Discontinuous Control Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Boiko, Igor

出品人:

页数:226

译者:

出版时间:2008-12

价格:$ 134.47

装帧:

isbn号码:9780817647520

丛书系列:

图书标签:

• 控制系统
• 不连续控制
• 混合动力系统
• 非线性系统
• 优化控制
• 状态空间
• Lyapunov稳定性
• 脉冲控制
• 切换系统
• 数值方法

自动控制理论与应用高级教程：连续时间系统与现代控制方法 本书导读 本书聚焦于经典连续时间控制系统的深入分析、设计与应用，为读者构建一个坚实、全面的自动控制理论基础。我们旨在提供一个严谨且富有洞察力的教程，阐述从系统的基本描述到先进状态空间方法的完整脉络，尤其强调在经典控制框架下解决实际工程问题的能力。全书内容紧密围绕连续时间信号与系统的数学建模、性能分析以及反馈控制器设计展开，不涉及离散时间系统或切换/非连续控制系统的特定理论与方法。 --- 第一部分：连续时间系统的基础与建模 本部分确立了后续分析和设计工作所需的基础数学工具和系统描述方法。 第一章：线性时不变（LTI）连续时间系统的描述 本章详细介绍了线性时不变（LTI）系统的核心概念。我们从微分方程的角度出发，系统地阐述了LTI系统的定义、特性（如叠加性、时不变性）。重点讲解了拉普拉斯变换在连续时间系统分析中的核心地位，包括单边和双边拉普拉斯变换的性质及其在求解线性常系数微分方程中的应用。 系统的传递函数（Transfer Function）作为分析工具被深入探讨。我们详细推导了如何从微分方程推导出传递函数，并定义了系统的零点（Zeros）和极点（Poles）。极点位置对系统稳定性和瞬态响应的决定性影响是本章的分析重点。此外，还引入了系统的框图代数，教授读者如何通过简化复杂的反馈结构来获得系统的等效传递函数。系统的自然响应、零输入响应和零状态响应的分解分析方法被明确界定。 第二章：连续时间系统的时域分析与性能指标 本章着重于在时域内对LTI系统进行性能评估。首先，我们深入研究了系统的瞬态响应（Transient Response）特征。对于二阶及更高阶系统，我们详细分析了单位阶跃响应下的关键指标：上升时间、峰值时间、超调量和最终稳态误差。这些指标是衡量系统快速性与平稳性的直接量化标准。 随后，本章转向稳态误差（Steady-State Error）分析。通过引入系统的型别（Type Number）概念，我们系统地分析了系统对不同输入（如阶跃、斜坡、抛物线输入）的稳态误差系数 $K_p, K_v, K_a$。系统的静态和动态误差分析构成了经典反馈控制设计的基础，明确了如何通过在前馈或反馈回路中增加积分环节来消除特定类型的稳态误差。 第三章：连续时间系统的频率响应分析 频率响应分析是理解系统对不同频率激励响应的关键工具。本章将系统的时域模型转换为频域模型，即使用 $s=jomega$ 替换拉普拉斯变量 $s$。 我们详细讨论了波德图（Bode Plot）的绘制与解读。通过对传递函数的对数幅度特性和相位特性的逐段分析，读者可以直观地掌握系统在不同频率范围内的增益和相移情况。随后，奈奎斯特图（Nyquist Plot）被引入，作为频率响应分析的强大补充。重点讲解了奈奎斯特稳定性判据，特别是如何利用该判据判断系统的相对稳定性（增益裕度和相位裕度）。系统的带宽（Bandwidth）和截止频率的概念被用于量化系统的动态响应范围。 --- 第二部分：经典连续时间反馈控制设计 本部分聚焦于如何利用经典控制理论的强大工具集来设计满足特定性能要求的连续时间控制器。 第四章：系统的稳定性分析：根轨迹法 根轨迹法是设计控制器以保证系统稳定性和性能的图形化核心工具。本章系统阐述了根轨迹（Root Locus）的绘制规则，包括渐近线、实轴段、分离点和会交点等关键特征点的确定。 根轨迹分析的核心价值在于展示系统参数（通常是增益 $K$）变化时，闭环极点在 s 平面上的移动轨迹。我们详细讨论了如何利用根轨迹来判断系统在不同增益下的稳定性边界，以及如何通过观察极点位置来预估瞬态响应的变化。设计环节侧重于如何根据目标闭环极点位置（确定期望的阻尼比和自然频率）来反向求解所需的开环增益 $K$。 第五章：经典控制器设计：PID与前馈补偿 本章深入探讨了最常用且最实用的连续时间控制器——比例-积分-微分（PID）控制器的设计与实现。我们严格区分了 P、I、D 三种基本控制作用对系统性能（如超调、稳态误差、响应速度）的影响。 详细介绍了串联补偿器（Lead-Lag Compensators）的设计方法。超前补偿器（Lead Compensator）用于提高系统的相位裕度和瞬态响应速度；滞后补偿器（Lag Compensator）用于提高系统的稳态精度而不显著牺牲稳定性。本章提供了基于频率响应（波德图）的相位裕度法和基于根轨迹的根轨迹法来设计这些补偿器的系统步骤，确保设计满足给定的相位裕度、增益裕度和稳态误差指标。 第六章：状态空间表示法与可控性、可观测性 本部分引入了现代控制理论的基石——状态空间表示法（State-Space Representation）。我们详细讲解了如何将高阶微分方程或传递函数模型转换为标准的一阶线性常微分方程组（状态方程）。重点介绍了相控变量（Phase Variables）和约旦标准型等不同的状态变量选择方法。 随后，引入了判定系统固有特性的两个核心概念：可控性（Controllability）和可观测性（Observability）。我们使用判别矩阵（Controllability Matrix 和 Observability Matrix）来严格验证系统的这些性质。这些性质是后续设计状态反馈控制器和状态观测器的前提条件。本章仅限于对连续时间LTI系统的这些基本属性进行代数分析，不涉及离散化或非线性系统。 --- 第三部分：现代连续时间系统分析与反馈设计 本部分将状态空间方法应用于系统的性能分析和状态反馈控制器的设计。 第七章：状态反馈控制设计 本章的核心在于如何利用系统的完整状态反馈来重新配置闭环系统的极点，以达到期望的动态性能。我们详细推导了极点配置（Pole Placement）的数学原理，即如何通过选择合适的状态反馈增益矩阵 $K$ 来使 $A-BK$ 的特征值达到预设的目标位置。 我们利用可控性知识来论证极点配置的可行性，并介绍了使用Ackermann公式或通过可控性标准型变换来系统地计算反馈增益 $K$ 的具体步骤。此外，本章还讨论了输出反馈（Output Feedback）的局限性，并强调了状态反馈在实现精确性能目标方面的优势。 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。本章解决了状态观测问题。 我们介绍了全阶状态观测器（Full-Order State Observer）的设计，其原理与状态反馈控制器的设计是对偶的。基于系统的可观测性，我们推导了观测器增益 $L$ 的设计公式，目的是使估计误差以期望的速度衰减。随后，本章讲解了Luenberger观测器的构造方法，并展示了如何结合状态反馈（即使用估计状态 $hat{x}$ 进行反馈）来实现分离原理（Separation Principle），即控制器设计和观测器设计可以独立进行。 --- 总结与展望 本书聚焦于对连续时间线性时不变系统的深入剖析，从经典的传递函数方法（时域、频域分析）到现代的状态空间方法（可控性、可观测性、极点配置），提供了一套完整的、可用于工程实践的理论工具。全书内容严格限制在上述连续系统分析与控制设计范畴内。

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