现代控制理论基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:机械工业

作者:李先允

出品人:

页数:295

译者:

出版时间:2007-8

价格:28.00元

装帧:

isbn号码:9787111218326

丛书系列:

图书标签:

• 控制论
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现代控制理论基础 【图书简介】 本书旨在为读者提供一个全面、深入且具有实践指导意义的现代控制理论基础知识体系。面对日益复杂和高性能要求的工程系统，传统的经典控制方法已显现出局限性。本书紧密围绕现代控制理论的核心概念、分析工具和设计方法展开，力求在理论的严谨性与工程应用的直观性之间取得完美的平衡。全书结构清晰，逻辑严密，适合作为高等院校本科高年级、研究生进行专业学习的教材或参考书，同时也为从事自动化、机器人、航空航天、电力系统等领域的研究人员和工程师提供坚实的理论支撑。 第一部分：系统建模与状态空间描述 本部分是理解现代控制理论的基石。我们首先从物理系统的基本动力学方程出发，系统地介绍了如何使用状态空间方法对连续时间系统和离散时间系统进行精确的数学描述。 1.1 线性常系数微分方程组的建立与变换： 详细讲解了如何根据物理定律（如牛顿第二定律、基尔霍夫定律等）建立系统的状态方程。重点探讨了系统的状态变量选择原则、状态向量的构建方法，以及如何将高阶微分方程转化为标准的一阶线性微分方程组。 1.2 传递函数到状态空间模型的转换： 阐述了矩阵变换的技巧，包括如何将已知的传递函数形式（如帕默尔规范形、约当标准形）转换为标准的对角化或准对角化状态空间形式。这对于理解系统的内在结构和模式至关重要。 1.3 系统的基本性质分析： 深入剖析了系统的能控性和能观测性概念。通过引入卡尔曼（Kalman）能控性矩阵和能观测性矩阵，我们不仅给出了严格的数学判据，更重要的是，从物理意义上解释了这些性质对于控制器设计和状态估计的决定性作用。对于不可控或不可观测的部分，本书提供了降阶模型构建的方法。 1.4 非线性系统的初步探讨： 认识到多数实际系统本质上是非线性的，本书在基础章节中简要介绍了非线性系统的描述方法，包括相平面法和描述函数法，为后续高级非线性控制的学习打下基础。 第二部分：线性系统的分析与时间响应 在状态空间框架下，我们转向对系统时间响应特性和内部稳定性的深入分析。 2.1 状态转移矩阵的计算与性质： 详细介绍了计算状态转移矩阵 $Phi(t)$ 的方法，包括利用拉普拉斯逆变换法、凯莱-哈密顿定理以及矩阵指数函数的泰勒级数展开。重点分析了状态转移矩阵在求解自由运动响应中的核心地位。 2.2 系统的模态分析与稳定性判据： 基于系统的特征值（即系统矩阵 $A$ 的固有值），系统地讨论了系统的动态响应模式。系统地阐述了李雅普诺夫（Lyapunov）第一判据（基于特征值位置）和李雅普诺夫第二判据（能量函数法）在判断线性定常系统稳定性的应用。特别强调了虚轴上特征值对系统响应的影响。 2.3 系统的输出响应分析： 结合输入信号，推导了系统的完全响应公式。书中通过大量的实例分析了阶跃响应、脉冲响应的特性，并讨论了如何通过调整系统参数来改善暂态性能指标，如超调量、建立时间等。 第三部分：反馈控制与可设计性 现代控制理论的核心在于状态反馈和状态观测。本部分聚焦于如何利用系统内部信息实现最优的控制效果。 3.1 状态反馈控制设计： 详细讲解了极点配置（Pole Placement）方法，即如何通过选择合适的状态反馈增益 $K$ 来使得闭环系统的特征值（极点）放置在复平面上期望的位置，从而保证系统具备期望的动态性能。本书提供了通过直接计算和基于能控性对偶性的方法来求解反馈增益矩阵 $K$ 的步骤。 3.2 状态观测器的设计： 鉴于许多实际应用中无法直接测量所有状态变量，本章重点介绍了如何利用系统的输入和输出信息来估计内部状态。详细阐述了最小阶Luenberger观测器和全阶观测器的设计原理和步骤。设计过程中，观测器极点的选择与系统状态反馈极点的解耦性得到了深入探讨。 3.3 综合反馈控制——标准配置： 将状态反馈控制与状态观测器相结合，形成了完整的状态反馈与状态观测器联合设计方案。本书明确区分了控制设计和观测器设计的独立性（通过可控性与可观测性的对偶性原理），使得读者能够清晰地理解补偿器的结构。 第四部分：最优控制与李雅普诺夫稳定性理论 本部分将理论提升至一个更精深和工程化的层次，引入了性能指标的优化思想。 4.1 线性二次型最优控制（LQR）： 引入了二次型性能指标函数 $J$ 的概念，这是衡量控制性能优劣的数学工具。核心内容是代数黎卡提方程（ARE）的求解，推导出使性能指标最优的线性二次型调节器（LQR）反馈增益 $K^$ 的解析解。本书提供了求解ARE的数值迭代方法。 4.2 李雅普诺夫稳定性理论的深入应用： 详述了李雅普诺夫直接法在分析线性系统稳定性的强大能力。对于非线性系统，本书提供了构造李雅普诺夫函数的一般思路和技巧，如利用能量函数或利用线性化的近似稳定性判断。 4.3 离散时间系统的控制： 鉴于数字控制器的普及，本书专门用一章篇幅讨论了离散时间系统的状态空间表示、离散时间LQR设计以及离散时间系统的能控性/能观测性判据。 全书内容覆盖了现代控制理论的经典框架，理论推导详实，辅以丰富的工程案例，旨在帮助读者构建起从系统建模、性能分析到闭环控制设计的完整知识链条。

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这本书的排版和印刷质量给我留下了深刻的印象，体现了出版方对专业书籍的尊重。纸张的质地很好，文字清晰，图表绘制得非常规范，尤其是在绘制复杂的控制系统框图时，线条流畅，标识明确，这对于长时间阅读来说非常友好，大大减轻了视觉疲劳。然而，我必须指出，书中例题的选择似乎过于理想化，它们大多是线性的、参数已知的标准系统。在实际的工程问题中，我们经常遇到非线性和不确定性。这本书对于如何处理实际中的“脏”数据和模型不确定性着墨不多，这使得我对书中学到的方法论能否直接迁移到复杂的工业现场产生了疑虑。如果能在章节末尾增加一些关于非线性系统初步探讨或鲁棒控制概念的介绍，哪怕只是一个引子，这本书的实用价值将大大提升。目前的例子虽然能完美演示理论，但在“真实世界”的复杂度面前显得有些单薄。

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这本书的深度无疑是毋庸置疑的，但它的阅读体验更像是一场艰苦的攀登，而非轻松的漫步。我发现自己不得不频繁地查阅附录中的数学知识，或者暂停阅读去回顾更早的章节，以确保对当前概念的理解无误。作者的写作风格偏向于严谨的数学证明导向，对于那些更偏好直观理解和案例驱动学习的读者来说，可能需要付出额外的努力来“消化”这些内容。例如，关于极点配置的讲解，虽然详尽，但如果能穿插更多关于设计目标和实际控制量限制的讨论，或许能帮助读者更好地把握理论与工程实践之间的平衡。对于我个人而言，这本书更像是一本“工具书”，我可能会在实际项目遇到具体理论瓶颈时，翻阅其中进行深入学习和验证，而不是从头到尾完整阅读一遍。它的价值在于其作为参考手册的深度，而非作为入门向导的易读性。

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读完这本书的反馈是，它在处理经典控制理论与现代控制理论的衔接方面做得很出色，这算是它的一大亮点。很多教材常常将两者割裂开来，让读者在学习现代控制时，找不到与经典PID控制等概念的联系点。这本书巧妙地将传递函数模型映射到状态空间模型，解释了为什么现代控制理论在处理多输入多输出（MIMO）系统时具有天然的优势。我尤其欣赏作者对“可控性”和“可观测性”的论述，不仅给出了严格的数学定义，还配有丰富的工程背景解释，让我明白了为什么一个系统设计出来后，我们首先要判断它是否能被我们完全控制或观测。这种“理论联系实际”的叙述方式，让原本晦涩的数学概念变得生动起来。虽然部分章节涉及的矩阵运算较为繁复，但作者在关键概念的阐述上保持了清晰的逻辑主线，使得读者可以沿着一条清晰的脉络进行学习，避免了在复杂的数学推导中迷失方向。

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让我印象最深刻的是这本书对于时间最优控制和最优控制理论的引入，虽然篇幅不算长，但它为我打开了一扇通往更高级控制设计的大门。作者对庞特里亚金最小原理的阐述虽然简明，但清晰地指出了其在解决资源受限系统优化问题中的核心地位。这部分内容在很多基础教材中常常被一笔带过，而这本书敢于将其纳入“基础”范畴，说明其定位并非停留在基础的稳定性分析和反馈设计，而是力图构建一个更全面的控制理论图景。不过，随之而来的问题是，这些高级主题的讲解深度与前期的经典理论讲解深度存在一定的“断层感”。前期的数学铺垫很厚，但到了最优控制部分，读者仿佛需要立刻切换到另一种更偏向优化方法论的思维模式，衔接得略显仓促。如果能在最优控制的章节中，增加一个具体的、逐步推导如何将实际问题转化为泛函优化问题的流程演示，这本书的整体结构会更加圆满和具有指导性。

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这本《现代控制理论基础》的封面设计相当有品味，设计感十足，但打开书本后，我立刻感觉内容深度远超我的预期。对于一个刚接触自动控制领域的新手来说，前几章的数学基础铺垫显得有些过于“扎实”，大量的线性代数和微分方程知识点要求读者具备相当高的预备知识。我原以为这是一本可以快速上手应用的书，但事实是，它更像是一本理论教材，对系统建模和状态空间表示法的讲解细致入微，几乎每一个公式推导都给出了详尽的步骤，这对于那些希望深入理解控制系统“为什么”能这么做的读者来说是极好的，但对于我这种更侧重“怎么做”的实践者来说，阅读过程稍显枯燥。特别是关于李雅普诺夫稳定性分析的部分，抽象性太强，感觉作者是在给研究生级别的读者上课，而不是面向初学者。不过，如果能坚持读下去，我想它提供的理论框架绝对是坚实的，只是入门门槛设置得较高，让不少人可能会望而却步。它的价值在于构建了一个完整的理论体系，而不是提供一堆即插即用的工具箱。

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