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出版者:西南交通大学出版社

作者:孟文

出品人:

页数:164

译者:

出版时间:2007-10

价格:16.00元

装帧:

isbn号码:9787811048179

丛书系列:

图书标签:

• 机械电子工程
• 实验教程
• 机械工程
• 电子工程
• 自动化
• 传感器
• 电路
• 控制系统
• 实践教学
• 高等教育

《现代控制系统设计与应用》 一、本书概述与定位 《现代控制系统设计与应用》是一本面向机电一体化、自动化、电子信息工程等相关专业高年级本科生、研究生及工程技术人员的专业参考书。本书旨在系统、深入地介绍现代控制理论的核心概念、分析方法与先进的设计技术，并强调其在复杂工程系统中的实际应用。 本书的编写立足于理论与实践紧密结合的原则。不同于传统的侧重于基础电路或纯粹理论推导的教材，本书着重于如何利用现代控制理论的工具箱——如状态空间法、鲁棒控制、最优控制、非线性控制等——来解决实际工程中遇到的精确建模、性能优化和抗干扰能力构建等关键问题。我们力求在保证理论严谨性的同时，通过大量的工程实例和仿真分析，确保读者能够将抽象的数学模型转化为可操作的系统解决方案。 二、核心内容模块详解 本书内容结构分为四个主要部分：基础回顾与系统辨识、经典现代控制理论、先进控制技术、以及系统集成与应用。 （一）基础回顾与系统辨识 线性系统理论回顾： 简要重温线性常微分方程组的解法，重点在于系统的能控性、能观测性的判据及其在状态反馈设计中的基础作用。 经典控制的局限性分析： 分析根轨迹、频率响应法等经典方法在处理多输入多输出（MIMO）系统、时滞系统及参数不确定性问题时的内在不足，从而引出引入现代控制理论的必要性。 系统辨识基础： 介绍如何从实验数据中构建数学模型。详细阐述子空间辨识法和基于最小二乘法的参数估计。内容涵盖数据预处理、模型结构选择、模型阶次判断等实际操作环节，为后续的控制器设计提供精确的系统模型输入。 （二）经典现代控制理论框架 状态空间表示法： 这是全书的基石。详细讲解如何将物理系统转化为标准状态空间形式（$dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$，$mathbf{y} = mathbf{Cx} + mathbf{Du}$）。重点分析了模态分析和系统对角化（Jordan标准型）在理解系统动态特性中的作用。 极点配置与状态反馈设计： 深入探讨Ackermann公式在确定状态反馈增益矩阵$mathbf{K}$中的应用，确保闭环系统满足预定的时间响应要求（如阻尼比、过渡时间）。 观测器设计（Luenberger 观测器）： 针对状态变量无法直接测量的工程难题，详细介绍如何设计高速且稳定的状态观测器（如具有极点配置的观测器），实现状态的有效估计。 补偿器设计（PID 提升）： 结合状态反馈的思想，介绍如何设计如动态逆补偿器或PI/PD 补偿以消除稳态误差，并讨论如何利用反馈线性化思想对非线性系统的局部线性化控制进行优化。 （三）先进控制技术前沿 最优控制理论（LQR/LQG）： 详细推导线性二次型调节器 (LQR) 的原理，即如何通过调整性能指标函数（加权矩阵 $mathbf{Q}$ 和 $mathbf{R}$）来平衡控制律的性能与能耗。随后，引入最小方差控制和卡尔曼滤波 (Kalman Filter)，构建 LQG 控制器，实现最优状态估计与最优控制的完美结合，特别适用于存在高斯白噪声的系统。 鲁棒控制基础： 针对模型不确定性（如部件老化、环境温度变化），本书引入 $mathbf{H}_{infty}$ 控制的基础概念。阐释 $S$ 矩阵和 $T$ 矩阵在性能与鲁棒性之间的权衡，指导读者设计在一定误差范围内仍能保持稳定和性能的控制器。 非线性系统控制概述： 简要介绍针对复杂耦合或饱和系统的处理思路，包括反馈线性化的基本思想，以及滑模变结构控制 (SMC) 的基本原理和抖振现象的抑制方法。 （四）系统集成与实际工程案例 本章是本书区别于纯理论教材的关键所在，强调将理论转化为可执行代码的能力。 数字实现与离散化： 详细讲解连续时间系统到离散时间系统的精确转换方法（如零阶保持法和一阶保持法），并分析采样周期对系统稳定性和性能的影响。 软件工具链应用： 结合MATLAB/Simulink平台，展示如何利用 Control System Toolbox 或 Robust Control Toolbox 实现上述所有控制器的设计、参数整定和仿真验证。重点展示如何对一个多轴运动控制系统进行建模、辨识、LQR 设计，并与传统 PID 进行性能对比。 案例研究： 无人机姿态稳定系统： 使用状态空间模型设计基于观测器的姿态保持控制器。 高精度伺服系统： 采用 LQR/LQG 策略，解决快速响应与抗噪声干扰的矛盾。 热力过程控制： 探讨如何使用鲁棒控制方法处理过程中的非线性与参数漂移问题。 三、本书的特色与读者收益 1. 强调模型获取： 显著提高了系统辨识在工程实践中的比重，确保设计基于可靠的物理模型。 2. 深度与广度兼顾： 在系统阐述经典现代控制理论的同时，为读者搭建了通往先进控制如 $H_infty$ 和最优控制的坚实桥梁。 3. 工程化导向： 每一章节的理论推导后，均附有详细的工程实现步骤和仿真验证，帮助读者克服从数学到工程代码的鸿沟。 学完本书后，读者将能够独立完成中等复杂度的机电系统建模、分析、性能指标设定，并熟练运用现代控制理论工具箱设计出满足高动态性能要求的先进控制器。

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