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出版者:华南理工大学出版社

作者:禹思敏,朱玉玺

出品人:

页数:280

译者:

出版时间:2006-6

价格:30.00元

装帧:

isbn号码:9787562323853

丛书系列:

图书标签:

• 数字电路
• 逻辑设计
• 计算机组成原理
• 电子技术
• 电路分析
• 数字系统设计
• FPGA
• Verilog
• VHDL
• 电子工程

现代系统工程中的信号处理与控制理论基础 本书聚焦于信息时代驱动现代工程实践的两大核心支柱：先进信号处理技术与鲁棒控制系统设计。 本书旨在为读者，特别是电子工程、自动化、计算机科学以及物理学等交叉学科的工程师和研究人员，提供一个从理论基础到前沿应用的全面、深入的视角。我们假设读者已具备基本的微积分、线性代数和基础电路理论知识，并将重点放在如何将这些数学工具转化为解决实际工程问题的强大能力上。 第一部分：离散时间信号与系统分析（深入傅里叶与Z变换） 本部分将严格且直观地探讨离散时间信号的数学表示、分析工具和基本系统特性。 1. 离散时间信号的表示与基本操作： 我们将从连续时间信号到离散时间信号的采样过程入手，详细分析理想采样、混叠现象（Aliasing）及其在实际系统中的规避策略。重点讨论单位脉冲序列、单位阶跃序列及其线性组合的性质。 2. 离散时间系统分析： 系统被定义为对输入信号产生相应输出的变换。本书将深入研究因果性、稳定性（BIBO稳定性）、线性时不变（LTI）系统的核心概念。我们将详细推导卷积和差分方程在描述LTI系统中的核心作用，并辅以大量MATLAB/Python代码示例演示如何通过数值计算验证系统的时域响应。 3. 离散傅里叶变换（DFT）及其快速算法（FFT）： 傅里叶分析是信号处理的基石。本书将超越传统的周期延拓概念，侧重于DFT在有限长序列分析中的应用。我们将详细阐述FFT的原理，包括蝶形运算、数据重排的算法细节，并讨论窗口函数（如汉宁窗、海明窗）对频谱泄漏的抑制效果及其对频率分辨率的影响。特别关注谱分析在故障诊断和振动分析中的实际应用案例。 4. Z 变换及其在系统分析中的应用： Z 变换是分析和设计离散时间系统的最强大工具。我们将详细构建Z变换的收敛域（ROC）概念，并将其与系统的稳定性、因果性直接关联。通过Z变换，我们将系统的时间域差分方程转化为代数方程，极大地简化了系统分析。本书将特别关注双边Z变换和单边Z变换的适用场景，并详尽推导脉冲响应、频率响应与Z域传递函数之间的关系。 第二部分：数字滤波器设计与实现 本部分专注于如何利用离散时间系统的理论知识来构建满足特定频率响应要求的滤波器。 5. 数字滤波器概述与设计标准： 明确区分FIR（有限脉冲响应）和IIR（无限脉冲响应）滤波器的特性、优缺点及其适用性。讨论通带、阻带、过渡带、通带纹波、最小阻带衰减等关键设计指标的量化定义。 6. FIR 滤波器设计方法： 深入探讨窗函数法（Windowing Method）的理论依据和实际操作，对比不同窗函数（矩形、三角、Chebyshev等）对滤波器性能的影响。随后，我们将介绍频率采样法（Frequency Sampling Method）及其在特定响应设计中的优势。 7. IIR 滤波器设计： 本部分的核心在于从模拟滤波器原型到数字滤波器的转换技术。我们将详细解析双线性变换法（Bilinear Transformation）的原理，包括预畸变（Pre-warping）的必要性及其对频率轴的映射关系。在此基础上，我们将系统地介绍如何利用巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和椭圆（Elliptic）滤波器原型来设计高性能的IIR滤波器。 8. 滤波器结构与量化效应： 讨论直接型、级联型和并联型等基本数字滤波器结构。重点分析有限精度运算（定点运算）对滤波器性能的影响，特别是量化噪声、系数舍入误差和溢出问题，这对嵌入式系统中的实现至关重要。 第三部分：现代控制理论基础与系统辨识 本部分将视角从信号处理转向系统动态行为的建模、分析与控制。 9. 状态空间表示法（State-Space Representation）： 相比于传统的传递函数方法，状态空间法更适合处理多输入多输出（MIMO）系统和非线性系统。我们将详细介绍如何将高阶微分/差分方程转化为一组一阶线性常微分/差分方程组。内容涵盖状态转移矩阵的计算、系统的可控性（Controllability）和可观测性（Observability）判据。 10. 线性系统稳定性分析（李雅普诺夫方法）： 介绍李雅普诺夫第一法和第二法，特别是利用李雅普诺夫能量函数来判断非线性系统的稳定性，这是现代控制理论区别于经典控制的关键所在。 11. 现代控制器的设计： 聚焦于极点配置（Pole Placement）技术，通过状态反馈实现对系统动态性能的精确设计。同时，介绍观测器设计，如卡尔曼滤波器（Kalman Filter）的基本原理和其在状态估计中的核心地位，尤其是在存在噪声的情况下。 12. 系统辨识基础： 探讨如何从实验数据中建立数学模型，这在无法直接推导物理模型时极为关键。我们将介绍参数估计的基本方法，包括最小二乘法（Least Squares Estimation）及其迭代形式，用于辨识离散时间系统的模型参数。 第四部分：应用与前沿展望 本书将在最后部分连接理论与工程实践的前沿领域。 13. 数字控制系统的实现挑战： 探讨从理论设计到实时嵌入式实现之间的鸿沟。讨论采样周期的选择对控制性能和稳定性的影响，以及如何应对计算延迟和执行器限制。 14. 傅里叶与控制的交叉应用： 结合数字滤波器设计知识，展示如何应用带通滤波器进行机械振动的精确监测与抑制，以及如何利用频谱分析技术进行系统健康监测（Condition Monitoring）。 15. 鲁棒控制初步概念： 简要引入 $mathcal{H}_{infty}$ 控制和 $μ$-合成等现代鲁棒控制的设计思想，旨在为处理模型不确定性和外部扰动提供了理论框架。 本书的特色在于其数学严谨性与工程实践的紧密结合。每章节后都附有大量的编程练习（基于MATLAB/Python），要求读者亲自动手仿真和分析系统，以确保对概念的深刻理解。本书适合作为高年级本科生或研究生阶段的教材，同时也是从事自动化、航空航天、机器人、通信系统等领域工程师提升专业技能的宝贵参考资料。

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