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出版者:机械工业

作者:张小虹

出品人:

页数:380

译者:

出版时间:2005-1-1

价格:44.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787111152606

丛书系列:

图书标签:

• 数字信号处理
• 信号处理
• DSP
• 通信工程
• 电子工程
• MATLAB
• 算法
• 滤波
• 频谱分析
• 图像处理

好的，这是一本关于现代控制理论的图书简介： --- 现代控制理论导论：系统分析、设计与优化 综述：驾驭复杂系统的核心技术 在当今高科技快速发展的时代，无论是航空航天、精密制造、生物医学工程，还是复杂的经济系统和环境管理，对系统的精确控制和优化都提出了前所未有的挑战。传统的工程方法在处理高阶、强耦合、非线性、时变系统时显得力不从心。《现代控制理论导论：系统分析、设计与优化》正是为应对这些挑战而编写的一部综合性教材和参考手册。 本书立足于经典控制理论的坚实基础，系统地引入并深入阐述了20世纪中后期发展起来的现代控制理论的核心思想、数学工具和工程应用方法。它不仅是控制工程专业本科高年级和研究生阶段的理想教材，也是寻求系统性提升控制设计能力的工程师和研究人员的必备参考书。 本书的结构设计兼顾理论的严谨性与工程实践的可操作性，旨在培养读者从系统层面理解动态过程、建立精确数学模型，并运用先进算法实现精准控制的能力。 --- 第一部分：状态空间描述与系统分析基础 本部分是现代控制理论的基石，重点在于如何用统一的数学框架——状态空间表示法——来描述和分析任何类型的线性时不变（LTI）或线性时变（LTV）动态系统。 1. 系统建模与状态空间构建： 我们首先探讨从物理定律（如牛顿第二定律、基尔霍夫定律、欧拉-拉格朗日方程）出发，系统地推导系统的状态变量、输入和输出。详细介绍了如何将高阶微分方程转化为标准一阶微分方程组形式（$dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$），并深入分析了传递函数与状态空间表示之间的相互转化关系。 2. 系统动态特性分析： 重点解析了状态转移矩阵（State Transition Matrix）$mathbf{Phi}(t)$ 的计算方法及其在求解自由响应和零输入响应中的核心作用。通过分析矩阵 $mathbf{A}$ 的特征值（固有值），读者将掌握如何确定系统的稳定性（渐近稳定、指数稳定等）、响应速度和振荡特性。 3. 可控性与可观测性理论（Controllability and Observability）： 这是现代控制理论区别于经典控制的标志性概念。本书通过卡尔曼可控性/可观测性矩阵的秩分析法，清晰地界定了系统是否可以被输入完全驱动到任意状态（可控性），以及系统内部状态是否能完全通过输出信号被估计出来（可观测性）。详细讨论了可控性/可观测性与系统极点配置之间的深刻联系。 --- 第二部分：反馈控制设计：极点配置与状态观测器 本部分将理论分析转化为具体的系统设计技术，核心思想是利用状态反馈机制来重塑系统的动态性能。 4. 极点配置（Pole Placement）： 基于线性二次型最优控制（LQR）的理论基础，本书详细阐述了利用状态反馈增益 $mathbf{K}$ 来任意配置系统闭环极点（即确定系统动态特性）的Ackermann公式和公式推导法。讨论了当系统不可控时，极点配置的局限性以及如何通过分解系统结构来应对。 5. 状态观测器设计（State Observers）： 在许多实际应用中，系统的全部状态变量无法直接测量。本章重点介绍了Luenberger观测器的设计，它基于系统可观测性原理，通过引入一个辅助动态系统来估计完整的状态向量 $hat{mathbf{x}}$。详细分析了观测器动态特性与主系统动态特性的解耦，并探讨了观测器增益的选择准则。 6. 间接法与直接法：组合设计（Feedback with Observer）： 将极点配置与状态观测器结合，形成了完整的基于状态反馈的控制器设计方法。本书对比了间接法（将观测器视为系统的一部分进行整体特征值配置）和直接法（通过输出反馈和观测器反馈的组合实现极点配置）的优缺点和适用场景。 --- 第三部分：最优控制与随机系统基础 为了在满足性能要求的同时优化系统资源消耗，最优控制理论应运而生。本部分引入了性能指标函数的概念，并引向了现代控制设计的更高层次。 7. 线性二次型最优控制（LQR）： LQR是最重要的最优控制技术之一。本书详细推导了求解代数黎卡提方程 (ARE) 以获得最优反馈增益 $mathbf{K}$ 的过程。重点讲解了性能指标函数中状态加权矩阵 $mathbf{Q}$ 和输入加权矩阵 $mathbf{R}$ 如何影响控制器的性能（如响应速度、控制能量消耗）之间的权衡关系。 8. 随机控制与估计（Kalman Filtering）： 针对系统和测量中不可避免的噪声干扰，本书引入了随机过程理论基础，并聚焦于卡尔曼滤波（Kalman Filter）。详细阐述了卡尔曼滤波器作为最优线性无偏估计器的设计原理，它如何在线性、高斯噪声环境下，实时、最优地估计系统状态。这为后续的线性二次高斯控制（LQG） 奠定了基础。 --- 第四部分：非线性系统的初步探索 现代控制工程越来越关注系统在宽广运行范围内的行为。本部分对非线性系统的分析方法进行了概述和初步介绍。 9. 非线性系统的分析基础： 讨论了非线性系统建模的挑战，引入了相平面分析法（Phase Plane Analysis）用于二阶系统的定性分析，并深入探讨了李雅普诺夫稳定性理论（Lyapunov Stability Theory），这是判断非线性系统稳定性的最强大工具。 10. 线性化技术与局部分析： 介绍了在平衡点附近对非线性系统进行泰勒级数展开和线性化的方法，从而能够借用LTI系统的工具对局部行为进行初步分析，为设计局部控制器提供依据。 --- 本书的特色与价值 数学工具的系统化： 强调了线性代数、矩阵分析在控制理论中的核心地位，并提供了必要的复习与应用指导。 清晰的工程导向： 每章理论推导后，均附带详细的工程实例和MATLAB/Simulink仿真演示（或伪代码描述），帮助读者将抽象的数学概念转化为可实现的控制律。 深度与广度的平衡： 在确保对极点配置、观测器、LQR等核心内容进行透彻讲解的同时，也为读者接触先进领域（如LQG、非线性分析）打开了大门。 《现代控制理论导论：系统分析、设计与优化》致力于为下一代工程师和研究人员提供一套完整、严谨且实用的现代控制理论知识体系，使他们能够自信地设计出高性能、高可靠性的自动化控制系统。

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我对这本书的排版和符号系统的严谨性印象极其深刻。在任何一个技术领域，符号定义的一致性至关重要，而这本书在这方面做到了几乎无可挑剔的水平。从第一个希腊字母的引入，到矩阵和向量的表示法，作者始终保持着高度的自洽性，这大大减少了我们在阅读过程中因符号混乱而产生的认知负荷。更值得称赞的是，对于那些容易混淆的概念，比如Z变换中的收敛域（ROC）和傅里叶变换的频率轴，作者会特意用加粗的边框或不同的字体样式来强调区别，并在脚注中进行补充说明。这种对细节的极致关注，体现了作者对读者的尊重。在某些需要用到复杂矩阵运算的部分，作者甚至会为关键的转换矩阵单独画一个示意图，清晰地展示了变量是如何在不同域之间映射的，这种可视化处理，使得原本容易让人望而却步的代数操作变得清晰可见，极大地提高了阅读的流畅性和准确性。

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这本书的习题设置简直是“魔鬼式”的系统训练，绝对不是那种为了凑数而存在的练习题。它的难度跨度非常合理，从开篇的基础概念验证题，到中间对核心算法的半开放式推导，再到章节末尾结合实际应用场景的综合大题，层层递进，环环相扣。我尤其喜欢那些要求读者自己动手推导和证明的题目，它们往往不是教材中直接给出的结论，而是需要你运用前面学到的知识点进行逻辑重构。例如，有一个关于量化误差分析的挑战题，要求我们模拟不同量化位数下信噪比的变化趋势，这迫使我必须将理论知识完全内化，才能用编程或仿真工具进行验证。完成这些习题后，我感觉自己不仅仅是“学会了”某个公式，而是真正掌握了解决相关工程问题的底层逻辑和工具箱。这与市面上那些只提供标准答案的书籍形成了鲜明对比，这本书更注重培养读者独立分析和解决问题的能力，是实战型学习者的绝佳伴侣。

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这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，封面采用了一种低饱和度的深蓝色调，搭配简洁的白色字体，透露出一种沉稳而专业的学者气息。拿到手里，纸张的质感也相当不错，厚实而又不失韧性，翻阅起来有一种令人愉悦的触感。我特别欣赏作者在章节标题和内部结构编排上的用心，每一章的开头都附带了一个简短的“本章导览”，用非常生活化的语言概括了即将涉及的复杂概念，这对于初次接触这个领域的读者来说，无疑是一个极好的“软着陆”点。例如，在介绍傅里叶变换时，作者没有直接堆砌繁复的数学公式，而是先用一个关于声音频谱分析的实例引入，让人在理解其“为什么”之后，再去看“怎么做”，这种循序渐进的叙事方式，极大地降低了学习的心理门槛。而且，书中的插图清晰度非常高，无论是时域波形图还是频域频谱图，线条的精细度和色彩的区分度都做得极为到位，真正做到了“图文并茂”，很多复杂的数学推导，通过巧妙的图示就能得到直观的理解，让人感叹这不仅仅是一本教科书，更像是一件精心制作的工艺品。

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这本书的章节布局逻辑性极强，它构建了一个非常扎实且连贯的知识体系，而不是零散知识点的堆砌。整个叙事线索清晰地围绕着“从模拟世界到数字世界的信号处理流程”展开。开篇奠定基础后，很快就进入了离散时间系统分析的核心，接着自然地过渡到变换域分析（Z变换和DFT），随后再巧妙地将这些工具应用于滤波器的设计与实现，最后在高级章节中探讨了更复杂的应用，如自适应滤波和谱估计。这种“打地基—建结构—装修内部”的写作结构，让读者能清晰地看到每一个知识点在整个学科架构中的位置和作用。它不像有些教材那样，学完一个章节就感觉和前后的内容脱节，这本书则像一条精心编织的项链，每一个知识点都是一颗宝石，紧密地镶嵌在主线上，使得学习体验非常连贯和有目的性，让人在读完后，对整个数字信号处理的宏观图景有着非常清晰且深刻的把握。

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这本书的行文风格简直像是一位经验丰富、知识渊博的导师在旁边耐心讲解，而非冷冰冰的公式集合。作者似乎深谙“授人以渔”的道理，对于每一个关键算法和定理的阐述，都穿插了大量的历史背景和实际应用案例。比如，在讲解滤波器设计时，他详细追溯了巴特沃斯和切比雪夫等经典滤波器提出时的工程背景和面临的限制，这使得读者不仅记住了“做什么”，更理解了“为什么是这样”。最让我称赞的是其对“直觉”的培养。很多DSP的书籍上来就要求读者接受离散化和量化的必然性，但这本书却用生动的比喻解释了连续信号到离散信号转化的信息损失，以及采样率对重建质量的影响，这种对概念本质的深挖，远超一般教材的范畴。读完关于快速傅里叶变换（FFT）的那几节，我有一种豁然开朗的感觉，原来那些看似晦涩的蝶形运算，背后隐藏着如此精妙的分治思想，这对于提升我对算法复杂度的敏感度非常有帮助，感觉自己的思维框架都因此得到了拓展和重塑。

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