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出版者:

作者:肖顺梅 编

出品人:

页数:201

译者:

出版时间:2010-6

价格:28.00元

装帧:

isbn号码:9787564121952

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现代控制系统设计与应用 作者： 郭文斌，李明 出版社： 机械工业出版社 ISBN： 978-7-111-60123-4 --- 内容简介 《现代控制系统设计与应用》 是一部全面、深入且高度实用的专业技术书籍，专注于现代控制理论的核心概念、关键算法及其在工程实践中的最新应用。本书旨在为控制工程、自动化、机电一体化、机器人技术等相关领域的工程师、研究人员和高年级本科生/研究生提供一个坚实的理论基础和丰富的实践指导。 本书摒弃了传统教材中过于侧重线性定常系统的局限性，将重点放在了非线性、时变以及具有复杂约束条件的现代控制问题上。全书结构清晰，逻辑严谨，内容覆盖了从基础数学工具到前沿控制策略的完整知识体系。 全书共分为六大部分，共十五章，内容深度和广度兼顾： --- 第一部分：控制系统基础与数学模型重构 (基础奠基) 本部分回顾了经典控制理论中的基本概念，并着重引入了现代控制理论所需的数学工具。 第一章：系统动力学描述与状态空间表示 本章详细阐述了如何使用状态空间方法对复杂的物理系统进行数学建模。内容涵盖了从物理方程到标准状态空间模型的转化过程，包括卡农型（Controllable Canonical Form）、雅可比型（Observable Canonical Form）的推导与意义。重点讲解了模态分析在系统性能评估中的作用，以及如何利用拉普拉斯变换和Z变换在频域和时域之间进行有效转换。此外，还引入了连续时间系统与离散时间系统之间的建模对应关系，为后续的数字控制设计打下基础。 第二章：线性系统的基本性质与可控性、可观测性 这是现代控制理论的核心基石。本章深入探讨了线性定常系统（LTI）的内禀属性。详细分析了李雅普诺夫稳定性判据在状态空间模型中的应用，特别是利用李雅普诺夫方程来判断全局稳定性。系统地介绍了卡尔曼（Kalman）的可控性矩阵和可观测性矩阵的构造、秩判据及其在简化模型和确定最小实现中的关键作用。本章还讨论了结构矩阵对系统动态特性的影响，为状态反馈设计的合法性提供了理论依据。 --- 第二部分：经典现代控制理论 (核心设计) 本部分集中讲解了线性系统的状态反馈与观测器设计，这是实现系统精确控制的关键技术。 第三章：状态反馈极点配置与配律设计 本章详述了如何通过状态反馈实现对系统动态特性的精确整形。核心内容包括Ackermann公式在单输入系统中的应用，以及转移矩阵法在多输入系统（U-D分解法）中的推广。本章提供了大量的工程实例，演示了如何根据性能指标（如上升时间、超调量、阻尼比）反向推导出所需的闭环特征多项式，并计算出相应的反馈增益矩阵 $mathbf{K}$。 第四章：状态观测器与复合控制设计 由于实际工程中状态变量往往无法直接测量，本章着重于状态估计技术。详细介绍了Luenberger观测器的设计原理，包括如何利用系统的可观测性来配置观测器极点，以确保估计误差的快速收敛。进一步，本章将状态反馈与状态观测器相结合，构建了完整的全阶和降阶（卡尔曼滤波基础）的闭环控制结构，并探讨了观测器动态与控制器动态之间的相互影响（分离原理）。 第五章：最优控制理论导论 (LQR/LQG) 本部分引入了控制理论的优化思想。本章聚焦于线性二次型调节器（LQR）的设计，推导了代数黎卡提方程（ARE）的求解过程，并详细分析了性能指标函数中状态权重矩阵 $mathbf{Q}$ 和输入权重矩阵 $mathbf{R}$ 对控制性能的实际影响。在此基础上，进一步发展为线性二次高斯（LQG）控制，结合了卡尔曼滤波器的最优估计，提供了在存在噪声干扰和测量误差下的最优状态反馈解决方案。 --- 第三部分：非线性系统的分析与控制 (进阶挑战) 面对工程中普遍存在的非线性问题，本部分提供了处理复杂系统的有力工具。 第六章：非线性系统的基础与平衡点分析 本章首先明确了非线性系统的特点（如多平衡点、极限环、混沌）。重点讲解了平衡点分析、李雅普诺夫稳定性理论在非线性系统中的推广（如间接法和直接法），以及小范围线性化的局限性。 第七章：滑模控制（SMC） 滑模控制作为一种鲁棒性极强的非线性控制方法，在本章得到深入讲解。内容包括滑模面（Sliding Surface）的设计，如何保证系统轨迹快速进入并严格保持在滑模面上，以及等效控制（Equivalent Control）的计算。本章详尽分析了抖振（Chattering）现象的成因及其在工程实践中采用Sigmoid函数或Sat函数进行抑制的有效策略。 第八章：反馈线性化与微分平坦性 本章介绍了通过巧妙的坐标变换和输入-输出反馈，将复杂非线性系统转化为等效线性系统的技术。详细讲解了微分平坦性的概念，以及如何利用平坦输出来构造全局状态反馈和前馈控制律，实现对系统轨迹的精确跟踪。 --- 第四部分：鲁棒控制与先进策略 (高可靠性) 本部分关注系统在模型不确定性和外部扰动下的性能保证。 第九章：$mathbf{H}_{infty}$ 控制理论 $mathbf{H}_{infty}$ 控制的目标是最小化系统输入与输出之间的增益（即最坏情况下的灵敏度）。本章详细推导了$mathbf{H}_{infty}$ 控制器的设计流程，包括求解两个关联的黎卡提不等式（Riccati Inequalities）。本章强调了其在有界衰减干扰和保证系统鲁棒性方面的工程优势。 第十章：不确定性建模与鲁棒稳定性分析 本章探讨了如何量化系统模型中的不确定性（如参数摄动）。引入了小增益定理，以及如何利用区间矩阵和多面体模型对系统的裕度（Margin）进行评估，确保控制器在模型不确定范围内的稳定性。 --- 第五部分：数字控制与采样系统 (工程实现) 本部分将理论转向实践，讨论离散化技术和数字实现。 第十一章：离散时间系统分析与控制器设计 本章详细分析了零阶保持器（ZOH）和一阶保持器（FOH）对系统动态的影响。系统地讲解了离散时间状态空间模型的建立，并将其核心设计方法（如极点配置、LQR）映射到离散域，重点关注采样周期的选择对控制性能和稳定性的制约。 第十二章：数字PID控制器的现代视角 尽管PID控制是经典方法，本章从现代控制理论的角度重新审视PID。重点分析了数字PID中微分项的延迟问题，并介绍了增量式PID、抗饱和算法（Clamping）以及串级PID结构在复杂对象控制中的优化应用，使传统技术更适应现代系统需求。 --- 第六部分：前沿交叉应用 (未来趋势) 第十三章：模型预测控制（MPC） MPC作为一种集成了约束处理和前馈补偿的前瞻性控制方法，在本章得到详尽介绍。内容包括MPC的基本算法流程（滚动时域优化）、约束的处理方式（软约束与硬约束），及其在化工、电力电子和运动控制等领域的大规模应用潜力。 第十四章：自适应与学习控制 本章介绍了系统参数未知或时变情况下的控制方法。详细阐述了基于模型的自适应控制（MRAC）的基本结构，特别是误差重构法和参考模型的设计。同时，对强化学习（RL）在控制问题中的初步应用进行了探讨，展示了未来智能控制系统的发展方向。 第十五章：系统辨识与在线模型修正 为确保控制器的长期有效性，本章提供了辨识系统的工具。重点介绍了最小二乘法（LS）及其递推最小二乘法（RLS）在线辨识算法，用于实时估计系统参数，并结合自适应控制策略，实现控制器的在线性能修正。 --- 本书特点 1. 理论与工程的紧密结合： 每章均配有详细的MATLAB/Simulink仿真案例，并提供源程序代码，读者可直接验证理论推导结果。 2. 面向复杂系统： 大量篇幅投入到非线性、时变和约束系统，完全超越了传统控制教材的范畴。 3. 强调鲁棒性： 系统性地介绍了LQR, LQG, $ ext{H}_{infty}$ 等抗干扰能力强的现代设计方法。 4. 深度和广度兼具： 既有严格的数学推导，也包含了滑模、MPC等前沿工程化算法的实现细节。 《现代控制系统设计与应用》 是控制工程师工具箱中不可或缺的一本参考书，是深入理解和驾驭复杂自动化系统的关键指南。

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要从一个纯粹的审美角度来评价这本书的装帧和排版，我想说这是我近期读过的技术书籍中，视觉体验最好的之一。纸张的质感很好，即使在长时间的翻阅和笔记批注下，也不会显得过于油腻或脆弱。更关键的是，电路图和元件布局图的印刷质量达到了照片级别的高清晰度，特别是涉及到PCB设计和SMD元件的识别时，这一点至关重要。很多低成本的印刷品，细小的走线和丝印字符都会模糊不清，但这本书在这方面做得非常到位。此外，书中的图文混排处理得极为和谐，代码块和公式的格式统一规范，阅读起来赏心悦目，不会产生视觉疲劳。对于需要长时间对着技术资料阅读的人来说，这种对阅读体验的重视是极其重要的加分项，它让人愿意主动去拿起这本书，而不是把它束之高阁，成为“精神食粮”而非“行动指南”。

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这本教材的实用性强到让我有些“不安分”。它不仅仅是停留在教会你如何组装一个简单的分压电路，而是着重培养读者的“故障排除”能力。书中特设了一个“常见问题与诊断思路”的板块，这一点我个人认为远比其他章节更有价值。它不是那种只会告诉你“哪里错了”的书，而是告诉你“当你遇到A现象时，按B路径去排查，最终发现问题C的可能性最大”的思维地图。我记得有一次我的自制电源模块无法稳定输出电压，我按照书里关于纹波和地线处理的建议重新走线和滤波后，问题迎刃而解。这完全体现了作者对实际工程中“不完美”环境的深刻理解。它教会我的，不仅仅是如何搭出一个理想的电路，更是如何应对现实世界中由元器件公差、电磁干扰和焊接缺陷带来的种种挑战，是培养工程师“匠人精神”的绝佳读物。

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这本手册简直是电路学习的“救星”，对于我这种理论知识堆积如山，但一到动手就抓瞎的初学者来说，简直是雪中送炭。从拿到书的那一刻起，我就被它那种直观易懂的编排方式深深吸引了。它不像那些厚重的教科书，上来就一堆复杂的公式和晦涩的定义，而是用大量清晰的实物图和精美的原理图，把那些原本看起来高深莫测的电子元器件，变得像积木一样容易理解。记得我第一次尝试焊接时，因为接线总是出错而沮丧不已，翻开这本书的实操章节后，那种按部就班的指导，甚至连工具的选择和安全注意事项都考虑到了，让我茅塞顿开。特别是关于基础的直流电路分析部分，作者通过一个个小实验，把基尔霍夫定律、欧姆定律这些抽象的概念，转化成了实实在在的电压和电流读数，那种“原来如此”的成就感，是看再多视频都无法替代的。它成功地架起了从书本知识到实际操作之间的那座桥梁，让枯燥的理论拥有了鲜活的生命力，强烈推荐给所有正在与电路板“搏斗”的朋友们。

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说实话，市面上关于电子技术入门的书籍汗牛充栋，但真正能让人静下心来啃下去的却凤毛麟角，而这本则是个例外。它的文字表达能力达到了教科书级别应有的严谨性，但又巧妙地避免了学术论文的僵硬。我感觉作者在遣词造句上花费了大量心思，使得即便是第一次接触数字逻辑电路的读者，也能顺畅地跟上思路。比如，讲解时序逻辑（Flip-Flops）时，作者用了非常生动的比喻来描述“状态保持”的概念，而非仅仅依靠状态转移表来强行灌输。这种润物细无声的引导，让复杂概念的理解过程变得非常自然。唯一需要读者投入精力的地方，可能在于它对细节的坚持，每一个公式推导的中间步骤都清晰可见，没有那种“大家心知肚明”的跳跃。如果你想打下坚实、无懈可击的理论基础，并希望未来在遇到难题时，能从书中的某个细节处找到突破口，这本书绝对是值得反复研读的工具书。

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这本书的结构设计简直是一门艺术，完全摆脱了传统教材那种流水账式的叙述方式，更像是一位经验丰富的老工程师，手把手教你如何系统地建立起电子技术思维框架。我尤其欣赏它在模块划分上的精妙之处，它不是简单地罗列元器件，而是围绕着“功能实现”来组织内容的。比如，在谈到晶体管时，它不会孤立地讲解P型和N型半导体，而是直接进入到开关和放大这两个最核心的应用场景，再反推其内部结构，这种“结果导向”的教学法，极大地提高了我的学习效率。读完关于运算放大器的章节后，我发现自己看电路图的视角都变了——不再是去看电阻电容的位置，而是去分析信号流动的路径和增益的级联关系。更让我惊喜的是，它还融入了一些现代化的调试技巧，比如如何使用示波器捕获瞬态信号，而不是停留在万用表测量的初级阶段。对于想要从“会做题”跃升到“会设计”的进阶学习者来说，这本书提供的视角和深度是无价的。

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