LINEAR CONTROL SYSTEMS(中图) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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isbn号码:9780071128476

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• 控制系统
• 线性控制
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• 现代控制
• 反馈控制
• 系统分析
• 系统设计
• MATLAB控制
• 中图出版社
• 工程控制

现代控制理论基础与应用 本书系统深入地探讨了现代控制理论的基石与核心概念，旨在为读者构建一个坚实而全面的分析和设计控制系统的知识框架。全书内容围绕经典的线性时不变（LTI）系统展开，并逐步引入更复杂的动态系统行为分析方法。 第一部分：线性系统的时域分析与建模 本部分聚焦于线性系统的基本描述和时域响应特性。我们从描述系统行为的数学模型入手，详述了常微分方程（ODE）在描述物理系统，特别是机电一体化和电气系统中的应用。重点讲解了状态空间表示法（State-Space Representation），这是现代控制理论的基石。读者将学习如何将高阶微分方程转化为一阶状态空间模型，并理解状态向量、状态转移矩阵的物理意义。 深入分析了系统的基本性质，如可控性（Controllability）和可观测性（Observability）。通过引入卡尔曼（Kalman）行列式，读者将掌握判断一个系统是否可以通过输入完全驱动到任意状态，以及是否可以通过输出信息完全恢复系统内部状态的理论工具。这对于系统设计的可行性评估至关重要。 时域性能指标得到了详尽阐述，包括系统的稳定性（Stability）分析，特别是李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性的概念和应用。对于单位阶跃输入下的瞬态响应，本书详细分析了一阶和二阶系统的典型响应特性，如超调量、上升时间、调节时间和稳态误差，并给出了这些性能指标与系统特征根位置的精确关联。 第二部分：线性系统的频域分析与经典控制 虽然现代控制偏重状态空间，但经典控制理论在系统分析和初步设计中仍具有不可替代的地位。本部分回顾并深化了频域分析方法。傅里叶变换和拉普拉斯变换是连接时域和频域的桥梁，本书详尽解析了系统的传递函数（Transfer Function）的推导和性质。 系统频率响应特性的分析是本章的核心。我们利用伯德图（Bode Plot）、奈奎斯特图（Nyquist Plot）等图形工具，直观地展示系统对不同频率输入的反应。特别强调了频率响应与系统稳定性的关系，引入了增益裕度和相位裕度（Gain and Phase Margins）的概念，这些是衡量系统鲁棒性的重要指标。 经典控制器的设计，特别是PID（比例-积分-微分）控制器，被置于系统性能优化的背景下进行讨论。本书不仅提供了PID参数整定（如Ziegler-Nichols法）的实用方法，更重要的是，从现代控制的角度探讨了PID控制在消除稳态误差和改善瞬态响应中的作用机制。 第三部分：现代控制系统设计——极点配置与状态反馈 本部分是本书的精髓，完全基于状态空间模型进行控制器设计。核心思想是利用系统的状态反馈来实现期望的系统动态行为。 极点配置（Pole Placement）技术是本章的起点。通过Ackermann公式或其他方法，读者将学习如何精确地将闭环系统的特征根（即系统极点）放置在复平面上期望的位置，从而达到快速、无超调或特定阻尼比的瞬态响应要求。这依赖于系统必须是完全可控的这一前提条件。 紧接着，本书深入探讨了状态观测器（State Observer）的设计，以解决实际系统中状态变量无法直接测量的难题。详细介绍了Luenberger观测器的设计原理，包括如何通过选择观测器极点来保证估计误差的快速收敛。 最小阶观测器（Minimum-Order Observer）的设计也被涵盖，旨在减少计算复杂度。在确认了状态反馈和状态估计器设计后，本书将两者结合，形成了状态反馈与观测器结合的闭环控制结构（即分离原理，Separation Principle），这是实现全状态反馈控制的实用途径。 第四部分：最优控制与鲁棒性基础 在掌握了基于模型极点配置后，本书进一步迈向最优控制领域，这是现代控制设计的高级阶段。最优控制的目标是寻找一个控制律，使得一个预先定义的性能指标（代价函数，Cost Function）达到最小化。 重点讲解了线性二次型调节器（LQR - Linear Quadratic Regulator）的设计。LQR通过平衡状态误差的平方与控制输入的能量消耗，提供了一种系统化的、基于矩阵代数的方法来确定最优反馈增益。读者将学习如何构造合适的二次型代价函数（Q和R矩阵的选择）以满足工程需求。 最后，本书对现代控制的扩展方向进行了前瞻性介绍，简要讨论了随机系统的基本概念以及鲁棒控制的必要性，即如何设计系统以应对模型不确定性和外部扰动，为读者后续深入研究（如H-无穷控制、$mu$综合等）打下理论基础。 全书穿插了大量的工程实例和案例分析，帮助读者将抽象的数学理论与具体的工程应用联系起来。每章末尾均附有复习题，以巩固对核心概念的掌握。本书旨在培养读者对复杂动态系统的建模、分析、仿真及综合设计能力。

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老实说，这本书的内容给我带来了一种“拨开云雾见月明”的感觉。在接触这本书之前，我对一些控制概念总觉得模模糊糊，知道有这么回事，但不知道为什么。这本书恰恰解决了这个问题。它在讲解频率响应分析时，没有停留在画伯德图、奈奎斯特图，而是深入地解释了这些图谱背后的物理意义，以及它们如何反映系统的动态特性。比如，增益裕度代表了系统在输入信号幅度增加多少后会变得不稳定，而相位裕度则揭示了系统在延迟增加多少后会产生振荡。这让我一下子明白了为什么在实际工程中，工程师们会如此重视这两个指标。书中对根轨迹法的讲解也非常精彩，它不仅仅是教你如何画图，而是让你理解根轨迹是如何随着控制器增益的变化而移动的，以及如何通过调整根轨迹的位置来达到我们期望的系统性能。它甚至会探讨一些非线性系统在近似线性化之后，线性控制理论仍然适用的情况。这本书就像一位循循善诱的导师，一步步地引导你理解控制系统的奥秘。

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这本书的内容，如果我没记错的话，是以一个非常注重理论深度和数学严谨性的角度来讲解线性控制系统。它并没有像一些入门书籍那样，上来就给出大量的具体应用案例，而是花了相当多的篇幅去铺垫基础。比如，在讨论状态空间表示法的时候，作者就详细地推导了各种变换的数学原理，包括李雅普诺夫方程、卡尔曼分解等等，每一个公式的由来和意义都讲解得非常透彻。对于拉普拉斯变换和傅里叶变换在系统分析中的应用，这本书也给出了非常详尽的推导过程，不是简单地告诉你“用这个工具”，而是让你理解“为什么用这个工具，以及它能做什么”。书中关于系统稳定性分析的部分，更是深入到了根轨迹法、奈奎斯特判据、增益裕度和相位裕度的理论基础，而且对这些判据的几何意义和物理意义都做了很细致的解释。如果你对控制理论的底层逻辑和数学推导感兴趣，想把控制系统学得非常扎实，这本书无疑是一个非常好的选择。它可能不会让你立刻学会如何设计一个无人机控制器，但它能让你理解为什么这个控制器需要那样设计，背后有哪些数学原理在支撑。

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这本书给我的感觉是，它在引导读者思考“为什么”而不是仅仅“怎么做”。它没有直接给你“如何调节PID参数”的食谱，而是从系统建模开始，深入到传递函数、零极点分析，然后是稳定性判断。我印象最深刻的是关于系统响应的章节，它没有简单地给出阶跃响应、脉冲响应的图形，而是详细地分析了不同极点位置对系统瞬态响应的影响，比如二阶系统的阻尼比、无阻尼振荡频率这些参数是如何影响超调量、上升时间和调节时间的。然后，它会引导你去思考，当系统存在不确定性或者外部扰动时，我们应该如何设计控制器来保证系统的性能。书中对鲁棒控制的初步探讨，虽然不是全书的重点，但已经触及到了一些非常核心的思想，比如如何应对模型参数的变化或者非线性的影响。这本书的语言风格比较严谨，有时候读起来会觉得有点“硬”，需要你静下心来，一步步地跟上作者的思路。但如果你真的想要构建起一个扎实的控制系统知识体系，理解那些经典的控制理论是如何发展起来的，这本书绝对值得深入研读。

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这本书给我最大的启发在于它对系统分析和综合的整体性视角。它不仅仅是介绍各种控制方法，而是从整体上强调了“建模—分析—综合—仿真”这样一个完整的控制系统设计流程。在建模部分，它可能涵盖了不同类型的系统，比如机电系统、热力系统等等，并介绍了如何将这些物理系统转化为数学模型，例如微分方程组或者传递函数。在分析阶段，它不仅限于稳定性，还包括了系统的能控性、可观测性等重要概念，这些概念对于理解系统状态的内在特性至关重要。到了综合部分，它会介绍一些经典的设计方法，比如PID控制器的基本原理，以及更高级的比如状态反馈控制。但它会告诉你，这些设计方法的前提是基于对系统模型的准确理解。书中可能还有一些关于系统辨识的章节，告诉你如何在不知道系统精确模型的情况下，通过实验数据来估计系统参数。这种从整体流程入手，然后再深入到各个环节的方法，让读者能够更清晰地认识到控制工程的本质。

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这本书最让我印象深刻的地方在于它对先进控制理论的初步介绍，以及对理论与实践之间联系的强调。在讲述经典控制方法之后，它可能会涉及到一些更现代的控制技术，比如模型预测控制（MPC）的一些基本思想，或者最优控制的基本概念，像LQR（线性二次调节器）。它不会把这些内容讲得过于深入，以免超出线性控制系统的范畴，但会让你知道这些更强大的工具的存在，以及它们是如何解决经典方法难以处理的问题的。更重要的是，这本书在很多地方会穿插一些例子，虽然不是那种复杂的工程应用，但会用一些简化的模型来演示理论概念的实际效果。它会告诉你，一个理论上看起来很完美的控制器，在实际实现时可能会遇到哪些问题，比如执行器的饱和、传感器的噪声等等。它会鼓励你去思考，如何将理论知识应用到实际问题中，并提醒你在应用过程中需要注意的细节。总的来说，这本书既有扎实的理论基础，又不乏对实际工程的思考，是一本非常值得深入学习的线性控制系统教材。

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