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页数:225

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出版时间:2009-9

价格:23.00元

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isbn号码:9787302197140

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《现代控制理论及其工程应用》 内容概述： 本书旨在深入浅出地介绍现代控制理论的核心概念、基本方法以及在工程实践中的广泛应用。全书共分为十五章，从系统建模的理论基础出发，逐步深入到状态空间法、稳定性分析、最优控制、鲁棒控制、自适应控制等前沿领域。在讲解理论知识的同时，本书特别注重与实际工程问题的结合，通过大量的案例分析和实例演示，帮助读者理解抽象的控制理论如何在现实世界中发挥作用，解决复杂工程难题。 第一部分：系统建模与分析基础 第一章：系统建模导论 本章首先阐述了控制系统建模的重要性，解释了为何在设计和分析控制系统之前需要建立系统的数学模型。接着，介绍了不同类型的系统模型，包括物理模型（如微分方程、传递函数）和数据驱动模型（如神经网络模型）。重点讲解了如何根据物理原理和实验数据建立线性定常系统（LTI）的数学模型，包括时域和频域的描述方式。此外，还初步探讨了系统的基本概念，如输入、输出、状态、因果性、线性度、时不变性等。 第二章：线性定常系统的时域分析 本章聚焦于线性定常（LTI）系统的时域分析方法。首先，详细介绍了零输入响应和零状态响应的概念，以及它们如何共同构成了系统的全响应。接着，深入讲解了卷积积分在求解LTI系统零状态响应中的应用，并分析了单位阶跃响应、单位脉冲响应等重要瞬态响应的特性。通过对这些响应的分析，读者可以初步了解系统的动态行为，如响应速度、超调量、衰减特性等。 第三章：线性定常系统的频域分析 本章将分析的视角转移到频域，介绍LTI系统的频域特性。首先，讲解了频率响应的概念，即系统对不同频率正弦信号的幅度和相位的响应。通过傅里叶变换和拉普拉斯变换，建立了时域和频域之间的桥梁。重点介绍了幅频特性曲线（Bode图）和相频特性曲线，以及它们如何揭示系统的带宽、增益裕度和相位裕度等关键性能指标。此外，还引入了奈奎斯特稳定性判据，为后续的稳定性分析奠定基础。 第四章：系统稳定性分析 稳定性是控制系统设计中至关重要的一个方面。本章系统地介绍了不同类型的稳定性概念，包括平衡点稳定性、Lyapunov稳定性以及渐近稳定性。重点讲解了线性定常系统的稳定性判据，包括了Routh-Hurwitz判据和根轨迹法。Routh-Hurwitz判据提供了一种代数方法来判断系统的稳定性，而根轨迹法则通过描绘系统特征方程的根随增益变化的轨迹，直观地展示了系统稳定性的边界。 第二部分：现代控制理论的核心方法 第五章：状态空间法基础 状态空间法是现代控制理论的核心工具。本章介绍了状态向量、状态方程和输出方程的概念，以及如何将LTI系统用一组一阶微分方程（或差分方程）的状态空间模型来描述。详细讲解了状态空间模型的构建方法，包括从物理模型和传递函数模型转换为状态空间模型。此外，还介绍了向量和矩阵运算在状态空间法中的重要性。 第六章：状态空间方程的解与系统能控性、能观性 本章继续深入探讨状态空间法。首先，讲解了齐次和非齐次线性状态方程的解法，以及状态转移矩阵的概念及其求解方法。接着，引入了能控性和能观性的重要概念。能控性描述了是否能通过状态反馈控制系统达到任意期望状态，而能观性则反映了能否从输出信号估计出系统的内部状态。这两种性质对于控制器设计和状态估计至关重要。 第七章：线性状态反馈控制器设计 基于状态空间法和能控性概念，本章介绍了线性状态反馈控制器的设计方法。重点讲解了极点配置技术，即如何通过选择合适的状态反馈增益矩阵，将闭环系统的极点配置到期望的位置，从而实现期望的系统动态性能。此外，还介绍了利用线性二次调节器（LQR）设计最优状态反馈控制器的方法，该方法旨在最小化一个二次型性能指标，同时保证系统的稳定性。 第八章：状态观测器设计 在许多实际应用中，系统的所有状态变量无法直接测量，需要通过输出信号来估计。本章介绍了状态观测器的设计。详细讲解了Luenberger观测器的原理和设计方法，包括全维观测器和降维观测器。通过观测器，可以利用系统的输入和输出信息来估计系统的状态向量，然后将估计出的状态反馈给控制器，实现间接的状态反馈控制。 第九章：线性二次型最优控制 本章深入探讨线性二次型（LQ）最优控制问题。 LQ控制的目标是找到一个控制输入，使得系统的性能指标（通常是一个二次型函数）最小。详细讲解了Riccati方程的推导和求解，以及如何利用Riccati方程的解来获得最优状态反馈增益。此外，还介绍了无限时间LQ控制和有限时间LQ控制的区别。 第三部分：先进控制理论与技术 第十章：鲁棒控制基础 在实际系统中，模型参数存在不确定性，外部干扰也难以精确预测。鲁棒控制旨在设计能够容忍这些不确定性和干扰的控制器。本章介绍了模型不确定性的表示方法，如范数不确定性和区间不确定性。重点讲解了H无穷（H∞）控制的基本思想，即最小化系统在最坏情况下的性能指标。 第十一章：自适应控制 自适应控制系统能够根据系统的动态变化或外部环境的变化，自动调整控制器的参数，以保持良好的控制性能。本章介绍了自适应控制的几种基本类型，包括模型参考自适应控制（MRAC）和自调谐控制器（STC）。详细讲解了参数估计方法，如梯度下降法和最小二乘法，以及它们在自适应控制器设计中的应用。 第十二章：非线性控制基础 现实世界中的许多系统是非线性的，经典的线性控制理论无法直接应用。本章介绍了非线性控制的一些基本概念和分析工具，如平衡点分析、Lyapunov稳定性理论在非线性系统中的应用、以及一些基础的非线性控制方法，如反馈线性化。 第十三章：数字控制系统 随着计算机技术的普及，数字控制器在工程中的应用越来越广泛。本章介绍了离散时间系统的建模方法，包括z变换及其应用。详细讲解了数字控制器的设计方法，如脉冲不变法、向后欧几里得法等，以及数字控制系统中的采样和量化问题。 第四部分：工程应用与实践 第十四章：控制系统仿真与实验 理论设计完成后，仿真和实验是验证控制器性能和优化设计参数的关键步骤。本章介绍了常用的控制系统仿真软件（如MATLAB/Simulink）的使用方法，以及如何构建仿真模型进行系统仿真。此外，还探讨了实际的控制系统实验中需要注意的事项，包括硬件连接、参数调试和数据采集。 第十五章：典型工程应用案例分析 本章通过多个具体的工程应用案例，展示了现代控制理论的强大威力。案例涵盖了工业过程控制（如温度控制、流量控制）、机器人控制、航空航天飞行器姿态控制、汽车防抱死刹车系统（ABS）等。通过对这些案例的深入分析，读者可以更直观地理解抽象的控制理论如何转化为解决实际工程问题的有效手段，并从中学习到不同控制策略在不同应用场景下的适用性。 本书强调理论与实践相结合，旨在培养读者分析和解决复杂控制工程问题的能力。通过系统学习本书内容，读者将能够掌握现代控制理论的核心知识，并具备将其应用于实际工程项目设计和开发的能力。

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我花费了不少时间研究这本书中关于系统辨识和参数估计的部分，这方面的处理相当到位。它没有回避辨识过程中的常见难题，比如噪声对估计结果的影响，以及如何选择合适的模型结构。作者对于卡尔曼滤波的阐述，清晰地展示了其迭代更新的魅力，那种在不确定性中寻求最优估计的过程，读起来令人感到非常过瘾。如果说有什么可以改进的地方，或许是在软件实现的应用案例上可以再多提供一些代码片段或者伪代码示例。毕竟，在现代工程实践中，理论到代码的转化是一个至关重要的环节。这本书的理论深度已经足够，但增加一些直接可操作的编程实现参考，会让它从一本纯理论教材，升级为更实用的工程手册，对于我们这些需要快速将理论转化为实际控制系统的工程师来说，将会是巨大的加分项。

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这本书的讲解方式，坦白说，对于我这种更偏爱直觉理解而非纯粹数学推导的读者来说，偶尔会觉得有些“学术化”了。它的数学严谨性毋庸置疑，每一个公式的推导都无懈可击，体现了作者深厚的专业功底。但是，在某些关键的控制策略，比如现代控制理论中关于状态空间模型和极点配置的部分，我总感觉少了那么一点点“拐杖”。我期待的是，在给出严谨推导的同时，能穿插一些更形象的比喻，比如将系统比作一个复杂的交通网络或者一个精密的机械装置，这样能帮助我更好地建立起理论与实际应用的联系。目前来看，它更像是一本优秀的面向专业研究人员的工具书，对于刚刚接触这个领域的人来说，可能需要配合其他更侧重于“为什么”的书籍来共同阅读，才能达到最佳的学习效果。

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这本书在知识点的覆盖面上，展现出了一种百科全书式的广度，这一点非常值得称赞。从经典的PID控制到更前沿的鲁棒控制和最优控制的基本思想，都有所涉及，这为我们提供了一个非常全面的知识框架。然而，这种广度也带来了一个潜在的问题：部分深入的专题，比如非线性系统的分析方法，其论述显得略微精炼，更像是点到为止的介绍，而非深入的剖析。对于那些希望在这方面进行深入研究的读者来说，可能需要寻找专门针对这些细分领域的更详尽的著作。我特别喜欢它在章节末尾设置的“思考题”，这些题目往往不只是简单的计算，更需要对理论的融会贯通，这无疑极大地提升了这本书的实践价值，促使读者主动去思考如何应用这些知识来解决实际问题，而非仅仅停留在公式的记忆层面。

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这本书的整体结构设计非常符合工程学习的认知规律，它循序渐进，逻辑链条清晰可见。它没有急于展示那些最花哨、最复杂的控制算法，而是花费了大量的篇幅来夯实基础，比如对传递函数模型和时域响应的详细分析，这些“基本功”的扎实程度，直接决定了后续学习的上限。这种对基础的尊重，是很多新出版的、急于追求新潮概念的书籍所欠缺的。我特别欣赏作者在处理稳定性判据时的详尽论述，将代数判据和频率特性判据（如奈奎斯特和伯德图）进行了有机的结合，让人能够从不同维度去理解系统的稳定性边界。读完这些章节，我对“为什么”系统会不稳定，以及“如何”设计出稳定的控制器，有了更深刻的哲学层面的理解，而非仅仅停留在公式套用的层面，这才是真正有价值的学习体验。

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这本书的排版和装帧真是让人眼前一亮，纸张的质感拿在手里就很舒服，不是那种廉价的印刷品能比的。内容上，虽然我还没有完全深入研读，但光是翻阅目录和部分章节的结构，就能感受到作者在梳理知识点时的用心。那种层次分明的逻辑，将原本复杂的控制理论分解得井井有条，让人感觉即便是初学者也能从中找到清晰的学习路径。尤其是一些图表的绘制，清晰度极高，对于理解动态系统的行为至关重要。不过，我还是希望它在一些基础概念的引入上能再多一些直观的物理意义的阐述，毕竟理论的深奥之处，往往需要从现实世界的例子切入才能真正抓住精髓。整体来说，作为一本参考资料，它的物理呈现已经达到了很高的水准，让人愿意花时间去翻阅和学习。

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