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出版者:

作者:张友汉

出品人:

页数:150

译者:

出版时间:2004-12

价格:12.30元

装帧:

isbn号码:9787040109344

丛书系列:

图书标签:

• 电力电子
• 电力系统
• 电子技术
• 开关电源
• 逆变器
• 整流器
• 电力变换
• 电路分析
• 控制工程
• 新能源

现代控制理论基础 第一章 绪论：控制系统的基本概念与发展历程 本章旨在为读者构建对现代控制理论的宏观认识。我们将从控制系统的基本定义入手，阐述反馈、开环与闭环系统的核心区别及其在工程实践中的重要性。控制理论的发展并非一蹴而就，本章将追溯其历史脉络，从早期的机械式调速器到基于微分方程的经典控制，再到以状态空间描述为核心的现代控制理论的诞生与演进。重点解析线性定常系统（LTI）与线性时变系统（LTV）的概念边界，并讨论非线性系统的复杂性引入，为后续章节的深入分析奠定理论基础。 第二章 线性系统的状态空间表示法 状态空间法是现代控制理论的基石。本章将详细介绍如何将高阶常微分方程形式的系统模型，通过变量变换转化为一组一阶线性常微分方程组，即标准状态空间形式：$dot{mathbf{x}}(t) = mathbf{A}mathbf{x}(t) + mathbf{B}mathbf{u}(t)$ 与 $mathbf{y}(t) = mathbf{C}mathbf{x}(t) + mathbf{D}mathbf{u}(t)$。我们将深入探讨状态向量、状态空间和输入/输出矩阵 $mathbf{A}, mathbf{B}, mathbf{C}, mathbf{D}$ 的物理意义。本章的重点内容包括：解的求解（利用状态转移矩阵 $mathbf{Phi}(t)$），系统的等效变换（相似变换对系统性质的影响），以及可控性和可观测性的基本判据（基于格拉姆矩阵的代数判据）。理解这些概念是后续设计控制器的前提。 第三章 线性系统的时域分析 在状态空间框架下，我们从时间域的角度对系统动态特性进行分析。本章首先复习线性系统的基本时域响应特性，如阶跃响应、脉冲响应。核心在于引入状态转移矩阵 $mathbf{Phi}(t)$ 的计算方法，包括利用拉普拉斯逆变换法、凯莱-哈密顿定理以及幂级数展开法。随后，我们将集中讨论系统的稳定性。除了传统的劳斯-赫尔维茨判据（在经典控制中已提及，但在此处从李雅普诺夫角度回顾其局限性），本章将重点阐述李雅普诺夫稳定性定理在状态空间下的应用，特别是线性系统的渐近稳定性和指数稳定性的精确定义与判断。 第四章 线性系统的频域分析与根轨迹法回顾 尽管现代控制侧重于时域，但频域分析依然是系统性能评估的重要工具。本章将回顾经典控制中的传递函数表示法，并阐述其与状态空间表示之间的转换关系（当系统满足可控、可观测条件时）。重点分析波德图、奈奎斯特图在评估系统稳定裕度（增益裕度、相角裕度）上的作用。此外，本章将重温根轨迹法，探讨它如何直观地显示系统闭环极点随开环增益变化的轨迹，并据此分析系统阻尼比和自然频率的变化，为设计补偿器提供直观依据。 第五章 控制系统设计 I：可控性与可观测性设计 本章是现代控制设计方法的理论核心。首先，深入探讨极点配置（Pole Placement）的原理：通过状态反馈 $mathbf{u} = -mathbf{K}mathbf{x} + mathbf{r}$ 使得闭环系统矩阵 $mathbf{A}-mathbf{B}mathbf{K}$ 的特征值（即闭环极点）位于期望位置，从而实现对系统动态特性的精确设计。我们将详细推导Ackermann公式，该公式在系统完全可控的前提下，提供了一种直接计算反馈增益矩阵 $mathbf{K}$ 的方法。随后，我们将讨论观测器设计。当状态变量无法直接测量时，需要构造一个状态观测器来估计状态。本章将介绍Luenberger观测器的原理，并证明通过选择观测器增益 $mathbf{L}$，可以使估计误差系统渐近收敛（基于可观测性）。 第六章 控制系统设计 II：状态反馈与状态观测器结合 本章将前两章的设计方法融会贯通，介绍全阶状态反馈与观测器结合的控制结构（即“分离原理”或“分离定理”）。分离定理指出，状态反馈增益 $mathbf{K}$ 的设计与观测器增益 $mathbf{L}$ 的设计可以独立进行，且不会相互干扰闭环系统的稳定性。我们将详细推导闭环系统的综合动力学方程，并分析观测器误差的动态特性。此外，本章还会引入最优估计器——卡尔曼滤波器的基础概念，作为Luenberger观测器的一种更具鲁棒性的替代方案，尤其是在系统和测量噪声存在的情况下。 第七章 线性二次型调节器（LQR）与最优控制 最优控制是现代控制理论中解决“最佳”性能问题的工具。LQR控制器是工程中最常用的一种最优控制器。本章从性能指标函数（代价函数）的定义开始，即最小化状态误差和控制输入的二次型函数 $J = int_{0}^{infty} (mathbf{x}^T mathbf{Q}mathbf{x} + mathbf{u}^T mathbf{R}mathbf{u}) dt$。本章的核心是通过求解代数黎卡提方程 (ARE) 来确定最优反馈增益 $mathbf{K}_{LQR}$。我们将详细分析权重矩阵 $mathbf{Q}$（状态权重）和 $mathbf{R}$（输入权重）对控制性能（快速性与平稳性）的影响，并探讨LQR在实现满量程反馈下的稳定性保证。 第八章 鲁棒性分析与H-无穷控制简介 在实际工程中，系统模型参数存在不确定性，外部扰动也无法避免。本章将介绍如何评估控制系统对模型微小变化的敏感度，即鲁棒性。我们将引入小增益定理的基本思想，用以分析闭环系统在存在未建模动态或参数扰动时的稳定性。作为对传统LQR设计（对模型精度高度依赖）的补充，本章将简要介绍H-无穷控制（$H_{infty}$ Control）的设计理念。$H_{infty}$ 控制的目标是最小化系统从外部扰动输入到关键性能输出之间的最大奇异值（即$mathcal{H}_{infty}$ 范数），从而在保证稳定性的同时，对最坏情况下的扰动具有最佳抑制效果。 第九章 非线性系统的分析与稳定性 本章将视线转向更广泛的非线性系统领域。非线性系统由于缺乏叠加原理，其分析难度远高于线性系统。我们将首先探讨平衡点（或称平衡态）的概念与计算。随后，重点介绍李雅普诺夫直接法在非线性系统稳定性分析中的应用，特别是间接法（线性化）与直接法的适用范围和优缺点。本章还将引入输入-输出线性化、反馈线性化等将非线性系统转化为线性系统的初步技术，为高级非线性控制设计提供过渡。 第十章 现代控制理论的工程应用与展望 本章将对前述理论进行总结，并将其应用于实际的工程案例中，例如飞行器姿态控制、机械臂轨迹跟踪等。我们将讨论从实验数据辨识系统模型（系统辨识）到最终实现控制的全流程。最后，本章将展望现代控制理论的前沿方向，如自适应控制、模糊控制、模型预测控制（MPC）的原理概述，强调这些先进技术如何应对模型不确定性、约束条件和在线优化需求，为读者指明进一步学习和研究的方向。

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这本书的语言风格非常平易近人，读起来感觉很舒服，完全没有传统技术书籍那种拒人于千里之外的冰冷感。作者似乎非常理解读者在学习过程中的困惑点，因此在解释关键概念时，会采用类比和生活化的例子来辅助理解，比如用自来水系统的压力调节来解释电压反馈控制回路的稳定性和响应速度。这种“润物细无声”的教学方式，极大地降低了学习曲线的陡峭程度。我尤其赞赏它对“为什么”的解释，而不是仅仅停留在“是什么”和“怎么做”。例如，在解释为什么某些拓扑结构需要使用特定的续流二极管时，作者从能量守恒和开关管安全关断的角度进行了深入浅出的剖析，让我对电路的工作原理有了更深层次的感悟。对于那些想跨界进入电力电子领域但又担心技术门槛过高的人来说，这本书绝对是绝佳的入门向导，它带给我的不仅是知识，更是一种学习的信心。

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这本书的实用性远超我的预期，简直是工程师案头的必备工具书。我之前在实际工作中遇到一个关于大功率逆变器散热设计的问题，查阅了许多资料都不得要领。直到我翻开这本书的某一章，关于热管理和器件选型的部分，提供了详尽的计算方法和行业标准。作者不仅提到了理论上的散热模型，还结合了实际的PCB布局注意事项，这对于解决实际工程问题至关重要。书中对IGBT和MOSFET等功率器件的选型标准、驱动电路的设计考量，都描述得非常细致到位，避免了许多新手容易陷入的陷阱。我特别欣赏作者在介绍保护电路设计时的严谨态度，详细分析了过流、过压、欠压等各种故障模式下的保护逻辑，这使得我的设计可靠性大大提高。这本书绝对不是那种只停留在概念层面的理论著作，它是真正能指导实践的宝典。

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这本书的讲解深入浅出，对于我这种初学者来说简直是救星。我之前对这个领域了解甚少，很多教科书上的公式推导和概念阐述都像天书一样晦涩难懂。然而，这本书的作者显然非常懂得如何将复杂的理论转化为易于理解的语言。他不仅仅是罗列公式，而是会细致地解释每一个参数背后的物理意义，以及它们是如何相互作用的。比如，在介绍开关电源的拓扑结构时，作者通过大量的实例图和实际工作波形的对比，让我清晰地看到了不同拓扑在效率和成本上的权衡。特别是关于PWM（脉宽调制）的章节，作者用了不少篇幅来剖析如何通过改变占空比来精确控制输出电压和电流，这对于我后续进行电路设计打下了坚实的基础。这本书的图文并茂，排版也很合理，阅读起来不会感到疲劳。我感觉自己不再是被动地接收知识，而是主动地参与到学习过程中，这种体验非常棒。

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对于一名有着多年经验的电气工程师来说，阅读这本书更多的是一种知识体系的梳理和查漏补缺的过程。市面上的很多书籍要么太基础，要么过于偏门，很难找到一本能够全面覆盖整个领域，同时保持高水准的综合性教材。这本书恰好填补了这个空白。我尤其喜欢其中关于系统级仿真和建模的部分，作者详细介绍了如何使用MATLAB/Simulink等工具对复杂的电力电子系统进行精确建模和仿真验证。这不仅有助于我们理解系统的动态特性，也极大地缩短了从理论到样机开发的时间。此外，书中对电磁兼容性（EMC）和电磁干扰（EMI）的章节，从设计源头就提出了预防措施，这对于设计高性能、高可靠性的产品至关重要。阅读这本书的过程，就像是在与一位经验丰富的老前辈对话，处处透露着实战智慧。

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我是一名在读的研究生，对前沿技术和理论深度有较高的要求。这本书在理论深度上给我留下了深刻的印象。它没有满足于讲解经典理论，而是对一些前沿的控制算法和新兴器件的工作原理进行了深入的探讨。例如，关于无源滤波器和有源滤波器在谐波抑制方面的对比分析，作者不仅给出了数学推导，还结合了最新的DSP控制策略进行了阐述，这对于我撰写我的毕业论文提供了极大的启发。书中对非线性控制和鲁棒控制在电力电子系统中的应用介绍得非常到位，尤其是一些先进的电流环和电压环设计方法，其严谨的数学描述和工程实现细节的结合，展现了作者深厚的学术功底。我感觉这本书像是一个资深教授在对我进行一对一的深度辅导，每一页都充满了高质量的信息密度。

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