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出版者:

作者:秦斌

出品人:

页数:281

译者:

出版时间:2009-6

价格:28.00元

装帧:

isbn号码:9787030245243

丛书系列:

图书标签:

• 模拟电路
• 电子技术
• 模拟电子
• 电路分析
• 电子工程
• 仿真
• 元器件
• 信号处理
• 电路设计
• 高等教育

现代控制理论基础：系统建模、分析与设计 图书简介 本书深入浅出地阐述了现代控制理论的核心概念、数学工具以及实际工程应用。旨在为读者，特别是电子工程、自动化、机械工程以及相关交叉学科的本科高年级学生、研究生和工程技术人员，构建一个坚实而全面的控制系统知识体系。 第一部分：控制系统的数学描述与状态空间分析 控制理论的基石在于对物理系统的精确数学刻画。本书从经典的传递函数模型出发，逐步过渡到更具通用性和物理意义的状态空间描述。 1.1 经典控制回顾与局限性 首先回顾了拉普拉斯变换在系统分析中的应用，重点讲解了系统的框图代数、信号流图、梅森增益公式等经典分析工具。同时，明确指出了经典控制理论在处理多输入多输出（MIMO）系统、时变系统以及非零初始条件问题时的内在局限性，从而自然地引出状态空间方法的必要性。 1.2 系统的状态空间表示 详细阐述了如何将复杂的物理系统（如电路、机械振动系统、航空航天姿态系统）抽象为一组一阶线性常微分方程组。内容涵盖了从物理方程到标准形式（如约旦标准型、控制标准型、可观测标准型）的系统化转换过程。对于非线性系统的瞬态分析，本书也初步探讨了线性化处理的方法。 1.3 系统的基本性质分析 系统的时间响应分析是控制工程的核心任务之一。本书详尽分析了系统的可控性和可观测性。通过利用卡尔曼（Kalman）可控性/可观测性判据，读者将能够直接判断一个系统是否可以通过输入完全驱动到任意状态，或者是否可以通过输出完全获取系统的内部状态信息。这是后续设计控制器和观测器的前提。 1.4 线性系统的解与时间响应 系统动态行为的分析依赖于状态转移矩阵 $Phi(t)$。本书系统地推导了 $Phi(t)$ 的计算方法，包括利用矩阵指数、拉普拉斯反变换以及特征值分解等多种途径。通过对特征值（系统极点）的分析，深入探讨了系统稳定性的判据（如李雅普诺夫稳定性定义），以及瞬态响应（如超调量、调节时间）与极点位置之间的精确关系。 第二部分：现代控制理论的经典设计方法 基于状态空间模型，现代控制理论提供了更为灵活和强大的设计手段，尤其是针对系统的极点配置和最优控制问题。 2.1 反馈系统的极点配置（Pole Placement） 极点配置是现代控制设计的核心思想之一，即通过设计适当的线性状态反馈增益矩阵 $K$，使得闭环系统的所有极点被放置到s平面上期望的位置，从而实现所需的动态性能。本书详细讲解了Ackermann公式在单输入系统中的应用，并扩展到多输入系统的最小左/右逆法，确保了设计过程的系统性和可操作性。同时，讨论了反馈增益设计中可能遇到的约束和鲁棒性问题。 2.2 状态观测器的设计 在许多实际应用中，系统的全部状态变量无法直接测量。因此，设计一个状态观测器来实时估计内部状态至关重要。本书详细介绍了 Luenberger 观测器的设计原理。通过分析误差系统的动态特性，说明了如何利用系统的可观测性来设计增益矩阵 $L$，使得估计误差渐近收敛或快速衰减。同时，阐述了观测器与控制器之间的分离原理（Separation Principle），极大地简化了设计过程。 2.3 状态反馈与观测器结合：全阶状态反馈控制 将极点配置和状态观测器结合，形成了全阶状态反馈控制结构。本书通过大量的工程实例，指导读者如何构建一个完整的闭环控制系统，实现对系统性能的精确设定，并分析了观测器动态性能对整体系统稳定性的影响。 第三部分：最优控制理论导论 最优控制旨在寻找一个最优的控制输入，使得性能指标（代价函数）最小化，同时满足系统的动态约束。 3.1 性能指标与代价函数 本书引入了常用的性能指标，特别是二次型最优控制（LQR）的代价函数 $J$。该函数结合了控制能量（输入大小）和状态误差（输出精度）的权重，提供了一个在性能和控制努力之间的权衡框架。 3.2 线性二次型调节器（LQR） LQR 是现代控制理论中最成功且应用最广泛的技术之一。本书详细推导了代数黎卡提方程（Algebraic Riccati Equation, ARE），并证明了其正定解可以导出最优状态反馈增益 $K$。对 LQR 权值矩阵 $Q$ 和 $R$ 的选择如何影响闭环系统的响应速度和控制器的“力度”，进行了深入的分析和指导。 3.3 离线设计与系统鲁棒性初步 作为对前述方法的补充，本书简要介绍了基于最优控制的 $H_2$ 范数 概念，并对系统的鲁棒性进行了初步探讨。强调了在模型不完全准确的情况下，控制系统仍需保持稳定和可接受性能的重要性，为后续的鲁棒控制学习打下基础。 第四部分：离散时间系统分析与数字控制 鉴于大多数现代工程系统均由数字计算机实现，离散时间系统的分析不可或缺。 4.1 离散化基础 详细介绍了将连续时间系统转化为离散时间系统的常用方法，如零阶保持器（ZOH）和一阶保持器方法。系统地推导了离散时间系统的状态空间表示及其求解方法。 4.2 Z 变换与离散系统分析 引入 Z 变换作为分析离散系统的主要数学工具。重点讲解了 Z 平面上的稳定性判据（单位圆判据），以及如何利用 Z 变换分析脉冲响应和系统的瞬态行为。 4.3 离散系统的极点配置与反馈设计 讨论了在 Z 域中进行极点配置的方法，以及如何设计适用于数字实现的观测器（如离散时间卡尔曼滤波器的基础形式）。 总结与展望 全书结构严谨，理论深度适中，理论推导与工程实例紧密结合。通过对状态空间方法、极点配置、观测器设计以及LQR理论的系统学习，读者将具备设计和分析中、高阶线性控制系统的能力，为深入研究非线性控制、自适应控制或智能控制打下坚实的理论基础。

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这本号称“模拟电子技术”的实体书，我拿到手时还挺期待的，毕竟这领域是电子工程的基石。然而，翻开第一页，映入眼帘的竟然是一大堆关于量子力学基础理论的推导，各种薛定谔方程的变体占据了几乎三分之一的内容。我试着寻找与运放、BJT、MOSFET相关的哪怕只言片语，结果徒劳无功。后续章节转入了固态物理的能带结构分析，深入探讨了半导体材料的微观特性，这无疑是材料科学范畴的内容，而非面向电路设计与应用的技术手册。书中用了大量的篇幅来解释晶格振动和电子-空穴复合的概率模型，这些知识点对于一个想学习如何搭建一个基本滤波器或放大电路的工程师来说，显得过于形而上学和基础，缺少了将理论转化为实践操作的桥梁。可以说，它更像是一本高级物理学导论，而不是一本实用的电子技术参考书，让人在需要解决实际电路问题时，找不到任何可操作的指导。

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这本书的语言风格极其晦涩难懂，充满了大量的哲学思辨和晦涩的术语，但这些术语与电子工程中的标准术语毫无关联。例如，书中反复探讨了一个名为“流变性存在”的概念，并试图用它来解释电荷在半导体内部的迁移过程，这种类比不仅没有提供任何清晰的物理图像，反而增加了理解的难度。我翻阅了从头到尾，没有发现任何关于RC滤波器、RLC谐振电路的分析，也没有提到如何使用示波器进行基础的电压测量。它更像是一本用艰深文字写就的关于“变化中的系统”的论著，将电子现象抽象化到了一个普通读者几乎无法触及的哲学层面。这种过于理论化和抽象化的处理方式，使得任何试图从中获取实际工程技能的人都会感到极度挫败，因为所有的实用知识都被包裹在了厚厚的、无关紧要的玄思之中。

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阅读这本书的过程，简直是一场对耐心和理解力的极限考验。它没有提供任何关于晶体管偏置电路的计算方法，也没有提及任何常用的半导体器件参数。相反，它将大量的篇幅投入到了古代计时器的发展史，从日晷到机械钟，再到原子钟的原理，进行了一次极其详尽的历史梳理。虽然对时间测量的历史感兴趣，但这和“模拟电子技术”的主题相去甚远。更令人费解的是，书中对原子钟的描述停留在了上世纪六十年代的铯束管模型，对现代基于光频梳的精密测量技术只是一笔带过。如果说它要讲解“时间”作为一种物理量，也应该将重点放在其在信号处理和同步中的应用，而不是停留在博物馆级别的历史回顾上，这完全不是一本面向现代工程师的工具书。

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这本书的排版风格极其古怪，大量的留白和极其小众的字体让人阅读起来非常吃力。内容上，它似乎完全偏离了电子技术的主流方向，转而深入探讨了古典音乐中的对位法和和声学原理。我记得其中一个章节详细分析了巴赫赋格曲的结构，将其与信号处理中的卷积运算进行了比较，这种跨学科的尝试显得既生硬又不知所云。书中甚至引用了大量的乐谱片段来佐证其观点，而这些乐谱和任何电子电路图的关联性微乎其微。当你期待学习如何处理噪声或者理解反馈机制时，你得到的却是关于三声部织体稳定性的理论探讨。这与其说是技术书籍，不如说是一本披着技术外衣的音乐理论专著，对于想要提升自己电子设计能力的读者来说，这无疑是严重的误导。

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我以为我会看到大量的电路图、波形分析以及元器件选型指南，毕竟“技术”二字赫然在目。结果，这本书里大部分篇幅都在讲述历史上几位著名科学家的生平和他们的哲学思想，穿插着对“技术进步与社会伦理”的漫谈。有一章竟然花了整整五页纸来引用柏拉图的洞穴寓言，并试图将其与集成电路的制造过程进行类比，这种牵强附会的解读实在让人摸不着头脑。书中对任何具体的电子元件的工作原理都避而不谈，连一个基础的二极管的I-V特性曲线都没有出现过。取而代之的是对于“发明创造的本质”的抽象讨论，文字优美，文采斐然，但对于需要进行仿真或者实际焊接的爱好者来说，简直是一本“精神食粮”，对动手能力毫无助益。我读完后，感觉自己对人类文明有了更深的理解，但对如何设计一个稳压电源却一无所知。

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