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出版者:中国劳动社会保障出版社

作者:邵展图

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2004-3

价格:17.00元

装帧:

isbn号码:9787504538789

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现代控制理论与应用：面向复杂系统的分析与设计 本书简介 本书深入探讨了现代控制理论的核心概念、数学基础及其在复杂工程系统中的实际应用。内容涵盖了从经典的频域分析到先进的状态空间方法，并着重介绍了现代控制理论如何应对非线性、不确定性和高维度的挑战。本书旨在为读者提供一个全面、系统且具有实践指导意义的控制系统设计框架。 第一部分：控制系统的数学基础与时域分析 本部分建立起分析和设计连续时间及离散时间控制系统的数学语言和基本工具。 第1章 线性时不变（LTI）系统的描述与建模 本章首先回顾了反馈控制的基本概念、结构和性能指标（如稳定性、暂态响应、稳态误差）。随后，详细阐述了LTI系统的数学描述，包括微分方程形式和传递函数形式。重点讨论了拉普拉斯变换在系统分析中的关键作用，以及系统阶数、零点、极点对系统动态特性的决定性影响。系统的框图代数和信号流图方法被引入，用于简化复杂系统的建模过程。 第2章 时域响应分析 本章聚焦于系统在标准输入信号（如阶跃、脉冲、斜坡信号）作用下的瞬态和稳态行为。针对二阶系统的标准形式，深入剖析了阻尼比和自然频率对响应曲线的影响。对于高阶系统，采用主导极点近似法来简化分析。此外，本章详细讨论了系统的稳态误差分析，包括引入积分控制和PD/PID控制对误差的校正机制，以及利用误差系数进行性能预测。 第3章 线性系统的稳定性判据 稳定性是控制系统的生命线。本章系统介绍了多种稳定性判据。首先从系统的极点位置出发，阐述了李雅普诺夫（Routh-Hurwitz）稳定性判据，该判据无需求解特征方程的根，即可判断系统稳定性。随后，引入了闭环系统根轨迹的概念，通过绘制根轨迹图，分析开环增益变化对系统极点位置和稳定性的影响，为增益调节提供了直观的图形工具。 第二部分：频域分析与经典控制设计 本部分将分析工具从时域扩展到频域，侧重于使用频率响应特性进行系统设计和补偿。 第4章 频率响应分析与伯德图 本章讲解如何通过傅里叶变换将系统的时域模型转化为频域模型。重点解析了伯德图（Bode Plot）的绘制方法和应用，包括如何利用伯德图快速确定系统的带宽、截止频率和相位裕度、增益裕度。频率响应特性被视为系统对不同频率输入信号响应特性的量度，是评估系统鲁棒性的重要指标。 第5章 奈奎斯特稳定性判据 奈奎斯特图是频域分析中判断闭环系统稳定性的强大工具。本章详细阐述了奈奎斯特图的绘制、Nyquist判据的基本原理及其应用，特别是对于包含纯延迟环节的系统。通过分析Nyquist曲线对复平面的包围情况，可以准确判断系统的稳定性，并量化系统的相对稳定性（裕度）。 第6章 控制器设计与补偿技术 本章是经典控制设计的核心。系统介绍了串联补偿器的设计，包括比例-积分-微分（PID）控制器在时域和频域的参数整定方法，例如Ziegler-Nichols法。随后，深入探讨了更精细的补偿器设计：超前（Lead）和滞后（Lag）补偿器的原理、设计步骤及其对系统动态性能（如相位裕度、超调量）的改善作用。对于需要大幅度性能提升的系统，将介绍PID的串联和并联组合补偿策略。 第三部分：现代控制理论：状态空间方法 本部分转向现代控制理论的核心——状态空间表示法，该方法能够处理多输入多输出（MIMO）系统和时变系统。 第7章 状态空间表示与系统分析 本章介绍了将微分方程组转换为矩阵形式的状态空间模型 ($dot{mathbf{x}} = mathbf{A}mathbf{x} + mathbf{B}mathbf{u}$ , $mathbf{y} = mathbf{C}mathbf{x} + mathbf{D}mathbf{u}$)。详细讨论了状态转移矩阵的求解、系统的能控性和能观测性概念。系统地介绍了能控性判据（利用Gram矩阵）和能观测性判据（利用观测性矩阵），这是后续状态反馈设计的前提。 第8章 可控性与可观测性下的状态反馈控制 本章基于能控性，设计极点配置（Pole Placement）技术。通过引入状态反馈 $mathbf{u} = -mathbf{K}mathbf{x} + mathbf{r}$，使闭环系统的特征多项式能够任意配置到期望的位置，从而精确设计系统的动态响应。对于不可控系统，本章引入了分解理论来识别系统的不变子空间。 第9章 状态观测器设计 在许多实际系统中，状态变量无法直接测量。本章讨论了状态观测器的设计，特别是最小阶观测器（Luenberger观测器）和降阶观测器。观测器通过输入和输出信号来估计系统的内部状态，然后将估计的状态反馈到控制器中，实现“状态反馈的完整性”。 第四部分：最优控制与先进主题 本部分引入了最优性能指标下的控制设计方法，并探讨了面向鲁棒性和不确定性的先进议题。 第10章 线性二次型最优控制（LQR） 本章介绍了如何从性能指标出发进行控制器设计。LQR方法旨在最小化一个由状态误差和控制输入共同构成的二次型性能指标 $J$。重点推导了连续时间系统的代数黎卡提方程（ARE）及其求解方法，以确定最优状态反馈矩阵 $mathbf{K}$。LQR设计的优势在于其内在的鲁棒性。 第11章 鲁棒控制基础与H-无穷控制简介 针对系统模型中的不确定性（如参数变化、外部扰动），本章引入了鲁棒控制的基本概念。主要介绍 $ ext{H}_{infty}$ 控制理论的基本思想：将控制器设计视为在最坏情况下的性能保证问题。虽然不进行深入的数学推导，但会阐述其在保证系统性能裕度方面的应用价值。 第12章 非线性系统的基础与描述函数法 控制对象越来越多地表现出非线性特性。本章初步介绍了分析非线性系统的基本工具。重点讲解了描述函数法，利用其对限制性非线性（如饱和、死区）进行近似分析，并评估系统是否存在极限环振荡。此外，简要介绍李雅普诺夫稳定性理论在非线性系统分析中的基础应用。 --- 适用读者对象： 本书适合于电气工程、自动化、机械工程、航空航天工程及相关领域的工科本科高年级学生、研究生以及从事系统控制研究与工程应用的工程师和技术人员。要求读者具备扎实的微积分、线性代数和基础电路理论知识。

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这本书在处理“非理想性”问题上，体现了作者深厚的工程经验。很多基础教材都假设我们使用的元器件是完美的，但现实世界中的电路充满了噪声、温度漂移和元器件的容差。这本书的高级章节并没有回避这些“不完美”，反而将它们作为重要的学习内容来介绍。例如，它专门开辟了一章来讨论实际运算放大器的局限性，比如输入偏置电流和失调电压，以及如何通过设计技巧来补偿这些误差。这种对现实世界挑战的坦诚，让读者在学习理想模型的同时，也提前建立起了应对真实系统复杂性的心理准备。它教导我们，真正的工程设计，是在理想模型和物理限制之间找到最佳平衡点的艺术。这种前瞻性的视角，让这本书的价值远超出一本入门读物，更像是一本工程思维的培养手册。

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这本书的排版和图示设计，简直是电子工程领域的视觉艺术品。我必须承认，很多技术书籍的插图晦涩难懂，线条密密麻麻，让人看了就头疼。但这里的图文结合达到了教科书级别的典范。所有的电路原理图都采用了统一、清晰的符号标准，关键节点的标注极其精准，色彩的使用也恰到好处，用不同的颜色来区分电压、电流或不同电位的区域，极大地减轻了视觉负担。更不用说那些精美的剖面图和3D示意图，它们让那些抽象的半导体内部结构或电磁场分布变得具象化。我发现，光是仔细研究那些精心绘制的结构图，我就能对晶体管的工作原理有一个更直观的认识，这种“所见即所得”的学习体验，大大提高了我的学习效率和专注度。它证明了专业书籍也可以拥有高级的美学标准。

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这本书的讲解方式真是太亲切了，完全没有那种高高在上的技术术语堆砌感。作者似乎非常理解初学者在面对电路图时那种“这是什么鬼”的迷茫感，所以他会用非常形象的比喻来解释复杂的概念。比如，他把电流比作水流，把电阻比作管道的粗细，这种类比让我一下子就抓住了核心。我以前看其他教材，光是理解欧姆定律的物理意义就耗费了我大量时间，但这本书里，作者用生活化的例子就把这个定律讲得清清楚楚，让我有一种“原来如此简单”的顿悟感。更让我惊喜的是，书中对元器件的介绍，不是干巴巴的参数罗列，而是结合实际应用场景来讲解，比如讲解三极管时，他会详细描述它在开关电路里是怎么“一脚油门一脚刹车”的，这比死记硬背参数有效多了。阅读过程中，我能感受到作者的耐心和匠心，他真的在努力搭建一座通往电子世界的大桥，而不是设置重重障碍。对于那些想从零开始，又害怕被专业术语吓跑的朋友来说，这本书无疑是最好的“领路人”。它让你在学习技术的同时，收获的还有学习的乐趣和信心。

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这本书在电路分析方法的阐述上，展现出一种近乎严谨的逻辑美学。它并非仅仅停留在公式的堆砌，而是深入挖掘了为什么我们要使用这些特定的分析工具——基尔霍夫定律、节点分析法、网孔分析法等。作者花了大量的篇幅去构建一个清晰的思维框架，强调每种方法适用的场景和各自的优缺点。我特别欣赏它在推导过程中的步步为营，每一个代数变换都有明确的物理意义支撑，绝不让人觉得是凭空出现的数学技巧。特别是对于复杂的含源电路的等效简化，书中提供了一个非常系统的故障排除流程，让我面对一个庞大的电路图时，不再感到无从下手，而是可以有条不紊地拆解它。读完这部分内容，我感觉自己不再是简单地套用公式的“计算机器”，而是真正理解了电路内部能量和信号的流动规律。这种深层次的理解，是很多市面上只注重“速成解题”的教材所无法给予的宝贵财富。

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我一直觉得，理论学习和动手实践之间存在一道鸿沟，很多书只讲理论，让人觉得高深莫测，而实践操作又容易陷入盲目试错的泥潭。这本书的编排巧妙地跨越了这一鸿沟。在每一个关键的理论章节之后，紧接着就是一整套精心设计的实验环节。这些实验不仅仅是简单地验证公式，更多的是引导读者去观察现象，并尝试解释这些现象背后的物理机制。比如，在介绍RC电路的瞬态响应时，书中不仅提供了理论计算公式，还详细指导了如何使用示波器捕捉到那个漂亮的指数衰减曲线，并指导我们如何通过调整R和C的值来“调控”这个衰减的速度。这种理论与实践的无缝衔接，极大地增强了知识的鲜活性和实用性。阅读完一个章节，我几乎可以立刻在面包板上复现书中所述的场景，这种即时反馈的学习体验，是任何纯理论书籍都无法比拟的。

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