现代控制理论 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:185

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出版时间:2007-10

价格:22.00元

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isbn号码:9787502627157

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图书标签:

• 控制理论
• 现代控制
• 自动控制
• 系统分析
• 数学模型
• 控制系统
• 线性系统
• 状态空间
• 最优控制
• 鲁棒控制

现代控制理论 一部聚焦于系统动力学、信号处理与先进控制算法的深度探索之作 本书旨在为读者构建一个全面且深入的现代控制理论知识体系。它不仅仅是对传统控制思想的简单回顾，更侧重于阐述自20世纪中叶以来，随着计算机技术和系统科学的飞速发展而涌现出的前沿理论与工程应用方法。全书内容结构严谨，逻辑清晰，力求在理论深度与实际应用之间找到最佳的平衡点。 第一部分：系统建模与时域分析 本书的开篇聚焦于控制系统的数学基础——系统建模。我们首先探讨了线性定常（LTI）系统的经典描述方式，包括微分方程和传递函数表示法，这是理解后续所有高级理论的前提。 重点内容包括： 状态空间表示法（State-Space Representation）： 详细介绍了如何将高阶微分方程转化为一组一阶线性微分方程组，即$dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$和$mathbf{y} = mathbf{Cx} + mathbf{Du}$。这种描述方式的优势在于其对多输入多输出（MIMO）系统的通用性和内在的物理意义。 可控性与可观测性分析： 这是现代控制理论的基石。我们引入了严格的判据（如卡尔曼可控性矩阵和可观测性矩阵），深入分析了系统状态是否能够被完全驱动（可控性）以及系统内部状态是否能够仅通过测量输出信息被完全推断（可观测性）。这些性质直接决定了控制律设计和状态估计的有效性。 系统时间响应分析： 尽管本书侧重现代方法，但对时域性能的把握至关重要。我们回顾了如何利用状态转移矩阵$Phi(t)$来求解系统的自由响应，并讨论了单位脉冲响应和单位阶跃响应在系统辨识中的作用。 第二部分：频率域与经典方法的延伸 虽然现代控制强调状态空间，但频率响应分析依然是理解系统稳定裕度和带宽特性的强大工具。本部分将经典频域分析与现代状态空间框架相结合。 输入-输出映射： 阐述了如何从状态空间模型中导出系统的频域传递函数矩阵，以及如何利用这一矩阵进行伯德图、奈奎斯特图的绘制和分析。 经典性能指标的再审视： 探讨了在MIMO系统中如何解释超调量、调节时间等经典指标，并指出其在多变量耦合情况下的局限性。 鲁棒性基础： 引入了初级的稳定裕度概念，如增益裕度和相位裕度，并开始为下一部分讨论的更严格的鲁棒控制理论奠定基础。 第三部分：最优控制理论——以性能为导向的设计 最优控制是现代控制理论的核心组成部分，它将控制问题的设计转化为一个数学优化问题。本部分的核心是寻找一个控制输入$mathbf{u}(t)$，使得某个性能指标泛函达到最小。 变分法基础与欧拉-拉格朗日方程： 简要回顾了解决泛函最小化问题的数学工具，为推导最优性条件做准备。 LQR（线性二次型调节器）： 这是工业界应用最广泛的最优控制方法之一。我们详尽推导了LQR控制器的设计过程，即求解代数黎卡提方程（ARE）。重点分析了权重矩阵$mathbf{Q}$和$mathbf{R}$的选择如何影响状态的惩罚力度和控制输入的能量消耗，从而实现性能与控制努力之间的权衡。 Pontryagin最大值原理： 介绍了求解非线性系统最优控制问题的强大工具——伴随变量（Costate）的概念，并详细阐述了哈密顿函数以及最优控制的必要条件。 第四部分：状态估计与观测器设计 在许多实际应用中，系统的全部状态变量是无法直接测量的。本部分专注于如何利用可测量的输出信息和系统动态模型来估计不可测的状态。 状态观测器的基本原理： 阐述了观测器（Observer）的设计思想，即构建一个与实际系统并行运行的动态模型，通过反馈误差来修正估计值。 全阶观测器与降阶观测器： 详细分析了利用对偶性原理（Observability $Leftrightarrow$ Controllability）设计Luenberger观测器的方法，并重点讲解了如何通过降阶处理，仅用输出的维数来构建观测器，从而提高计算效率。 卡尔曼滤波（Kalman Filtering）： 这是处理随机系统和噪声干扰的里程碑式成果。本部分深入剖析了卡尔曼滤波的递推算法，包括状态预测和状态更新两个核心步骤。重点解释了协方差矩阵在滤波过程中的作用，以及该算法如何在存在过程噪声和测量噪声的条件下，求得最优线性无偏估计。 第五部分：先进控制技术与系统拓展 本部分将理论应用到更复杂的、非线性和具有不确定性的系统中。 非线性控制基础： 介绍了处理非线性系统的基本思路，包括线性化方法（泰勒展开）以及反馈线性化（Feedback Linearization）的基本概念，以期将非线性问题转化为可利用线性控制理论解决的形式。 鲁棒控制导论： 面对模型不确定性，引入了更严格的稳定性概念。我们探讨了$H_{infty}$控制的基本思想，即设计控制器以最小化外部扰动对系统性能的最坏情况影响。 先进控制在实际工程中的应用： 结合仿真案例，展示了状态反馈、最优调节与卡尔曼滤波相结合（即LQR/LQG控制）在飞行器姿态控制、机器人轨迹跟踪等领域的实际部署策略。 本书的编写风格注重逻辑推导的严谨性，辅以大量的数学证明和工程实例，旨在培养读者从“如何应用”到“为何有效”的深刻理解。它要求读者具备扎实的线性代数和常微分方程基础，是控制工程、航空航天、自动化、电子信息等领域高年级本科生、研究生及专业工程师的理想参考读物。

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