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出版者:東北大學齣版社

作者:郝培鋒

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:1900-01-01

價格:18.0

裝幀:

isbn號碼:9787810549080

叢書系列:

圖書標籤:

• 計算機仿真
• 仿真技術
• 數值計算
• 建模與仿真
• 科學計算
• 工程仿真
• 模擬技術
• MATLAB
• Simulink
• Python

現代控製係統設計與應用：麵嚮工程實踐的優化策略 圖書簡介 本書旨在為從事現代控製係統設計、分析與實現的高級工程師、科研人員以及相關專業的研究生提供一本全麵、深入且高度麵嚮工程實踐的參考手冊。全書立足於經典控製理論的堅實基礎，係統地引入並詳盡闡述瞭現代控製理論的核心概念、數學工具和前沿算法，重點聚焦於如何將這些理論有效地應用於解決復雜的、多變量的、帶有約束條件的實際工程問題。 本書結構嚴謹，邏輯清晰，從係統的狀態空間建模入手，逐步深入到最優控製、魯棒控製、非綫性控製以及現代估計與濾波技術，最終覆蓋瞭當前工業界對智能化控製係統的迫切需求。 --- 第一部分：狀態空間建模與係統分析基礎 (Chapters 1-3) 第一章：連續與離散係統狀態空間錶示 本章首先迴顧瞭物理係統（如機電一體化係統、熱力學過程等）嚮標準狀態空間形式 $dot{mathbf{x}} = mathbf{A}mathbf{x} + mathbf{B}mathbf{u}$ 和 $mathbf{y} = mathbf{C}mathbf{x} + mathbf{D}mathbf{u}$ 轉換的完整方法論。我們不僅關注綫性係統的建模，還詳細探討瞭如何利用泰勒級數展開、雅可比綫性化技術，將復雜的非綫性動力學模型準確地綫性化到特定的工作點附近，為後續的現代控製設計奠定數學基礎。重點解析瞭係統的可控性和可觀測性在判斷係統設計可行性中的決定性作用，並提供瞭基於奇異值分解（SVD）的數值判定標準。 第二章：係統時間響應與穩定性判據 本章深入分析瞭係統的零輸入響應、零狀態響應及其對係統性能指標（如超調量、建立時間、穩態誤差）的影響。穩定性分析部分超越瞭傳統的Routh-Hurwitz判據，重點闡述瞭利用李雅普諾夫穩定性理論進行全局穩定性和局部穩定性的嚴格證明方法。對於時間係統，則詳細對比瞭離散時間係統李雅普諾夫方程的求解策略，確保讀者能夠對係統在不同時間尺度下的行為有深刻的理解。 第三章：反饋控製係統的結構設計 本章著重於現代控製設計的核心——狀態反饋。詳細介紹瞭極點配置（Pole Placement）的技術，不僅展示瞭如何通過全狀態反饋 $mathbf{u} = -mathbf{K}mathbf{x} + mathbf{r}$ 來達到期望的動態性能，還引入瞭輸齣反饋和動態反饋的概念，討論瞭在傳感器成本或信息限製下的設計摺衷方案。此外，還首次引入瞭重構觀測器的概念，如Luenberger觀測器，作為實現狀態反饋的必要前提。 --- 第二部分：最優控製理論與算法 (Chapters 4-6) 第四章：綫性二次型最優控製 (LQR) LQR是現代控製設計中最成熟且應用最廣泛的理論之一。本章從性能指標函數 $J = int_{0}^{infty} (mathbf{x}^Tmathbf{Q}mathbf{x} + mathbf{u}^Tmathbf{R}mathbf{u}) dt$ 的定義齣發，推導瞭求解最優反饋增益 $mathbf{K}$ 的代數黎卡提方程 (ARE)。我們詳細分析瞭權重矩陣 $mathbf{Q}$ 和 $mathbf{R}$ 如何直觀地影響控製器的響應速度與控製能量之間的權衡。本章的重點在於ARE的數值求解方法及其在有限時間最優控製問題中的推廣。 第五章：最優狀態估計：卡爾曼濾波 對於絕大多數實際係統，狀態變量無法直接測量，需要依賴傳感器數據和係統模型進行估計。本章是本書的亮點之一。我們係統地推導瞭離散時間卡爾曼濾波器 (DKF) 的遞推公式，詳細解釋瞭狀態估計器的“預測”和“更新”兩個核心步驟。隨後，擴展到擴展卡爾曼濾波器 (EKF) 和無跡卡爾曼濾波器 (UKF)，重點討論瞭它們在綫性度欠佳的非綫性係統中的實際應用、迭代策略以及協方差矩陣的收斂性分析。 第六章：最優控製與估計的統一：LQG控製 本章將第四章的最優控製與第五章的最優估計結果相結閤，形成瞭綫性二次高斯 (LQG) 控製器。根據分離原理 (Separation Principle)，最優狀態反饋增益 $mathbf{K}$ 和最優狀態估計器 $hat{mathbf{x}}$ 可以獨立設計。本章詳細分析瞭LQG係統的整體性能、其與LQR的性能差異，並引入瞭迴 শঙ্ক (Bounded Input, Bounded Output, BIBO) 穩定性在LQG設計中的驗證方法。 --- 第三部分：魯棒性與抗乾擾控製 (Chapters 7-8) 第七章：魯棒控製基礎與 $mathbf{H}_{infty}$ 範數 在實際工程中，係統模型總存在不確定性（參數變化、未建模動態）。本章介紹瞭度量係統“健壯性”的數學工具——奇異值和$mathbf{H}_{infty}$ 範數。我們詳細闡述瞭如何構建加權函數 $W_S$ 和 $W_T$ 來分彆限製係統的敏感度（抑製外部擾動）和控製器的動作（限製控製信號的放大），從而將魯棒控製問題轉化為求解一個加權 $mathbf{H}_{infty}$ 控製器的優化問題，這通常涉及求解兩個關聯的黎卡提方程。 第八章：控製設計中的裕度分析 本章側重於工程上直觀的魯棒性驗證。詳細講解瞭增益裕度 (Gain Margin) 和相角裕度 (Phase Margin) 的計算方法及其物理意義。我們利用奈奎斯特圖 (Nyquist Plot) 和波德圖 (Bode Plot)，結閤閉環係統的特徵方程，演示瞭如何通過圖形分析來確定係統在參數微小變化下保持穩定的邊界，並指導控製器參數的微調。 --- 第四部分：先進控製技術與工程實現 (Chapters 9-10) 第九章：非綫性控製基礎：反饋綫性化與滑模控製 針對無法有效綫性化的復雜係統，本章介紹瞭兩種強大的非綫性控製策略。首先是輸入-輸齣反饋綫性化，通過坐標變換和微分幾何思想，將非綫性係統轉化為等效的綫性係統進行控製設計，並討論瞭其對模型精確度的敏感性。其次是滑模控製 (SMC)，重點講解瞭如何設計滑模麵 (Sliding Surface) 以保證係統快速收斂到期望軌跡，並深入分析瞭SMC中抖振 (Chattering) 現象的産生機理及邊界層方法的工程化處理。 第十章：模型預測控製 (MPC) 原理與實踐 模型預測控製是當前工業控製領域的熱點，尤其適用於約束優化問題。本章係統地介紹瞭MPC 的核心思想：在每一步采樣時刻，利用當前係統的狀態，基於係統模型在綫求解一個有限時域的優化問題，僅執行第一個控製動作，然後在下一時刻重復該過程。我們詳細分析瞭如何將係統約束（如執行器飽和、狀態限製）納入到在綫求解的二次規劃 (QP) 問題中，並討論瞭MPC在延遲係統和時間延遲補償方麵的應用優勢。 --- 總結與展望 本書的編寫遵循“理論推導嚴謹、實例分析詳盡”的原則，所有理論推導均采用矩陣代數和係統理論的規範錶達。每章末均附有詳細的工程案例分析，結閤MATLAB/Simulink工具箱中的相關函數（如Control System Toolbox），展示瞭如何將所學知識轉化為可運行的控製代碼。本書是係統控製工程師邁嚮高階設計與實現，解決復雜工業自動化挑戰的必備工具書。

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這本書的價值感不單單體現在知識的傳遞上，更在於它提供瞭一種解決問題的思路和框架。我感受得到，作者不僅僅是在教我們“怎麼做”，更是在引導我們思考“為什麼這麼做”以及“在什麼情況下應該用彆的方法”。例如，書中對不同仿真環境下的誤差分析和精度驗證部分，討論得尤為深入，這直接關係到仿真結果的可靠性和可信度。對於我們做工程驗證的人來說，模型的準確性纔是生命綫。這本書提供的係統性思維訓練，遠遠超過瞭一本純粹的操作手冊的價值，它更像是一本能幫你建立起紮實理論基礎和批判性分析能力的工具書。

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從排版和細節處理上來看，這本書的編輯團隊也絕對是專業的。我注意到書中的術語錶做得非常規範，而且很多關鍵的專業詞匯在首次齣現時都做瞭加粗或斜體標注，這對於快速查找和記憶專業術語很有幫助。另外，書中對公式的編號和引用邏輯非常清晰，你在後續章節引用前麵的公式時，能夠毫不費力地追溯源頭，閱讀流暢性得到瞭保證。有時候讀技術書最怕的就是東一榔頭西一棒槌，找不到上下文，但這本書似乎在這方麵做瞭大量細緻的工作，確保瞭知識點的串聯性。這種對細節的關注，往往體現瞭一本書的整體製作水準。

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我之前接觸過幾本同類的技術書籍，很多要麼是理論講得過於晦澀，要麼就是案例陳舊跟不上時代。但這本新書給我的第一印象是它的前沿性。我隨便翻開其中一章，發現它居然深入探討瞭某些新興算法在優化模型中的應用，這正是目前行業內大傢都在關注的熱點。作者顯然不是停留在教科書上那些老掉牙的例子，而是緊密結閤瞭最新的研究成果和工業實踐。更讓我驚喜的是，書中似乎對不同仿真軟件之間的比較和適用場景分析也做瞭詳細的論述，這對於我們實際工作選型時提供瞭非常寶貴的參考意見，避免瞭盲目跟風投入資源。這種既有深度又有廣度的內容覆蓋，讓人覺得物有所值，不像很多書隻是淺嘗輒止地堆砌概念。

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閱讀體驗上，作者的敘述風格著實值得稱贊。他沒有采用那種冷冰冰、公式堆砌的寫作方式，而是采用瞭相當具親和力的引導性語言。很多復雜的概念，他都能用日常生活中容易理解的比喻來闡釋，這極大地降低瞭初學者的入門門檻。我試著理解瞭幾個比較繞的數學模型推導過程，發現作者在關鍵步驟都附帶瞭詳細的文字解釋，仿佛有一個經驗豐富的導師在旁邊手把手地教你一樣。這種“帶著走”的教學方式，比單純羅列公式有效得多。而且，書中似乎還穿插瞭一些作者個人的實踐心得或者“避坑指南”，這些基於經驗的提醒，往往比純理論指導更有價值，能讓人少走很多彎路。

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這本書的裝幀設計和印刷質量真的沒得說，拿到手裏沉甸甸的，感覺挺有分量的。紙張摸起來光滑細膩，內頁的排版布局也十分清晰，字體大小適中，閱讀起來非常舒服，長時間盯著也不會覺得眼睛特彆纍。封麵采用瞭磨砂質感，配上深邃的藍色調，一下子就給人一種專業、嚴謹的理工科書籍的感覺，非常符閤我對技術類書籍的期待。我特地留意瞭一下目錄結構，感覺章節劃分邏輯性很強，從基礎概念到復雜的應用案例，層層遞進，應該能幫助讀者係統地構建知識體係。而且，書裏似乎還包含瞭不少圖錶和示意圖，這些視覺輔助工具對於理解抽象的理論知識至關重要，光從這一點就能看齣作者在內容組織上下瞭真功夫，這對於我這種喜歡邊看邊畫思維導圖的讀者來說，絕對是個加分項。

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