Applied Control Theory (I E E Control Engineering Series) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

出版者:Institution of Electrical Engineers

作者:James R. Leigh

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1988-02-01

价格:USD 104.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780863410895

丛书系列:

图书标签:

• 控制理论
• 自动控制
• 系统工程
• 电气工程
• 数学建模
• 反馈控制
• 控制系统
• IET
• 工程数学
• 优化控制

《现代控制系统设计与分析》 摘要： 本书深入探讨了现代控制理论在工程实践中的应用，涵盖了从基础概念到复杂系统设计的全过程。内容聚焦于线性、非线性和最优控制的数学建模、系统辨识、控制器设计（包括PID、状态反馈、LQR等）以及系统稳定性分析。特别强调了在实际工程约束下，如何利用先进的控制技术实现系统性能的最优化与鲁棒性保障。本书旨在为控制工程师和研究生提供一套全面、深入且实用的工具箱，以应对当前工业界日益复杂的自动化与控制挑战。 --- 第一章 绪论：控制系统的演进与核心概念 本章首先界定了控制系统的基本概念、历史沿革及其在现代工程领域（如航空航天、机器人、过程工业）中的不可替代性。通过对开环与闭环系统的对比分析，确立了反馈控制在提高系统精度、抑制扰动和增强鲁棒性方面的核心作用。 1.1 控制系统的基本要素与分类： 详细阐述了传感器、执行器、控制器和被控对象（Plant）的构成。系统分类依据了线性/非线性、时变/时不变、单输入单输出（SISO）/多输入多输出（MIMO）等标准，为后续章节的理论推导奠定基础。 1.2 性能指标与稳定性判据： 引入了时域性能指标（如超调量、调节时间、稳态误差）和频域性能指标（如带宽、相位裕度、增益裕度）。着重讲解了经典的李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性判据及其在系统分析中的应用，并简要介绍了频率响应法（如奈奎斯特图、波德图）在初步稳定性评估中的地位。 1.3 建模的必要性与方法论： 强调了精确的数学模型是有效控制设计的基石。本章概述了主要的建模方法，包括基于物理定律的机理建模（微分方程描述）和基于实验数据的系统辨识方法，为第二章的详细建模铺陈。 --- 第二章 经典建模与状态空间表示 本章聚焦于精确地将物理系统转化为可供分析和设计的数学模型。 2.1 物理系统建模： 详细分析了典型的机电系统（如直流电机、倒立摆）和典型过程控制系统（如热交换器、液位控制）的建模过程。利用牛顿第二定律、基尔霍夫定律等，推导出系统的微分方程组。 2.2 传递函数模型（SISO系统）： 阐述了如何利用拉普拉斯变换，将微分方程转化为标准的传递函数形式 $frac{Y(s)}{U(s)} = G(s)$。分析了传递函数的零点、极点分布与系统动态特性的内在联系。 2.3 状态空间表示法（MIMO系统基础）： 引入现代控制理论的核心——状态空间模型。详细介绍了如何将高阶微分方程或传递函数转化为标准形式： $$ dot{mathbf{x}}(t) = mathbf{A}mathbf{x}(t) + mathbf{B}mathbf{u}(t) \ mathbf{y}(t) = mathbf{C}mathbf{x}(t) + mathbf{D}mathbf{u}(t) $$ 其中，矩阵 $mathbf{A}, mathbf{B}, mathbf{C}, mathbf{D}$ 的物理意义和矩阵变换技术是本节的重点。 2.4 模型简化与约减： 探讨了在模型复杂性与控制精度之间进行权衡的方法。介绍了模态分析和皮尔森（Pade）近似等技术，用于去除高频不必要的动态环节，简化模型复杂度。 --- 第三章 系统分析与可控性、可观测性 在设计控制器之前，必须评估系统在理论上是否可以被完全控制和完全观测。 3.1 线性系统的解与时间响应： 推导了状态空间模型的解析解 $mathbf{x}(t) = Phi(t)mathbf{x}(0) + int_{0}^{t} Phi(t- au)mathbf{B}mathbf{u}( au) d au$，其中 $Phi(t)$ 为状态转移矩阵。重点讨论了如何利用矩阵指数函数 $mathbf{e}^{mathbf{At}}$ 的计算方法。 3.2 可控性分析： 引入卡尔曼（Kalman）可控性判据。通过构造可控性矩阵 $mathcal{C} = [mathbf{B}, mathbf{AB}, mathbf{A}^2mathbf{B}, dots, mathbf{A}^{n-1}mathbf{B}]$，详细说明了如何判断系统状态是否可以通过输入向量 $mathbf{u}(t)$ 从任意初始状态转移到零状态。 3.3 可观测性分析： 对应地，引入卡尔曼可观测性判据。通过构造可观测性矩阵 $mathcal{O} = [mathbf{C}, mathbf{CA}, mathbf{CA}^2, dots, mathbf{CA}^{n-1}]^T$，阐述了如何判断系统的内部状态是否可以通过输出向量 $mathbf{y}(t)$ 被完全确定。 3.4 对偶性原理： 阐述了可控性与可观测性之间的对偶关系，为状态观测器的设计提供了理论基础。 --- 第四章 经典控制器的设计与完善 本章回归到对经典控制理论中PID控制器的深入分析和现代工程中的改进应用。 4.1 传递函数基础设计： 回顾了根轨迹法（Root Locus）在确定控制器增益 K 方面的重要性，以及对闭环系统极点位置的精确控制。 4.2 频率响应设计方法： 详细阐述了如何使用波德图和奈奎斯特图来设计超前/滞后补偿器，以满足特定的相位裕度和增益裕度要求，从而优化系统的瞬态响应和抗干扰能力。 4.3 PID控制器的工程实现与整定： 深入分析了比例（P）、积分（I）、微分（D）三个环节对系统性能的贡献和副作用。重点介绍了齐格勒-尼科尔斯法（Ziegler-Nichols）等几种主流的现场整定方法，并讨论了抗饱和、抗积分饱和等工程实用技巧。 4.4 经典方法局限性与向现代控制过渡： 指出经典方法在处理多变量耦合系统和状态约束问题时的不足，引出状态空间方法的优势。 --- 第五章 现代控制：状态反馈与极点配置 本章是现代控制理论设计的核心，侧重于利用系统的全部状态信息进行反馈控制。 5.1 状态反馈控制原理： 建立了基于状态反馈 $mathbf{u} = -mathbf{Kx} + mathbf{r}$ 的闭环系统模型 $dot{mathbf{x}} = (mathbf{A} - mathbf{BK})mathbf{x} + mathbf{Br}$，目标是设计反馈增益矩阵 $mathbf{K}$ 以配置闭环系统的所有极点。 5.2 极点配置算法（Pole Placement）： 详细介绍了 Ackerman 公式在完全可控系统中的应用，用于精确计算出所需的反馈增益 $mathbf{K}$。同时，讨论了在实际系统中，由于模型不确定性，仅能部分配置极点或采用最优控制的必要性。 5.3 状态观测器的设计（Luenberger 观测器）： 针对无法完全测得所有状态变量的情况，设计了 Luenberger 观测器来估计不可测状态 $hat{mathbf{x}}$。重点在于如何通过配置观测器极点来保证估计误差的快速收敛，同时不影响主控制回路的性能。 5.4 观测器与反馈的结合（分离原理）： 阐述了著名的分离定理，证明了在 LTI 系统中，状态反馈控制器的设计与状态观测器的设计可以独立进行，从而构建出完整的状态反馈控制系统。 --- 第六章 最优控制理论：线性二次型调节器（LQR） 最优控制旨在寻找一个输入信号 $mathbf{u}(t)$，使得一个预先定义的性能指标函数达到最小值。 6.1 性能指标函数（代价函数）： 引入二次型代价函数 $J$ 作为衡量系统性能的标准： $$ J = frac{1}{2}mathbf{x}^T(t_f)mathbf{P}_fmathbf{x}(t_f) + frac{1}{2}int_{0}^{t_f} (mathbf{x}^Tmathbf{Q}mathbf{x} + mathbf{u}^Tmathbf{R}mathbf{u}) dt $$ 详细解释了权重矩阵 $mathbf{Q}$（状态误差惩罚）和 $mathbf{R}$（控制能量消耗）的选择对控制性能的影响。 6.2 代数黎卡提方程（ARE）： 推导了求解无限时间、最优状态反馈增益 $mathbf{K}_{ ext{LQR}}$ 所需满足的代数黎卡提方程。给出了求解该方程的迭代算法和解析方法。 6.3 LQR的优势与局限： 强调 LQR 设计是确保系统稳定性和最优性能的有效手段。讨论了 LQR 固有的稳定性和它对模型精确度的依赖性。 6.4 观测器与LQR的结合（LQG控制）： 介绍了卡尔曼滤波器作为最优状态估计器，将其与 LQR 控制器结合，形成了线性二次高斯（LQG）控制器，这是在存在过程噪声和测量噪声环境下的最优线性控制器。 --- 第七章 鲁棒性分析与非线性系统初步 本章将控制理论的应用扩展到更贴近实际的、存在不确定性的系统环境。 7.1 系统不确定性建模： 分析了模型固有的不确定性来源，包括参数摄动（如质量、阻尼变化）和外部扰动。 7.2 频率响应在鲁棒性分析中的应用： 重新审视了增益裕度和相位裕度作为衡量系统鲁棒性的指标，强调其在频域分析中的直观性。 7.3 描述函数法与相平面分析（非线性系统初步）： 针对非线性系统，介绍了描述函数法用于分析自激振荡（Limit Cycles）。相平面法则用于二阶系统的定性分析，揭示了相轨迹的特性，如奇点类型。 7.4 反馈线性化与滑模控制简介： 简要介绍了反馈线性化（Backstepping）在设计复杂非线性控制器中的基本思想，并对在存在不确定性和外部扰动时，利用开关控制实现高鲁棒性的滑模控制（SMC）进行了概述。 --- 结论： 本书内容系统地覆盖了现代控制理论的基石，从系统建模、线性化分析，到经典方法的工程应用，最终过渡到最优控制和鲁棒性考量。它为读者提供了一个从理论到实践的完整路径图，帮助理解和设计高性能的自动化控制系统。

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆