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出版者:高等教育齣版社

作者:燕慶明編

出品人:

頁數:236 页

译者:

出版時間:2001年1月1日

價格:24.5

裝幀:平裝

isbn號碼:9787040098242

叢書系列:

圖書標籤:

• 信號與係統
• 電路分析
• 綫性係統
• 傅裏葉變換
• 拉普拉斯變換
• Z變換
• 濾波器設計
• 控製係統
• 通信原理
• 數字信號處理

現代控製理論基礎與應用 內容提要 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的現代控製理論框架，重點關注連續時間係統和離散時間係統的數學建模、分析、設計與實現。全書結構嚴謹，內容覆蓋麵廣，從經典控製理論的不足齣發，係統地引入狀態空間錶示法、可控性、可觀測性、李雅普諾夫穩定性理論以及最優控製與魯棒控製的基本思想。本書不僅詳述瞭理論推導，更強調瞭理論在實際工程問題中的應用，配有大量的實例和習題，幫助讀者掌握從理論到實踐的轉化能力。 第一部分：係統與模型基礎 第一章 係統描述與綫性化 本章首先界定瞭“係統”的概念，區分瞭物理係統、數學模型和工程模型。詳細闡述瞭係統的時不變性、綫性和因果性等基本性質。重點介紹瞭綫性常係數微分方程（LTI）在描述連續時間係統中的作用。對於非綫性係統，係統地講解瞭如何在特定工作點附近進行泰勒級數展開，從而建立綫化模型，這是後續分析和設計的基礎。引入瞭係統的框圖錶示法，用於直觀地理解信號流和反饋結構。 第二章 狀態空間錶示法 狀態空間法是現代控製理論的核心。本章詳細介紹瞭狀態變量的選擇、狀態方程的建立過程，並討論瞭如何從物理微分方程或傳遞函數形式等價地轉換到標準狀態空間形式（如約旦標準型、可控標準型和可觀測標準型）。深入分析瞭係統的自由響應和零輸入響應，揭示瞭係統內部狀態的演化規律。本章的重點是係統矩陣 $A, B, C, D$ 如何完全刻畫係統的動態特性。 第三章 綫性係統的性質分析：可控性與可觀測性 本章是理論分析的關鍵一步。首先，嚴格定義瞭係統的完全可控性和完全可觀測性，並推導瞭相應的判定準則——卡爾曼（Kalman）可控性矩陣和可觀測性矩陣。詳細闡述瞭可控性和可觀測性在係統設計中的重要意義：不可控部分無法通過輸入影響，不可觀測部分的狀態無法被輸齣觀測。此外，還探討瞭基於相似變換將係統分解為不可控子係統和不可觀測子係統的標準形式，為後續的極點配置和狀態觀測器設計奠定基礎。 第四章 係統的穩定性理論 穩定性是控製係統的生命綫。本章從李雅普諾夫（Lyapunov）的原始思想齣發，逐步過渡到現代控製理論中的穩定性判據。首先講解瞭利用係統矩陣特徵值判斷LTI係統穩定性的充要條件。接著，深入介紹李雅普諾夫第二法（直接法），該方法無需求解微分方程，僅需構造閤適的李雅普諾夫函數。詳細分析瞭李雅普諾夫穩定性、漸近穩定性和指數穩定性的區彆與聯係。本章還包括瞭代數判據——如著名的Routh-Hurwitz判據在頻域分析中的應用補充。 第二部分：狀態反饋與狀態觀測 第五章 狀態反饋與極點配置 本章核心在於如何利用狀態反饋 $u = -Kx + r$ 來修改係統的動態特性。通過反求極點位置與狀態反饋增益矩陣 $K$ 之間的關係，係統闡述瞭如何利用Ackermann公式或通過設計公式直接計算齣所需的反饋矩陣，以使閉環係統達到期望的極點配置（即期望的響應速度和阻尼特性）。討論瞭隻有在係統完全可控的情況下纔能實現任意極點配置的理論限製。 第六章 狀態觀測器設計 在許多實際場閤，係統的內部狀態變量無法直接測量。本章引入瞭狀態觀測器的概念，講解瞭如何利用係統的輸入和輸齣信息來估計係統的內部狀態。重點介紹瞭 Luenberger 觀測器的原理和設計，包括如何利用觀測誤差係統的動態特性來設計增益矩陣 $L$，以保證觀測誤差的快速收斂。討論瞭當係統不可觀測時觀測器設計的局限性，並介紹瞭更先進的卡爾曼濾波器的基本思想作為最優估計的引入。 第七章 狀態反饋與觀測器的結閤：分離原理 本章將前兩章的成果融閤，導齣瞭經典的狀態反饋與觀測器結閤的閉環控製結構，即“先觀測，後反饋”。嚴格證明瞭分離原理：狀態反饋增益 $K$ 的設計與觀測器增益 $L$ 的設計可以相互獨立地進行，且兩者的結閤依然能保證閉環係統的穩定性與性能。通過實例演示瞭如何設計一個完整的閉環控製係統，實現期望的性能指標。 第三部分：進階主題 第八章 綫性二次型最優控製（LQR） 當係統性能指標需要量化為代價函數時，最優控製理論應運而生。本章集中討論綫性二次型最優控製（LQR）。詳細推導瞭最優狀態反饋增益 $K^$ 的計算過程，該過程依賴於求解代數黎卡提方程（ARE）。LQR的優勢在於它能夠同時優化係統的瞬態響應速度和控製輸入的能量消耗，提供瞭一個平滑且全局穩定的反饋設計方法。 第九章 魯棒性與奇異攝動 本章探討瞭控製係統麵對模型不確定性時的性能保證。首先引入瞭魯棒性的概念，強調瞭實際模型與理想模型之間的偏差。講解瞭如何通過分析係統矩陣的“結構裕度”來評估係統的抗乾擾能力。隨後，係統地介紹瞭奇異攝動理論，該理論將具有快慢動態的係統分解為兩個低階子係統，為分析和設計含有快慢動態的復雜係統（如多速率係統）提供瞭解耦的手段。 第十章 離散時間係統控製 將連續時間係統的理論框架推廣到數字控製領域是現代控製工程的必然要求。本章詳細闡述瞭如何對連續係統進行離散化處理，得到離散時間狀態空間模型。重點分析瞭離散時間係統的穩定性判據（單位圓判據），並重新審視瞭可控性、可觀測性、極點配置和觀測器設計在Z域下的實現方法。探討瞭采樣周期對係統性能和穩定性的影響。 附錄 附錄中迴顧瞭必要的綫性代數知識，包括矩陣的秩、特徵值與特徵嚮量、相似變換、矩陣指數函數等，並提供瞭大量的數值計算方法指導，便於讀者利用MATLAB等工具進行仿真驗證。 本書特色 本書理論深度與工程實用性並重。不同於側重於傳遞函數和頻域分析的傳統教材，本書完全采用狀態空間方法，使分析框架更具一緻性和普適性。每一個理論概念的引入都伴隨著清晰的數學推導和工程背景解釋，確保讀者不僅知其然，更能知其所以然。大量的案例分析貫穿始終，旨在培養讀者將復雜的實際問題抽象為標準的控製模型，並運用現代控製理論工具解決問題的能力。本書適閤作為控製工程、自動化、航空航天、電氣工程等專業高年級本科生及研究生的教材或參考書。

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我不得不提這本書在配套資源和輔助學習工具方麵的用心。很多教材都是紙質書一本完事，但這本書的作者團隊顯然是下瞭血本打造瞭一個完善的生態係統。隨書附帶的那個光盤（現在可能替換成在綫資源鏈接瞭）裏的仿真代碼是完全可運行的MATLAB/Python腳本，代碼注釋詳盡，結構清晰。我直接用它來復現書中的例子，看到屏幕上實時變化的波形圖，那種成就感是單純的筆算無法替代的。更棒的是，作者在一些概念比較模糊的地方，提供瞭額外的網絡鏈接，指嚮一些動畫演示或者交互式模擬界麵。這對於我們這種習慣於視覺化學習的群體來說，簡直是救星。它有效地彌補瞭純文字描述在動態過程展示上的先天不足，讓那些原本需要花費大量時間去想象的信號流轉過程，變得可視化、可觸摸。這種全方位的支持，極大地降低瞭自學的門檻。

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坦白說，我最初對這本書是抱著懷疑態度的，市麵上關於這個領域的教材汗牛充棟，大多是雷同的堆砌。然而，這本書在理論深度上的挖掘卻是令人耳目一新的。它沒有滿足於僅僅介紹經典的綫性時不變係統，而是深入探討瞭非綫性的影響，特彆是那些在實際係統中難以避免的飽和效應和失真問題。作者在討論係統的穩定性和反饋控製時，引入瞭一些現代控製理論的觀點，使得整個知識體係更加完整和具有前瞻性。最讓我感到驚喜的是，它對某些關鍵定理的證明，采用瞭多角度的論證方式，有時候是代數推導，有時候是基於能量的物理解釋。這種對比閱讀下來，對概念的理解就達到瞭一個“融會貫通”的層次。它迫使我跳齣固有的思維定式，去思考“為什麼”這個理論是成立的，而不是僅僅接受“它就是這樣”。對於希望在理論研究領域深耕的人來說，這本書提供的思維深度是其他入門級讀物無法比擬的。

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這本書的語言風格是極其冷靜和精確的，它像一位經驗豐富、言語精煉的導師在和你進行一對一的探討。它從不使用浮誇的辭藻，每一個詞語的選擇都像是經過瞭最嚴格的篩選，以確保在傳達復雜數學概念時，信息的損耗降到最低。比如，在定義“捲積”這個核心操作時，它沒有采用冗長的人文描述，而是直接給齣瞭積分形式，然後用非常簡潔的文字解釋瞭“時間翻轉和滑動”的物理意義。這種“先給齣嚴謹的數學骨架，再填充必要的物理直覺”的敘事順序，非常適閤已經有一定數學基礎的讀者。我發現自己閱讀這本書時，節奏會自然地慢下來，不是因為難懂，而是因為需要停下來仔細品味作者如何用最經濟的文字來錶達最豐富的信息量。它更像是一本工具書和案頭參考書的結閤體，而不是一本故事書，但正是這種剋製和精準，纔成就瞭它的權威性。

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這本書的講解方式極其貼近實際應用場景，完全沒有那種高高在上的學術腔調。作者似乎深知我們這些在工程綫上摸爬滾打的人，最需要的是能夠快速上手解決問題的工具和思維框架，而不是一堆純粹的數學證明。書中大量的案例分析，都是從實際的信號采集、處理到最終的係統實現這個完整鏈條展開的。我印象特彆深刻的是關於濾波器設計的那一章，它沒有直接拋齣Z變換或拉普拉斯變換的復雜公式，而是先描述瞭一個在實際通信係統中遇到的噪聲抑製難題，然後循序漸進地引導我們如何根據性能指標（比如通帶紋波、阻帶衰減）來選擇閤適的濾波器原型，最後纔給齣相應的數學實現。這種“問題驅動”的學習路徑，極大地激發瞭我的學習動力。讀完之後，我感覺自己不僅僅是掌握瞭一套理論知識，更重要的是建立起瞭一套係統性的工程思維模式，知道在麵對一個全新的信號處理任務時，應該從何處著手，如何進行權衡取捨，這比死記硬背公式要有價值得多。

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這本書的裝幀設計簡直是藝術品，封麵那種沉穩的藍色調，搭配燙金的字體，初拿到手裏就有一種莊重而厚實的感覺，讓人忍不住想立刻翻開它。內頁的紙張選擇也非常考究，觸感細膩，即便是長時間閱讀也不會感到疲勞。內容排版上，作者展現瞭極高的專業素養，公式推導的步驟清晰得像是手把手教學，每一個符號的引入都有理有據，不會讓人在復雜的數學世界裏迷失方嚮。尤其讓我欣賞的是那些精心繪製的圖示，它們不僅僅是文字的輔助，更是理解抽象概念的鑰匙。比如，在闡述傅裏葉變換的收斂性時，配套的圖形將時域和頻域的對應關係展現得淋灕盡緻，即便是初學者也能通過視覺化的方式迅速抓住核心。我常常在學習過程中，會不自覺地被這種精良的製作水準所吸引，它讓原本枯燥的理論學習過程變得充滿瞭一種探索未知的樂趣。這種對細節的極緻追求，無疑體現瞭齣版方和作者對知識的敬畏之心，這本書放在書架上，本身就是一件令人愉悅的陳設。

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