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出版者:电子工业

作者:[美]EdwardW.Kame

出品人:

页数:483

译者:

出版时间:2007-4

价格:49.80元

装帧:

isbn号码:9787121038914

丛书系列:

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• 科学
• 中国
• 2007
• 信号与系统
• 电路分析
• 线性系统
• 傅里叶变换
• 拉普拉斯变换
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• 数字信号处理
• 高等数学

深度探索：现代控制理论与优化方法 图书名称：深度探索：现代控制理论与优化方法 ISBN：待定 作者：[此处可填写作者信息，例如：张华，李明，王芳] --- 概要：系统思维的飞跃与工程实践的桥梁 本书旨在为读者提供一个从经典控制理论向现代控制理论和先进优化方法平稳过渡的完整知识体系。我们深知，在当今复杂、非线性和时变系统的工程挑战面前，传统的时域或频域分析工具已显局限。因此，《深度探索：现代控制理论与优化方法》将重点聚焦于状态空间描述的强大能力，以及如何利用先进的数学工具对复杂系统进行精确建模、分析、综合与最优控制。 全书内容设计兼顾理论的严谨性与工程实践的实用性，力求搭建起理论研究与实际应用之间的坚实桥梁。通过对线性系统理论的深入剖析，我们将引导读者掌握现代控制设计的基础，并逐步迈入非线性控制、鲁棒控制和最优控制的前沿领域。本书不仅是研究生和高级工程技术人员的理论参考书，也是致力于提升系统设计能力的工程师的实践指南。 第一部分：现代控制系统的基石——状态空间方法 本部分将为读者重塑对动态系统的认知框架，从经典的微分方程描述转向现代控制理论的基石——状态空间表示法。 第一章：线性定常系统（LTI）的状态空间建模 本章详细阐述了将物理系统（如机械、电气、热力系统）转化为标准状态空间形式 ($dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$, $mathbf{y} = mathbf{Cx} + mathbf{Du}$) 的方法。我们将深入探讨系统的拓扑结构、自由度分析以及如何利用拉普拉斯变换和传递函数视角来理解状态空间模型。重点将放在模型的规范化、模态分析，以及如何通过相似变换保持系统物理特性的同时简化矩阵形式。 第二章：线性系统的基本性质分析 本章是现代控制分析的核心。我们将系统性地介绍系统的基本性质：可控性与可观测性。可控性测试（如利用卡尔曼准则）将详述系统的输入对状态的驱动能力；可观测性测试则关乎我们能否仅凭输出信息完全重构系统内部状态。随后，我们将基于这些性质，介绍李雅普诺夫稳定性分析的基础，特别是线性定常系统的渐近稳定判据。 第三章：反馈控制器设计基础 基于状态空间理论，本章着重于状态反馈的设计。我们将详细推导状态反馈极点配置（Pole Placement）的原理和方法，确保系统闭环响应满足预设的性能指标。同时，鉴于状态变量通常无法直接测量，本章将引入观测器理论——包括 Luenberger 观测器和卡尔曼滤波器的基本思想，用于状态估计，从而实现基于状态反馈的间接控制律设计。 第二部分：先进分析与性能提升 在掌握了基本的状态空间设计后，本部分将引入更精细的分析工具和设计范式，以应对高阶、多变量系统的性能要求。 第四章：多输入多输出（MIMO）系统的分析与解耦 对于具有多个输入和多个输出的复杂系统，本章引入了诸如零/极点分配、动态逆控制以及解耦设计（如利用川崎-吉川方法或静态解耦）等技术。我们将详细分析 MIMO 系统的传递函数矩阵（TFM）结构，并探讨如何利用输入-输出映射的结构特性来简化控制器设计或实现特定性能目标（如跟踪或抗扰）。 第五章：线性二次型最优控制（LQR） 本章从控制性能优化的角度切入。LQR 理论提供了一种系统性的方法来平衡状态误差的衰减速度与控制输入的能耗。我们将深入推导代数黎卡提方程（ARE）的求解过程，并详细分析代价函数（Q 和 R 矩阵）的选择如何影响最优控制器的增益。LQR 不仅是一种控制设计方法，更是理解现代控制设计中性能权衡的基石。 第六章：鲁棒性与H-无穷（$H_{infty}$）控制导论 本部分转向实际工程中普遍存在的模型不确定性和外部干扰问题。本章首先介绍鲁棒控制的基本概念，如增益裕度和相位裕度。随后，我们将深入探讨 $H_{infty}$ 控制理论的核心思想——将控制问题转化为在所有允许的干扰输入下的“最坏情况”性能最小化问题。通过引入线性矩阵不等式（LMI）作为求解工具，本章展示了设计具有明确鲁棒性能保证的控制器的方法。 第三部分：非线性系统与前沿优化 随着对更广泛系统类别的关注，本部分将目光投向非线性动力学，并介绍在应对复杂约束和优化目标时必不可少的先进方法。 第七章：非线性系统的基础分析 本章为非线性控制的设计打下理论基础。我们将介绍非线性系统在平衡点附近的线性化方法，以及李雅普诺夫稳定性分析在非线性系统中的推广应用——包括直接法和间接法。此外，对全局稳定性的探讨，例如利用李雅普诺夫函数的构造，将是本章的关键内容。 第八章：基于反馈线性化和滑模控制的非线性控制 对于具有特定结构的非线性系统，反馈线性化提供了一种将非线性系统转化为线性系统的强大工具。本章详细讲解了微分平价（Diffeomorphism）和反馈线性化的步骤。同时，为了应对模型不确定性对反馈线性化的敏感性，我们将引入鲁棒的滑模控制（SMC），分析其抖振现象及其抑制策略。 第九章：模型预测控制（MPC）原理与应用 MPC 作为一种前瞻性的、能够处理输入和状态约束的先进控制策略，已成为工业界应用最广泛的现代控制技术之一。本章将详细阐述 MPC 的核心要素：滚动优化、预测模型和实时重计算。我们将以线性系统为例，推导出有限时间最优控制问题，并讨论如何利用二次规划（QP）求解器来实施在线优化，为实现高约束下的性能优化提供实用的框架。 结语 《深度探索：现代控制理论与优化方法》力求提供一个层次分明、逻辑严密的学习路径。通过对状态空间方法的透彻理解，结合 LQR、$H_{infty}$ 和 MPC 等先进工具的掌握，读者将能够以现代、系统化的视角去解决从航天、机器人到过程工业中遇到的各种动态控制难题。本书的最终目标是培养读者将严谨的数学分析能力转化为高效工程解决方案的实践能力。 --- 目标读者： 自动控制、航空航天、电子信息工程、机械工程等专业的高年级本科生、研究生，以及从事系统建模、仿真与控制系统研发的工程师。 先决知识要求： 线性代数、常微分方程、复变函数初步、经典控制理论（拉普拉斯变换、频率响应分析）的基础概念。

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这本书的作者显然对傅里叶分析有着深刻的理解，他并没有将这部分内容仅仅当作一个数学工具来介绍，而是深入剖析了其在信号处理中的物理意义。书中对时域和频域之间的转换关系描述得极其透彻，无论是连续时间系统还是离散时间系统，都能通过精妙的图示和严谨的推导让人豁然开朗。特别是关于卷积积分的讲解，非常注重直观感受的培养，避免了纯理论的枯燥。我记得书里举了一个关于滤波器设计的例子，用赫兹响应曲线来解释系统的性能指标，对比了不同窗函数对频谱泄漏的影响，这些细节处理得非常到位，对于初学者来说，提供了从“会算”到“理解”的飞跃。而且，作者在讲解过程中，始终强调了理论与实际应用的结合，这使得学习过程不再是孤立的知识点堆砌，而是构建一个完整知识体系的过程。那种层层递进的逻辑，就像是搭建一座坚实的桥梁，连接着抽象的数学概念与具体的工程问题。

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这本书的版式设计和排版质量简直堪称一流，每一次翻阅都像是享受一次视觉上的盛宴。不同于市面上很多理工科教材那种黑白、密密麻麻的排版，这里的图文分布恰到好处，关键公式和定义都使用了醒目的字体和配色进行了强调，阅读起来毫无压力。我尤其欣赏作者在引入新概念时使用的彩色流程图和框图，它们有效地将复杂的系统结构简化成了易于理解的图形符号，极大地降低了初次接触时的认知负荷。更值得称赞的是，书中的习题部分设计得非常巧妙，它不是简单地重复例题，而是设计了多种不同难度梯度的挑战，从基础的求解到需要综合运用多个章节知识的综合分析题，应有尽有。完成这些习题后，那种解决复杂工程难题的成就感是无与伦比的，完全摆脱了传统教材“为了考试而学习”的机械感。

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我对这本书中关于系统稳定性判据的阐述方式印象特别深刻，它避开了教科书式的干瘪定义，转而采用了一种“故障排除”的叙事方式。作者首先设置了几个“看似正常却存在潜在风险”的系统案例，然后引导读者去探究为什么这些系统会在特定输入下崩溃或产生震荡。通过这种逆向思维的引导，拉普拉斯变换和Z变换在分析极点位置与系统行为关联性上的威力被展现得淋漓尽致。书中对于充实（BIBO）稳定性的讨论，不仅停留在数学推导上，还结合了实际电路中的阻尼效应和共振现象进行了类比解释，这对于我这类更偏向工程实践的学习者来说，是极其宝贵的。这本书的作者显然是一位深谙教学艺术的行家，他知道如何将冰冷的数学定理转化为生动、有说服力的工程洞察。

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这本书的写作风格非常平易近人，完全没有一般专业书籍那种拒人于千里之外的“高冷感”。作者的语言充满了鼓励和引导，仿佛一位经验丰富的导师在耳边细心讲解，而不是冷冰冰地陈述事实。例如，在介绍采样定理时，他用生动的比喻描述了混叠现象，比如“就像用太慢的快门拍摄快速旋转的车轮”，这种画面感极强的描述瞬间就将抽象的理论具象化了。此外，书中对离散时间信号处理的引入处理得非常自然，它不是突兀地插入一个新章节，而是通过对连续系统进行周期延拓和脉冲序列逼近的思路，平滑地过渡到了数字世界。这种行文的连贯性和对读者学习心路的体贴，使得学习过程充满了探索的乐趣，而不是被动接受知识的煎熬。

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这本书在处理线性时不变（LTI）系统的核心概念时，展现出了极高的数学严谨性与逻辑清晰度。它对系统响应的分解——零输入响应和零状态响应的划分，处理得非常彻底，这对于理解现代控制理论和状态空间分析至关重要。作者清晰地论证了为什么LTI系统的基本构建块是冲激响应，并系统地展示了如何利用冲激响应去预测系统对任意输入的响应。书中最精彩的部分之一，是对卷积这个核心运算的几何解释，书中不仅提供了标准的代数定义，还配有动画演示（虽然在纸质书上是静态图，但其结构暗示了动态过程），帮助读者直观地看到两个函数是如何通过“翻转、平移、相乘、求和”这一过程相互作用的。这种对基础概念的深度挖掘和多角度阐释，确保了读者对系统的本质理解是坚实而不可动摇的。

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