具体描述
《现代控制系统设计与优化》 内容简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的现代控制系统设计与优化框架。本书内容覆盖了从经典控制理论基础到先进自适应、鲁棒控制策略的应用实践，特别强调了在复杂、非线性、不确定系统环境下的工程化解决方案。全书结构严谨，理论推导详实，并辅以大量的实际工程案例和仿真分析，力求将抽象的数学模型转化为可操作的工程设计流程。 第一部分：控制系统基础与建模 本部分首先回顾了线性时不变（LTI）系统的基本概念，包括状态空间表示法、传递函数模型以及系统的基本性能指标（如稳定性、暂态响应和稳态误差）。 1. 系统辨识与模型获取： 重点介绍了从实验数据中提取精确系统模型的先进辨识技术。内容包括参数估计方法（如最小二乘法、扩展卡尔曼滤波（EKF）在参数跟踪中的应用）、非线性系统的结构辨识，以及模型在不同时间尺度下的简化与降阶处理，确保模型与实际物理过程的高度一致性。 2. 时域与频域分析的深化： 深入探讨了李雅普诺夫稳定性判据在多输入多输出（MIMO）系统中的扩展应用。在频域部分，本书详细阐述了奇异值分解（SVD）在分析系统输入输出耦合度、确定带宽限制以及在控制设计中进行有效分解的重要性。对奈奎斯特图和波德图的解读，也提升到了分析系统对参数不确定性的敏感度层面。 第二部分：经典与现代控制设计方法 本部分是本书的核心，系统地介绍了如何根据系统特性选择合适的控制架构并进行具体设计。 3. 极点配置与状态反馈设计： 详细阐述了基于反馈线性化思想的极点配置技术，包括可观测性和能观测性的概念在控制器设计中的作用。重点讲解了当系统状态无法完全测量时，如何设计观测器（如Luenberger观测器、卡尔曼滤波）与状态反馈控制器相结合的闭环控制结构（分离原理）。此外，本书对前馈控制的设计原理及其在消除已知扰动影响方面的优势进行了详尽的论述。 4. 环路整形与频率响应设计： 详细分析了根轨迹、Bode图在设计PID控制器及其改进型（如PD、PI、PID串联校正）中的精细化应用。本书引入了“回路整形”的概念，指导工程师如何通过串联补偿器（超前/滞后网络）精确地调整系统的相位裕度和增益裕度，以满足特定的瞬态响应和抗干扰要求。 5. 优化控制：二次型调节器（LQR）： LQR作为现代控制设计的重要基石，本书对其推导过程进行了详尽的讲解，重点在于如何通过调整权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 来平衡性能（状态误差）与控制努力（输入能量）。同时，本书也介绍了最优调节器在有限时间区间上的离散化处理及其在求解代数Riccati方程时的数值稳定性问题。 第三部分：面向不确定性的鲁棒控制 面对实际工程中模型误差、参数摄动和外部噪声，本部分聚焦于确保控制系统性能的鲁棒性。 6. 鲁棒性分析与结构不确定性： 本章引入了结构不确定性（Structured Singular Value, $mu$ 理论）的概念，用于精确量化系统对特定形式不确定性的敏感度。详细解释了如何构建“结构化”的奇异值分析模型，并阐述了在多频带上进行稳健性分析的必要性。 7. $H_{infty}$ 控制器设计： $H_{infty}$ 控制理论是保证控制系统在有界干扰下性能的强大工具。本书系统地介绍了如何将控制问题转化为求解一个标准的$H_{infty}$控制问题，即求解加权受控系统对扰动的最小化性能指标。内容涵盖了连续时间与离散时间系统的求解方法，特别是针对状态反馈和输出反馈$H_{infty}$控制器的设计流程。 8. 适应性与自整定控制： 针对系统参数随时间变化的工况，本书深入探讨了自适应控制策略。详细介绍了基于梯度法的间接自适应控制和基于模型参考的直接自适应控制的实现细节。特别地，本书对参数估计的收敛性、控制器切换的平滑性以及如何避免“控制输入的挂环”现象进行了深入的讨论。 第四部分：非线性系统控制与前沿技术 本部分将视角转向更具挑战性的非线性领域，并介绍了应用于复杂系统的新兴方法。 9. 反馈线性化与滑模控制： 对于可进行微分平移的非线性系统，本书详述了输入-输出反馈线性化和状态反馈线性化的步骤，并讨论了在系统模型不完全精确时线性化方法的局限性。随后，详细介绍了滑模控制（SMC）的设计原理，包括如何通过设计切换函数（Switching Surface）来保证系统的期望动态行为，并讨论了趋近律的选择对“抖振”现象的影响及脉冲宽度调制（PWM）等抑制策略。 10. 模型预测控制（MPC）： MPC作为一种先进的优化控制方法，其核心在于利用实时模型预测系统未来的行为，并在每个采样周期内求解一个有约束的优化问题。本书详细讲解了MPC的滚动时域优化原理、约束处理技术（包括硬约束和软约束）、以及在线求解二次规划（QP）问题的数值挑战与高效算法。 附录： 包含必要的线性代数回顾、数值计算方法简述（如矩阵指数计算、迭代求解Riccati方程）以及Matlab/Simulink环境下的主要控制设计工具箱使用指南，旨在帮助读者快速将理论转化为仿真验证和实际部署。 本书适合于自动化、电气工程、机械工程、航空航天工程等领域的本科高年级学生、研究生以及从事控制系统研发和工程应用的专业人员阅读和参考。
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