单片机在电子电路设计中的应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学出版社

作者:赫建国

出品人:

页数:191

译者:

出版时间:2006-5

价格:20.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787302127659

丛书系列:电子电路设计循序渐进系列教程

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现代控制系统设计与实现 导论：面向工程实践的系统思维 本书旨在为读者提供一个全面而深入的现代控制系统设计与实现的技术蓝图。我们超越了传统控制理论的抽象数学推导，聚焦于如何将先进的控制算法有效地转化为可运行、可验证的工程系统。全书结构围绕“分析—设计—仿真—实现”的闭环工程流程展开，强调理论与实践的紧密结合。 第一部分：控制理论基础与现代视角 第一章：系统建模与状态空间描述 本章首先回顾了经典的传递函数方法，并在此基础上引入现代控制理论的核心——状态空间表示法。我们详细阐述了线性时不变（LTI）系统的标准形式、可控性和可观测性分析。重点讨论了物理系统（如机械臂、倒立摆）的精确建模过程，包括如何根据物理定律（牛顿第二定律、欧拉-拉格朗日方程）推导出高阶微分方程，并将其转化为一组一阶线性微分方程组。此外，还引入了非线性系统的局部线性化技术，为后续的非线性控制设计打下基础。 第二章：线性系统性能分析与反馈极点配置 本章深入探讨了系统稳定性、瞬态响应和稳态误差的量化指标。基于状态空间模型，我们详细讲解了反馈极点配置（Pole Placement）的设计方法，包括使用Ackermann公式和矩阵右半平面法。为了解决输出反馈的局限性，本章着重介绍了通过状态反馈实现期望系统动态性能的技术细节。同时，引入了李雅普诺夫稳定性判据，提供了一种不依赖于求解特征方程的普适性稳定性分析工具。 第二章（续）：观测器设计与全阶状态估计 在实际工程中，并非所有状态变量都能直接测量。因此，本章详细阐述了状态观测器的设计，包括 Luenberger 观测器和基于最小二乘原理的卡尔曼滤波器的经典形式。我们提供了详细的观测器增益计算步骤，并讨论了如何通过观测器极点配置来保证状态估计的快速性和准确性。观测器与状态反馈的结合构成了现代控制器的基础结构——“分离原理”。 第二部分：先进控制策略与鲁棒性设计 第三章：最优控制：LQR 设计方法 本章引入了最优控制的概念，核心是寻找在给定性能指标（代价函数）下最优的控制律。我们重点讲解了线性二次型调节器（LQR）的设计，详细推导了代数黎卡提方程（ARE）的求解过程及其在连续时间系统中的应用。LQR 通过权衡控制输入的能量消耗与状态误差的平方和，提供了一种优雅且易于参数调整的鲁棒控制设计方案。 第四章：鲁棒控制导论：H-无穷（$ ext{H}_infty$）控制 针对模型不确定性、参数摄动和外部干扰，本章介绍了鲁棒控制的基本思想。H-无穷控制作为处理不确定性的强大工具被详细阐述。我们构建了加权广义系统，并阐述了如何通过求解一组线性矩阵不等式（LMI）来设计出最小化系统对外部扰动敏感度的控制器。本章侧重于理解 $ ext{H}_infty$ 范数在性能规范中的意义。 第五章：非线性系统控制基础 本章转向实际物理系统普遍存在的非线性问题。我们介绍了反馈线性化（Feedback Linearization）技术，通过巧妙的输入-状态变换，将部分非线性系统转化为线性系统进行控制。随后，我们探讨了滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）的设计原理，特别是其对模型不确定性和外部干扰的强大鲁棒性，以及如何处理和抑制滑模抖振现象。 第三部分：数字化实现与工程应用 第六章：离散时间系统与数字控制器设计 现代控制系统几乎全部依赖于数字计算机实现。本章详细讨论了从连续时间系统到离散时间系统的转化，包括零阶保持器（ZOH）和一阶保持器的采样与保持过程。我们深入分析了离散时间系统的状态空间表示、稳定性判据（如朱里稳定判据），并重新探讨了极点配置和 LQR 在离散域中的实现。 第七章：基于微处理器的控制系统实现架构 本章是连接理论与硬件的关键部分。我们详细描述了一个典型的嵌入式控制系统的硬件架构，包括传感器接口（ADC）、执行器接口（DAC/PWM）、主控单元（MCU/DSP）的选择标准。着重讲解了实时操作系统的作用（如 FreeRTOS 或裸机调度），以及如何确保控制算法的精确采样周期和低抖动执行。 第八章：仿真、调试与系统辨识 控制系统验证离不开有效的仿真和现场调试。本章介绍了使用 MATLAB/Simulink 平台进行系统建模、控制器设计验证和 HIL（Hardware-in-the-Loop）仿真的方法。在系统辨识方面，我们介绍了基于实验数据的参数估计方法，如递推最小二乘法（RLS），以应对无法精确建模的复杂系统。调试部分强调了在现场进行参数在线调优（如 Ziegler-Nichols 法的数字化应用）的步骤和注意事项。 结语 本书的最终目标是使读者能够独立承担从系统物理建模到最终硬件部署的完整控制项目。通过对经典理论的深入理解和对先进算法的工程化实现探讨，读者将建立起坚实的现代控制工程实践能力。

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这本书最大的价值或许在于它提供了一种面向**未来升级**的学习视角，而不是仅仅局限于当前某一特定型号的芯片。虽然书中必然会涉及具体的微控制器型号来进行演示，但作者在架构设计和软件分层上所传授的理念，具有极强的通用性和可迁移性。例如，它反复强调“硬件抽象层（HAL）”的重要性，并展示了如何编写一套相对独立的驱动代码，使得未来更换主控芯片时，核心业务逻辑代码的改动降到最低。这对于职业发展来说是极其宝贵的经验——我们需要的不是学会操作某一个芯片的特定寄存器，而是要掌握一套通用的嵌入式系统设计范式。书中关于模块化编程和版本控制的简单介绍，虽然篇幅不长，但对于引导初学者建立正确的软件工程习惯起到了积极的作用。总而言之，这是一本着眼于培养“架构师思维”而非“代码工人”的优秀读物。

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这本书的案例设计简直是神来之笔，真正体现了“应用”二字。我之前看过的很多资料，案例要么过于简单，要么直接就是照搬 Datasheet 上的示例代码，缺乏实际工程中的那种“脏活累活”。但这本书不同，它收录的那些项目，比如一个简易的数字温度计、一个基于PWM的电机调速系统，甚至是那个稍微复杂点的简易数据采集模块，都非常贴近实际工程中的常见需求。更难能可贵的是，它在介绍每一个项目时，都不仅限于给出最终的程序代码，而是详细拆解了从硬件选型、传感器接口电路设计、到软件驱动实现的全过程。我记得在讲到ADC采样时，作者专门讨论了如何处理共模噪声和量化误差，而不是简单地用`Read_ADC()`函数就带过去了。这种对细节的关注，对于想要从“会写代码”提升到“能设计系统”的读者来说，价值无可估量。它教会我的不仅是技术，更是一种严谨的工程思维，让你在面对实际问题时，能够系统地进行需求分析和模块划分。

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坦率地说，这本书在深入讲解底层机制方面，展现出了令人惊喜的深度，这一点超出了我对一本“应用”类书籍的预期。很多教材往往在讲完基础外设后就戛然而止，但这本书却花了相当的篇幅深入探讨了**实时性**和**可靠性**这两个嵌入式系统设计的灵魂问题。例如，在讲解中断服务程序（ISR）时，它不仅仅是告诉你中断优先级设置的规则，还细致地分析了上下文切换的开销，以及如何通过优化ISR的长度来避免“中断风暴”。对于那些需要设计高可靠性产品的工程师而言，这种对时序和资源竞争的深入剖析是至关重要的。此外，书中对内存管理和堆栈溢出的预防措施也有独到的见解，它用几个生动的例子展示了未受控的指针操作是如何导致系统崩溃的，并通过具体的编程规范建议来规避这些风险。这种对“健壮性”的强调，使得这本书不仅仅停留在“能跑起来”，而是上升到了“能稳定、安全地跑起来”的高度，对于构建工业级或医疗级应用的基础认知非常有帮助。

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这本书简直是为我们这些初入嵌入式领域的新手量身定做的！我最欣赏的是它那种由浅入深、循序渐进的讲解方式。作者显然非常清楚我们这些“门外汉”在学习过程中可能会遇到的那些思维定势和技术难点，所以开篇没有直接抛出复杂的代码或晦涩的理论，而是从最基础的数字逻辑和电路原理开始回顾。比如，它对555定时器、运放等经典电路单元的剖析，就做得极其透彻，每一个参数的取值、每一个工作状态的切换，都配上了清晰的波形图和直观的物理意义解释，绝不是那种冷冰冰的公式堆砌。然后，过渡到微控制器本身时，它并没有急于展示各种花哨的功能，而是花了大量篇幅去解析微控制器内部的存储结构、中断机制和时钟系统。我特别喜欢它在讲解寄存器操作时，不是简单地告诉我们“把这个位设为1”，而是会结合具体的应用场景——比如如何通过配置定时器寄存器来精确控制一个LED的闪烁频率——让你明白“为什么”要这么做。这种将理论与实践紧密结合的叙述方式，极大地降低了初学者的学习门槛，让我感觉自己不是在啃一本枯燥的教科书，而是在一位经验丰富的工程师指导下，一步步搭建起对整个系统的宏观认知框架。

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从排版和可读性来看，这本书的编排风格非常成熟和专业，体现了出版方的认真态度。我特别欣赏它的图表质量。无论是电路原理图还是时序图，线条都清晰锐利，标注准确无误，没有那种印刷模糊不清的低劣感。很多技术书籍为了赶进度，常常会将图示处理得非常粗糙，导致阅读体验极差，但这本书在视觉上传达的信息是高效且准确的。此外，作者在关键术语的引入和重复使用上也拿捏得恰到好处，不像某些翻译过来的书籍那样，同一个概念一会儿用A词一会儿用B词，造成理解上的混乱。这本书的逻辑流非常顺畅，章节间的衔接自然，你读完上一章的知识点，几乎能立刻预感到下一章将要引入哪个新概念来支撑它。这种流畅的阅读体验，让我在连续阅读几个小时之后，也不会感到思维疲劳，这对于学习复杂技术内容来说，是至关重要的一个加分项。

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