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出版者:

作者:马养武

出品人:

页数:306

译者:

出版时间:2003-3

价格:28.00元

装帧:

isbn号码:9787308022323

丛书系列:

图书标签:

• 光电子学
• 光物理
• 半导体
• 光学
• 电子学
• 材料科学
• 激光
• 光电器件
• 信息技术
• 物理学

好的，以下是一份关于《现代控制理论及其应用》的图书简介，严格遵循您的要求，不提及《光电子学》的内容，力求详实、自然，避免AI痕迹。 --- 现代控制理论及其应用 ——面向复杂系统设计与智能优化的前沿指南 第一版 导言 在当今科技高速发展的时代，从精密制造的机器人手臂到跨越大陆的通信网络，从能源系统的稳定运行到复杂的生物医药过程，所有工程系统的核心挑战都离不开“控制”二字。本书《现代控制理论及其应用》旨在系统、深入地介绍和剖析现代控制理论的基石、前沿进展及其在实际工程问题中的应用策略。它不仅面向控制科学、自动化、电子信息工程等专业的高年级本科生和研究生，也为致力于系统建模、状态估计、优化设计及智能决策的工程师和研究人员提供一本全面且实用的参考手册。 本书的编写立足于严谨的数学基础，同时强调理论与实践的紧密结合，力图搭建起从抽象数学模型到具体工程实现的桥梁。我们相信，对控制系统本质的深刻理解，是实现高精度、高鲁棒性、自适应性系统的关键。 --- 第一部分：理论基石与经典回顾 本部分重点梳理现代控制理论建立的基础框架，为后续的复杂理论学习打下坚实的基础。 第1章 线性时不变（LTI）系统的状态空间表示 本章首先回顾了控制理论从经典的传递函数（频域）视角向状态空间（时域）视角的深刻转变。详细阐述了如何将高阶微分方程系统转化为标准的一阶状态空间模型 $dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$ 和 $mathbf{y} = mathbf{Cx} + mathbf{Du}$。重点分析了系统的可控性和可观测性的严格数学判据（如卡尔曼判据），这是设计有效控制器和观测器的先决条件。此外，还探讨了相似变换在保持系统物理特性的同时，将系统矩阵对角化或约旦标准型化的重要性。 第2章 系统的稳定性分析与李雅普诺夫方法 稳定性是控制系统的生命线。本章深入探讨了李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性理论。除了回顾经典的Routh-Hurwitz判据外，本书的核心篇幅聚焦于李雅普诺夫直接法，即通过构造合适的二次型或非二次型李雅普诺夫函数来判断非线性、甚至不稳定系统的全局或局部稳定性。详细讨论了李雅普诺夫稳定性定理的若干变体，并展示了如何利用此理论来验证控制器的稳定性，例如在Backstepping设计中的应用。 第3章 线性系统的极点配置与可达性设计 极点配置（Pole Placement）是状态反馈控制设计的核心技术。本章详细讲解了通过状态反馈 $mathbf{u} = -mathbf{Kx}$ 来重构系统闭环特征多项式的方法。对于完全可控系统，本章提供了具体的设计流程和数值计算方法。在此基础上，引入了输出反馈控制的设计思想，并探讨了如何利用极点配置与观测器结合的分离原理（Separation Principle），即设计状态观测器与状态反馈控制器相互独立进行，但共同作用于系统。 --- 第二部分：状态估计与最优控制 随着传感器技术的发展和对系统性能要求的提高，状态估计和性能最优性的追求成为现代控制研究的两大支柱。 第4章 状态观测器的设计：从卡尔曼到Luenberger 本章着重于在系统状态无法直接测量时，如何利用系统的输入和输出信息来估计内部状态。首先详细介绍了Luenberger观测器的设计原理，并分析了其对模型误差和噪声的敏感性。随后，本书的重点转向卡尔曼滤波（Kalman Filtering）。卡尔曼滤波作为最小均方误差（MMSE）的最佳线性无偏估计器，其理论推导（包括状态预测和更新两个步骤）被详尽阐述。同时，本书探讨了扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在处理非线性系统状态估计中的应用与局限性。 第5章 线性二次型调节器（LQR） LQR是现代控制理论中实现“最优控制”的里程碑。本章系统性地介绍了二次型性能指标函数的构建，即如何平衡控制输入的幅度和状态误差的大小。核心内容是求解代数黎卡提方程（ARE）以获得最优反馈增益 $mathbf{K}^$。本书提供了ARE的数值求解算法，并深入分析了LQR的根轨迹性质、对系统参数变化的鲁棒性，以及如何通过调整权重矩阵 $mathbf{Q}$ 和 $mathbf{R}$ 来精细化控制性能。 第6章 随机系统与H∞控制 面对真实世界中的不确定性和外部扰动，本章引入了随机过程理论，特别是维纳过程和白噪声。基于这一基础，系统推导了离散时间卡尔曼滤波器。随后，本书转向性能的鲁棒性设计，详细介绍了H∞控制理论。H∞控制的目标是最小化系统对已知界限内外部扰动的最大影响（即$mathcal{H}_infty$范数最小化）。本章重点讲解了求解三角不等式以获得状态反馈或输出反馈的 $mathcal{H}_infty$ 控制器的方法。 --- 第三部分：非线性系统与先进控制方法 现代工程系统（如飞行器、生化反应器）的数学模型往往具有显著的非线性特征。本部分聚焦于处理这些复杂系统的现代技术。 第7章 非线性系统的分析与近似 本章首先介绍了非线性系统分析的基础工具，如相平面法和描述函数法，用于定性分析低阶系统的动态行为。随后，重点阐述了局部线性化技术（泰勒级数展开），这是将非线性系统映射到LTI框架下的关键步骤。此外，还深入探讨了李雅普诺夫间接法和全局李雅普诺夫法在非线性稳定性分析中的强大作用。 第8章 反步法（Backstepping）设计 反步法是设计非线性系统全局稳定控制器的强大工具之一。本章采用“虚拟控制量”的迭代方式，从系统的最后一部分状态开始，逐步设计控制器，确保每一步的引入都能维持系统的全局稳定性。本书通过详细的算例，清晰地展示了反步法如何处理复杂的串联形式的非线性系统，并讨论了其在处理高阶系统时的复杂性。 第9章 智能控制与自适应系统 本部分展望了控制科学的前沿交叉领域。首先介绍了神经网络控制的基础结构，特别是如何利用神经网络的泛化能力来逼近未知的系统动态或控制律。其次，重点讨论了自适应控制的核心思想——控制器参数在线调整以应对模型不确定性或系统发生缓慢变化的情况。详细解析了基于模型的参考自适应控制（MRAC）的设计原理及其收敛性证明。 --- 第四部分：复杂系统与工程实现 第10章 离散时间系统与数字控制 随着数字信号处理器（DSP）的普及，数字控制已成为主流。本章将连续时间系统转换为离散时间系统（Z变换），详细分析了零阶保持器（ZOH）对系统动态的影响。重点讲解了Tustin变换（双线性变换），并探讨了在数字实现中必须考虑的量化误差和采样周期的限制对系统稳定性和性能的影响。 第11章 鲁棒控制与模型预测控制（MPC） 面对模型误差和外部未知的时变扰动，鲁棒控制提供了一种保证性能下限的策略。本章回顾了$mu$分析和结构化奇异值等工具。最后，本书将大量篇幅用于介绍模型预测控制（MPC）。MPC作为一种先进的、具有内置约束处理能力的反馈控制策略，它通过在每个采样时刻求解一个有限时域的最优控制问题来实现前馈和反馈的结合。本书提供了MPC的算法流程、约束处理方法（线性与非线性约束），并展示了其在过程控制和能源管理中的实际应用案例。 --- 总结 《现代控制理论及其应用》致力于提供一个从基础原理到尖端应用的完整知识体系。本书的特点在于其严谨的数学推导、丰富的工程案例分析以及对前沿技术（如MPC和自适应控制）的深入剖析，确保读者不仅能“会用”这些工具，更能深刻理解其“为何有效”和“如何改进”。掌握本书内容，即是掌握了应对二十一世纪复杂工程挑战的核心钥匙。

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