具体描述
本书由教育部高等教育司推荐，是国外优秀信息科学与技术系列教学用书。本书除介绍数字信号处理的基本理论外，还包括数字信号处理的另外两个重要分支——自适应信号处理(ASP)和数字图像处理(DIP)。按照经典数字滤波至自适应滤波的扩展，一维概念至二维概念的扩展，作者有机地将DSP、ASP和DIP三方面的理论结合在一起，构成了一本体系完整的教材。本书概念清晰，数学推导形式简单却又不失严谨，并且引入了国际上流行的用于科学计算的MATLAB语言。同时，本书还包含了丰富的例题和大量综合性的习题和上机练习题，便于教学或自学，适合作为电类专业本科高年级和研究生教材，对相关专业技术人员也不失为一本有益的参考书。
现代控制系统理论与实践 内容简介 本书旨在全面、深入地阐述现代控制系统的基本原理、分析方法和设计技术，并结合工程实践，为读者提供扎实的理论基础和应用能力。内容涵盖经典控制理论的扩展与深化，以及现代控制理论的核心概念，特别侧重于状态空间方法在复杂系统建模、分析与控制中的应用。 第一部分：控制系统的基础与经典回顾 本部分首先回顾了反馈控制系统的基本概念、结构和重要性，为后续的高级内容打下基础。重点在于系统时间响应分析、频率响应分析以及稳定性判据的深入探讨。 1.1 系统描述与基本概念 详细介绍了线性时不变（LTI）系统的数学描述，包括微分方程、传递函数以及框图表示法。深入探讨了系统的动态特性，如暂态响应、稳态误差、超调量、调节时间和阻尼比等关键性能指标的工程意义。 1.2 时域分析与性能指标 深入分析了单位阶跃和单位脉冲输入下的系统响应。对于二阶系统的分析进行了详细推导，揭示了阻尼系数与自然频率对系统行为的决定性影响。引入了闭环系统的误差分析，讲解了如何通过增加积分环节（如PID控制器的I部分）来消除稳态误差。 1.3 频域分析与经典设计 重点阐述了频率响应分析法，包括伯德图（Bode Plot）、奈奎斯特图（Nyquist Plot）的绘制与应用。详细讲解了利用频率响应图判断系统稳定裕度（相位裕度和增益裕度）的方法。在此基础上，系统地介绍了经典控制器（PID、超前滞后补偿器）的设计流程，包括根轨迹法在控制器参数整定中的应用，确保系统满足预定的时间域性能要求。 第二部分：状态空间法与现代控制理论核心 本部分是全书的重点，系统地引入了状态空间表示法，这是现代控制理论的基石，能够有效地处理多输入多输出（MIMO）系统和复杂的非线性系统（在线性化前提下）。 2.1 状态空间表示 详细介绍了状态变量的选择、状态方程的建立过程。重点讨论了系统的可控性（Controllability）和可观测性（Observability）理论。通过卡尔曼可控性矩阵和可观测性矩阵的秩判据，明确了系统进行状态反馈设计和状态观测器设计的前提条件。 2.2 线性系统的解与稳定性 推导了线性定常系统的状态转移矩阵 $Phi(t)$ 的计算方法，包括利用拉普拉斯逆变换和凯莱-哈密顿定理。深入讨论了李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性理论，这是判断非线性系统稳定性的主要工具。详细阐述了利用李雅普诺夫第一法（直接法）和第二法（间接法）进行稳定性分析的步骤和局限性。 2.3 极点配置与状态反馈 系统阐述了状态反馈控制器的设计原理——极点配置（Pole Placement）。通过Ackermann公式等方法，详细展示了如何通过选择合适的状态反馈矩阵 $K$ 将闭环系统的极点放置在 s 平面的期望位置，以达到期望的动态性能。讨论了当系统不可控时，如何利用可控子系统进行部分极点配置。 2.4 状态观测器设计 针对无法测量所有状态变量的情况，系统讲解了最小阶和全阶状态观测器（State Observer）的设计。重点介绍了Luenberger观测器的构造原理，以及如何通过选择观测器增益 $L$ 来保证观测误差的快速收敛，从而实现对系统状态的有效估计。 第三部分：现代控制理论的高级主题与应用 本部分拓展到更复杂的控制问题，包括最优控制和鲁棒控制的基础概念。 3.1 最优控制基础：LQR 控制器 引入了最优控制的概念，目标是在满足系统约束的同时，使性能指标函数（代价函数）最小化。重点讲解了线性二次型调节器（LQR）的设计方法。通过求解黎卡提方程（Riccati Equation），推导出最优状态反馈矩阵 $K^$，使得系统在二次型性能指标下达到最优性能。 3.2 模态分解与解耦控制 对于 MIMO 系统，本章探讨了如何利用状态变量变换，将复杂的耦合系统分解为一系列独立的单输入单输出（SISO）子系统，实现模态分解。基于分解后的系统，可以分别设计控制器以实现控制目标，从而简化多变量系统的设计过程。 3.3 控制系统工程实现 讨论了离散时间系统的控制理论。从 Z 变换出发，分析了数字控制系统的时域和频域特性。详细介绍了如何将连续时间系统的控制器（如 LQR 或 PID）通过零阶保持器（ZOH）等方式转化为离散时间控制器，并讨论了采样周期的选择对系统性能的影响。 3.4 鲁棒性分析初步 简要介绍了现代控制系统在面对模型不确定性和外部扰动时的鲁棒性问题。通过对增益裕度和相位裕度的重新审视，引出 $mu$ 综合等先进鲁棒控制设计的概念，强调工程设计中必须考虑实际工况的波动性。 总结 本书内容结构严谨，从基础理论到前沿技术层层递进。通过大量的数学推导和工程案例分析，帮助读者深入理解现代控制系统设计背后的物理意义，并掌握使用状态空间方法分析和设计复杂动态系统的能力。本书适合作为高等院校自动化、电子信息工程、航空航天等相关专业本科高年级及研究生的教材或参考书。
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