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出版者:中国电力出版社

作者:孙丽君 编

出品人:

页数:179

译者:

出版时间:2005-8

价格:17.50元

装帧:

isbn号码:9787508331959

丛书系列:

图书标签:

• 流体力学
• 工程
• 物理
• 数学
• 机械
• 水力学
• 气力学
• 传热
• 流体动力学
• 计算流体力学

现代控制理论与应用：原理、方法与实践 图书简介 本书旨在系统、深入地阐述现代控制理论的核心概念、分析方法、设计技术以及在工程实践中的广泛应用。它不仅是面向控制科学、自动化、电子信息工程、机械工程等相关专业高年级本科生和研究生的标准教材，也是工程师和科研人员深入理解和掌握现代控制技术的重要参考资料。 本书的编排遵循从基础理论到高级应用的逻辑结构，力求在严谨的数学描述与清晰的工程直观之间取得平衡。全书内容涵盖了从经典的频域分析到现代的状态空间方法，并拓展至鲁棒控制、最优控制以及非线性控制等前沿领域。 第一部分：基础回顾与系统描述 本部分为后续深入学习奠定坚实的数学基础。 第一章：控制系统的基本概念与模型建立 本章首先回顾了反馈控制的定义、历史演进及其在工程中的重要性。随后，详细讨论了线性时不变（LTI）系统的基本特性，包括系统的因果性、稳定性和线性度。重点在于如何将复杂的物理系统（如机电系统、热力系统）通过一阶或高阶微分方程进行数学建模，并引入了系统的传递函数（Transfer Function）表示法，尤其强调了传递函数在频率响应分析中的作用。本章还介绍了系统的框图表示法和信号流图（Signal Flow Graph），为后续使用梅森增益公式奠定基础。 第二章：状态空间表示法 状态空间法是现代控制理论的核心。本章详细介绍了状态变量的选取原则、状态方程的构建过程，并着重阐述了如何实现从传递函数到状态空间模型（标准形式、约旦标准型）的相互转换。讨论了系统的可控性（Controllability）和可观测性（Observability）的严格数学判据，这些判据是进行状态反馈设计和观测器设计的前提。同时，本章也涉及了如何处理多输入多输出（MIMO）系统的状态空间描述。 第二部分：经典控制理论的现代视角与分析 本部分将经典控制理论的分析工具置于现代控制理论的框架下进行重新审视。 第三章：线性系统的时域分析 本章集中讨论系统在阶跃输入、脉冲输入等典型激励下的时间响应。详细分析了二阶系统的瞬态响应指标，如超调量、调节时间和峰值时间。深入探讨了系统的稳定性判据，包括李雅普诺夫（Lyapunov）判据的初步介绍和Routh-Hurwitz判据的应用。对于线性定常系统，本章还讨论了系统的暂态行为与特征根（极点）之间的内在联系。 第四章：频率响应分析 频率分析是系统性能评估的重要手段。本章详述了传递函数在复频率 $s=jomega$ 处的值，即频率特性。系统地介绍了奈奎斯特（Nyquist）图、波德（Bode）图的绘制方法及其在稳定性判断中的应用，特别是奈奎斯特稳定性判据和增益裕度、相位裕度的概念。此外，还分析了系统的带宽、截止频率等性能指标，并引入了控制系统设计中常用的频率整形概念。 第三部分：现代控制器的设计与实现 本部分是全书的核心，聚焦于如何利用状态空间信息设计高性能的控制器。 第五章：可控性和状态反馈设计 本章基于系统状态可控性，详细推导了极点配置（Pole Placement）的设计方法。通过利用状态反馈增益矩阵 $K$，实现系统闭环特征多项式的任意指定。本章还引入了反馈设计中的“对偶性”原理，为后续观测器设计做铺垫。对于系统输入存在限制的情况，探讨了有限时间内的极点配置问题。 第六章：状态观测器设计 在许多实际应用中，系统的状态变量无法直接测量。本章详细阐述了状态观测器的原理，包括全阶观测器和简化观测器（Luenberger Observer）。重点介绍了如何利用系统的可观测性来设计观测器增益 $L$，使得观测误差能够渐近收敛到零。此外，本章还结合状态反馈和观测器，完整阐述了成熟的极点配置与观测器分离原理（Separation Principle），即状态反馈控制器与状态观测器可以独立设计。 第七章：最优控制理论基础 本章将控制问题提升到“最优”的层面。首先定义了性能指标函数（代价函数），通常采用二次型代价函数（Quadratic Cost Function）。重点介绍了线性二次型调节器（LQR）的设计方法，该方法通过求解代数黎卡提方程（Algebraic Riccati Equation, ARE）来确定最优反馈增益 $K$。本章还探讨了关于系统的“软约束”和“硬约束”对最优解的影响。 第四部分：先进控制技术与应用拓展 本部分面向前沿，介绍更具鲁棒性和适应性的控制技术。 第八章：鲁棒控制基础 在实际工程中，系统模型总存在不确定性。本章引入了鲁棒控制的基本思想，即设计在模型参数变化或外部扰动下仍能保持稳定性和性能的控制器。详细介绍了 $mathcal{H}_infty$ 控制的基本框架，包括其如何将控制问题转化为奇异值与奇异值分解相关的优化问题，以及在MIMO系统中的应用。 第九章：非线性控制简介 现代控制理论在处理线性系统方面非常有效，但许多实际系统本质上是高度非线性的。本章对非线性控制进行了初步的介绍，包括李雅普诺夫稳定性理论在非线性系统中的严格应用。讨论了线性化方法（如泰勒级数展开）及其局限性，并简要介绍了反步法（Backstepping）等先进的非线性控制器设计策略。 第十章：先进控制案例与仿真实现 本章通过具体的工程实例，如飞行器姿态控制、精确运动控制、复杂过程控制等，展示如何将前述理论方法应用于实际问题。内容将涵盖系统的动态逆（Dynamic Inversion）概念，并引导读者使用MATLAB/Simulink等工具包，对所设计的控制器进行仿真验证，分析其在实际工况下的表现，强调从理论到实践的完整闭环过程。 本书的特点在于其内容的深度和广度，通过大量的数学推导和清晰的工程案例相结合，培养读者解决复杂动态系统控制问题的能力，使其能够适应不断发展的自动化与智能系统领域的需求。

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从装帧和印刷质量来看，这本书的出版方显然是下了功夫的。纸张的选取非常适中，既不会反光到让人头疼，又保证了插图的清晰度。特别是那些二维和三维的流场示意图，色彩的层次感做得非常好，使得涡旋结构、分离点这些关键特征一目了然。很多流体力学教材的图表印刷出来后，线条模糊或者颜色失真，极大地影响了阅读体验，但这本则完全没有这个问题。此外，书后面的附录部分也做得相当人性化，它整理了常用的无量纲参数表和工程上常用的经验系数，这对于一个正在进行项目设计的人来说，简直是救命稻草，省去了我很多在不同手册间来回翻找的时间。这种对细节的关注，体现了出版团队对目标读者的尊重，也反映了这部作品在学术界已经被认可为一种高质量的参考资料。

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这本书最吸引我的地方，在于它那股“面向工程应用”的务实精神，但这种务实并非肤浅的。它巧妙地在理论的深水区和工程的实践岸边架起了一座座坚实的桥梁。比如，当它介绍离心泵的水力损失计算时，它没有停留在欧拉方程的简化形式上，而是立刻联系到了叶轮的几何参数、气蚀现象的发生条件，甚至还讨论了不同叶片角度对系统效率的影响曲线。这种无缝衔接的能力，让我感觉自己不是在看一本教科书，而是在跟随一位经验丰富的总工程师在进行项目研讨。书中穿插的一些“工程启示录”似的小栏目，虽然篇幅不长，但往往一语中的，点明了理论在工程放大时可能遇到的“陷阱”。这让我能够提前规避很多在实际操作中可能会犯的错误，极大地提高了我的实践转化效率。这本书无疑是工程技术人员案头必备的“实战手册”。

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我不得不说，这本书的深度和广度都超出了我最初的预期。很多我以为需要通过网络课程或者专业期刊才能理解的深层机理，竟然在这本书里被系统地梳理和阐述了。比如，它对湍流模型的介绍，没有简单地罗列各种RANS方程，而是花了大量的篇幅去探讨不同模型背后的物理假设和适用范围的局限性，这对于我未来从事CFD（计算流体力学）模拟工作至关重要。我记得有一次为了弄明白某个粘性项的简化过程，我在好几本参考书之间来回查找，都没有得到满意的解释。结果在这本书的一个脚注里，作者用一种近乎“数学家的优雅”的方式，清晰地推导出了整个过程，让我茅塞顿开。可以说，这本书的作者显然是一位在理论前沿有深厚积累的学者，他不仅知道“是什么”，更知道“为什么是这样”，这种对底层逻辑的执着追求，使得这本书的学术价值非常高，它绝对不仅仅是一本应试读物，更像是一部可以常备案头的工具书和思想指南。

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这本书的封面设计得非常朴实，那种深沉的藏青色，让人一下子就能感受到一种严肃的学术气息。我本来对手头的其他几本教材已经有些望而却步了，但翻开这本书的扉页，发现排版异常清晰，字体选择也很有考究，读起来丝毫没有那种传统工科教材的枯燥感。特别是关于基础概念的引入，作者似乎非常理解初学者的困惑，用了很多生动的比喻来解释那些抽象的物理现象，比如描述流线和迹线的时候，真的感觉像是跟着作者在实际的河流边观察一样。虽然我还没有深入到复杂的偏微分方程部分，但仅仅是前几章对流体基本性质的梳理，就为我后续的学习打下了极其坚实的基础。我发现这本书的侧重点似乎更倾向于对物理图像的建立，而非单纯的公式堆砌，这对于我这种需要将理论与实际工程问题挂钩的学习者来说，无疑是一大福音。我尤其欣赏它在案例分析中对不同假设条件的讨论，这远比那些“理想化”的教科书要贴近真实世界中工程师所要面对的复杂性。

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如果说这本书有什么地方让我感到略微吃力，那可能就是其中对边界层理论的深入探讨了。当然，这并非是作者的叙述有问题，恰恰相反，它的详尽程度让人无法回避其内在的复杂性。作者在处理薄边界层和厚边界层过渡区域的数学模型时，所采用的分析方法非常严谨，几乎没有跳跃。我花了整整一个周末的时间，才勉强消化了关于Prandtl-Meyer膨胀波在超音速流动中的应用那一节。那些数学推导的细节被标注得非常清楚，每一步的物理意义都被准确地捕捉到了，但坦白说，对于那些对高等数学和张量分析不甚熟悉的读者，可能会需要更高的专注度。不过，这种挑战也是值得的，因为一旦理解了这些内容，你在面对实际的气动外形设计时，那种基于第一性原理的判断力会显著增强，不再是盲目套用经验公式。这本书的价值就在于，它强迫你真正地去“思考”流体的运动，而不是简单地“计算”它。

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