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出版者:北航

作者:

出品人:

頁數:192

译者:

出版時間:2000-6

價格:17.50元

裝幀:

isbn號碼:9787810129831

叢書系列:

圖書標籤:

• 單片機
• 嵌入式係統
• C51
• 硬件開發
• 電子工程
• 實踐教程
• 入門
• STC
• 8051
• DIY

《現代控製係統設計與應用》 內容概要 本書旨在全麵係統地闡述現代控製理論的核心概念、分析方法以及在復雜工程係統中的實際應用。它不僅僅是一本理論教材，更是一本側重於工程實踐和前沿技術融閤的工具書，特彆關注如何將抽象的數學模型轉化為穩定、高效、可實時運行的控製解決方案。 全書結構嚴謹，從經典控製理論的迴顧與過渡開始，逐步深入到現代控製理論的基石，包括狀態空間錶示法、可控性與可觀測性分析、李雅普諾夫穩定性理論、最優控製（LQR）、魯棒控製（H-無窮控製）以及非綫性控製的基礎。 第一部分：基礎與過渡 本部分首先迴顧瞭經典的頻域分析方法（如Bode圖、Nyquist圖），並強調瞭其在係統結構分析中的局限性。隨後，重點引入瞭時間域分析的核心——狀態空間錶示法。詳細講解瞭如何將高階常微分方程形式的係統模型，精確地轉化為一階齊次狀態方程組 $dot{mathbf{x}}(t) = mathbf{A}mathbf{x}(t) + mathbf{B}mathbf{u}(t)$ 和輸齣方程 $mathbf{y}(t) = mathbf{C}mathbf{x}(t) + mathbf{D}mathbf{u}(t)$。 模型識彆與辨識： 探討瞭在實際工程中，如何根據實驗數據或物理結構，建立準確的係統數學模型，這是所有後續控製設計的前提。 綫性係統分析： 深入分析瞭係統的可控性（Controllability）和可觀測性（Observability）判據，講解瞭如何利用Gramian矩陣判斷係統設計和狀態估計的潛力。 第二部分：反饋設計與穩定性理論 此部分是全書的核心，聚焦於如何通過引入反饋機製來重塑係統的動態性能。 極點配置（Pole Placement）： 詳細闡述瞭利用狀態反饋 $mathbf{u} = -mathbf{K}mathbf{x} + mathbf{r}$ 實現期望的閉環係統極點配置。講解瞭Ackermann公式及其在實現高階係統反饋矩陣 $mathbf{K}$ 中的應用。此外，還探討瞭當狀態變量無法完全測得時，如何設計狀態觀測器（如Luenberger觀測器），以實現滿狀態反饋。 穩定性理論： 係統地介紹瞭李雅普諾夫穩定性理論，這是判斷係統性能的基石。不僅限於綫性的直接法和間接法，還引入瞭更具普適性的李雅普諾夫第二法，用於分析那些難以建立精確數學模型或本身具有非綫性特性的係統。講解瞭李雅普諾夫函數構造的藝術與挑戰。 第三部分：現代控製進階——最優與魯棒性 隨著係統復雜度的增加，單一的性能指標已無法滿足工程需求。本部分轉嚮需要權衡性能、能耗與抗擾能力的先進控製策略。 最優控製（LQR）： 深入講解瞭綫性二次型調節器（LQR）的設計。通過定義二次型性能指標函數 $J = int_0^infty (mathbf{x}^Tmathbf{Q}mathbf{x} + mathbf{u}^Tmathbf{R}mathbf{u}) dt$，推導瞭代數Riccati方程（ARE）的求解，從而得到最優反饋增益 $mathbf{K}$。重點討論瞭權重矩陣 $mathbf{Q}$ 和 $mathbf{R}$ 對係統響應速度和控製能量消耗的實際影響。 狀態估計與濾波： 針對傳感器噪聲和過程擾動，本書詳細介紹瞭卡爾曼濾波（Kalman Filter）。從基本的最小均方誤差估計原理齣發，推導齣離散時間卡爾曼濾波器的迭代公式，並結閤實例說明其在實時數據融閤與狀態重構中的關鍵作用。 魯棒控製基礎： 介紹瞭如何設計在模型不確定性（如參數攝動、未建模動態）下仍能保持穩定和性能的控製器。重點介紹瞭 H-無窮（$H_infty$）控製 的基本思想，即通過設計控製器最小化係統對外部擾動的增益，實現“最壞情況下的最佳性能”。 第四部分：高級主題與工程實現 本部分將理論與實際應用緊密結閤，介紹瞭控製工程領域的前沿熱點。 非綫性控製基礎： 鑒於現實世界中絕大多數係統本質上都是非綫性的，本書引入瞭反饋綫性化、滑模控製（Sliding Mode Control, SMC）的基本概念，用以處理具有顯著非綫性特徵的係統，如高精度機械臂或航空航天姿態控製。 數字控製係統的實現： 詳細討論瞭從連續時間係統嚮離散時間係統轉化的過程，包括零階保持器（ZOH）和一階保持器（FOH）的選擇對係統性能的影響。書中提供瞭詳盡的算法步驟，指導讀者如何將連續控製律轉換為可在微處理器或DSP上實現的數字算法。 案例分析與仿真驗證： 提供瞭多個跨學科的工程案例，如伺服電機的位置/速度控製、溫室環境的模糊控製策略、以及無人機姿態穩定算法。這些案例均配閤MATLAB/Simulink仿真環境，指導讀者進行係統建模、控製器設計、參數整定及閉環性能驗證的全流程操作。 本書特點 本書的編寫注重理論的嚴謹性與工程的可操作性之間的平衡。作者采用瞭大量的圖示和推導細節來闡明復雜的數學概念，確保讀者不僅知其然，更知其所以然。強調係統思維，要求讀者在設計控製器之前，必須對被控對象有深刻的物理認知和準確的數學描述。通過本書的學習，工程師和研究人員將能夠自信地麵對從基礎反饋迴路到復雜多變量、強耦閤係統的設計與調試工作。

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這本書的封麵設計真是讓人眼前一亮，那種深邃的藍色調，配上簡潔有力的白色字體，立刻就給人一種專業又可靠的感覺。我是在一傢實體書店偶然看到它的，當時隻是隨便翻瞭翻目錄，就被裏麵詳實的內容結構吸引住瞭。它不像市麵上很多教材那樣，堆砌著晦澀難懂的理論，而是仿佛一位經驗豐富的老教授，循循善誘地引導你進入單片機這個奇妙的世界。特彆是它對各個模塊的介紹，邏輯性極強，從最基礎的硬件組成到復雜的定時器中斷、串行通信，每一步都銜接得非常自然。我尤其欣賞它在代碼示例上的處理方式，注釋詳盡到幾乎不需要讀者再去查閱其他資料，這對於初學者來說，無疑是一劑強心針。我記得我以前學其他課程時，常常被那些“一筆帶過”的關鍵點卡住，但這本書在這方麵做得極為細緻，真的體現瞭作者的匠心獨白。我迫不及待地想把書帶迴傢，開始我的實踐之旅。

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拿到這本書後，我做的第一件事就是檢查它的排版和印刷質量。說實話，這個價位能買到這樣一本製作精良的書，我感覺非常超值。紙張的厚度適中，即便是長時間閱讀也不會覺得刺眼，油墨的清晰度也無可挑剔，那些復雜的電路圖和時序圖都清晰銳利，辨識度極高。更重要的是，這本書的章節安排，簡直是為自學愛好者量身定做的。它沒有一開始就拋齣一大堆復雜的寄存器名稱，而是用瞭一個非常接地氣的“引子”章節，把單片機在日常生活中的應用場景描述得繪聲繪色，一下子就把我的學習興趣給提起來瞭。接著，它循序漸進地講解瞭匯編語言和C語言的混閤編程思想，這在很多教材中是很難平衡好的。這本書的處理方式既保留瞭底層控製的精髓，又兼顧瞭現代編程的高效性，感覺作者對不同層次的讀者都有所考量，這種平衡的藝術，著實令人佩服。

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我得說，這本書的案例設計是它最齣彩的部分之一。很多教程的例子都是“Hello World”級彆的重復性勞動，看完讓人意興闌珊。然而，這本書裏的每一個練習，都緊密貼閤瞭實際工業控製或嵌入式應用的需求。比如，關於A/D轉換的應用，它不僅僅是簡單地讀取電壓值，而是模擬瞭一個溫度監控係統，並加入瞭報警閾值判斷，這讓我能立刻感受到所學知識的實用價值。作者似乎深諳“做中學”的道理，每個章節的理論講解後，總會緊跟著一個或兩個精心設計的實踐環節。我試著搭建瞭書中的一個數據采集模塊，所有的元件選型、連接方式，甚至是可能遇到的軟件衝突，書中都有詳細的預警和解決方案。這種“保姆式”的服務，讓我在調試過程中少走瞭很多彎路，極大地增強瞭我的信心。

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這本書的深度和廣度都讓人印象深刻。它不僅僅停留在對基礎指令集的羅列上，更重要的是，它花瞭不少篇幅探討瞭係統設計的優化和常見性能瓶頸的解決策略。我特彆喜歡其中關於低功耗設計和實時性保證的章節，這些內容往往是初級教程中被忽略的“高級話題”。作者似乎預見到瞭讀者在項目升級過程中可能會遇到的問題，提前給齣瞭成熟的解決方案。這使得這本書的“保質期”大大延長，它不再是一本學完即棄的入門讀物，而是一本可以伴隨我完成數個中小型項目的參考手冊。無論是對剛剛接觸電子製作的新手，還是希望係統梳理知識的老兵，這本書提供的知識框架都足夠堅實和全麵，絕對是值得反復研讀的寶藏。

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從語言風格上看，這本書的作者顯然不是一個死闆的學院派，他有一種將復雜概念“翻譯”成大白話的能力。閱讀起來完全沒有那種麵對教科書的壓迫感，更像是和一位經驗豐富的前輩在交流心得。比如，在講解中斷服務程序（ISR）的編寫時，他沒有直接套用官方文檔的術語，而是用瞭一個形象的比喻來描述中斷嚮量錶的切換過程，一下子就讓我抓住瞭核心要點。這種深入淺齣的敘述方式，極大地降低瞭初學者對單片機“神秘感”的恐懼。我以前總覺得單片機編程是少數天纔纔能掌握的技能，但這本書讓我明白，它更像是一門精密的工程學，隻要有正確的引導和足夠的耐心，任何人都可以掌握。這種積極的心理暗示，對提升學習者的自我效能感非常重要。

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