Outlines & Highlights for Modern Control Systems by Richard C. Dorf, ISBN pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:AIPI

作者:Cram101 Textbook Reviews

出品人:

页数:60

译者:

出版时间:2009-12-28

价格:USD 26.95

装帧:Paperback

isbn号码:9781428833791

丛书系列:

图书标签:

• 控制系统
• 现代控制系统
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经典控制理论的深度探索与现代视角：一本聚焦于系统分析与设计的前沿导论 本书旨在为读者提供一个坚实而全面的现代控制系统基础，聚焦于从经典理论到前沿应用的过渡与融合。它不仅仅是一本教科书，更是一份引导工程师和研究人员深入理解动态系统行为、设计高效控制策略的路线图。本书的结构设计旨在逐步提升读者的数学建模能力和对系统特性的直观理解，确保读者能够熟练运用现代控制理论的强大工具来解决复杂的工程问题。 --- 第一部分：系统的基本要素与经典框架的奠基 本部分将读者引入控制系统的核心概念，从物理系统的抽象表示开始，逐步构建起理解动态过程的数学框架。 1. 动态系统的基础建模： 我们从对物理现象（如机械、电气、热力学系统）的描述出发，强调状态变量的选择和其在描述系统动态行为中的关键作用。重点讨论如何使用微分方程（连续时间系统）和差分方程（离散时间系统）来精确刻画系统的瞬态和稳态特性。线性化技术作为连接非线性复杂系统与易于分析的线性模型之间的桥梁，将在本章得到详尽的阐述。 2. 拉普拉斯变换与传递函数（系统频域分析的基石）： 深入剖析拉普拉斯变换在求解线性常系数微分方程中的高效性。传递函数作为系统输入与输出之间关系的代数表示，将被用作分析系统结构、零极点分布以及系统稳定性的核心工具。我们特别关注如何通过传递函数的结构来推断系统的阶数、惯性与响应速度。 3. 时域响应分析与性能指标： 本章侧重于对系统在标准输入信号（如单位阶跃、单位脉冲）作用下的时间响应进行定量评估。系统二阶暂态响应的解析解被用于定义和计算诸如超调量、建立时间、峰值时间以及稳态误差等关键性能指标。这些指标直接指导了控制器的初步设计方向。 4. 系统的稳定性与代数判据： 系统的稳定性是控制设计的前提。本书将严谨地探讨李雅普诺夫稳定性概念。在经典框架下，详细介绍代数稳定性判据，包括Routh-Hurwitz 判据的应用，强调如何仅通过特征多项式的系数来确定闭环系统的稳定性，而无需求解特征根。 5. 根轨迹法（Root Locus）： 根轨迹法被视为一种强大的图形化分析工具，它揭示了系统闭环极点随控制器增益变化的轨迹。本章将详细阐述根轨迹的绘制规则、对系统动态特性的影响分析，以及如何利用根轨迹来指导比例、积分和微分（PID）等基本控制器的参数整定，以满足预设的时域性能要求。 --- 第二部分：现代控制理论的核心——状态空间方法 随着系统复杂性的增加，传递函数方法的局限性逐渐显现（尤其是在处理多输入多输出 MIMO 系统和时间变系统时）。本部分全面转向更具普适性和内在一致性的状态空间表示法。 6. 状态空间表示与变换： 状态空间模型 ($dot{mathbf{x}} = mathbf{A}mathbf{x} + mathbf{B}mathbf{u}$, $mathbf{y} = mathbf{C}mathbf{x} + mathbf{D}mathbf{u}$) 被确立为分析的基础。我们将探讨如何从物理方程或传递函数出发构建状态空间模型，并深入讨论相似变换（Similarity Transformation）在选择对角规范形或约旦规范形中的作用，这对于后续的分析至关重要。 7. 可控性与可观测性： 现代控制设计的基础是系统是否能够被完全控制以及其内部状态是否能够被完全观测。本章将详细介绍卡尔曼可控性矩阵和可观测性矩阵的定义和计算方法。特别强调了可控性和可观测性在设计状态反馈控制器和观测器时的决定性意义。 8. 李雅普诺夫稳定性分析（状态空间视角）： 在状态空间框架下，我们重新审视李雅普诺夫稳定性理论。重点讲解如何构造李雅普诺夫函数来判定系统的稳定性，特别是对于线性定常（LTI）系统的李雅普诺夫直接法，以及如何利用它来验证设计控制器的稳定性。 9. 反馈控制设计：利用极点配置（Pole Placement）： 极点配置是现代控制设计中的基石。本章详细推导了如何通过线性状态反馈 ($mathbf{u} = -mathbf{K}mathbf{x} + mathbf{r}$) 来任意配置闭环系统的极点位置，以达到期望的动态性能。将结合 Ackermann 公式等实用工具进行讲解。 10. 状态观测器设计（Observer Design）： 当系统状态无法直接测量时，需要设计一个观测器来估计状态。本章重点介绍Luenberger 观测器的设计原理，并阐述如何利用系统的可观测性来设计观测器极点，确保状态估计的快速性和准确性。观测器误差系统的设计与稳定性分析将是核心内容。 --- 第三部分：高性能控制与前沿技术 在掌握了基本的状态空间设计方法后，本部分将探讨如何应对更具挑战性的控制目标，如优化性能、处理不确定性以及引入前馈补偿。 11. 引入参考输入：前馈控制与复合控制： 针对需要快速跟踪参考信号（而非零输入）的情况，本章引入前馈控制器的设计，以补偿已知的系统动态。同时，探讨将状态反馈与前馈控制相结合的复合控制结构，实现快速准确的输出跟踪。 12. 线性二次型调节器（LQR）：最优控制的基础： LQR 提供了一种系统化设计状态反馈控制器的方法，它基于优化一个二次性能指标函数（包含状态误差和控制输入的加权）。本章将详细介绍代数黎卡提方程（ARE）的求解，以及如何通过调整权重矩阵 $mathbf{Q}$ 和 $mathbf{R}$ 来平衡性能与控制能量消耗。 13. 估计与控制的结合：卡尔曼滤波（Kalman Filtering）： 真实世界中，测量总是带有噪声。卡尔曼滤波作为最优线性估计器，能够在线融合系统模型信息和带噪声的测量数据，提供最优的状态估计。我们将详细推导卡尔曼滤波器的迭代过程，并讨论其与状态观测器之间的内在联系与区别。 14. 鲁棒性与控制的裕度分析： 现代工程系统不可避免地存在模型不确定性。本章引入了对系统鲁棒性（Robustness）的初步探讨。内容包括频域分析中的增益裕度和相位裕度概念，以及如何利用这些指标来量化系统在面对参数微小变化时的稳定性保证。 15. 非线性控制系统的简介： 鉴于现实世界中大量系统本质上是非线性的，本书最后将对非线性控制进行概述。重点介绍反馈线性化（Feedback Linearization）的基本思想，即通过适当的坐标变换和状态反馈，将非线性系统转化为等效的线性系统，从而应用已有的线性控制技术。 --- 本书的特点在于： 严谨的数学推导与直观的工程解释相结合： 确保读者不仅能“做”，更能“理解”背后的数学原理。 强调建模与分析的统一性： 引导读者在传递函数和状态空间之间灵活切换，掌握不同分析工具的适用范围。 前沿与基础的平衡： 覆盖了从经典设计到最优控制（LQR/卡尔曼滤波）的关键技术，为后续深入研究（如鲁棒控制、自适应控制）打下坚实基础。 通过学习本书，读者将能够独立完成从系统建模、性能分析到控制器（反馈律和观测器）综合设计的全过程，为解决实际工程中的复杂控制问题做好充分准备。

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这本书最让我感到震撼的，是它对“动态”这个核心概念的解构与重塑。它没有把控制系统仅仅看作是一个输入到输出的映射关系，而是将其置于一个连续变化的时间维度中去审视。书中对时间常数、极点配置等概念的讲解，总能抓住事物的本质，让你对系统响应的快慢、震荡的趋势有一个清晰的直观感受。我曾尝试用其他几本更新的教材来对比，但不得不承认，它们在奠定系统思维基础这一环节上，都略逊一筹。这种基础的扎实，使得你在面对更高级的自抗密（H-infinity）或滑模控制等领域时，不会感到无根之木、无源之水。不过，作为一本略显年代的教材，其在涉及现代计算工具的应用时显得力不从心。例如，书中很少提及MATLAB或Python在系统仿真和参数优化中的具体操作流程，这对于习惯于“代码驱动学习”的年轻一代来说，是一个明显的短板。它提供了蓝图，但你得自己去寻找实现这个蓝图的现代化工具。尽管如此，其理论内核的永恒价值，足以让它在任何时代都占有一席之地。

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作为一名工程实践者，我在阅读这类偏理论色彩浓厚的书籍时，总是带着一种审视的态度——这些理论到底能用在什么地方？这本书的价值，恰恰在于它提供了一种扎实的“桥梁”。它不仅仅停留在数学模型的构建上，而是巧妙地将信号处理、系统辨识等领域的知识点有机地串联了起来。特别是对于现代控制中的“估计器”设计部分，该书提供的框架非常具有启发性。它没有直接给出复杂的卡尔曼滤波算法，而是先从信息的获取和不确定性对状态估计的影响入手，这种循序渐进的叙事方式，让读者能更深刻地理解为什么需要这样的工具，而不是仅仅学会如何套用公式。我个人认为，它的章节组织逻辑非常符合工程师的思维习惯，从建立模型，到分析性能，再到设计控制器，每一步都有明确的理论依据支撑。唯一的遗憾是，在涉及非线性系统和数字实现方面，内容略显保守和简略，这使得我们在面对实际工控机（PLC/DCS）编程时，仍需寻找更多偏向应用的参考资料来弥补这一块。

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初次接触这套学习辅助材料时，我最大的感受是它的“贴心”程度远超预期。市面上很多所谓的“精要总结”往往只是对原著内容的简单复述，缺乏真正的提炼和升华，但这一册显然不是。它最出彩的地方在于对复杂概念的“拆解”能力。例如，处理到系统可控性与可观测性时，原著的证明过程往往晦涩难懂，而这里的“高光点”部分，却能用极其简洁的代数推导，辅以直观的几何解释，瞬间点亮读者的思路。我发现自己许多在课堂上听得云里雾里的大段理论，经过这里的梳理后，立刻变得清晰明朗起来。当然，它并非没有缺点，比如在对某些高级的鲁棒控制概念进行简化时，为了追求简洁性，难免损失了一些细节的严谨性，对于志在深入研究的读者来说，可能需要再次翻回原著进行交叉验证。但作为日常复习和快速定位知识点的工具，它的效率是无可匹敌的，简直是期末复习周的“救命稻草”。

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这部经典教材，初捧在手，便觉其分量非同一般，那种严谨的学术气息扑面而来。我花了整整一个学期的时间，才算对书中的基本脉络有了初步的了解。它绝非那种可以轻松翻阅消化的入门读物，而是需要投入大量心神去钻研的硬核之作。尤其是在状态空间表示法这一块，作者的阐述深入浅出，即便对于初学者来说，也能搭建起清晰的理论框架。然而，随之而来的挑战便是那些繁复的矩阵运算和复杂的反馈设计。我记得有一次为了弄懂一个特定的李雅普诺夫稳定性判据，我查阅了至少三本参考书，才最终理清了书本上的推导过程。这本书的优点在于其内容的广度与深度兼备，它不仅涵盖了传统控制理论的精髓，还对现代控制，特别是现代状态空间方法的介绍着墨甚多，为我们后续学习更前沿的自适应控制或最优控制打下了坚实的基础。只是，某些章节的例题设计略显理想化，与实际工程中的噪声和不确定性处理相去甚远，这可能是所有教科书通有的弊病，也留给我们课后实践时需要自行填补的空白。总的来说，这是一部值得反复研读的控制理论基石。

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老实说，我带着一种既期待又有点抗拒的心情打开了这本书。期待是因为听说它是该领域的经典，抗拒是因为这种经典往往意味着厚重的篇幅和晦涩的语言。实际阅读下来，发现它在保持学术权威性的同时，努力在可读性上下功夫，但这种平衡点掌握得并不完美。某些章节的数学推导冗长得让人望而生畏，仿佛作者在刻意考验读者的耐心和毅力。我尤其对其中关于最优控制部分的讲解印象深刻，它把庞特里亚金的最大值原理讲得极其透彻，甚至加入了历史背景的介绍，使冰冷的数学公式有了一丝温度。然而，这种详细的铺陈，也导致了全书的节奏不够紧凑。对于那些只想快速掌握核心控制律设计的读者来说，可能需要大量的“跳读”和“略读”。但如果你是想彻底搞明白“为什么”而不是仅仅知道“怎么做”，那么这本书的每一个细枝末节都值得你细细品味，它像是为你打开了一扇通往控制理论核心思想的大门，尽管这扇门需要你用毅力去推开。

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