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出版者:国防工业出版社（图书发行部）（新时代出版社）

作者:汤蕴璆

出品人:

页数:270

译者:

出版时间:2007-8

价格:29.00元

装帧:

isbn号码:9787118052497

丛书系列:

图书标签:

• 电机学
• 电力拖动
• 电力系统
• 电气工程
• 电机控制
• 变电站
• 电力电子
• 驱动技术
• 工业自动化
• 电能转换

《现代控制理论与应用》图书简介 导论：系统思维与现代工程的基石 在当今高度自动化和智能化的时代，无论是航空航天、精密制造，还是过程控制和机器人技术，其核心驱动力都源于对复杂系统行为的精确理解和有效调控。本书《现代控制理论与应用》旨在为读者构建一个扎实而全面的现代控制系统分析与设计框架。我们深知，传统的基于物理定律的直观设计方法在面对高维、非线性、强耦合的工程问题时显得力不从心。因此，本书将重点聚焦于利用数学工具——特别是状态空间方法、现代优化理论以及鲁棒性分析技术——来应对这些挑战。 本书的编写理念是“理论与实践并重，深度与广度兼顾”。我们力求在阐述复杂数学概念的同时，始终紧密结合实际工程案例，确保读者不仅理解“如何做”，更能洞悉“为何如此”。 --- 第一部分：基础回顾与状态空间方法的建立 本部分是整个学习旅程的基石。我们首先对经典的经典控制理论（如拉普拉斯变换、传递函数、频率响应分析等）进行必要的、有针对性的回顾，目的是明确其在处理复杂系统时的局限性，从而引出更具普适性的现代控制理论。 第1章：经典控制的再审视与线性系统的基本描述 本章将详尽阐述线性时不变（LTI）系统的基本特性。重点在于系统矩阵（A, B, C, D）的定义及其在时域内的动态描述。我们将深入探讨系统的可控性与可观测性这两个至关重要的内在属性。这些属性决定了一个系统是否能够被完全驱动到任意状态，以及其内部状态是否能被外部测量完全推断。我们将采用严格的矩阵理论来验证这些判据（如Gramian矩阵法），而非仅仅停留在直观理解层面。 第2章：状态空间模型的建立与变换 如何将一个复杂的物理系统（如多自由度机械臂或复杂的化学反应器）精确地转化为标准的数学状态空间模型，是工程实践中的第一步。本章将详细讲解系统建模的基本流程，包括对物理定律的抽象和简化。随后，我们将介绍相似变换的理论基础，包括如何利用相似变换将系统对角化或约旦化，从而简化系统的分析过程，并解释变换前后系统物理意义的保持与变化。 --- 第二部分：状态空间分析与反馈设计 这一部分是本书的核心内容，它将引导读者从分析走向设计，掌握现代控制系统的核心技术——状态反馈和状态观测器。 第3章：线性系统的稳定性与性能分析 稳定性是控制系统的生命线。本章不仅复习李雅普诺夫（Lyapunov）判据的直观意义，还将深入探讨李雅普诺夫函数的构造方法，特别是针对非对角化系统的分析技术。我们还会引入代数判据（如Routh-Hurwitz判据的矩阵形式）以及更强大的代数稳定区间分析方法，以评估系统参数变化对稳定性的影响。 第4章：极点配置与状态反馈设计 极点配置（Pole Placement）是状态反馈设计的基础。本章详细推导通过全状态反馈 $u = -Kx$ 来任意配置系统闭环极点的充分必要条件。我们将重点讲解 Ackermann 公式在工程实践中的应用，并讨论反馈增益 $K$ 的多解性问题，以及如何在多解中选择最优的反馈矩阵。 第5章：状态观测器的设计与估计 在许多实际应用中，系统状态无法直接测量。本章专注于状态估计问题。我们将详细分析 Luenberger 观测器的设计原理，并推导出观测器增益 $L$ 的确定方法，使其具备与状态反馈相同的稳定性和性能。随后，本章将过渡到更具随机性和最优性的卡尔曼滤波（Kalman Filtering）的理论基础，为后续的随机系统分析做好铺垫。 --- 第三部分：最优控制与随机系统 现代控制不再仅仅满足于“稳定”，而是追求在特定性能指标下的“最优”。本部分将提升理论的层次，引入性能指标函数和随机过程的分析。 第6章：线性二次型调节器（LQR）理论 LQR 是现代控制理论中最优雅的设计工具之一。本章从性能指标函数（二次型成本函数 $J$）出发，推导出最优控制律 $u^ = -R^{-1}B^T P x$，其中 $P$ 矩阵的求解依赖于代数黎卡提方程（ARE）。我们将详尽解析 ARE 的求解方法及其对反馈增益的影响，并探讨权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 在系统性能（如响应速度与控制能量消耗）折衷中的作用。 第7章：随机过程与卡尔曼滤波 针对存在系统噪声和测量噪声的环境，本章系统性地介绍随机过程的基本概念（如维纳过程、白噪声的数学描述）。随后，我们将推导离散时间最优线性估计器——卡尔曼滤波器的递推公式。重点在于理解预测步和更新步的物理意义，以及如何通过协方差矩阵的演化来评估估计的精度。 --- 第四部分：先进控制主题与鲁棒性 本部分面向前沿工程挑战，探讨系统面对不确定性时的设计方法。 第8章：鲁棒性分析与 $H_{infty}$ 控制基础 系统参数的微小变化或模型误差可能导致性能下降甚至系统失稳。本章引入了鲁棒性的概念，主要关注闭环系统的增益和相位裕度。随后，我们将介绍 $H_{infty}$ 控制的基本思想：将控制设计转化为一个最小化 $infty$ 范数的问题，从而在最坏情况下也能保证系统性能。本章将清晰界定 $H_{infty}$ 控制器求解所依赖的两个互联的 Riccati 方程。 第9章：非线性系统引论与近似方法 尽管现代控制的基石是线性系统，但现实世界充斥着非线性。本章对非线性控制进行初步探讨。我们将分析几种基本的非线性现象（如饱和、死区、滞后），并重点介绍线性化技术（如泰勒级数展开）在局部稳定性分析中的应用。此外，也将简要介绍如滑模控制或反馈线性化等更高级的非线性处理策略的初步概念。 --- 结语 《现代控制理论与应用》不仅是一本教材，更是一份通往高级系统设计思维的指南。本书通过严谨的数学推导和丰富的工程实例，旨在培养读者分析复杂动态系统的能力，并掌握从经典到最优、从确定性到随机性的全方位控制设计工具。掌握本书内容，将为读者在自动化、机器人、航空航天等领域的深入研究和工程实践打下坚实的基础。

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对于自学的爱好者来说，选择一本合适的教材是成功的一半。《电机学与电力电力拖动基础》这本书无疑是我的幸运之选。它的叙述语言非常“亲民”，不像有些教材那样高高在上，充满了晦涩难懂的术语。作者在阐述复杂的数学模型时，总是先用通俗的语言解释其物理意义，这极大地降低了学习曲线的陡峭程度。我特别喜欢它在讲解电机损耗和效率优化那一章的处理方式。它不仅仅停留在能量守恒定律的层面，还深入分析了不同损耗（铜耗、铁耗、机械损耗）在不同运行工况下的占比变化，并提供了相应的优化思路。这使得我在思考如何提高设备能效时，有了一个清晰的理论框架可循。这本书的排版也值得称赞，结构清晰，层次分明，关键公式和定义都有突出显示，方便快速查阅和回顾，极大地提升了阅读和学习的效率。

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说实话，我本来对这种“基础”类书籍是抱有一定程度的保留态度的，总觉得内容会比较陈旧或者过于理论化。然而，《电机学与电力拖动基础》这本书彻底颠覆了我的看法。它的内容编排极具现代感，不仅涵盖了经典的直流电机、交流电机理论，还对现代电力拖动系统中的调速技术，比如变频调速的基础原理，也进行了非常详尽的介绍。这让我意识到，学习电机理论绝不仅仅是研究老式电机，而是理解现代工业动力系统的核心。书中的图示质量极高，清晰的剖面图和特性曲线图，极大地辅助了我们对电机内部结构和运行特性的把握。更让我惊喜的是，作者在某些章节探讨了新型电机（如永磁同步电机）的初步概念，虽然篇幅不长，但足以看出编著者对行业前沿的关注。这本书的深度和广度达到了一个很好的平衡点，既能满足学生深入学习的需求，也能成为工程师案头常备的参考手册。

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这本《电机学与电力拖动基础》真是让我这个初学者醍醐灌顶。我以前总觉得电机这种东西就是个神秘的黑箱子，通了电就转，但原理深不可测。这本书的讲解方式非常注重基础概念的建立，每一个公式的推导都详略得当，让人能够清晰地看到逻辑链条。特别是关于电磁感应和旋转磁场的部分，作者用了非常生动形象的类比，把抽象的物理现象具象化了。读完后，我对三相异步电机的工作原理有了非常扎实的理解，不再是死记硬背那些参数，而是真正明白了电压、电流、磁场、转矩之间的内在联系。书中的例题设计也非常巧妙，既有基础的计算，也有贴近实际工程应用的分析题，能够很好地引导读者将理论知识应用到解决实际问题中去。对于工程技术人员来说，这种扎实的基础知识构建是至关重要的，它为后续学习更高级的电力电子技术和自动控制打下了坚实的地基。

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这本书的学术严谨性毋庸置疑，但最让我印象深刻的是它对实际工程限制的考量。很多教科书只谈理想情况，但在真实世界中，我们总要面对导线电阻、磁饱和、温度漂移等非理想因素。《电机学与电力拖动基础》在讨论理想模型后，总会紧接着分析实际参数对性能的影响，比如，饱和现象如何影响励磁电感和电机饱和电感的变化，这在设计裕度和过载能力分析中至关重要。此外，书中对一些常用电机参数（如漏磁、杂散损耗）的估算和实验测定方法也有所涉及，这在项目初期进行初步设计选型时，提供了宝贵的参考依据。总的来说，这本书的视角是“理论指导实践”的典范，它不只是教你“是什么”，更教会你“为什么这样设计”以及“在实际中该如何应对偏差”，是理工科学生和青年工程师不可多得的宝贵财富。

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我是一个在职的电气维护工程师，平日里接触的主要是设备运行和故障排除，理论知识时常会因为疏于复习而变得模糊。《电机学与电力拖动基础》这本书的“电力拖动”部分对我帮助尤其大。过去我只是凭经验去判断电机过载或制动是否正常，但这本书系统地介绍了转矩、转速特性曲线的绘制和分析方法。通过这本书，我学会了如何从理论上分析负载变化对电机运行状态的影响，例如，在恒转矩负载和恒功率负载下的区别，以及如何选择合适的电机型号来匹配特定的机械负载。书中关于制动方式的对比分析也十分到位，无论是能耗制动还是反接制动，其原理、优缺点和适用场景都讲解得一清二楚。这让我从一个“会修”的技工，向一个“懂原理”的工程师迈进了一大步，对现场的故障诊断更有信心了。

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