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出版者:電子工業齣版社

作者:(美)惠特剋

出品人:

頁數:408

译者:

出版時間:2003-9

價格:39.00元

裝幀:

isbn號碼:9787505389922

叢書系列:

圖書標籤:

• 專業書
• 數字電視
• DVB
• 接收機
• 數字信號處理
• 通信技術
• 廣播電視
• 電視技術
• 多媒體
• 電子工程
• 信息技術
• 視頻處理

現代控製係統原理與應用 （本書內容不涉及數字電視接收技術，主要聚焦於控製理論、係統建模、狀態估計及先進控製策略在工業與工程領域的實際應用。） 第一章 緒論：控製係統的本質與發展脈絡 本章旨在為讀者構建一個宏大而清晰的現代控製係統認知框架。我們將從控製的哲學起源談起，追溯其在經典力學、熱力學等基礎科學中的萌芽。隨後，深入探討控製理論從經典（頻域分析為主）嚮現代（時域、狀態空間描述為主）過渡的關鍵驅動力，包括係統復雜度的提升、對瞬態響應和魯棒性要求的提高。 現代控製理論的核心優勢在於其能夠統一處理多輸入多輸齣（MIMO）係統，並提供統一的數學工具——狀態空間模型。本章將詳細闡述係統的基本概念，如開環與閉環控製、反饋機製的重要性、綫性與非綫性係統的區分，以及控製係統設計過程中必須考量的關鍵性能指標：穩定性、暫態響應速度、穩態精度和魯棒性。此外，我們將簡要迴顧控製學科在航空航天、機器人、過程工業等領域的裏程碑式成就，為後續深入學習打下堅實的理論基礎和曆史視野。 第二章 綫性時不變係統（LTI）的數學描述與建模 精確的數學模型是有效控製設計的前提。本章聚焦於綫性時不變係統的建模方法。我們將從物理係統的基本定律（如牛頓第二定律、基爾霍夫定律、質量-彈簧-阻尼係統等）齣發，推導建立係統的微分方程組。 核心內容包括：狀態空間錶示法。係統動態行為如何通過狀態嚮量、狀態矩陣（A）、輸入矩陣（B）、輸齣矩陣（C）和直接通量矩陣（D）來簡潔地描述：$dot{x} = Ax + Bu$， $y = Cx + Du$。我們將詳細解析狀態嚮量的選擇原則，確保其具有充分性和最小性。 針對連續時間係統與離散時間係統，本章將分彆闡述其特性，並教授如何進行模型變換，特彆是將經典傳遞函數模型（拉普拉斯域）精確地轉換為狀態空間模型，反之亦然。 此外，係統建模的另一個重要方麵是可控性與可觀測性分析。我們將引入卡爾曼可控性矩陣與卡爾曼可觀測性矩陣，並闡述其在判斷係統是否能夠完全被驅動或信息是否能夠完全被估計的關鍵作用。這是後續狀態反饋設計和狀態觀測器設計的前提。 第三章 係統時間域分析與性能評估 本章將深入探討綫性係統在時間域中的動態行為分析。核心在於理解係統如何從一個初始狀態演化到最終狀態。 內容涵蓋：狀態轉移矩陣（State Transition Matrix）的求解方法（包括利用矩陣指數函數 $e^{At}$ 和對角化方法），這是描述係統無輸入響應的關鍵工具。隨後，我們將分析係統的自由響應和強製響應。 性能評估指標是本章的重點： 1. 單位衝激響應與單位階躍響應：分析這些標準輸入下係統的動態特性。 2. 瞬態響應指標：包括超調量（Overshoot）、峰值時間（Peak Time）、調節時間（Settling Time）和上升時間（Rise Time）。 3. 穩態誤差分析：引入係統型彆（Type Number）的概念，通過積分、比例、微分（PID）控製器結構在不同輸入（如單位階躍、單位斜坡）下的穩態誤差關係，明確控製係統的基本精度極限。 第四章 經典控製理論的現代視角與頻域分析 盡管本書聚焦現代控製，但經典頻域分析（如根軌跡、頻率響應分析）仍然是理解係統穩定裕度和設計補償器的重要工具。本章旨在將經典理論置於狀態空間框架下進行重新審視。 重點內容包括： 1. 根軌跡法（Root Locus）：分析控製器增益變化對閉環極點位置的影響，直觀理解穩定性邊界。 2. 頻率響應分析：通過奈奎斯特圖（Nyquist Plot）和波德圖（Bode Plot）評估係統的頻率特性、帶寬和相位/增益裕度，這些是衡量係統魯棒性的重要指標。 3. 校正與補償器設計：如何基於頻域分析設計超前（Lead）和滯後（Lag）補償器，以改善係統的暫態性能和穩態誤差。 第五章 現代控製設計的基石：極點配置與狀態反饋 本章是現代控製設計從分析走嚮綜閤的核心章節。我們聚焦於利用狀態反饋來重塑係統的動態特性。 1. 極點配置（Pole Placement）：基於係統的可控性，證明可以通過設計狀態反饋增益矩陣 $K$ ($u = -Kx$)，使得閉環係統 $ dot{x} = (A-BK)x $ 的所有極點可以任意配置在復平麵的左半平麵內，從而達到期望的動態響應速度和阻尼特性。本章將詳細介紹Ackermann公式和約旦標準型等具體實現方法。 2. 最優控製基礎（LQR簡介）：極點配置雖然能滿足性能要求，但增益 $K$ 的選取往往依賴於設計者的經驗。本章引入綫性二次型調節器（LQR）的基本思想，即通過最小化一個包含狀態誤差和控製努力的二次型性能指標函數 $J$，來獲得最優的反饋增益 $K$。這標誌著從“滿意設計”嚮“最優設計”的邁進。 第六章 狀態估計與觀測器設計 在許多實際應用中，係統狀態變量（如內部速度、磁場強度）是無法直接測量的，隻能通過傳感器獲取輸齣信號 $y$。因此，需要設計一個“觀測器”來實時估計這些不可測的狀態。 1. Luenberger觀測器：該觀測器是狀態反饋的完美補充。基於係統可觀測性，我們可以設計一個誤差反饋係統，使其狀態估計誤差漸近收斂於零，且收斂速度可調。本章將推導觀測器結構，並講解如何通過配置觀測器極點來實現快速且穩定的狀態估計。 2. 卡爾曼濾波（Kalman Filtering）的引入：超越瞭確定性係統的假設，卡爾曼濾波器是處理係統和測量中存在隨機噪聲情況下的最優綫性無偏估計器。本章將介紹卡爾曼濾波器的基本離散時間迭代公式，強調其在不確定性環境下的強大魯棒性，為後續更復雜的估計理論奠定基礎。 第七章 非綫性控製係統的基礎與高級方法 現實世界中的絕大多數係統本質上都是非綫性的。本章將介紹分析和處理非綫性係統的基本工具。 1. 非綫性係統的分析方法：重點講解平衡點分析（綫性化方法），即在工作點附近對非綫性係統進行泰勒展開，將其轉化為局部LTI係統進行分析。 2. 間接控製方法：基於綫性化模型設計控製器，並在實際非綫性係統上運行。 3. 進階非綫性控製策略：簡要介紹如滑模控製（Sliding Mode Control, SMC）的核心思想——利用高頻切換控製來剋服不確定性和外部擾動，實現對係統狀態的魯棒跟蹤。同時，也將探討反饋綫性化的基本概念，即通過適當的坐標變換和控製輸入設計，將某些非綫性係統轉化為等效的綫性係統進行控製。 第八章 魯棒控製與先進調節技術概述 現代工程對係統的性能要求已不再局限於在標稱模型下的最優錶現，更要求係統在模型不確定性、參數攝動和外部乾擾下仍能保持穩定和可接受的性能，即“魯棒性”。 本章作為前沿展望，將介紹魯棒控製的兩個主要流派： 1. $mathcal{H}_{infty}$ 控製理論：側重於在頻域內，將係統性能指標轉化為一個範數（$H_{infty}$ 範數）的最小化問題，以確保在所有允許的擾動下，性能指標的放大倍數保持在一個可接受的範圍內。 2. 自適應控製（Adaptive Control）：針對係統參數未知或時變的情況，介紹控製器參數能夠根據在綫辨識結果自動調整的控製策略，例如間接自適應控製的基本結構。 本書的結構設計，從基礎的數學建模入手，逐步深入到現代控製的核心技術——極點配置、狀態估計，並拓展到非綫性和魯棒控製的前沿領域，為讀者提供一套完整的、麵嚮應用的現代控製係統設計與分析工具箱。

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這本書的裝幀設計簡直是業內的一股清流，封麵那種深邃的靛藍色調，配上燙金的字體，拿在手裏沉甸甸的，立刻就給人一種專業和可靠的感覺。我本來對“數字電視接收技術”這種聽起來就有些枯燥的領域不抱太大期望，但翻開第一頁，那種印刷的質感和紙張的厚度，讓人忍不住想多翻幾頁。它不是那種廉價的教材印刷，更像是精心製作的工具書。我尤其喜歡它在章節標題和圖錶配色上的考量，使用瞭柔和的灰度色係來區分不同的技術模塊，使得即便是復雜的頻譜圖和調製解調的流程圖，看起來也不會讓人眼花繚亂。比如，在介紹DVB-T2的信道編碼時，作者似乎特意選擇瞭略帶磨砂質感的紙張，那感覺就像是觸摸到瞭電路闆的紋理，代入感極強。而且，書脊的裝訂非常紮實，我試著把它完全攤開放在桌麵上，它能平穩地保持打開狀態，這對於邊查閱邊做筆記的學習者來說，簡直是福音。這種對實體媒介的尊重和精心的打磨，讓這本書不僅僅是知識的載體，更像是一件值得收藏的工藝品。我期待著能通過這本書，不僅僅是理解技術，更能享受閱讀和學習的過程。

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這本書的語言風格有一種獨特的、略帶學術幽默的魅力，它成功地避免瞭傳統技術文檔的刻闆與沉悶。作者的用詞精準有力，但偶爾也會齣現一些巧妙的雙關語或恰到好處的比喻，讓長時間的閱讀不至於産生疲勞感。比如，在描述前端混頻器帶來的鏡像頻率抑製問題時，作者形容說，這就像是試圖在擁擠的火車站颱上，準確地捕捉到一位乘客小聲的問候，而周圍充滿瞭其他無關的喧嘩。這種富有畫麵感的描述，一下子就將抽象的射頻概念具象化瞭。此外，作者的行文節奏控製得非常好，技術難點部分會放慢速度，進行詳盡的闡述和重復強調，而在標準背景介紹或曆史迴顧部分，則會加快節奏，保持讀者的求知欲。整體感覺像是與一位博學、耐心、且非常瞭解行業痛點的資深工程師進行深度對話，而不是在被動地接收信息。這種流暢自然的閱讀體驗，極大地提升瞭我對這部專業著作的整體滿意度。

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閱讀這本書的體驗，最讓我印象深刻的是它極其嚴謹和剋製的敘事風格。作者似乎對任何未經證實的觀點都持有一種近乎苛刻的審慎態度。全書的論述邏輯鏈條異常清晰，幾乎沒有齣現任何模棱兩可的陳述。例如，在討論信噪比（SNR）與誤碼率（BER）的關係麯綫時，書中給齣的每一個公式推導都附帶瞭詳細的數學依據和引用來源，沒有任何“顯而易見”的跳躍。這對於追求精確性的技術人員來說，是極大的安慰。我特彆欣賞作者在介紹新舊標準兼容性問題時的處理方式。他沒有簡單地指責舊標準的缺陷，而是冷靜地分析瞭在曆史技術更迭中，成本、兼容性和性能之間的多方權衡，用一種近乎曆史學傢般的客觀性來梳理技術演進的必然性。這種嚴謹性保證瞭讀者在學習過程中，不會被任何不成熟的“黑科技”描述所誤導，建立起一個堅實、可靠的知識體係。

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這本書的配圖和案例分析部分，簡直是教科書級彆的典範，尤其是在處理復雜係統框圖時，作者展現齣瞭非凡的抽象能力和可視化技巧。它不是那種隨便用Visio畫齣來的簡單方框圖，而是經過精心設計的層級結構圖。舉個例子，在描述一個完整的數字電視接收鏈時，作者使用瞭三維透視的示意圖來展示信號從天綫到解碼器的能量流嚮，這比傳統的二維平麵圖更能直觀地展現信號衰減和噪聲注入的位置。更棒的是，書中穿插瞭大量的“工程實踐注解”，這些注解通常以一個小的、帶邊框的灰色框標注，內容往往是關於某個環節在實際部署中可能遇到的溫度漂移、電磁乾擾源（如微波爐、工業電機）的影響，以及相應的規避措施。這些注解的內容，顯然是基於多年一綫經驗積纍的，它們像是經驗豐富的導師在你耳邊低語，告訴你書本知識在真實世界中是如何“變味”的，這種實操層麵的價值，是純理論書籍無法比擬的。

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這本書的內容深度和廣度，完全超齣瞭我對一本技術專著的預設標準。我之前接觸過幾本關於射頻前端和信號處理的入門書籍，它們往往隻停留在概念的錶麵，對於底層物理層麵的數學推導和實際工程實現中的“陷阱”處理一帶而過。然而，這本書在講解MIMO技術在無綫迴傳中的應用時，居然詳細地剖析瞭多徑效應如何通過矩陣分解來建模，並且給齣瞭實際的仿真參數集供讀者參考。這已經不是普通的教科書範疇瞭，它更像是一本高級工程師的案頭參考手冊。更令人驚喜的是，它並沒有局限於傳統的有綫或衛星傳輸標準，而是花瞭相當大的篇幅去討論新興的5G NR-based V2X（車聯網）在廣播電視信號融閤傳輸中的挑戰與機遇，甚至提到瞭量子糾錯碼在極端弱信號環境下的理論可行性。這種前瞻性和跨領域的融閤視角，讓我意識到作者對整個信息傳輸領域的理解是多麼深刻和全麵。它迫使我跳齣固有的思維框架，去思考“接收技術”的未來走嚮，而不是僅僅停留在對現有標準的復述上。

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