之间的无缝衔接。在工业控制领域，原始传感器数据往往充满了干扰，直接输入到控制器模型中会造成灾难性的后果。这本书中有一块专门讲解如何利用MATLAB强大的**数字滤波器设计工具**，例如Butterworth、Chebyshev滤波器，来预处理信号，并展示了如何将这些滤波器模块集成到Simulink的实时仿真模型中。更进一步，它还涉及到了**嵌入式系统部署**的概念，虽然没有深入到硬件编程层面，但它展示了如何将Simulink模型自动生成C代码的流程，这对于后续从仿真到硬件实现的过渡至关重要。这种前瞻性的视角，让这本书不仅仅停留在桌面仿真层面，而是将视野扩展到了整个控制系统的生命周期。对于希望从事研发工作，需要打通从理论、仿真到代码生成的工程师来说，这本书提供的跨界知识串联是非常宝贵的财富。

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初次接触这本书时，我的主要目的是想提升自己在**现代控制理论**方面的实际操作能力，特别是针对**状态空间法**和**鲁棒控制**这些比较“硬核”的内容。坦白说，市面上很多教材对这些内容的讲解往往过于侧重数学推导，让人感觉遥不可及。然而，这本《MATLAB在自动控制中的应用》在处理这些高阶主题时，展现出了惊人的平衡感。它并没有完全跳过数学基础，而是用一种“先实现，后理解”的策略。例如，在讲解**LQR最优控制**时，书中先展示了如何用几行MATLAB命令快速得到一个最优控制器，接着才慢条斯理地解释背后的代数黎卡提方程是如何求解和应用的。这种由浅入深的引导，让读者在看到实际效果的同时，逐步深入到理论核心，极大地降低了学习现代控制理论的心理门槛。更值得称赞的是，书中对于**多输入多输出（MIMO）系统**的处理，没有使用那种只有理论推导的空洞描述，而是提供了具体的案例，比如如何利用MATLAB的矩阵操作和系统识别工具箱，处理复杂的工业过程控制问题。这本书的深度和广度都远远超出了我的预期，它不仅仅是一本工具书，更像是一本结合了前沿控制思想的工程实践宝典。

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这本书对我的自控原理和simulink学习帮助很大！

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这本书对我的自控原理和simulink学习帮助很大！

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