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出版者:科学

作者:贾英民

出品人:

页数:282

译者:

出版时间:2007-4

价格:46.00元

装帧:

isbn号码:9787030185013

丛书系列:

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• 稳定性分析

《先进控制理论与工程应用》 本书系统地阐述了现代控制理论的核心概念、关键方法及其在工程实践中的广泛应用。作为一本面向高级本科生、研究生以及从事控制系统设计与研究的工程师的专业著作，本书旨在为读者提供一个扎实而全面的控制理论基础，并重点聚焦于如何将这些理论应用于解决实际工程问题。 核心内容概述： 系统建模与辨识： 本书首先从系统建模的根源出发，详细介绍了线性时不变（LTI）系统、非线性系统以及时滞系统等多种典型动态系统的数学描述方法，包括微分方程、传递函数、状态空间表示等。在此基础上，深入探讨了系统辨识的理论与技术，涵盖了参数辨识、模型结构选择以及数据驱动的建模方法。通过大量实例，读者将学习如何根据实际数据建立准确的系统模型，为后续的控制器设计奠定基础。 经典控制理论回顾与发展： 在对反馈控制基本原理进行简要回顾之后，本书重点梳理了经典控制理论的演进历程，包括PID控制、根轨迹法、频率响应法（奈奎斯特、波特图）等。虽然这些方法在许多应用中仍然有效，但本书将重点引导读者认识到其局限性，并为理解现代控制理论的必要性做铺垫。 状态空间方法与可控性/可观性： 状态空间方法作为现代控制理论的基石，在本书中占据重要地位。详细讲解了状态向量的定义、状态方程的建立以及系统在状态空间下的行为分析。重点深入探讨了系统的可控性与可观性概念，阐明了它们对于状态反馈控制器设计和状态估计的重要性。读者将学习如何利用可控性矩阵和可观性矩阵来判断系统的基本属性。 现代控制理论核心： 状态反馈控制： 详细阐述了极点配置（Pole Placement）技术，讲解了如何通过选择合适的状态反馈增益矩阵来实现期望的系统性能，如稳定性、响应速度和阻尼比。 状态估计器（观测器）设计： 针对系统状态无法直接测量的情况，本书介绍了多种状态估计器的设计方法，包括Luenberger观测器和最小方差状态估计器（Kalman滤波器）。详细分析了观测器的动态响应和估计误差，以及如何根据系统特性和噪声水平选择最优的估计器。 线性二次调节器（LQR）： 本章是本书的重点之一，详细讲解了LQR的设计原理。通过定义二次型性能指标，阐述了如何求解Riccati方程以获得最优状态反馈增益，实现系统性能的最优化。对LQR的鲁棒性、无源性以及不同权重矩阵选择对控制性能的影响进行了深入分析。 Kalman滤波及其在控制中的应用： 除了作为状态估计器，Kalman滤波器作为一种最优线性估计器，在处理带有噪声的系统测量时表现出色。本书深入探讨了Kalman滤波的理论基础，包括预测和更新步骤，以及其在状态估计、系统辨识和数据融合等领域的应用。 现代控制理论的扩展与应用： 离散时间系统控制： 针对数字控制器设计，本书详细介绍了离散时间系统的状态空间表示、z变换及其在控制器设计中的应用，包括离散时间LQR和离散时间Kalman滤波器。 模型预测控制（MPC）： 作为一种先进的反馈控制策略，MPC在处理约束、多变量系统和预测模型方面具有显著优势。本书将介绍MPC的基本原理、滚动优化思想、以及约束处理方法，并探讨其在工业自动化、过程控制等领域的成功案例。 鲁棒控制基础： 针对系统模型不确定性和外部扰动问题，本书将引入鲁棒控制的基本概念，包括不确定性建模（如结构化不确定性和非结构化不确定性）、稳定性裕度和鲁棒性能指标。虽然不深入探讨H∞控制，但会为读者理解鲁棒控制的挑战和后续学习提供基础。 工程应用实例： 为巩固理论知识，本书穿插了大量典型的工程应用案例，涵盖了机器人控制、航空航天姿态控制、过程控制、电力系统稳定控制、汽车动力学控制等。通过对这些案例的分析，读者可以深入理解各种控制理论在解决实际工程问题中的作用和效果。 本书特色： 理论与实践紧密结合： 既有严谨的数学推导，又有详实的工程应用案例，帮助读者将理论知识转化为实际解决问题的能力。 循序渐进的教学体系： 从基础概念到高级理论，结构清晰，逻辑严密，便于读者逐步掌握。 强调系统分析与设计能力： 引导读者不仅学习“如何做”，更理解“为什么这样做”，培养批判性思维和创新能力。 丰富的例题与习题： 配备了大量的例题和习题，帮助读者巩固所学知识，检验学习效果。 本书致力于为读者提供一个通向高级控制工程领域研究与实践的坚实平台，帮助您成为一名优秀的控制系统工程师。

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读完第三章关于状态估计与控制器设计的讨论，我深感作者在理论的严谨性和工程应用的桥接上做出了巨大的努力。这本书的叙事节奏是极其克制的，它避免了宏大的愿景，而是专注于“如何做到”的每一个技术细节。比如，在推导状态反馈控制器 $K$ 的过程中，作者深入挖掘了 Riccati 方程的求解特性。我注意到，书中对特定边界条件下的迭代优化过程进行了细致入微的剖析，这远超出了我之前接触的任何一本入门级教材。它似乎在暗示，鲁棒性不是一蹴而就的，而是通过无数次精确迭代和条件约束达成的平衡艺术。这种深入到算法深处的挖掘，让这本书的价值迅速凸显出来——它不只是告诉你H∞控制能解决问题，而是手把手教你如何设计出一个真正能在工厂噪音和模型误差中幸存下来的控制器。对于我这种需要设计高可靠性硬件系统的研究人员来说，这种级别的细节，至关重要。

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这本书的排版和图表呈现方式，非常符合严谨的学术出版标准，虽然整体视觉效果偏向功能性而非美观性，但这恰恰是我欣赏它的地方。所有的定义、定理和引理都被清晰地编号和标记，这使得在查阅和交叉引用时效率极高。我特别关注了关于“奇异性处理”的那一节，作者在这里引入了一些非常前沿的数值稳定性分析方法。这些内容显然是基于最新的研究成果的，它们讨论了在实际计算中，由于浮点运算误差可能导致的控制器瘫痪问题。书中不仅提出了理论上的解决方案，还配以简洁的伪代码示例，展示了如何通过数值稳定的算法来规避这些陷阱。这种将理论前沿与实际工程数值限制紧密结合的做法，体现了作者深厚的工程实践背景，使得这本书的实用价值远超纯粹的数学推导。

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这本《鲁棒H∞控制》的封面设计相当朴素，但那种深沉的蓝色调和严谨的字体搭配，立刻让人感受到一股学术的厚重感。我花了整整一个下午翻阅了前几章，初步印象是，它绝非一本轻松的读物。作者在引言部分就将控制理论的几个核心难题——不确定性、外部扰动以及性能的约束——摊开来直面，那种直截了当的分析方式，让人既紧张又期待。我尤其欣赏作者在构建理论框架时所展现出的那种近乎偏执的逻辑连贯性。例如，在探讨奇异值分解（SVD）如何应用于系统分析时，作者没有采用太多花哨的图示，而是通过一系列严密的矩阵代数推导，层层递进地展示了为什么这种数学工具是解决H∞范数问题的关键所在。对于那些在经典控制理论中挣扎过，渴望在不确定环境下寻找“绝对安全区”的工程师来说，这本书无疑提供了一把通往更高维度思考的钥匙。它更像是教科书与高级参考手册的结合体，需要读者具备扎实的线性代数和微分方程基础，否则很容易在早期就被那些复杂的数学符号迷住了心智。

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这本书最让我感到惊喜的是它对“结构化奇异性”的讨论，这部分内容在很多H∞控制的教材中往往被一带而过，但在这里却被提升到了一个核心地位。作者深入探讨了当不确定性具有特定结构时（例如，传感器故障仅影响特定通道），标准的H∞范数可能过于保守的问题。书中引入了 $mu$ 分析的概念，并通过一系列复杂的图论和矩阵分解，展示了如何利用这种结构信息来获得更紧致、性能更优越的控制器。这种对细节的执着，体现了作者对“最优鲁棒性”的追求，而非仅仅满足于“足够安全”。阅读这部分内容，感觉就像是爬上了一座陡峭的山峰，虽然过程艰辛，但一旦领略到那片豁然开朗的视野，便会明白所有的付出都是值得的。这本书无疑是为那些不满足于“通用解法”，而渴望为特定复杂系统找到精确鲁棒设计的专业人士准备的宝典。

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我必须承认，这本书的阅读体验是需要投入大量精力的，它挑战了我固有的认知舒适区。它不像某些流行的技术书籍那样，用大量的应用案例来稀释理论的难度。相反，它更像是一场与数学本身的对话。特别是在处理LMI（线性矩阵不等式）的求解与可行域分析时，作者的笔法显得尤为精炼，几乎没有冗余的解释，完全依靠读者的数学直觉去捕捉那些隐藏在不等式背后的物理意义。我花了将近一个星期才真正消化了关于“增广系统”构建的部分，理解了如何通过巧妙的数学变换将原有的复杂系统转化为可以被LMI框架直接处理的标准形式。这本书的价值在于它培养了一种“将不确定性内化为系统结构一部分”的思维模式，而不是简单地通过增加裕度来掩盖问题。这种深刻的哲学转变，是任何一个想在现代控制领域有所建树的人都必须经历的洗礼。

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