高等数学历年真题详解与考点分析 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:机械工业出版社

作者:林源渠

出品人:

页数:508

译者:

出版时间:2002-6-1

价格:47.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787111103073

丛书系列:

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现代控制理论基础：系统建模、分析与设计 本书旨在系统、深入地介绍现代控制理论的核心概念、数学工具和工程应用。 面对日益复杂的工程系统，从传统的经典控制方法已难以满足对高精度、高鲁棒性控制系统的要求。现代控制理论以状态空间描述为核心，提供了一种更为统一和强大的框架来分析和设计多输入多输出（MIMO）的线性、时不变（LTI）系统，并为非线性系统的分析奠定了理论基础。 本书内容组织遵循从基础理论到高级应用的逻辑递进路线，力求在保持理论严谨性的同时，注重与实际工程问题的紧密结合。全书共分为十二章，结构清晰，层次分明。 --- 第一部分：系统描述与状态空间基础（第1章至第3章） 第1章：线性时不变（LTI）系统的状态空间描述 本章是全书的基石。首先回顾线性系统的基本性质，如叠加性、齐次性和时不变性。随后，详细阐述状态空间表示法的数学形式，包括状态向量、输入向量和输出向量的定义。重点讲解如何将一个已知的微分方程组或传递函数模型转换为标准状态空间形式（如约旦标准型、可控规范型和可观测规范型）。本章将引入系统矩阵 $mathbf{A}, mathbf{B}, mathbf{C}, mathbf{D}$ 的物理意义，并探讨不同状态变量选择对系统描述的影响，为后续的分析和设计打下坚实基础。 第2章：线性系统的基本性质与分析 本章专注于系统固有特性的数学刻画。核心内容包括系统的能控性（Controllability）和能观测性（Observability）。通过卡尔曼（Kalman）能控性矩阵和能观测性矩阵的秩分析法，系统地判断系统是否具备在有限时间内到达任意状态或完全观测其内部状态的能力。此外，还将深入分析系统的稳定性问题。除了李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性定义外，将重点讨论基于系统矩阵 $mathbf{A}$ 的特征值（极点）位置判断法，讲解渐近稳定、BIBO稳定以及边缘稳定系统的判据。本章还将引入模态分析（Modal Analysis），阐明系统响应如何由其特征值决定的内在机理。 第3章：线性系统的时域响应分析 本章将系统地分析LTI系统在标准输入信号（如单位冲激、单位阶跃、斜坡信号）作用下的时间响应。重点讨论如何利用状态转移矩阵 $mathbf{e}^{At}$ 计算系统的自由响应和零输入响应。对于连续时间系统，详细推导状态转移矩阵的计算方法，包括利用拉普拉斯逆变换法和矩阵指数函数的泰勒级数展开法。对于离散时间系统，将介绍离散状态转移矩阵 $mathbf{Phi}(k, k_0)$ 的计算，并对比连续系统与离散系统在时域特性上的异同，为数字控制器的设计做好铺垫。 --- 第二部分：现代控制理论的核心设计方法（第4章至第8章） 第4章：状态反馈设计与极点配置 本章是现代控制设计方法的起点。详细阐述状态反馈控制器的基本原理：通过设计反馈增益矩阵 $mathbf{K}$ 来改变系统的闭环动态特性，即重新配置系统的闭环极点位置。本章的核心是极点配置定理，探讨在系统可控的前提下，任意配置极点的充要条件。我们将利用Ackermann公式等实用算法，展示如何根据期望的系统响应特性（如阻尼比、自然频率）来精确计算反馈增益矩阵 $mathbf{K}$。 第5章：状态观测器设计 在许多实际应用中，系统的内部状态变量无法直接测量。本章探讨如何利用系统的输入和输出信息来估计内部状态，即状态观测器的设计。重点介绍Luenberger观测器的构造原理，解释如何通过选择合适的观测器增益矩阵 $mathbf{L}$ 来保证观测误差的收敛速度和稳定性。深入讨论观测器的极点配置与主系统极点配置的解耦性，以及如何处理系统中的噪声影响。 第6章：最小阶观测器与数据的有效利用 针对状态向量维度过高导致观测器阶次过大的问题，本章引入最小阶观测器（Reduced-Order Observer）的设计方法。详细推导最小阶观测器的结构，并分析其对系统可观测性结构的要求。此外，本章还将介绍卡尔曼- केलं巴（Kalman-Bucy）滤波器的基础思想，作为状态估计在存在过程噪声和测量噪声时的最优方法，为后续的随机控制奠定基础。 第7章：反馈与观测器的结合：全阶状态反馈控制 本章将状态反馈控制与状态观测器有机结合，形成闭环系统的完整结构。详细分析观测器对反馈控制性能的影响，特别是观测器极点选择对整个闭环系统稳定性的约束。本章将应用分离原理（Separation Principle），论证在最优控制和线性二次高斯（LQG）控制中，状态估计和状态反馈设计可以独立进行。 第8章：输出反馈与控制器结构优化 当状态变量无法全部测量，且设计全状态反馈的成本过高时，输出反馈成为一种替代方案。本章探讨设计一个直接作用于输出信号上的控制器（如 $u = -K_c y + r$）的条件和方法。主要介绍极点配置在输出反馈下的可实现性问题，以及如何通过使用动态输出反馈（Dynamic Output Feedback, DOF）来扩展控制器的动态能力，使其能够实现对系统极点的更灵活配置。 --- 第三部分：现代控制的高级主题（第9章至第12章） 第9章：最优控制理论导论：线性二次型问题（LQR） 最优控制是现代控制理论中的核心模块。本章引入二次型性能指标泛函 $J$，特别是针对线性系统和二次型代价函数的线性二次型调节器（LQR）问题。详细推导最优反馈增益矩阵 $mathbf{K}$ 的求解方法，即通过求解代数黎卡提方程（ARE）来获得反馈矩阵。本章强调LQR的鲁棒性优势，以及如何通过调整权重矩阵 $mathbf{Q}$ 和 $mathbf{R}$ 来平衡系统性能（速度）和控制能量（控制量大小）。 第10章：系统结构分析与分解：能控性与能观测性标准型 本章回归系统结构本身，深入探讨系统的标准形变换。重点介绍如何利用相似变换将系统矩阵 $mathbf{A}$ 转化为约旦标准型、可控规范型（Controllable Canonical Form）和可观测规范型（Observable Canonical Form）。分析这些标准形在简化控制设计和理论证明中的作用，特别是如何直观地从标准形中识别系统的模态特性及其与输入/输出的耦合关系。 第11章：多变量系统与解耦控制 针对MIMO系统，本章探讨如何利用反馈技术实现输入输出之间的解耦，从而将复杂的多变量控制问题分解为若干独立的单变量控制问题。介绍动态解耦和静态解耦的概念，重点讲解基于右（或左）逆矩阵的反馈结构，以消除控制输入对输出之间的交叉耦合。分析解耦控制在实现高性能控制目标中的局限性（如对系统模型精确度的依赖）。 第12章：鲁棒性分析与先进控制概念预览 本章作为结语，将现代控制理论的分析工具扩展到面对模型不确定性时的鲁棒性问题。简要介绍三角化分解（Schur Decomposition）在分析系统模态间的耦合关系中的应用。初步介绍鲁棒控制（Robust Control）的基本思想，包括 $H_{infty}$ 控制的性能指标和初步概念，引导读者进入更先进的控制领域，如自适应控制、非线性控制等，展现现代控制理论广阔的应用前景。 --- 本书特色： 1. 严谨的数学推导与直观的物理意义相结合： 确保读者不仅能“会算”，更能“理解”控制定律背后的数学逻辑与工程直觉。 2. 丰富的实例和案例分析： 每章均配有详细的工程案例，涉及机械、电气和航空航天领域中的典型控制问题。 3. 强调计算实现： 提供了利用MATLAB/Simulink环境进行状态空间建模、分析和仿真验证的指导步骤，便于工程实践。 目标读者： 本科高年级和研究生阶段学习自动控制理论的学生，以及从事系统设计、自动化、机电一体化等领域需要深入理解和应用现代控制技术的工程师和科研人员。

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