Introduction to Electric Circuits

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出版者:John Wiley & Sons Inc
作者:Richard C. Dorf
出品人:
页数:108
译者:
出版时间:1990-7-18
价格:0
装帧:Paperback
isbn号码:9780471620051
丛书系列:
图书标签:
  • 电路分析
  • 电路原理
  • 电气工程
  • 电子技术
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具体描述

现代控制系统理论与设计 作者: [虚构作者姓名] 出版社: [虚构出版社名称] --- 内容概要 《现代控制系统理论与设计》是一部深入探讨现代控制理论及其在工程实践中应用的权威性专著。本书旨在为读者,无论是高等院校的电子工程、自动化、机械工程专业的学生,还是从事相关领域研发工作的工程师,提供一个全面、系统且前沿的学习框架。 本书的结构设计遵循从基础理论的严格建立到复杂系统设计的工程化实现这一逻辑主线,全面覆盖了经典控制理论的局限性,并重点阐述了状态空间法、最优控制、鲁棒控制以及现代系统辨识等关键领域。全书内容严谨,推导详尽,结合大量的实际工程案例和仿真实例,确保理论与实践的紧密结合。 第一部分:控制系统基础与状态空间建模 (Foundations and State-Space Modeling) 本部分致力于为后续高级主题打下坚实的数学和概念基础,并引入现代控制理论的核心工具——状态空间表示法。 第一章:控制系统的回顾与现代方法的引入 本章首先简要回顾了经典控制理论(如传递函数、频率响应分析)的基本概念和局限性,特别是其在处理多输入多输出(MIMO)系统和时变系统时的不足。随后,系统地介绍了状态空间法的优势,强调其在描述系统内部动态方面的优越性。 第二章:线性时不变(LTI)系统的状态空间表示 详细讲解了如何将物理系统(如机械臂、RLC电路、航空航天器)通过物理定律(牛顿定律、基尔霍夫定律)转化为标准的线性常微分方程组形式,即状态方程 $dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$ 和输出方程 $mathbf{y} = mathbf{Cx} + mathbf{Du}$。内容涵盖了各种标准形式(如控制标准型、观测标准型、对角规范型)的推导和意义。 第三章:系统性质分析:能控性与能观测性 这是现代控制理论的基石。本章深入探讨了系统的能控性(Controllability)和能观测性(Observability)的概念。详细介绍了卡尔曼(Kalman)能控性矩阵和能观测性矩阵的构造及其在判断系统是否可控、可观上的应用。对于不可控或不可观的子系统,本章讨论了如何进行降阶和简化模型,以聚焦于系统的核心动态行为。 第四章:状态空间系统的时域分析与解法 本章专注于求解线性定常系统的状态转移矩阵 $mathbf{Phi}(t) = e^{mathbf{At}}$。通过对特征值分解(对角化)和Jordan标准型的讨论,清晰地展示了系统解 $x(t)$ 如何依赖于初始状态和输入。同时,引入了系统的稳定性分析(基于特征值位置),并讨论了李雅普诺夫稳定性判据的初步应用。 第二部分:现代控制器的设计与实现 (Modern Controller Design and Implementation) 在掌握了系统建模和基本分析工具后,本部分转向具体控制器的设计,核心在于状态反馈和状态观测器的构造。 第五章:状态反馈控制器的设计 本章的核心是极点配置(Pole Placement)技术。通过使用Ackermann公式或通过求解线性方程组,设计状态反馈增益 $mathbf{K}$,使得闭环系统矩阵 $(mathbf{A} - mathbf{BK})$ 的特征值(即闭环极点)被放置在期望的稳定区域。本章还深入探讨了当系统不可控时,如何使用部分极点配置和限制性反馈的概念。 第六章:状态观测器设计——卡尔曼-昂萨尔/最小阶观测器 由于实际系统中状态变量通常无法直接测量,本章介绍了如何通过观测输入和输出信号来估计不可测量的状态向量 $hat{mathbf{x}}$。详细推导了最小阶观测器(Luenberger Observer)的构造原理,以及如何通过极点配置原理来设计观测器反馈增益 $mathbf{L}$,确保估计误差的稳定性。 第七章:完整状态反馈与输出反馈的结合——分离原理 本章阐述了著名的分离原理(Separation Principle),证明了在LTI系统中,状态反馈控制器和状态观测器可以独立设计,然后组合成一个完整的控制器(即状态观测器反馈控制器)。本章还探讨了输出反馈的限制以及如何通过动态输出反馈来近似实现完整状态反馈。 第三部分:最优控制与估计 (Optimal Control and Estimation) 超越了简单地保证稳定性或满足特定动态要求,本部分引入了性能指标函数(代价函数),目标是找到使该指标最小化的控制律。 第八章:二次型最优控制(LQR) 本章是现代控制优化设计的核心。首先定义了二次型代价函数 $J = int_0^infty (mathbf{x}^T mathbf{Q} mathbf{x} + mathbf{u}^T mathbf{R} mathbf{u}) dt$,其中 $mathbf{Q}$ 和 $mathbf{R}$ 是正定权重矩阵。随后,通过变分法推导出最优状态反馈增益 $mathbf{K}$ 满足的代数黎卡提方程(Algebraic Riccati Equation, ARE)。详细分析了权重矩阵的选择对控制性能(响应速度与控制能量消耗)的权衡影响。 第九章:卡尔曼滤波——最优线性估计器 本章将状态估计提升到统计优化的层面。在系统和测量噪声被视为高斯白噪声的前提下,卡尔曼滤波提供了一种递推、线性的最优估计方法。详细推导了卡尔曼滤波器的预测(时间更新)和校正(量测更新)步骤,并分析了过程噪声协方差矩阵 $mathbf{Q}_k$ 和测量噪声协方差矩阵 $mathbf{R}_k$ 对估计精度的影响。 第十章:连续时间与离散时间的最优控制与估计 本章将前两章的理论扩展到离散时间系统,讨论了离散代数黎卡提方程(DARE)和离散卡尔曼滤波器(DKF)的求解方法,这对于数字实现和计算机仿真至关重要。 第四部分:先进控制技术 (Advanced Control Techniques) 本部分探讨了应对不确定性和非线性系统的现代控制前沿方法。 第十一章:鲁棒控制导论:$mathcal{H}_{infty}$ 控制 面对模型不确定性(如未建模的动态特性、参数变化)时,标准LQR控制可能失效。本章引入了鲁棒控制的概念,重点讲解了$mathcal{H}_{infty}$ 控制的设计框架。通过将性能和不确定性建模为输入和输出之间的特定加权传递函数范数,设计控制器以最小化干扰对输出的影响。 第十二章:系统辨识基础 在无法精确建立系统模型时,系统辨识技术变得不可或缺。本章介绍了数据驱动建模的方法,包括回归分析、最小二乘法(Least Squares)在参数估计中的应用。重点讨论了如何选择合适的模型结构(如ARX模型)并利用实验数据来辨识系统的状态空间矩阵或传递函数。 第十三章:非线性控制概述 本章对非线性系统的复杂性进行了概述,并介绍了两种基本的非线性控制策略:反馈线性化(Feedback Linearization)——通过非线性状态反馈和坐标变换将非线性系统转化为线性系统;以及基于Lyapunov函数的间接/直接稳定性分析方法,为设计非线性稳定控制器提供理论工具。 总结与展望 本书的最终目标是培养读者运用一套完整的现代工具箱来分析、设计和实现高性能控制系统的能力。通过对状态空间建模、最优性能设计、统计估计以及鲁棒性考虑的系统学习,读者将能够胜任航空航天、机器人、过程工业等复杂工程领域中的核心控制挑战。书中大量使用MATLAB/Simulink的辅助分析,确保所学理论能够无缝过渡到实际的工程应用中。

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《Control Systems Engineering: Analysis and Design》这本书,为我揭示了“稳定与和谐”的奥秘。作者并没有直接引入反馈控制的概念,而是从“如何让系统按照我们的意愿运行”这一根本性问题出发,引导我思考控制的本质。他将一个自动化的温度控制系统比作一个“聪明的管家”,能够根据环境的变化,自动调整加热或制冷设备的功率,从而始终将室温维持在一个设定的范围内。这种生动形象的类比,让我对反馈控制的意义有了直观的理解。在讲解系统的稳定性时,他并没有直接给出“根轨迹”或“伯德图”等专业工具,而是从“系统失控的危险”这个角度来阐述。他举例说明,如果一个控制系统不稳定,可能会导致输出信号无限增大,就像一个失控的过山车,最终造成灾难性的后果。这种“负面案例”的引入,让我对稳定性的重要性有了深刻的认识。更让我惊叹的是,作者在讲解PID控制器时,并非直接给出PID的数学公式,而是将比例(P)、积分(I)和微分(D)三个控制环节比作“三位一体的指挥官”。比例控制负责“当前的状态”,积分控制负责“过去的积怨”,而微分控制则负责“未来的预判”。这三个指挥官协同作战,共同将系统导向理想的状态。书中还包含了大量的仿真实例,通过对不同PID参数的调整,直观地展示了它们对系统响应速度、超调量以及稳态误差的影响。这本书让我认识到,控制工程不仅仅是技术,更是一种艺术,是实现系统最优运行的智慧。

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《Power Electronics: From Theory to Application》这本书在电力电子领域的知识传递方式,给我留下了深刻的印象。特别是关于开关电源的部分,作者的讲解思路与我之前接触过的教材截然不同。他并没有直接进入PWM(脉冲宽度调制)控制的细节,而是先从“能量的存储与释放”这个最基本也是最核心的物理原理出发,来阐述开关电源的工作机制。他将电感和电容比作“能量仓库”,将功率开关(如MOSFET或IGBT)比作“仓库管理员”,通过精确地控制“管理员”开关门的时机,来实现能量的高效传递和电压的变换。这种“类比式”的讲解,让我在理解开关电源的转换过程时,不再感到晦涩难懂。书中还非常详细地分析了不同拓扑结构(如Buck、Boost、Buck-Boost)的优缺点,并且通过一个“电源变压器”的比喻,来形象地解释不同拓扑在电压升降方面的特性。例如,Buck变换器就像一个“降压器”,只允许能量从高压端流向低压端;Boost变换器则像一个“升压器”,可以将低压能量“泵”到高压端。更让我惊叹的是,作者在讲解功率器件的损耗分析时,并没有仅仅罗列损耗类型,而是通过一个“能量的浪费”的故事来阐述。他将开关损耗、导通损耗等比作“能量在流通过程中的摩擦和漏损”,并且详细分析了这些“损耗”是如何影响电源的效率和发热的。他甚至还指导读者如何通过选择合适的功率器件、优化驱动电路以及改进PCB布局来“减少能量的浪费”。这本书在理论深度和工程实践之间取得了很好的平衡,让我对电力电子技术有了更全面的认识。

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《Advanced Topics in Electrical Engineering: Research Frontiers》这本书,是一次令人振奋的知识探索之旅。作者并没有像一般的教材那样,从基础概念开始逐一讲解,而是直接将我带入到了电气工程领域的最前沿。他通过介绍几个正在蓬勃发展的研究方向,例如“人工智能在电力系统中的应用”和“下一代半导体材料的开发”,为我展现了一个充满无限可能性的未来。在讲解“人工智能在电力系统中的应用”时,他并非直接介绍深度学习算法,而是从“如何让电网更‘聪明’起来”这一问题出发。他将电网比作一个庞大而复杂的“生命体”,需要“智慧”来应对各种突发情况,例如预测负荷变化、优化发电调度、以及检测和隔离故障。他深入探讨了如何利用机器学习技术来分析海量数据,从而实现电网的智能化管理。更让我激动的是,在讲解“下一代半导体材料的开发”时,他并没有仅仅停留在硅基材料的讨论,而是介绍了碳化硅、氮化镓等新型半导体材料的独特优势,例如更高的击穿电压、更低的导通电阻以及更快的开关速度。他详细阐述了这些新材料在电力电子、微波通信等领域的巨大潜力,并展望了它们将如何推动相关产业的技术革命。书中还引用了许多最新的科研论文和专利信息,为我提供了深入了解这些前沿技术的研究方向。这本书让我感受到了电气工程领域的勃勃生机和无限潜力,也激发了我对未来科技发展的强烈好奇心。

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初次翻阅《The Foundations of Circuit Theory》这本书时,就被其开篇的哲学思考所吸引。作者并没有急于进入电路理论的细节,而是花了不少篇幅探讨“电路”这个概念本身的哲学含义,以及它是如何从物理现象中抽象出来的。他将电路类比为一种“信息流动的抽象模型”,并追溯了其在人类认知发展史上的地位,比如早期人类对水流、能量传递的观察如何为后来的电路概念奠定了基础。这种宏观的视角让我对电路理论有了更深层次的理解,不再仅仅将其视为枯燥的公式和定理的堆砌。随后,在讲解欧姆定律和基尔霍夫定律时,作者的叙述风格也与我之前看过的任何教材都不同。他并非简单地给出定律内容,而是将其置于更广阔的物理学背景下进行阐释,例如将电流类比为水流的运动,电压类比为水压的差异,电阻类比为管道的阻碍,这使得初学者能够更容易地理解这些基本定律的物理意义。更令人惊喜的是,作者在探讨节点分析和网孔分析方法时,引入了一些“非主流”的讲解方式。例如,在讲解节点分析时,他并没有直接给出方程组,而是通过一个“守门员”的比喻,将每个节点比作一个球门,电流则是在守门员之间穿梭的足球。守门员的任务是确保进出球门的“足球”数量相等,这便是电流守恒的体现。这种生动形象的比喻,极大地降低了抽象数学方法的理解难度。整本书洋溢着一种人文关怀的色彩,让我在学习技术知识的同时,也能感受到思想的启迪。

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这本书《Analog Circuit Design: Principles and Practice》在模拟电路设计方面的独到之处,让我爱不释手。尤其是关于运算放大器(Op-amp)应用的部分,作者的讲解角度非常新颖。他并没有一开始就堆砌各种复杂的运放电路拓扑,而是从“理想运放”这个概念入手,深入浅出地阐述了其核心特性:高开环增益、高输入阻抗、低输出阻抗以及零失调电压。然后,他通过一个“放大器之王”的比喻,来解释这些特性如何使得运放成为一个强大的信号处理单元。接着,他并没有直接给出同相放大器、反相放大器等经典电路,而是先从“信号的加减”这个基本功能出发,引导读者思考如何利用运放来实现这些功能。例如,在讲解反相放大器时,他并非直接给出公式,而是通过一个“负反馈控制”的视角来解释,输入信号通过电阻施加到运放的负输入端,同时输出信号也通过反馈电阻连接回负输入端。这种反馈机制使得运放的虚短特性得到满足,从而实现了对输入信号的精确反转和放大。此外,作者在讲解滤波器的设计时,也充满了创意。他没有只停留在 Butterworth、Chebyshev 等滤波器类型的介绍,而是花了不少篇幅去探讨不同滤波器的“脾气”:Butterworth 滤波器追求“平坦”的通带,就像一个平整的水面;Chebyshev 滤波器则愿意在通带内牺牲一点平坦度,换取更快的滚降速度,如同一个稍微起伏但能迅速到达彼岸的斜坡。他对不同滤波器的频率响应曲线也做了非常细致的图形化分析,并且结合了实际元器件的非理想特性,例如电感和电容的寄生电阻,对滤波器性能的影响。这种贴近实际的讲解方式,让我对模拟电路设计有了更深的体会。

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读完这本《Electric Circuits: A Comprehensive Guide》已经有一段时间了,但书中的某些章节依然在我脑海中挥之不去。特别是关于AC电路的分析部分,作者似乎有意将复杂的概念拆解得更加细腻,比如在讲解RLC串联谐振时,他不仅仅停留在给出公式和推导过程,而是花了大量篇幅去探讨不同参数(电阻、电感、电容)对谐振频率、品质因数以及带宽的影响。我印象最深的是他通过一个精心设计的类比,将谐振电路比作一个正在上下振荡的弹簧系统,其中电感扮演着动能的角色,电容储存着势能,而电阻则代表着能量的耗散。这个类比生动地展现了能量在电感和电容之间周期性转移的过程,以及电阻如何导致能量损耗,使得振荡逐渐衰减。书中还引用了大量的实际应用案例,例如调谐电路在无线电接收中的作用,以及如何利用不同的阻尼系数来控制系统的响应速度。这使得我不再仅仅将谐振看作一个抽象的数学模型,而是能够将其与现实世界的设备联系起来。此外,作者在讲解傅里叶级数展开时,也并非直接给出复杂的数学公式,而是循序渐进地从方波、三角波等基本波形入手,逐步过渡到更复杂的周期信号,并详细解释了如何通过这些基本波形的叠加来逼近原始信号。他对图形化解释的运用也相当出色,通过绘制不同谐波分量的幅度和相位图,直观地展示了信号的组成。总而言之,这本书在AC电路的理论深度和实际应用结合方面做得非常到位,对于想要深入理解AC电路原理的读者来说,绝对是一本值得反复研读的佳作。

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《Digital Circuit Design: Logic and Systems》这本书的独特之处,在于它将数字电路的设计过程,上升到了一个“逻辑游戏”的高度。作者并没有直接灌输逻辑门的功能,而是从“真理的表达”这个哲学概念入手,引导读者理解逻辑电路是如何模拟和实现人类的推理过程的。他将AND、OR、NOT等基本逻辑门比作“决策机器”,例如AND门就像一个“双重确认”的开关,只有当两个输入都为真时,输出才为真。OR门则是一个“选择性开关”,只要有一个输入为真,输出就为真。这种生动有趣的类比,让我对逻辑门的功能有了直观而深刻的理解。在讲解组合逻辑电路时,他并没有直接给出卡诺图的化简方法,而是先从“简化表达”这个角度出发,引导读者思考如何用最少的元件来表达同一个逻辑功能。他甚至还设计了一些“逻辑谜题”,让读者在解决谜题的过程中,自然而然地掌握了逻辑化简的技巧。例如,他会提出一个场景,需要设计一个电路来控制一个指示灯,当满足特定条件组合时指示灯亮起,然后让读者自己去尝试找到最简洁的逻辑表达式。更让我印象深刻的是,在讲解时序逻辑电路时,他并没有立刻介绍触发器和寄存器,而是从“记忆”这个概念入手,探讨数字系统是如何“记住”信息,并且在未来的某个时刻“回忆”起这些信息的。他将触发器比作一个“单次记录仪”,能够记住瞬间的状态;寄存器则是一个“信息库”,能够存储一组数据。他甚至还用一个“接力赛跑”的比喻来解释时序逻辑中的“时钟信号”的作用,时钟信号就像发令枪,确保每个阶段的动作都能在正确的时间完成。这本书让我在享受“玩转逻辑”的乐趣中,掌握了数字电路设计的精髓。

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《Semiconductor Devices: From Physics to Fabrication》这本书在半导体器件领域的讲解,仿佛打开了我对微观世界的一扇新窗户。作者并没有一开始就介绍PN结和MOSFET,而是从“原子世界的奥秘”出发,逐步引导读者理解半导体材料的独特之处。他将原子比作“小小的太阳系”,电子则是围绕原子核旋转的“行星”,并详细阐述了电子在不同能级之间的跃迁是如何产生电导率的。这种宏观到微观的视角,让我对半导体材料的电学特性有了全新的认识。在讲解PN结的形成时,他并没有简单地给出“内建电场”的概念,而是通过一个“移民潮”的比喻来阐述。他将两种不同掺杂的半导体材料比作两个“国家”,电子和空穴则是从“人口过剩”的国家向“人口稀少”的国家迁移的“移民”。这种迁移导致了电荷的重新分布,从而形成了“电场屏障”,阻止了更多的移民。更令我惊喜的是,作者在讲解MOSFET的工作原理时,并没有直接给出“阈值电压”等专业术语,而是从“电场的诱惑”这个角度来解释。他将栅极电压比作一个强大的“磁铁”,能够吸引或者排斥半导体表面的电荷,从而在半导体中形成一个“导电通道”。这种将物理现象拟人化、形象化的讲解方式,极大地降低了理解难度。他还通过大量的实验数据和图表,展示了不同工艺参数对器件性能的影响,例如掺杂浓度、氧化层厚度等,这些都让我对半导体器件的制造过程有了更深的体会。这本书不仅传授了知识,更培养了我对微观世界的好奇心。

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《Electromagnetism: Waves and Fields》这本书在电磁学领域的叙述方式,给我带来了一种前所未有的震撼。作者并没有直接引入麦克斯韦方程组,而是从“看不见的力量”这一神秘的视角切入,引导读者去感受电场和磁场无处不在的影响。他用大量的生动比喻来描述电荷之间的相互作用,例如将电场比作“无形的触手”,能够施加力于其他电荷。在讲解法拉第电磁感应定律时,他并没有直接给出公式,而是通过一个“变化的磁场催生漩涡”的故事来阐述。他将变化的磁场比作一个“正在搅动的湖面”,而感应电动势则如同湖面上产生的“旋转的水流”,能够驱动电流的产生。这种诗意的描述,让我感受到了电磁现象的动态之美。更让我惊叹的是,作者在讲解电磁波的传播时,将电磁波比作“宇宙中的信使”,能够以惊人的速度传递信息。他通过形象化的图示,展示了电场和磁场如何相互激发,形成一个不断向前传播的“能量波”。他还深入探讨了不同电磁波的频谱,例如可见光、无线电波、X射线等,并将其与我们的日常生活紧密联系起来,例如手机通信、医疗成像等。这本书让我不再将电磁学视为一门枯燥的物理学科,而是将其理解为一种能够改变我们认识世界、改造世界的强大力量。

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《Instrumentation and Measurement: Theory and Practice》这本书,在测量科学领域为我打开了一扇充满智慧的大门。作者并没有一开始就介绍各种测量仪器,而是从“认识世界的基本途径——测量”这一宏大的哲学命题出发,引发了我对测量本质的思考。他将测量比作“用精确的尺子去丈量客观世界的尺度”,强调了测量结果的准确性和可靠性对于科学研究和工程实践的重要性。在讲解测量误差的产生时,他并没有直接罗列误差类型,而是通过一个“不完美的侦探”的比喻来阐述。他将测量过程比作一次侦探破案,而测量误差则是侦探在收集证据过程中可能遇到的各种“干扰”和“误判”,例如仪器本身的局限性、环境因素的干扰以及操作人员的疏忽。这种生动的类比,让我对误差的来源有了更深刻的理解。更令我欣喜的是,作者在讲解不同测量方法和仪器时,都非常注重其“背后的原理”。例如,在介绍电压表时,他并非仅仅说明其测量电压的功能,而是深入探讨了其内部的电流表和分压电阻如何协同工作,来实现电压的精确测量。他还讲解了如何通过选择不同量程的测量仪器,以及如何进行多点测量和数据平均来提高测量精度。书中还包含了大量的实际案例,例如在工业生产中如何利用自动化测量系统来监控产品质量,在科学实验中如何利用高精度仪器来验证理论模型。这本书让我意识到,测量不仅仅是记录数字,更是理解和控制世界的关键。

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