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出版者:科学出版社

作者:小林功郎

出品人:

页数:0

译者:崔凤林

出版时间:2002-08-08

价格:20.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030103550

丛书系列:

图书标签:

• 光集成
• 集成光学
• 光子芯片
• 硅光子学
• 微环谐振器
• 光波导
• 光通信
• 光学器件
• 纳米光子学
• 光电路

现代控制理论与应用 书籍简介 《现代控制理论与应用》是一部面向控制工程、自动化、电子信息等相关领域的研究生、高年级本科生以及工程技术人员的权威性教材与参考书。本书系统、深入地阐述了经典控制理论向现代控制理论演进的关键思想、核心数学工具以及在复杂系统工程中的实际应用方法。全书内容覆盖面广，理论深度适中，兼顾了数学的严谨性与工程实践的可操作性。 本书的编写宗旨在于构建起读者对现代控制系统的全面认知框架，使读者不仅掌握线性定常系统（LTI）的频域和时域分析方法，更能理解在多输入多输出（MIMO）、不确定性、非线性等复杂环境下，如何利用现代数学工具实现系统的有效控制。 第一部分：系统建模与状态空间描述 本书伊始，首先回顾并强化了控制系统的基本概念，重点引入了描述复杂动态系统的核心数学语言——状态空间表示法。 第一章 动态系统的数学描述： 详细介绍了常微分方程组在描述物理系统（如机械、电气、热力系统）中的应用。重点讨论了如何将高阶微分方程转化为一阶状态空间方程组。拉普拉斯变换在系统分析中的局限性被指出，为引入状态空间法提供了理论基础。 第二章 线性定常系统（LTI）的状态空间模型： 这是全书的基石。系统地介绍了LTI系统的标准状态空间形式 $dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$ 和 $mathbf{y} = mathbf{Cx} + mathbf{Du}$。深入分析了系统矩阵 $mathbf{A}$ 的结构特性，包括李雅普诺夫（Lyapunov）方程，以及如何通过相似变换保持系统的固有特性（如模态）。本章详尽阐述了系统的能控性（Controllability）与能观测性（Observability）的代数判据（如秩判据），这是设计状态反馈控制器和观测器的前提。 第三章 系统的时间响应与稳定性分析： 状态转移矩阵 $mathbf{Phi}(t) = e^{mathbf{At}}$ 的解析计算方法（包括利用特征分解和Jordan标准型）被细致讲解。稳定性分析方面，本书超越了经典控制的Routh-Hurwitz判据，重点介绍了基于矩阵指数的李雅普诺夫稳定性理论（Lyapunov Stability Theory）。介绍了渐近稳定、指数稳定以及局部稳定等概念，并详细推导了线性系统的渐近稳定性充要条件。 第二部分：现代控制器的设计与实现 基于可控性和可观测性分析，本部分深入探讨了如何设计有效的反馈控制器和状态观测器。 第四章 状态反馈控制器的设计： 重点讲解了极点配置（Pole Placement）技术。详细阐述了如何利用Ackermann公式或其他矩阵秩方法，根据设计要求，确定状态反馈增益矩阵 $mathbf{K}$，使得闭环系统具有期望的动态性能。此外，还引入了输出反馈和部分状态反馈的讨论，并介绍了如何处理系统的输入饱和问题。 第五章 状态观测器的设计： 针对无法完全测量系统状态变量的情况，本章介绍了最小阶和满阶观测器（Observers）的设计方法，特别是Luenberger观测器。观测器设计与状态反馈设计是相互独立的，因此本章推导了观测器增益 $mathbf{L}$ 的确定方法，确保观测误差的动态特性满足要求。本书强调了观测器极点的选择与系统稳定性的关系。 第六章 随机最优控制与状态估计： 针对存在过程噪声和测量噪声的实际系统，本书引入了随机系统理论。核心内容是卡尔曼滤波（Kalman Filtering）的推导和实现。详细阐述了卡尔曼增益的迭代计算过程，以及它如何在均方误差意义下提供系统状态的最优估计。卡尔曼滤波作为现代估计理论的基石，在导航、滤波和数据融合中具有不可替代的地位。 第三部分：最优控制与先进理论 本部分拓展到性能指标的优化问题，这是现代控制理论区别于传统控制的关键所在。 第七章 线性二次型最优控制（LQR）： LQR是最重要的现代控制设计方法之一。本书详细推导了黎卡提方程（Riccati Equation），并证明了其解与最优状态反馈增益 $mathbf{K}$ 的关系。讨论了指标函数中状态权重矩阵 $mathbf{Q}$ 和输入权重矩阵 $mathbf{R}$ 对控制性能（瞬态响应与控制能量消耗）的权衡影响。 第八章 随机最优控制与LQG控制： 本章将最优控制与状态估计相结合，形成了线性二次高斯（LQG）控制律。LQG控制器将卡尔曼滤波器的最优估计器与LQR的最优反馈控制器结合，构成了一个完整的、对噪声鲁棒的控制系统。本书详细论证了分离原理（Separation Principle）在LQG设计中的适用性。 第九章 非线性系统的初步探讨： 认识到大多数实际系统本质上是线性的，本书在最后引入了非线性控制的基础概念。讨论了反馈线性化（Feedback Linearization）的基本思想和局限性，以及全局稳定性分析工具——李雅普诺夫第二法（Lyapunov Second Method）在非线性系统稳定性验证中的应用，为后续深入研究非线性控制打下基础。 本书特色： 1. 理论与工程的紧密结合： 每章均配有丰富的工程实例，从飞行器姿态控制到过程工业的参数调节，展示现代控制工具的强大能力。 2. 数学工具的清晰阐述： 对矩阵理论、特征值分析、傅里叶变换等作为控制理论基础的数学工具进行了必要的铺垫和回顾。 3. 面向实际应用的侧重： 对可控性、可观测性、鲁棒性和最优性等工程关心的核心问题进行了重点阐述和量化设计。 《现代控制理论与应用》旨在培养读者运用系统思维分析、设计和实现复杂动态系统的能力，是构建坚实自动化理论基础的必备读物。

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这本书的行文风格极其严谨，带着一股浓厚的、源自欧洲或北美顶级实验室的学术气息。它的语言是精确的、数学化的，几乎每一个结论都有严密的数学推导作为支撑。我尤其欣赏它在处理**非线性光学效应**，如**四波混频**和**自相位调制**时所展现出的细致入微。作者没有回避这些复杂现象，而是通过**薛定谔方程**的近似解来指导读者理解器件的极限工作点。但这种严谨性也带来了阅读上的挑战——它几乎不提供任何“讲故事”式的背景介绍。例如，谈到**光子晶体腔**时，它直接进入了**布洛赫波理论**的讨论，对于不熟悉这一概念的读者来说，前几页的内容如同一个黑洞。我发现自己常常需要停下来，对照书中的**傅里叶变换**和**格林函数**的应用，才能真正理解某些特定结构（比如**光子带隙**）是如何被设计出来的。这本书更像是高级工程师的工具手册而非入门教材，它假定读者已经掌握了处理复杂偏微分方程的能力。如果你想知道“为什么”某个设计在理论上可行，这本书会给你答案；但如果你想知道“如何快速上手制作”一个特定原型，你可能需要另一本更侧重实验步骤的书籍。

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我对这本书的评价，更多是基于它在**制造工艺**和**系统集成**层面的描述，这部分内容给我留下了极其深刻的印象。书中的章节详细阐述了**SOI（硅基光子学）**平台从晶圆到最终封装的全流程，特别是对**光刻技术**在纳米尺度下对器件性能的影响进行了深入剖析。我特别关注了**热光效应**和**电光调制器**的性能指标对比，作者并未简单地罗列数据，而是结合了实际的**传输线模型**来解释为什么在高速应用中，需要采用更复杂的调制架构来克服色散和损耗。书中对**光电混合集成**的展望部分，虽然措辞相对谨慎，但其对**光通信链路的功耗预算**和**散热管理**的讨论，非常务实且具有前瞻性。我曾尝试将书中的一些设计理念代入到我目前熟悉的电子系统优化中去思考，发现很多底层逻辑是相通的，比如对**寄生参数**的最小化追求。美中不足的是，对于面向消费电子领域应用的**低成本、大批量生产**的挑战，书中提及较少，更多聚焦于高性能数据中心级别的应用，这使得一部分对“光制造经济学”感兴趣的读者可能会感到意犹未足。整体而言，这本书在工程实践的细节上，提供了极高的参考价值。

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这本书的组织结构呈现出一种极强的**模块化**特性，这对于检索特定信息非常方便。我可以跳到任何一个我感兴趣的器件章节——无论是**马赫-曾德尔调制器（MZM）**还是**光电探测器阵列**——并获得关于其**物理限制**和**性能瓶颈**的全面概述。我特别赞赏作者在每个器件介绍末尾设置的“未来挑战与发展趋势”小节，这为我了解领域前沿提供了清晰的路线图。例如，在讨论**光电探测器**的带宽极限时，书中清晰地指出了**载流子漂移速度**和**RC延迟**的制约，并展望了**雪崩光电二极管**在集成化过程中需要克服的噪声问题。这种将理论分析与实际工程限制紧密结合的叙事方式，极大地提高了阅读的效率。我发现，与其他侧重于理论推导的经典教材相比，这本书更像是为已经明确了研究方向的工程师准备的“高级参考手册”。它很少浪费篇幅在基础概念的重复上，而是迅速深入到核心技术的优化层面。虽然结构清晰，但对于初次接触这个领域的读者而言，其信息密度仍然需要时间消化，但对于有经验的专业人士来说，这正是一本可以随时翻阅、快速定位关键信息的宝典。

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这本关于**光集成器件**的书籍，从一个完全跨学科背景的读者的角度来看，简直是一场信息密度极高的奇幻漂流。我必须承认，当我翻开第一页时，我对“光子学”的认知还停留在中学物理课本里关于光的折射和反射的简单概念上。因此，最初的几章，特别是关于**半导体材料的能带结构**如何与光波导的特性耦合那一块，对我来说如同阅读天书。作者似乎默认读者已经对量子力学和固体物理有了扎实的了解，上来就直奔**异质结激光器**的内部构造和**量子效率**的计算公式。我不得不频繁地查阅旁边的参考书，试图理解**有效折射率**和**模式耦合**这些术语背后的物理实在。尽管学习曲线陡峭得像是垂直攀岩，但当读到**片上集成滤波器**如何通过精确控制光程差来实现频率选择时，那种“啊哈！”的顿悟感是无与伦比的。书中的图示非常精美，尤其是**螺旋波导**和**微环谐振腔**的三维渲染图，即便是对物理细节不甚明了的我也能感受到其设计的巧妙与复杂性。然而，对于初学者而言，缺乏一个循序渐进的“光子学入门”章节，使得前三分之一的内容更像是一本面向博士研究生的综述，而不是一本面向广泛工程读者的教材，这在一定程度上削弱了其作为工具书的普及性，但也恰恰体现了其专业领域的深度。

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从一个**光学传感**应用研究者的角度来看，这本关于**光集成器件**的著作，最吸引我的部分在于它对**传感接口**的独特视角。书中专门辟出章节讨论了如何将**表面等离子体共振（SPR）**结构与硅光平台结合，以实现高灵敏度的生物分子检测。我对其中关于**片上传感器的灵敏度标定**和**环境噪声抑制**的讨论非常感兴趣。作者提出了一种基于**多模干涉耦合器（MMI）**的自补偿方案，用以消除温度波动对相位测量的干扰，这种巧妙的“消偏”设计令人拍案叫绝。我过去依赖的很多传感系统都是基于分立元件搭建的，体积庞大且易受振动影响。这本书清晰地展示了集成化如何解决这些顽疾。然而，在**生物兼容性**和**流体控制**方面的讨论略显单薄。例如，在集成生物芯片的设计中，如何有效应对溶液中的气泡或蛋白质的非特异性吸附，这些工程难题，书中只是点到为止。尽管如此，它为我们提供了坚实的“光子核心”设计蓝图，剩下的系统集成挑战，读者或许可以自行填充，这本书无疑是提供了最坚固的基石。

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