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出版者:人民邮电出版社

作者:辜志烽

出品人:

页数:219

译者:

出版时间:2006-5

价格:23.00元

装帧:

isbn号码:9787115143488

丛书系列:

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《现代控制理论基础》 本书旨在为读者构建一个扎实的现代控制理论知识体系，深度剖析经典控制理论的局限性，并引领读者走向更广阔、更精密的控制领域。全书从基础概念入手，层层递进，旨在帮助读者理解和掌握现代控制理论的核心思想、分析方法和设计工具。 第一章 绪论 本章首先回顾了经典控制理论的发展历程及其在工业自动化中的重要贡献，同时也指出了其在处理高阶、多变量、时变、非线性系统时所遇到的瓶颈。在此基础上，清晰地阐述了引入现代控制理论的必要性和优越性，强调了状态空间方法的强大之处，它能够更全面、更准确地描述系统动态特性。最后，简要介绍了本书的整体结构和学习路径，为读者后续的学习打下思想基础。 第二章 状态空间方法 本章是现代控制理论的基石。我们将深入讲解什么是状态变量，以及如何选取合适的状态变量来全面表征系统的动态行为。重点在于推导线性定常系统的状态方程和输出方程，并详细阐述如何将物理系统的数学模型转化为标准的状态空间形式。读者将学习到如何从系统的微分方程、传递函数等不同描述形式中提取状态空间表示。此外，本章还将介绍连续时间系统和离散时间系统的状态空间表示，为后续的系统分析和设计奠定基础。 第三章 线性定常系统的时域分析 本章将聚焦于利用状态空间方法对线性定常系统进行时域分析。我们将详细介绍系统的可控性和可观测性概念，这是现代控制理论中判断系统能否被完全操纵以及能否被完全估计的关键。通过各种判据（如秩判据、李雅普诺夫判据）的推导和应用，读者将能够系统地评估系统的可控性和可观测性。接着，我们将深入探讨李雅普诺夫稳定性理论，从不同角度（直接法、间接法）分析系统的稳定性，理解线性系统渐近稳定、指数稳定以及不稳定的充要条件。最后，介绍一些常用的时域性能指标，并分析状态反馈对系统动态响应的影响。 第四章 线性定常系统的频域分析与设计 尽管现代控制理论以状态空间方法为主，但频域分析在理解系统性能和鲁棒性方面仍具有不可替代的作用。本章将介绍如何从状态空间表示推导出系统的传递函数矩阵，并讨论多输入多输出（MIMO）系统的传递函数矩阵的意义。在此基础上，我们将复习和深化关于奈奎斯特稳定性判据、根轨迹法等经典频域分析工具，并探讨如何将它们与状态空间方法相结合。重点将放在频率响应分析，包括如何通过波特图、尼科尔斯图等工具来评估系统的带宽、相位裕度、幅值裕度，以及如何根据这些指标来设计控制器以满足特定的性能要求，如速度、精度和稳定性。 第五章 系统反馈与状态估计 本章的核心是状态反馈和状态估计。我们将详细讲解如何设计状态反馈控制器，以实现对系统性能（如极点配置）的任意改变。读者将学习到使用阿克曼公式和极点配置算法来设计状态反馈增益矩阵。然而，在实际应用中，并非所有状态变量都能直接测量。因此，本章将引入状态观测器（状态估计器）的概念，介绍卡尔曼滤波作为一种最优状态估计方法，以及李雅普诺夫状态观测器等其他常用方法。通过状态观测器，我们可以在只测量部分输出的情况下，估计出系统的所有状态变量，从而实现基于状态反馈的闭环控制。 第六章 PID控制器及其现代改进 PID（比例-积分-微分）控制器因其简单高效、易于实现而在工业界得到广泛应用。本章首先回顾PID控制器的基本原理、结构以及参数整定的常见方法（如Ziegler-Nichols方法）。在此基础上，我们将深入探讨PID控制器的局限性，如对系统变化和噪声的敏感性。随后，本章将重点介绍现代PID控制器设计方法，包括如何利用现代控制理论的工具（如模型预测控制的思想、自适应控制的思想）来改进PID控制器的性能。例如，我们将介绍增量式PID、模糊PID、自适应PID等，以及它们在克服传统PID缺点方面的优势。 第七章 离散时间系统分析与设计 随着数字控制技术的飞速发展，离散时间系统在现代控制工程中占据了越来越重要的地位。本章将介绍离散时间系统的状态空间表示、传递函数表示。重点在于离散时间系统的稳定性判据，如零度角判据、单位圆判据等。读者将学习如何分析和设计离散时间系统的控制器，包括离散时间系统的极点配置以及数字PID控制器的设计。本章还将介绍零阶保持器的概念，以及它在连续时间系统数字实现中的作用。 第八章 模型预测控制（MPC） 模型预测控制（MPC）是一种先进的预测控制策略，在处理约束条件、多变量系统以及非线性系统方面表现出色。本章将详细介绍MPC的基本原理，包括预测模型、滚动优化和反馈校正。我们将阐述MPC如何利用系统的模型来预测未来的输出，并在约束条件下，通过求解一个优化问题来确定未来的控制序列，最终只施加第一个控制输入。本章将介绍线性模型预测控制（LMPC）以及非线性模型预测控制（NMPC）的基本框架，并讨论MPC在实际应用中的挑战和解决方案，如计算复杂度、模型精度等。 第九章 机器人与自动控制系统实例分析 本章通过一系列具体的工程实例，将前面章节所学的理论知识融会贯通，加深读者对现代控制理论在实际应用中的理解。我们将分析工业机器人轨迹跟踪控制、无人飞行器姿态稳定控制、汽车巡航控制系统等典型应用。通过这些实例，读者将能够看到如何将系统建模、状态空间表示、控制器设计、状态估计等理论方法应用于解决实际问题，并理解不同控制策略在不同场景下的适用性。 第十章 鲁棒控制与自适应控制初步 本章将为读者打开更高级的控制理论之门。鲁棒控制旨在设计能够容忍系统模型不确定性和外部扰动的控制器。我们将介绍H-无穷控制和L-1控制的基本思想，以及它们在提高系统鲁棒性方面的作用。自适应控制则致力于设计能够根据系统参数变化或未知模型动态自动调整控制策略的控制器。本章将介绍自适应PID控制、李雅普诺夫自适应方法等基本概念，为读者后续深入研究打下基础。 本书力求理论与实践相结合，通过清晰的讲解、丰富的例子以及严谨的推导，帮助读者掌握现代控制理论的核心技术，为进一步学习更前沿的控制理论和解决复杂的工程问题提供坚实的理论支撑。

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我发现这本书在内容的广度上也做了非常出色的平衡，它既不偏废基础，也不排斥前沿。在电磁兼容性（EMC）和信号完整性（SI）这些偏向系统层面的内容上，它也给予了足够的关注，这让我感到非常惊喜。毕竟很多教科书在基础理论讲完后，就戛然而止了。但这本书却进一步探讨了PCB布局设计中诸如地线处理、电源分配网络设计这些“软科学”的关键点。例如，书中对于“跨越分割线”的后果分析得极其到位，用生动的比喻说明了高频信号在不恰当的走线中是如何产生串扰和辐射的。这些内容读起来完全不像是在读一本传统的理论教材，更像是在阅读一本资深工程师的经验总结和“避坑指南”。它教会我的不仅仅是如何让电路“能用”，更是如何让电路“好用”、“稳定可靠”，这种对工程实践的重视程度，是这本书区别于其他同类书籍的显著标志，极大地拓宽了我的视野。

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我花了大量时间去研究其中关于半导体器件的那一部分，尤其是晶体管的运用。这本书在解析PN结、二极管特性曲线时，处理得极为细致，没有为了追求速度而跳过那些关键的物理基础。更值得称赞的是，它没有仅仅停留在理想化的模型讨论上，而是深入探讨了实际工作状态下，温度、频率变化对器件性能的影响，这对于我们这些希望未来从事硬件设计的人来说，是至关重要的一环。书中对于不同类型的晶体管，无论是双极性还是场效应管，都提供了详尽的选型指导和应用电路案例，从最简单的开关电路到基础的放大电路，每一步的公式推导都清晰可见，没有那种含糊其辞或者直接给出结论的做法。我特别喜欢它在每个章节末尾设置的“动手实践建议”，虽然我手头没有复杂的实验设备，但光是根据书里的提示去搭建简单的面包板电路，就已经让我对书本知识有了更深层次的理解，体会到理论与实践之间的那层薄而关键的膜。这种扎实的讲解风格，让人感到非常踏实，仿佛身边有一位经验丰富的工程师在手把手地教导。

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这本书的叙事节奏和内容的深度选择，拿捏得相当到位，它仿佛明白读者的“知识焦虑”——既想学得透彻，又怕陷入无休止的晦涩数学推导中。在讲述数字逻辑部分时，作者采用了非常现代的视角，不仅仅满足于讲解基本的布尔代数和逻辑门，而是很快地过渡到了实际的集成电路芯片应用上，比如锁存器、寄存器和初步的组合逻辑电路设计。最让我印象深刻的是，它对卡诺图化简的讲解，不再是枯燥的图表操作，而是将化简过程赋予了逻辑意义，解释了为什么要这样做，这样做的好处是什么，让那些原本只是技巧性的步骤，一下子变得有“灵魂”了。另外，书中对时序逻辑电路的讲解也十分到位，对触发器的建立时间（setup time）和保持时间（hold time）这两个决定电路稳定性的关键参数，作者给予了足够的篇幅和清晰的图示来阐明，这在很多入门书籍中往往是被一带而过的地方。读完这一块，我对为什么数字电路会“翻车”有了更直观的认识，这是一种从底层原理上建立起来的敬畏感。

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整体而言，这本书的语言风格是那种沉稳而富有启发性的，作者的表达逻辑严密，但又处处流露出对这门学科的热爱。我特别欣赏它在处理一些复杂概念时所采取的“递进式”讲解策略，不会一下子抛出太多的新名词，而是先用一个简单的模型来建立认知锚点，然后逐步增加复杂度，引入干扰因素，最后再进行修正和完善。这就像爬一座山，它不会直接把你带到山顶，而是先带你走平缓的坡地，让你适应高度，当你真正准备好时，才让你去攀登陡峭的岩壁。这本书给我的感觉是，它不仅仅是一本知识的载体，更像是一份长期的学习伙伴，很多地方我第一次读可能只是理解了表面，但隔了一段时间再回头看，总能发现新的、更深层次的含义，这说明作者在内容组织上埋设了足够的深度和层次感，保证了这本书的长期阅读价值和参考性。

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这本书的封面设计得非常抓人眼球，深蓝色的背景映衬着一些复杂的电路图，给人的第一印象就是专业、严谨。我本身对这个领域是抱着非常好奇但又有点敬畏的心态去翻开它的。最初吸引我的是它清晰的章节划分，我记得第一章就深入浅出地介绍了基础的电路定律，那些曾经让我头疼的基尔霍夫定律，在这里通过生动的实例和配图，变得不再那么枯燥难懂。作者在讲解理论概念时，总是能巧妙地结合实际应用场景，比如讲解电阻、电容这些基本元件时，会立刻引出它们在电源滤波、信号耦合中的作用，这种“学以致用”的编排方式极大地激发了我的学习热情。而且，书中的插图质量非常高，不仅仅是简单的原理示意图，还有很多实物图的对比，让我能够直观地将抽象的电路符号与真实世界中的电子元器件联系起来。即便是初学者，也能通过这些详尽的图文并茂的解释，快速建立起对电路工作原理的初步认知框架，而不是停留在死记硬背公式的层面。阅读过程中，我感觉作者是在耐心地引导我从“看热闹”到“看门道”，每一步的衔接都非常自然流畅。

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