具体描述
本书是根据《高等工科院校物理实验课程教学基本要求》编写的。全书系统地介绍了与大学物理实验有关的实验数据处理知识，一些常用的仪器设备的原理和使用方法，以及一些常用的基本测量方法；并按不同层次编排了18个基础实验，12个综合实验、5个设计实验和3个计算机模拟实验；还介绍了国内外部分著名的物理实验室及相应的WWW网址。
本书各章节的内容和实验既相对独立，又相互配合，且循序渐进，可作为高等工科院校、高等职业学校和高等专科学校工科各专业的大学物理实验课程的基本教材。
现代控制理论基础与应用 图书简介 本书旨在系统性地介绍现代控制理论的核心概念、数学工具及其在工程实践中的广泛应用。全书内容组织严谨，逻辑清晰，力求在理论深度与工程实用性之间取得最佳平衡。特别适合作为高等院校自动化、电子信息工程、机械工程及相关专业本科高年级学生、研究生及工程技术人员的教材或参考书。 第一部分：线性系统状态空间表示与分析 本部分首先回顾经典控制理论的基础，并引出现代控制理论的基石——状态空间方法。我们详细阐述了线性定常（LTI）系统的状态空间描述形式，包括状态向量、状态方程和输出方程的定义。重点讨论了如何从物理结构或传递函数模型推导出规范的状态空间表示。 1.1 状态空间建模与变换： 深入探讨了相似变换（Similarity Transformations）在简化系统模型中的作用。详细介绍了对角化、若当标准型（Jordan Canonical Form）等核心概念，并展示了如何利用这些变换来理解系统的固有特性。我们不仅停留在理论推导，更通过实例说明了选择合适的状态变量对系统分析的重要性。 1.2 系统解的分析： 详尽阐述了状态转移矩阵（State Transition Matrix）的求解方法，包括基于拉普拉斯变换、矩阵指数和级数展开的计算技巧。我们清晰地推导了系统的零输入响应和零状态响应，并引入了系统的能控性（Controllability）和能观测性（Observability）的概念。针对这两个核心属性，我们系统地介绍了判别准则，如卡尔曼判别矩阵（Kalman Rank Test），并讨论了这些属性对控制器和观测器设计的基础性影响。 第二部分：反馈控制设计 现代控制理论的核心在于利用状态反馈来实现期望的系统性能。本部分专注于状态反馈控制器的设计，这是现代控制工程中最直接有效的技术之一。 2.1 极点配置（Pole Placement）： 详细讲解了利用全状态反馈实现任意给定稳定性要求的极点配置技术。我们基于 Ackermann 公式和零极点概念，清晰地阐述了如何计算所需的反馈增益矩阵 $mathbf{K}$。此外，还讨论了当系统不可完全控制时，极点配置的局限性以及如何处理次优化的控制目标。 2.2 状态观测器设计： 鉴于实际应用中传感器获取的往往是输出信息而非所有状态信息，状态观测器的设计至关重要。我们引入了 Luenberger 观测器，详细推导了其结构和增益设计方法。通过对观测器误差动态的分析，我们展示了观测器增益的选择如何影响误差收敛速度和系统的整体稳定性。特别地，基于可观测性理论，我们证明了观测器设计与极点配置之间的分离原理（Separation Principle），这是现代控制理论的里程碑式成果。 2.3 估计与补偿： 在不可避免存在噪声和模型不确定性的情况下，我们引入了更鲁棒的估计方法，如卡尔曼滤波器（Kalman Filter）的理论基础和基本结构。虽然本书侧重于确定性控制，但对卡尔曼滤波器的介绍为读者理解随机系统控制提供了桥梁。 第三部分：线性二次型调节器（LQR）与最优控制 当系统的性能指标要求用二次型性能指标函数来描述时，最优控制理论提供了系统化、全局最优的解决方案。LQR是工程中最常用的最优控制方法。 3.1 最优控制概述： 介绍了最优控制的基本思想和性能指标函数的构建，特别是二次型代价函数 $mathbf{J}$ 的形式。 3.2 LQR 控制器设计： 详细推导了连续时间 LQR 的最优反馈增益 $mathbf{K}$ 的求解过程，核心是求解代数黎卡提方程（Algebraic Riccati Equation, ARE）。我们不仅给出了求解 ARE 的数值方法，还探讨了 ARE 解的存在性和唯一性条件。通过与极点配置的对比，凸显了 LQR 在权衡性能和控制努力方面的优势。 3.3 补偿器设计： 结合 LQR 状态反馈和最优状态估计（卡尔曼滤波），介绍了最优状态估计与反馈控制相结合的 LQG（Linear Quadratic Gaussian）控制器结构，展示了如何构建一个在噪声环境中表现卓越的闭环系统。 第四部分：非线性系统的基础分析与反馈线性化 现代工程系统日益复杂，非线性因素不可忽视。本部分对非线性系统的分析方法进行了导论性的介绍，并重点阐述了反馈线性化这一强大的设计工具。 4.1 非线性系统基础： 引入了非线性系统的基本描述，如李雅普诺夫稳定性分析（Lyapunov Stability Theory）的直接法和间接法，特别是李雅普诺夫函数的构造在判断非线性系统稳定性时的关键作用。 4.2 反馈线性化： 详细介绍了微分几何在控制理论中的应用基础，如流（Flow）、李括号（Lie Bracket）和可积性条件。重点讲解了利用微分同胚变换和状态反馈，将一般的非线性系统转化为线性系统的过程，包括输入-输出线性化和状态反馈线性化。我们通过具体的算例演示了如何计算必要的微分算子和反馈增益，从而实现对非线性系统性能的精确控制。 结语 全书贯穿了“从模型到分析再到设计”的清晰脉络。每一章的理论推导后都辅以工程实例，帮助读者将抽象的数学概念与实际工程问题紧密联系起来。本书强调了状态空间方法的普适性，为读者构建了一个坚实的现代控制理论框架，是深入研究先进控制技术（如鲁棒控制、自适应控制等）的必要铺垫。书中包含丰富的习题，旨在巩固读者对核心概念的理解和设计技能的掌握。
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