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出版者:机械工业出版社

作者:清源计算机工作室

出品人:

页数:301

译者:

出版时间:2000-1

价格:38.00元

装帧:

isbn号码:9787900043177

丛书系列:

图书标签:

• MATLAB
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现代控制系统设计与仿真 作者： 张伟, 李明, 王芳 出版社： 机械工业出版社 出版日期： 2023年10月 --- 内容简介 本书旨在全面系统地介绍现代控制理论的基础知识、先进的控制系统设计方法以及在工程实践中的仿真应用。内容覆盖了从经典控制理论的深化到现代控制理论的核心概念，并重点阐述了基于状态空间方法的系统分析与设计，以及先进的鲁棒控制和最优控制技术。全书结构严谨，理论联系实际，旨在帮助读者构建扎实的理论基础，并掌握利用MATLAB/Simulink进行复杂系统建模、分析和实时仿真的能力。 第一部分：控制系统基础回顾与深化 本部分首先回顾了经典的反馈控制系统概念，如传递函数模型、频率响应分析（Bode图、Nyquist图）及其在系统稳定性判据中的应用。在此基础上，重点引入了现代控制理论的基石——状态空间表示法。详细讲解了线性时不变（LTI）系统的状态方程建立、解的求解，以及从经典模型（如传递函数）到状态空间模型的相互转换。深入探讨了系统的可控性和可观测性判据，这是后续状态反馈设计和状态观测器设计的前提。对非线性系统的基本特性，如平衡点分析、线性化方法及其局限性进行了初步介绍。 第二部分：现代控制理论核心：基于状态反馈的设计 这是本书的核心内容之一。详细阐述了极点配置（Pole Placement）技术，即如何通过设计状态反馈增益矩阵 $K$ 来使得闭环系统的特征多项式达到预设的目标，从而精确地控制系统的动态响应。不仅给出了理论推导，还通过大量的工程实例演示了如何应用 Ackermann 公式等方法进行计算。 紧接着，引入了状态观测器（State Observer）的设计。鉴于实际工程中往往无法直接测量所有状态变量，本章详细介绍了 Luenberger 观测器、最小阶观测器和扩张状态观测器的原理、设计方法及其稳定性分析。观测器的设计与极点配置相结合，构成了分离原理（Separator Principle），使得状态反馈控制在实际工程中得以有效实施。 第三部分：最优控制理论 最优控制是现代控制理论的前沿和重要分支。本部分聚焦于LQR（Linear Quadratic Regulator，线性二次型调节器）设计。详细推导了 Riccati 方程的推导过程，并讲解了如何根据性能指标（状态误差的积分平方和控制输入的加权）来求解最优状态反馈增益。LQR 设计的优势在于其鲁棒性和对性能指标的清晰量化。此外，还介绍了最优状态观测器——卡尔曼滤波（Kalman Filter）的基础理论，该滤波器在处理随机噪声输入和测量噪声的系统中具有不可替代的地位，是估计系统的最佳线性无偏估计器。 第四部分：先进控制技术导论 本部分拓展到对更复杂系统和更严格性能要求的处理。 1. 鲁棒控制基础： 介绍了传统控制方法在面对系统参数不确定性或外部扰动时表现出的脆弱性。引入了 $mathcal{H}_infty$ 范数和 $mathcal{H}_2$ 范数的概念，为设计能够容忍一定范围模型误差和扰动的鲁棒控制器奠定了理论基础。重点讲解了混合灵敏度（Mixed Sensitivity）问题的处理框架。 2. 滑模变结构控制（Sliding Mode Control, SMC）： 针对强非线性和不确定性系统，详细阐述了滑模控制器的设计原理，包括如何设计滑模面以保证系统动态性能，以及如何利用高频切换控制律来抑制不确定性。分析了 SMC 引起的“颤振”现象及其在工程中的抑制策略。 3. 非线性控制基础： 对非线性系统的线性化方法进行了更深入的讨论，并引入了反馈线性化（Feedback Linearization）的基本思想和适用条件。 第五部分：工程应用与仿真实现 本部分是理论与实践的桥梁，重点关注如何利用专业的仿真工具（如Simulink环境）实现前述的控制算法。 1. 系统建模与仿真环境搭建： 详细指导如何使用方框图、传递函数块和状态空间模块在Simulink中搭建各种系统模型，包括物理系统（如倒立摆、机械臂、航空航天器模型）的动态方程转换。 2. 控制器在线设计与验证： 演示了如何利用控制设计工具箱（Control Design Toolbox）快速计算 LQR、H-infinity 等控制器的增益，并将这些增益集成到实时仿真模型中。对比分析了不同控制策略（如PID、极点配置、LQR）在面对饱和、延迟等实际工程限制时的性能差异。 3. 参数辨识与自适应控制简介： 简要介绍了参数辨识的基本流程，以及在系统参数随时间变化的场景下，如何初步应用自适应控制的概念来维持系统性能。 --- 目标读者 本书适合高等院校自动化、电子信息工程、机械工程、航空航天工程等专业的本科高年级学生和研究生作为教材或参考书。同时，对于在工业现场从事过程控制、机器人控制、系统集成与调试的工程师，本书提供了从理论到应用的完整技术路线图。 本书特色 理论深度与广度兼顾： 既有扎实的经典控制基础，又全面覆盖了现代控制中的主流先进技术。 强调工程实现： 大量篇幅用于讲解算法的工程化过程，特别是与主流仿真软件的结合使用。 丰富的实例分析： 结合实际工程案例（如伺服系统、飞行器姿态控制），使抽象的数学模型具象化。 清晰的结构和严谨的数学推导： 确保读者能够透彻理解每个控制策略背后的数学原理，而非仅仅停留在公式应用层面。

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