Introduction to Signal System and Analysis pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Gopalan, Kaliappan

出品人:

页数:608

译者:

出版时间:2008-5

价格:0

装帧:

isbn号码:9780495244622

丛书系列:

图书标签:

• 信号与系统
• 信号处理
• 系统分析
• 傅里叶变换
• 拉普拉斯变换
• 电路分析
• 通信原理
• 控制系统
• 数学基础
• 工程数学

好的，这是一本名为《现代控制理论基础与应用》的图书简介。 --- 现代控制理论基础与应用 导言：跨越时空的工程智慧 在当今高度依赖自动化和智能系统的世界中，控制理论已成为连接物理世界与数字决策的核心桥梁。从精密制造到航空航天，从能源分配到生物医学工程，一切依赖于精确、稳定且高效的系统运行。本书《现代控制理论基础与应用》正是为系统地阐述这一复杂而迷人的工程学科而编写。 本书的撰写旨在为工程、计算机科学及数学专业的学生和专业人士提供一个全面、深入且实用的学习路径。我们不满足于仅仅停留在基础的线性系统分析层面，而是致力于揭示现代控制理论如何应对现实世界中存在的非线性和复杂性，并引导读者掌握设计和实现鲁棒控制系统的关键工具。 第一部分：经典回顾与向现代的过渡 本卷首先对控制工程的根基进行扎实的梳理。我们从经典的反馈控制思想出发，回顾了频域分析（如波德图、奈奎斯特图）和时域分析（如根轨迹、超调量、稳态误差）的核心概念。然而，本书并未止步于此。 关键的过渡在于状态空间描述的引入。我们详细探讨了如何将高阶微分方程系统转化为一组一阶线性常微分方程组——状态方程。这一转变不仅在数学上实现了统一性，更重要的是，它为后续的现代控制理论奠定了坚实的结构化基础。读者将学习如何从物理系统的结构（质量、弹簧、阻尼器或电路元件）中直接导出状态空间模型，理解状态变量在系统动态行为中所扮演的物理角色。 第二部分：状态空间分析与可控性、可观测性 现代控制理论的基石在于对系统内部状态的精确理解和操纵能力。本部分聚焦于系统结构自身的内在属性：可控性和可观测性。 可控性：我们深入分析了系统的完全可控性判据（如通过卡尔曼可控性矩阵），探讨了在不考虑输入饱和限制的情况下，是否存在一个有限的控制输入序列能够将系统状态从任意初始状态转移到任意目标状态。这不仅仅是一个数学测试，更是对控制系统设计潜力的根本评估。 可观测性：与之对应，我们探讨了系统的可观测性。如果只能通过测量系统的输出信号，我们能否唯一确定系统的内部状态？本书详细阐述了可观测性判据，并引入了观测器设计（如 Luenberger 观测器）的概念。我们不仅展示了如何根据状态空间模型设计观测器来估计不可测量的状态，还讨论了观测器误差的动态特性——误差系统的收敛速度和稳定性，这直接影响了基于状态反馈控制的实际性能。 第三部分：基于状态反馈的极点配置与最优控制 当系统具备了良好的可控性后，下一步就是如何有效地利用控制输入来塑造系统的动态行为。 极点配置 (Pole Placement)：这是现代控制设计中最直观、最有力的技术之一。本书详尽推导了利用状态反馈增益矩阵 $K$ 来配置闭环系统特征多项式的方法。我们将探讨如何通过 $K$ 矩阵来精确地将系统的极点（决定系统响应速度和阻尼特性的关键参数）放置在复平面上期望的位置，以满足瞬态响应和稳定性的要求。此外，我们还将讨论如何处理输出反馈和部分状态反馈的限制。 最优控制与 LQR 设计：现实世界的控制设计往往需要在性能和控制能量（输入幅度）之间做出权衡。最优控制理论为此提供了严格的数学框架。本部分的核心是线性二次调节器 (LQR)。我们详细推导了黎卡提方程（Algebraic Riccati Equation, ARE），并展示了如何利用 LQR 方法设计出在性能指标函数（二次型性能指标）下最优的稳定状态反馈控制器。这部分内容对机器人学、姿态控制等需要精确性能指标约束的领域至关重要。 第四部分：非线性系统与鲁棒性 忽略非线性是经典控制的局限性，而现代控制则必须直面现实世界中普遍存在的非线性。 非线性系统基础：本书介绍了非线性系统分析的基础工具，包括相平面分析法（对于二阶系统）、李雅普诺夫稳定性理论。我们专注于李雅普诺夫稳定性分析，这是判断复杂非线性系统稳定性的普适方法，即便无法找到显式的控制律，也能评估系统的稳定性边界。 鲁棒控制导论：系统的参数总会在制造或运行中存在不确定性。鲁棒控制理论旨在设计出对这些不确定性不敏感的控制器。本书引入了 $ ext{H}_{infty}$ 控制 的基本思想，解释了它如何将控制设计问题转化为一个在最坏情况下的性能优化问题。我们将阐释如何通过设计控制器来限制系统对外部扰动和模型误差的敏感度，从而确保系统在存在不确定性时依然保持稳定和可接受的性能。 第五部分：先进主题：模型预测控制（MPC） 作为现代控制理论在工业界最成功的应用之一，模型预测控制（MPC）被赋予专门的章节来介绍。 MPC 核心思想：MPC 的强大之处在于它能够在每一步控制周期内，利用当前的系统状态信息，基于系统的动态模型，对未来有限时间窗口内的控制输入进行优化计算。本书将详细解析 MPC 的基本结构：在线优化、滚动时域和反馈校正。读者将学习如何构建 MPC 的目标函数和约束条件，并理解它在处理硬约束（如输入饱和、状态限制）方面的天然优势，这使其成为过程控制和复杂机器人路径规划中的首选工具。 总结：理论与实践的融合 《现代控制理论基础与应用》不仅仅是一本数学推导的集合，更是一本强调工程应用的指南。本书在每一章节后都提供了丰富的MATLAB/Simulink 实例，旨在将抽象的数学概念转化为可操作的代码和可验证的仿真结果。通过这些实践环节，读者将能够熟练地对物理系统进行建模、分析、设计控制器，并评估其在实际工况下的表现。本书力求培养读者一种系统的思维方式，即从全局结构出发，精确地设计和调控动态系统的行为。

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