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出版者:中国电力

作者:张志钢

出品人:

页数:242

译者:

出版时间:2007-2

价格:28.00元

装帧:

isbn号码:9787508351711

丛书系列:

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现代控制理论与系统工程 内容简介 本书聚焦于现代控制理论的深度探索与工程实践，旨在为读者构建一个扎实、前沿且具有高度应用价值的控制系统知识体系。本书跳脱出经典控制理论的局限，全面深入地阐述了以状态空间法为核心的现代控制理论，并将其拓展至复杂系统的建模、分析、综合与智能优化。全书结构严谨，逻辑清晰，理论推导详实，同时兼顾工程实际需求，配备了大量的案例分析与仿真验证。 第一部分：系统建模与状态空间描述 本部分是理解现代控制理论的基石。首先，系统地回顾了控制系统的一般描述方法，并重点介绍了状态空间法（State-Space Representation）的原理、构建步骤与优势。内容涵盖了从物理系统（如机电系统、热力系统）到抽象过程的精确数学建模，包括微分方程组、转移矩阵的求解与物理意义。深入讨论了线性定常（LTI）系统与线性时变（LTV）系统的描述差异。 随后，对系统的基本性质进行了深入探讨，包括系统的线性、时不变性的严格判定。重点分析了系统的能控性（Controllability）与能观性（Observability），这是设计控制器和观测器的先决条件。我们不仅详细推导了卡尔曼（Kalman）可控性判据和可观测性判据，还通过几何观点解释了这些性质在状态空间中的实际意义，并讨论了在模态分析中的应用。 第二部分：线性系统分析与稳定性 系统分析是控制工程的核心环节。本部分首先转向系统的时间域分析，基于状态转移矩阵，分析了系统的瞬态响应、稳态响应以及自由响应的特性。通过特征值分析，深入揭示了系统动态行为的本质。 随后，转向频域分析的现代视角，特别是李雅普诺夫（Lyapunov）方法，作为判断系统稳定性的最强大工具。本书详细介绍了李雅普诺夫第一法（直接法）和第二法（间接法，或称李雅普诺夫稳定性判据）的理论基础、构造方法及其在非线性系统稳定性分析中的普适性。同时，也结合工程应用，对比分析了输入-输出稳定性概念。 对于线性定常系统的分析，本书引入了极点配置（Pole Placement）的概念，阐述了如何通过状态反馈来预设系统期望的动态特性，并探讨了如何利用极点配置来实现系统性能的优化。 第三部分：现代控制器的设计与综合 本部分是理论与实践的桥梁，重点介绍如何设计有效的控制器和观测器以实现对复杂系统的精确控制。 状态反馈控制器设计： 详细讲解了利用极点配置法（如使用Ackermann公式或通过变换到约旦标准型）来实现对系统状态的精确反馈控制。此外，本书还引入了最优控制的概念，聚焦于线性二次型调节器（LQR）的设计。LQR的设计不仅仅是反馈增益的计算，更在于如何通过权函数矩阵 $Q$ 和 $R$ 的选择，在控制能量消耗与控制精度之间找到最佳平衡点，并详细推导了代数黎卡提方程（ARE）的求解过程。 状态观测器的设计： 鉴于实际系统中状态变量通常无法直接测量，状态观测器的设计至关重要。本书系统介绍了观测器（Observer）的设计，特别是满维观测器和简化观测器（龙贝尔格观测器 Luenberger Observer）。通过对观测误差动态系统的分析，论证了可观测性与设计观测器增益的关系，并展示了如何利用极点配置原理来设计观测器的极点位置，以确保观测误差能快速衰减。 分离原理的应用： 阐述了最小化误差原理（即分离原理），证明了最优状态反馈控制器与最优状态观测器可以独立设计，极大地简化了实际系统的设计过程。 第四部分：鲁棒控制与最优控制进阶 随着工程系统对不确定性和外界扰动的鲁棒性要求日益提高，本书将视野扩展到先进的控制方法。 鲁棒控制基础： 讨论了模型不确定性对控制性能的影响。介绍了鲁棒稳定性的概念，包括小增益定理的应用。重点讲解了H-无穷（$H_{infty}$）控制理论，它旨在最小化系统对所有可能扰动输入（$w$）的最大影响（由性能指标 $z$ 衡量），从而在最坏情况下保证系统的性能和稳定性。本书详细推导了$H_{infty}$控制器的设计步骤，特别是基于线性矩阵不等式（LMI）求解的方法。 非线性控制导论： 提供了非线性系统分析的初步工具，包括平衡点的线性化分析、李雅普诺夫稳定性分析在非线性系统中的应用，以及反馈线性化（Feedback Linearization）的思想，即通过巧妙的状态或输入变换，将一个非线性系统局部转化为一个线性系统来进行控制。 第五部分：数字控制与系统仿真 本部分关注现代控制系统在计算机实现中的问题。 离散时间系统： 详细分析了采样、量化对系统动态的影响，并全面推导了从连续时间系统到离散时间系统的数学模型转换（如零阶保持法ZOH和一阶保持法FOH）。分析了离散系统的Z变换，并讨论了离散系统的稳定判据（如朱里判据）。 数字控制器设计： 讲解了如何将连续时间的控制器（如PID或LQR控制器）转换为数字形式，并探讨了数字PID控制器的实现细节与抗饱和策略。 仿真与验证： 本部分结合实际的仿真软件（如MATLAB/Simulink环境下的工具箱应用），提供了大量的案例，演示如何对所设计的控制器进行建模、仿真验证，并进行参数调优，确保理论设计能够顺利过渡到实际的硬件实现中。 总结与展望 本书内容覆盖了从经典到现代，从理论到仿真的完整控制系统知识链条，为读者深入理解和掌握复杂系统的精确控制与优化提供了一条坚实的学术路径。其深度和广度使其不仅适用于控制科学与工程、自动化、电气工程等相关专业的高年级本科生和研究生，也是从事先进过程控制、机器人、航空航天等领域工程技术人员的重要参考资料。

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天哪，这本书简直是打开了我对这个世界的全新认知！我一直以为“控制”这个概念离我很远，无非就是工厂里那些机器手臂的简单运动，但这本书用极其生动和深入浅出的方式，将那些抽象的数学模型和复杂的反馈机制，转化成了可以触摸、可以理解的日常现象。特别是作者在讲解“鲁棒性”那一章时，简直是神来之笔。他没有堆砌那些让人望而生畏的微分方程，而是通过一个日常生活中调皮的小孩如何成功地把积木塔推倒，又如何在摇晃中保持平衡的例子，完美地阐释了系统如何在不确定性中保持稳定的精髓。我清晰地看到了，原来我们家里的空调恒温器、汽车的定速巡航，甚至是我们走路时身体对重心的不断微调，都蕴含着如此精妙的控制原理。这本书的图示设计也极为考究，那些方框和箭头不再是冰冷的符号，而更像是思维导图的脉络，引导着读者的思路一步步深入。读完之后，我再看任何复杂的工程系统，都会不由自主地去寻找那个隐藏在背后的“控制器”和“反馈回路”，那种豁然开朗的感觉，真是无与伦比。这绝对不是一本给工程师看的教科书，它更像是一本教你如何理解复杂世界运行逻辑的哲学指南。

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阅读此书的过程中，我感受到了作者对“简洁即力量”这一信条的极致追求。尽管主题涉及复杂的动态系统，但作者的语言风格却异常清澈，几乎没有一句多余的赘述。他擅长使用比喻来提炼核心概念。例如，他对“PID控制器”的介绍，没有陷入参数整定的繁琐细节，而是将其比喻为人类的“三个感官”——比例项是即时感知，积分项是历史记忆，微分项是未来预测。这个生动的模型，让我瞬间抓住了这三种校正方式的本质区别和协同作用。这种“大道至简”的表达能力，极大地提升了阅读效率。我发现自己不再是被动地接受信息，而是在积极地与作者的逻辑进行对话和重构。这本书不只是传授知识，它更像是在雕刻读者的思考方式，教会我们如何在纷繁复杂的现象中，迅速剥离出那个最核心的驱动机制。这是一次对思维清晰度的深度训练，远超我对一本技术书籍的预期。

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这本书的阅读体验，与其说是“学习”，不如说是经历了一场酣畅淋漓的“智力攀登”。它不迎合初学者，这一点非常坦诚。有些章节需要反复阅读，甚至需要停下来，拿起笔在草稿纸上画图、推演才能勉强跟上作者的思路。但正是这种挑战性，带来了巨大的成就感。我特别欣赏作者在解释“根轨迹”时的那种雕塑般的精确感。他没有直接给出公式，而是像一位经验丰富的雕塑家，一步步地引导读者去感知轨迹是如何因为系统参数的变化而“生长”和“迁移”的。那份对细节的偏执和对系统内在美学的追求，透过文字跃然纸上。我感觉自己像是在跟随一位大师学习如何聆听机器的心跳。读完这本书，我不再只是一个旁观者，我似乎有了一双能洞察系统深层动态的“X射线视觉”。虽然过程略显艰辛，但收获的知识密度和思维的提纯度，绝对是市面上其他同类书籍无法比拟的。这是一本需要时间和心力去“雕琢”才能完全吸收的宝典。

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坦白说，我一开始是抱着非常怀疑的态度拿起这本书的。我的专业背景离工程学相去甚远，更多是偏向人文社科领域，所以对于那些涉及到拉普拉斯变换和状态空间分析的章节，我做好了打退堂鼓的准备。然而，作者的叙事风格充满了令人惊喜的“反差萌”。他一方面精确地介绍了奈奎斯特图的稳定判据，另一方面却穿插了大量关于古希腊机械学的轶事，比如费罗的发明。这种跨学科的熔合，极大地降低了我的阅读门槛。最让我印象深刻的是，他对“最优控制”的探讨，不是停留在纯粹的数学最优解上，而是巧妙地引入了经济学中的“帕累托最优”概念，讨论了在资源有限的情况下，如何平衡性能与成本。这种将不同领域知识点串联起来的宏大视野，让原本枯燥的理论变得富有生命力和现实意义。我甚至开始思考，我们的决策过程，是否也可以被建模为一个复杂的控制系统？这本书没有给我标准答案，但它提供了一套极其强大的分析工具，让我能够用一种全新的、结构化的视角去审视那些曾经一团乱麻的问题。

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这本书的结构编排实在太过精妙，它像是一部层层递进的交响乐。开篇的“系统建模”部分，像是低沉的大提琴奠定了基调，稳健而深沉，建立起对物理世界的数学描述。随后，随着章节的推进，乐队的编制越来越庞大，引入了数字信号处理和现代控制理论的高级乐章。最让我震撼的是它对“非线性系统”的处理。作者没有回避复杂性，而是坦然地承认了现实世界的混乱，并介绍了诸如李雅普诺夫稳定性分析这类“锐器”。那种直面现实挑战的勇气，让人肃然起敬。更妙的是，作者在每一个理论介绍之后，都会立即插入一个现实中的工程案例——从深空探测器的姿态控制，到生物医学中的药物剂量反馈系统。这些案例的选择和描述，都恰到好处地印证了前述理论的有效性，使得抽象的理论瞬间变得“可操作”。这感觉就像是读了一本理论与实践完美交织的史诗，让你既敬畏于理论的普适性，又惊叹于人类工程的伟大成就。

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