Multivariable Computer-controlled Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Rosenwasser, Efim N./ Lampe, Bernhard P.

出品人:

页数:478

译者:

出版时间:

价格:139

装帧:HRD

isbn号码:9781846284311

丛书系列:

图书标签:

• Multivariable Control
• Computer Control
• Systems Engineering
• Control Theory
• Automation
• Mathematical Modeling
• Process Control
• Feedback Control
• Engineering Mathematics
• Optimization

现代控制理论与应用：从经典到前沿 本书旨在为读者提供一个全面、深入且与时俱进的控制系统理论与工程实践的知识体系。 摒弃了对特定技术（如多变量计算机控制系统）的局限性探讨，本书将视野聚焦于控制理论的普适性原理、经典方法的坚实基础，以及当前新兴的、引领行业发展的先进控制技术。我们致力于构建一个坚实的理论框架，使读者不仅能理解“如何控制”，更能洞察“为何如此控制”以及“如何设计更优的控制策略”。 第一部分：控制系统的基础与经典理论的重建 (Foundations and Classical Synthesis) 本部分着重于为读者打下坚实的数学和物理基础，确保对控制系统分析的工具集是完备且清晰的。 第一章：系统建模与时域分析 (System Modeling and Time-Domain Analysis) 本章深入探讨了物理系统（包括机电、热学、流体等）向数学模型转化的过程。重点在于建立精确的微分方程或差分方程描述系统动态行为。我们详细阐述了线性时不变（LTI）系统的概念，并引入了状态空间表示法作为后续高级分析的通用语言，同时不回避经典控制中对传递函数和零极点概念的深入理解。时间响应分析被提升到更严格的数学层面，包括瞬态响应指标、稳态误差分析，以及如何利用系统的固有频率和阻尼比来预测其行为。 第二章：频率域分析与经典控制设计 (Frequency Domain Analysis and Classical Design) 频率响应是理解系统稳定裕度和性能的关键。本章详述了波德图、奈奎斯特图的精确绘制与解读，强调了它们在系统稳定性判断中的决定性作用。在经典控制器设计方面，本书不仅复习了PID控制的结构，更深入探讨了根轨迹法在参数整定中的几何直观性与数学严谨性。着重讲解了如何通过补偿器（超前/滞后网络）在频率域精确地调整系统的相位裕度和增益裕度，以满足特定的瞬态和稳态性能要求。 第三章：系统稳定性理论的严格化 (Rigorous Stability Theory) 稳定性是控制系统的生命线。本章超越了简单的Routh-Hurwitz判据，引入了更具洞察力的稳定性理论。李雅普诺夫稳定性理论被详细阐述，作为分析非线性、时变系统稳定性的核心工具。我们从能量函数（或称为二次型函数）的角度深入剖析了渐近稳定、指数稳定和指数吸引性的区别，为后续非线性控制的学习奠定严格的数学基础。 第二部分：现代控制理论的核心框架 (The Core Framework of Modern Control Theory) 现代控制理论的精髓在于状态空间方法。本部分致力于构建读者对现代控制设计范式的深刻理解。 第四章：状态空间表示的深化与可控性/可观测性 (Advanced State Space and Controllability/Observability) 本章系统性地阐述了系统矩阵（A、B、C、D）的性质，并引入了可控性矩阵和可观测性矩阵的严格定义与计算。我们探讨了这两种性质在系统分解和设计解耦控制中的关键作用。对于不可控或不可观的模态，本书阐明了它们对系统性能和估计的限制，并介绍了如何通过状态反馈或观测器设计来解决这些问题。 第五章：状态反馈极点配置与可镇定性 (State Feedback Pole Placement and Stabilizability) 极点配置是现代控制设计的基石。本章详细推导了利用Ackermann公式和线性代数方法实现期望系统极点的状态反馈律。更重要的是，我们探讨了可镇定性（Stabilizability）的概念，解释了为什么只有可镇定模态才能通过状态反馈被有效稳定。此外，本章还涵盖了输出反馈设计，包括基于动态规划的优化视角。 第六章：观测器设计与全阶/降阶估计 (Observer Design and State Estimation) 由于状态变量往往无法直接测量，状态估计器至关重要。本章详尽介绍了卡尔曼滤波（Kalman Filtering）的理论基础，将其置于随机过程和最小二乘估计的背景下进行阐述，而非仅仅作为一个算法公式堆砌。同时，Luenberger观测器的原理被用来展示确定性状态估计的原理，并分析了观测器增益的选择标准，确保估计误差的稳定性和收敛速度。 第三部分：面向性能的优化与鲁棒性控制 (Performance-Oriented Optimization and Robust Control) 本部分将控制设计提升到优化和应对不确定性的高度，是实现高精度、高可靠性系统的关键。 第七章：最优控制理论——LQR设计 (Optimal Control Theory: Linear Quadratic Regulator) 最优控制的核心思想是最小化一个性能指标。本章聚焦于线性二次型调节器（LQR），详细推导了解决代数黎卡提方程（ARE）以获得最优反馈增益的过程。我们探讨了权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 如何直观地反映性能（状态误差与控制努力）之间的权衡，并分析了LQR解在时间轴上对控制律的影响。 第八章：前馈控制与跟踪性能 (Feedforward Control and Tracking Performance) 为了实现对参考输入的精确快速跟踪，前馈控制是必不可少的补充。本章分析了如何利用系统逆模型或精确模型知识来设计前馈项，以抵消已知扰动和参考输入的影响，从而极大地提升系统的瞬态跟踪精度，这是传统反馈控制难以独立实现的。 第九章：鲁棒控制导论：H-无穷控制 (Introduction to Robust Control: $H_{infty}$ Control) 在实际工程中，模型总是不完美的。本章引入鲁棒控制的概念，旨在设计对模型不确定性、外部扰动和测量噪声具有强健性能的控制器。核心内容是$H_{infty}$ 控制的设计框架，它将控制问题转化为一个寻找满足特定闭环传递函数范数界限的优化问题，从而保证了在最坏情况下的性能。本章着重于理解“$infty$范数”对奇异值和系统增益的物理意义。 第四部分：前沿拓展与系统集成 (Frontier Extensions and System Integration) 本部分探索了超越线性、时不变假设的控制领域，为读者展望未来的研究方向。 第十章：非线性系统的反馈线性化与滑模控制 (Nonlinear System Control: Feedback Linearization and Sliding Mode Control) 对于许多复杂的物理系统，线性化模型不足以描述其全貌。本章介绍了微分平坦性的概念，并讲解了输入-输出反馈线性化技术，如何通过坐标变换将非线性系统转化为标准的欧几里得空间形式。作为应对模型不确定性和外部扰动的强有力工具，滑模控制（SMC）的滑模面设计、趋近律和聊天现象的分析也被详尽覆盖。 第十一章：离散时间系统与数字控制的实现 (Discrete-Time Systems and Digital Control Implementation) 由于现代控制的实现几乎都依赖于数字计算，本章专门讨论了连续时间系统向离散时间系统的转换（如零阶保持器和一阶保持器）。重点分析了Z变换、脉冲响应，以及在离散域中应用状态空间模型和PID控制器的设计方法，同时探讨了采样周期对稳定性和性能的影响。 第十二章：先进主题概述：模型预测控制（MPC）与自适应控制 (Overview of Advanced Topics: MPC and Adaptive Control) 本书的收尾部分对两个前沿但重要的领域进行概述。模型预测控制（MPC）被介绍为一种基于实时优化的控制策略，它利用对系统未来动态的预测来计算当前的最优控制作用。同时，自适应控制的概念，特别是基于模型的自整定（Self-Tuning Regulator），被用于处理系统参数随时间变化的场景。 --- 本书的教学目标是培养具备深厚理论功底和广阔视野的控制工程师和研究人员。内容组织上，从经典的直观方法过渡到现代控制的严谨框架，再延伸至面向性能和鲁棒性的优化设计，最终触及非线性与数字实现的复杂性。每一章的理论推导都辅以详实的工程实例解析，旨在确保读者能够将抽象的数学概念转化为可落地、可验证的工程解决方案。本书力求在严谨性、全面性与实用性之间找到完美的平衡点。

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