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出版者:中国铁道

作者:马祥兴

出品人:

页数:387

译者:

出版时间:2006-7

价格:32.00元

装帧:

isbn号码:9787113067335

丛书系列:

图书标签:

• 电子技术
• 电路分析
• 模拟电子
• 数字电子
• 嵌入式系统
• 传感器技术
• 电力电子
• 通信原理
• 微电子学
• 应用电子学

现代控制理论基础与前沿进展 本书旨在为电子工程、自动化、控制科学等领域的学生、研究人员和工程技术人员提供一套全面、深入且与时俱进的现代控制理论知识体系。 本书不仅涵盖了经典控制理论的核心概念，更着重于阐述现代控制理论的数学基础、系统建模、状态空间分析、最优控制、鲁棒控制以及非线性控制等前沿领域。 --- 第一部分：控制系统基础回顾与数学准备 本部分作为全书的基石，旨在巩固读者对系统科学和线性代数等先修课程的掌握，并为后续现代控制理论的学习做好充分的数学准备。 第一章：系统科学与控制工程概述 本章首先界定了“系统”和“控制”的内涵与外延，追溯了控制理论从经典到现代的发展历程。深入探讨了反馈机制在提高系统性能、抑制扰动方面的关键作用。通过对经典反馈控制（如PID控制）的简要回顾，引出其在处理复杂系统、多变量耦合问题时的局限性，从而自然地过渡到现代控制理论的必要性。本章强调了从时域分析向相平面分析、传递函数到状态变量描述的思维转变。 第二章：线性代数与向量空间 现代控制理论严重依赖于线性代数工具。本章聚焦于与控制系统描述紧密相关的数学概念。详细讲解了向量空间、线性无关性、基和维数。重点阐述了矩阵的秩、行列式、特征值与特征向量的计算及其物理意义。特别地，引入了矩阵的Jordan标准型和相似变换的概念，为后续的状态空间表示和解耦分析奠定基础。 第三章：常微分方程与系统的时域分析 控制系统的动态行为通常由一组常微分方程（ODE）描述。本章复习了线性常系数ODE的解法，并引入了微分算子和拉普拉斯变换在求解ODE中的应用。对常系数系统的自由响应、强迫响应和零输入响应进行了清晰的区分和分析，为理解系统的瞬态和稳态行为提供了数学工具。 --- 第二部分：现代控制理论的核心——状态空间方法 状态空间描述是现代控制理论的标志性特征，它以更统一、更适用于数字实现的方式来描述系统。 第四章：线性时不变（LTI）系统的状态空间表示 本章核心内容是建立和理解LTI系统的状态空间模型 $dot{mathbf{x}}(t) = mathbf{A}mathbf{x}(t) + mathbf{B}mathbf{u}(t)$ 和 $mathbf{y}(t) = mathbf{C}mathbf{x}(t) + mathbf{D}mathbf{u}(t)$。详细讲解了如何将传递函数模型、物理微分方程等形式系统地转化为标准状态空间形式。探讨了对系统进行状态变量变换（相似变换）的意义，以及变换后系统矩阵的变化规律。 第五章：状态空间系统的解与系统性质分析 系统状态的演化由状态转移矩阵 $oldsymbol{Phi}(t)$ 决定。本章详细推导了状态转移矩阵的求解方法，包括基于矩阵指数的解析解和利用相似变换的数值解法。随后，系统地引入了现代控制理论的两个核心判据：能控性和能观测性。运用卡尔曼（Kalman）行列式判据，分析了系统是否可以通过输入完全驱动（能控性），以及是否可以通过输出完全推断内部状态（能观测性）。 第六章：状态反馈与极点配置 基于能控性，本章阐述了如何利用全状态反馈 $mathbf{u} = -mathbf{K}mathbf{x} + mathbf{r}$ 来重新配置系统的闭环极点，以达到期望的动态性能（如快速性、阻尼比）。详细介绍了利用 Ackermann 公式和通过计算可控规范形进行极点配置的具体步骤和设计流程。此外，还讨论了当所有状态不可测时，如何利用观测器来估计状态。 第七章：状态观测器设计 针对能观测性问题，本章介绍了维纳-霍夫曼（Luenberger）观测器的设计原理。推导了如何设计一个观测器矩阵 $mathbf{L}$ 使得估计误差 $mathbf{e} = mathbf{x} - hat{mathbf{x}}$ 能够渐近收敛到零，且收敛速度可设计。重点讲解了观测器极点的选择原则，以及观测器与控制器之间的分离原理（Separation Principle），该原理是现代控制系统设计的理论基石。 --- 第三部分：优化与高性能控制 本部分将视角从“能否控制”转向“如何最优地控制”，引入了性能指标和优化思想。 第八章：性能指标与二次型优化问题 引入性能指标函数，特别是常用于最优控制的二次型性能指标（Quadratic Performance Index），形式为 $J = int_{0}^{infty} (mathbf{x}^T mathbf{Q} mathbf{x} + mathbf{u}^T mathbf{R} mathbf{u}) dt$。讨论了权重矩阵 $mathbf{Q}$ 和 $mathbf{R}$ 对控制性能和控制能量消耗的影响。 第九章：LQR最优控制 详细推导了线性二次型调节器（LQR）的设计过程。通过变分法和庞特里亚金最大值原理（Maximal Principle）的初步应用，导出代数黎卡提方程（ARE）：$mathbf{A}^T mathbf{P} + mathbf{P} mathbf{A} - mathbf{P} mathbf{B} mathbf{R}^{-1} mathbf{B}^T mathbf{P} + mathbf{Q} = mathbf{0}$。讲解了求解ARE以获得最优反馈增益 $mathbf{K} = mathbf{R}^{-1} mathbf{B}^T mathbf{P}$ 的数值方法和步骤。 第十章：最优估计与卡尔曼滤波 本章处理系统带有随机噪声的情况。系统状态被视为随机过程，输入和测量输出包含白噪声。重点阐述了最优线性无偏估计器的原理，推导了卡尔曼滤波器的递归更新公式，包括状态预测和状态更新两个关键步骤。讨论了协方差矩阵的传播和滤波器的收敛性，为实际工程中的不确定性处理提供了强大的工具。 --- 第四部分：先进控制理论与系统辨识 本部分深入探讨了更复杂的系统，如不确定系统、非线性系统以及模型获取的方法。 第十一章：鲁棒控制基础 针对模型不确定性（如参数微小变化）对控制性能的影响，本章引入了鲁棒性的概念。介绍了小增益定理（Small Gain Theorem）的基础思想。侧重于 $mathbf{H}_{infty}$ 控制理论的初步介绍，特别是如何将控制问题转化为寻找满足特定范数约束的控制器设计问题，以保证系统在特定频率范围内的抗扰动能力。 第十二章：非线性系统的描述与稳定性分析 非线性系统是自然界和工程中普遍存在的现象。本章首先回顾了线性化的不足。重点讲解了非线性系统在状态空间下的描述，并介绍了描述非线性系统稳定性的重要工具——李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性理论。详细解释了直接法和间接法的应用条件和局限性，特别是正定函数和不变集的概念。 第十三章：系统辨识与参数估计 在很多实际应用中，精确的系统数学模型难以获得。本章探讨了如何利用实验数据来估计系统的模型参数和结构。介绍了回归模型、最小二乘法（Least Squares）在辨识中的应用。重点讲解了子空间辨识方法，它能直接从输入输出数据中估计系统的状态空间模型，是现代先进控制系统建模的关键技术之一。 --- 第五部分：数字控制系统实现 本部分连接了理论与工程实践，讨论了如何将连续时间控制理论转化为可在微处理器上运行的离散时间控制算法。 第十四章：从连续到离散 详细分析了采样对控制系统性能的影响，如量化误差和采样延迟。推导了利用零阶保持器（ZOH）和一阶保持器（FOH）将连续时间状态空间模型 $dot{mathbf{x}} = mathbf{A}mathbf{x} + mathbf{B}mathbf{u}$ 转化为离散时间模型 $mathbf{x}[k+1] = oldsymbol{Phi}mathbf{x}[k] + oldsymbol{Gamma}mathbf{u}[k]$ 的精确方法。 第十五章：离散时间控制设计与实现 讨论了离散时间系统中的能控性、能观测性判据的等效形式。介绍了离散时间极点配置的设计流程。重点阐述了离散时间LQR（DLQR）的设计，以及数字卡尔曼滤波器的实际实现算法，包括其在嵌入式系统和实时控制平台上的注意事项，如计算精度和溢出处理。 --- 本书特色： 1. 理论深度与工程实践相结合： 每一章在阐述理论的同时，都穿插了丰富的工程背景和应用实例，帮助读者理解抽象数学概念背后的物理意义。 2. 强调矩阵运算的软件实现： 鼓励读者使用MATLAB/Simulink等工具箱进行仿真验证，特别是对于ARE求解、特征值计算和系统辨识等复杂步骤。 3. 覆盖现代控制全景： 从经典反馈的局限性出发，系统地介绍了状态空间法、最优控制、鲁棒控制和系统辨识，构建了完整的现代控制理论知识图谱。 本书适合对象： 控制科学与工程、航空航天、机械电子、仪器仪表等专业的高年级本科生和研究生。 从事自动化、机器人、过程控制、伺服系统等领域研发工作的工程师。 希望系统学习现代控制理论，并将其应用于实际工程问题的科研人员。

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这本书的排版和习题设计简直是良心之作，这对于需要进行严格考核的学习者来说太重要了。我是在为专业资格考试做准备，需要大量的高质量练习来巩固和检验学习效果。这本书的每一章末尾都精心设计了一系列不同难度的习题。初级的题目主要是概念性的回顾和公式的直接套用，确保基础知识的扎实掌握；中级的题目开始引入参数变化和故障分析，要求读者进行一定的逻辑推理；而最让我叫绝的是那些“开放式”的综合设计题。比如，要求设计一个具有特定带宽和输入阻抗的低噪声放大电路，并且要考虑成本和功耗的约束。这种题目没有唯一的标准答案，它迫使你必须综合运用前几章学到的所有知识点——从晶体管偏置、频率响应补偿到电源去耦——进行全面的权衡和决策。这种训练模式，远比死记硬背公式有效得多，它真正锻炼了我们作为一名电子工程师解决实际问题的能力。翻阅整本书，可以看出作者在内容的组织和练习的设计上花费了巨大的心血，绝对是一本值得反复研读的工具书。

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坦白讲，我本来以为这本《电子技术及应用》会是一本老掉牙的教材，充满着过时的晶体管知识，毕竟现在都是讲FPGA和AI芯片的时代了。结果我大错特错！这本书的选材非常具有前瞻性，虽然它没有回避传统的晶体管和MOSFET基础，但它用一种非常现代化的视角来审视这些基础元件如何服务于当代复杂的系统。比如，在讲解功率电子部分时，它并没有仅仅停留在理论层面，而是花了相当大的篇幅讨论了现代的开关器件，例如IGBT和SiC MOSFET的特性曲线和驱动要求，这些都是在设计高效能电动车驱动或工业变频器时必须掌握的知识点。书中对电磁兼容性（EMC）和信号完整性（SI）的介绍，更是让我这个习惯了软件抽象层的开发者感到震撼。它用生动的例子展示了PCB走线如何成为天线，以及高频信号反射的危害，这完全颠覆了我之前对电路板“画线就好”的粗浅认知。这本书的视野非常开阔，它让我明白，无论技术如何迭代，底层的物理规律和工程约束是永恒的，而这本书恰恰是站在这些坚实基础之上，展望未来的技术趋势。

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说实话，我买了很多本号称是“系统级”的电子书，但读完后总觉得零零散散，知识点之间缺乏内在的联系，读完一章就忘了下一章的内容。然而，这本《电子技术及应用》最让我佩服的地方，在于它对“系统思维”的培养。它不是孤立地讲解各个模块，而是像搭积木一样，层层递进。例如，在讲解了传感器采集信号后，它紧接着就讨论了如何通过合适的放大电路和滤波器来“清洗”这些信号，然后无缝过渡到模数转换器（ADC）的选择和误差分析，最后才进入到微处理器如何处理这些数字化信息。这种“从物理世界到数字世界”的完整链条构建得极为自然流畅。特别是关于噪声分析那一块，作者没有用晦涩的随机过程理论吓唬人，而是用极简的模型分析了热噪声和散弹噪声的来源，并给出了降低它们在实际电路中影响的具体方法，比如屏蔽和滤波器的阶数选择。这种全流程的视角，让我第一次清晰地看到了一个完整的电子系统是如何协同工作的，极大地提升了我对系统架构设计的能力。

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这本《电子技术及应用》简直是为我们这些自学电子设计的“救命稻草”！我是一个对电子世界充满好奇的初学者，之前看那些专业教材，晦涩难懂，看得我头昏脑涨，感觉自己像是被扔进了一个布满复杂公式和专业术语的迷宫里。但是这本书完全不一样，它的叙述方式极其接地气，就像一位经验丰富的老工程师在你身边耐心指导。我记得刚开始接触电阻、电容这些基本元件时，我总是分不清它们在电路中的作用，也想象不出电流是如何流动的。这本书里大量的图示和直观的比喻，比如把电压比作水压，电流比作水流，一下子就让我醍醐灌顶。它不是干巴巴地堆砌理论，而是把理论和实际应用紧密地结合起来。当我学到半导体器件那一章时，作者没有直接上复杂的能带理论，而是先通过搭建简单的LED驱动电路，让我直观地感受到PN结的“单向导通”特性。书中的案例分析都非常贴近生活，比如讲解开关电源的工作原理时，会分析我们日常使用的手机充电器内部结构，这极大地激发了我动手实践的欲望。我已经按照书中的指导，成功焊接了几个简单的传感器模块并成功让它们跑起来了。这本书的价值在于，它成功地架起了理论知识和工程实践之间的一座桥梁，让“看不懂”的电子元件变得“可触摸、可理解”。

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我手里这本关于电子技术的书，怎么说呢，它的深度和广度都超出了我的预期，但绝不是那种故作高深的“天书”。我是一个在职的软件工程师，最近想转行到物联网（IoT）领域，所以需要快速补习硬件基础。这本书的结构安排非常有逻辑性，它没有一开始就陷入微控制器（MCU）的汪洋大海，而是从最基础的信号处理和基本放大电路讲起。我特别欣赏它在模拟电路部分的阐述，很多教材在讲解运算放大器（Op-Amp）时，只会给出复杂的等效电路模型，让人望而却步。但这本书很巧妙地引入了“虚拟地”和“虚短”的概念，用非常简洁的数学推理推导出了反相放大器和同相放大器的增益公式，而且每推导一步都有清晰的注释，让我能够跟上作者的思路，而不是被一连串的符号吓跑。更值得称赞的是，它对滤波器设计部分的讲解，从一阶到二阶，从巴特沃斯到切比雪夫，每种类型的特性和适用场景都分析得入木三分，甚至还给出了具体的元件值计算表格，这对于需要快速进行原型设计的工程师来说，简直是效率神器。阅读过程中，我感觉自己不只是在学习“是什么”，更是在理解“为什么会这样”，这种深入骨髓的理解，对于后续深入研究更复杂的系统架构至关重要。

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