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出版者:

作者:徐健 编

出品人:

页数:166

译者:

出版时间:2010-7

价格:20.00元

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isbn号码:9787111306139

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• 模拟电路
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• 信号处理

现代控制系统理论与实践 本书旨在为读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的现代控制系统理论框架及其工程实践指导。它不仅仅是一本教科书，更是一本面向研究人员、高级工程师及系统设计师的工具书和参考手册，旨在帮助读者掌握从经典控制到先进控制的完整技术栈，并能有效地应用于复杂的实际工程问题中。 第一部分：控制理论的基石与深化 第一章：系统建模与状态空间表示 本章详细阐述了建立物理系统数学模型的关键方法。从基本的机电系统、热力学系统到复杂的化学过程，我们探讨了如何将物理定律（如牛顿第二定律、基尔霍夫定律、能量守恒原理）转化为一组描述系统动态行为的微分方程或差分方程。重点在于状态空间表示法的构建，包括状态变量的选择、系统的标准型（如能控标准型、能观测标准型）转换，以及如何处理非线性和时变系统的初步建模挑战。我们深入分析了线性定常（LTI）系统在状态空间下的特性——能控性（Controllability）和能观测性（Observability），这是后续所有控制器设计和状态估计技术的基础。 第二章：线性系统的时域与频域分析 在系统识别和建模完成后，本章聚焦于对LTI系统性能的深入分析。时域分析部分，我们推导并应用了状态转移矩阵 ($Phi(t)$) 的解析解，分析了系统的自由响应、零输入响应和零状态响应。引入了李雅普诺夫稳定性判据的初步概念，并详细讨论了暂态响应指标（如超调量、建立时间、误差衰减率）。 频域分析则侧重于系统对正弦输入的响应特性。我们详细讨论了传递函数的建立与性质，包括了极点零点配置对系统特性的影响。通过频率响应分析（Bode图、Nyquist图），读者将学习如何直观地评估系统的带宽、增益裕度和相位裕度，从而判断系统的相对稳定性。本章特别强调了时域指标与频域指标之间的内在联系。 第三章：经典控制设计方法的回顾与拓展 本章对经典的反馈控制设计方法进行了系统性的回顾，但更侧重于在现代控制框架下的应用与局限性分析。重点包括：根轨迹分析、PID控制器的设计（包括参数整定方法如Ziegler-Nichols法及其在现代系统中的局限性讨论），以及频率响应法（如Nichols图）在多变量系统初步解耦设计中的应用潜力。通过这些经典方法的复习，为过渡到更先进的、基于状态反馈的设计方法奠定基础。 --- 第二部分：现代控制理论的核心技术 第四章：极点配置与状态反馈设计 本章是现代控制设计的核心。我们详细推导了极点配置（Pole Placement）技术，展示了如何通过选择合适的状态反馈增益矩阵 $K$，将闭环系统的极点任意配置到S平面上的期望位置，以满足特定的暂态响应要求。在此基础上，我们引入了可控性在极点配置中的决定性作用。 更进一步，本章探讨了线性二次型调节器（LQR）的设计。LQR提供了一种在系统性能（通过二次型性能指标函数 $J$ 定义）和控制能量消耗之间进行权衡的优化方法。我们详细推导了代数黎卡提方程（ARE）的求解，并展示了LQR控制器在保证稳定性的同时，实现最优性能的优雅性。 第五章：状态观测器设计与全阶状态估计 在许多实际应用中，系统的所有状态变量都无法直接测量。本章致力于解决“状态估计”问题。我们首先基于可观测性的判据，推导了状态观测器（Observer）的设计原理。重点讲解了杜蒙（Dunn）观测器和卡尔曼滤波器（Kalman Filter）的确定性版本（如Luenberger观测器），它们能够重构系统的内部状态。 第六章：最优估计的巅峰——卡尔曼滤波理论 本章深入探讨了在存在过程噪声和测量噪声（均值为零的高斯白噪声）情况下的最优线性无偏估计器——卡尔曼滤波器。我们详细介绍了卡尔曼滤波器的预测（时间更新）和校正（测量更新）两个核心步骤，以及它们如何通过迭代更新协方差矩阵来实现估计误差的最小化。本章还涵盖了扩展卡尔曼滤波器（EKF）和无迹卡尔曼滤波器（UKF）在处理非线性系统状态估计中的应用及其局限性。 第七章：复合控制器设计：结合反馈与估计 本章将前两章的成果整合起来，介绍了分离原理（Separation Principle）。我们展示了如何通过结合状态反馈控制器（如LQR控制器）和状态观测器（如卡尔曼滤波器）来设计一个完整的闭环控制系统——即LQG（Linear Quadratic Gaussian）控制器。读者将理解，最优估计和最优控制的设计过程可以在线性高斯框架下相互独立地完成，这是现代控制理论中最具影响力的成果之一。 --- 第三部分：先进控制策略与系统辨识 第八章：鲁棒控制导论：H₂与H∞控制 随着系统复杂性的增加，对不确定性的处理变得至关重要。本章引入了鲁棒控制的概念。首先，我们从性能优化的角度回顾了H₂最优控制（与LQR密切相关）。随后，深入探讨了H∞控制理论，其目标是最小化在最坏情况扰动下的系统输出范数，从而保证对模型误差和外部扰动的最大鲁棒性。本章将引导读者理解奇异值分解在鲁棒性分析中的作用。 第九章：非线性系统的控制基础 线性化是处理非线性系统的主要手段，但本章将探索直接处理非线性动力学的技术。重点介绍反步法（Backstepping）的设计流程，这是一种系统化地、递归地设计非线性反馈控制器的强大工具。此外，还将讨论滑模控制（Sliding Mode Control, SMC），重点分析其在实现对不确定性鲁棒性方面的优势以及“抖振”现象的缓解策略。 第十章：系统辨识与实验数据驱动建模 在无法完全解析建模的情况下，系统辨识成为获取精确数学模型的关键。本章系统地介绍了数据驱动的建模方法。内容涵盖了时域辨识（如ARX、ARMAX模型结构选择）和频域辨识。重点讲解了最小二乘法（Least Squares）及其递推形式（RLS）在线参数估计中的应用。本章强调了实验数据预处理（去趋势、滤波）和模型结构选择对辨识结果准确性的关键影响。 第十一章：多变量与解耦控制 许多实际系统具有多个输入和多个输出（MIMO）。本章专注于如何处理这些相互耦合的系统。我们将分析动态矩阵控制（DMC）的基本原理，以及如何利用逆模型补偿和输入-输出线性化技术来设计解耦控制器，使复杂的多变量控制问题转化为一组可独立处理的单变量问题。 --- 总结与展望 本书的结构设计遵循了从理论基础、核心技术到前沿应用的递进路线。通过对状态空间理论的深入掌握，读者将具备设计高精度、高鲁棒性、最优化的现代控制系统的能力。后续学习应聚焦于强化计算仿真能力，并将所学知识应用于如航空航天、机器人、智能电网等前沿领域。

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坦白说，我刚开始接触模拟电子学时，感觉自己像是在学习一门快要失传的古老技艺，总觉得现代电子世界里，模拟部分早已被高度集成的芯片所取代，是不是投入大量精力去钻研这些基础原理已经不太划算了？这本书彻底扭转了我的这种想法。它通过对各种经典电路拓扑的深入剖析，比如跨电阻放大器、电流镜等，揭示了这些看似基础的结构，是如何支撑起现代高精度测量、高速通信等尖端领域的核心模块的。它让我明白了，无论技术如何发展，信号的输入和输出环节，以及任何需要高线性度或高功耗效率的环节，都离不开扎实的模拟电路基础。书中对噪声分析的章节尤为精彩，它详细区分了热噪声、散弹噪声，并教会我们如何在设计初期就考虑到信噪比的优化，这对于射频和低噪声应用来说，是救命的稻草。这本书不仅仅是一本工具书，更像是一本“思维定式”的塑造者，它在无形中训练了我的“模拟直觉”，让我对电子信号的本质有了更深层次的敬畏与理解。

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我接触过好几本关于这个主题的书籍，有的过于侧重于数学推导，把电路分析搞得跟高等数学证明一样，让人望而却步；有的则过于偏重于器件的制造工艺，离实际应用太远。而这本《模拟电路》的独特之处在于，它成功地将理论的严谨性与工程实践的灵活性融合在了一起。它不回避复杂的数学，但总能在推导的关键节点处给出清晰的物理意义解释，避免了读者陷入纯粹的符号游戏。比如，在讨论MOSFET的工作区转换时，它不仅给出了平方律方程，还结合了电流密度和沟道电场的概念来解释为什么会出现饱和现象。这种“由表及里”的讲解方式，让我感觉自己不仅仅是在学习一套计算方法，更是在理解电子器件的“脾气秉性”。对于我这种希望未来从事硬件开发的人来说，这种对底层原理的深刻洞察力是至关重要的，它能帮助我在面对未知电路问题时，不至于束手无策，而是能基于物理直觉进行合理的假设和分析。

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这本《模拟电路》的书，说实话，我拿到手的时候是抱着一种既期待又有点犯怵的心情的。毕竟“模拟”这个词听起来就带着那么一股子老派和晦涩的味道，跟现在铺天盖地的数字世界比起来，总感觉像是要钻进一个充满电阻、电容和晶体管的迷宫里。刚翻开目录，那些密密麻麻的术语——BJT、MOSFET、运放、反馈回路——立刻给了我当头一棒。我本来以为这会是一本枯燥的教科书，纯粹是公式的堆砌，结果越往后看，越发现作者的笔触其实非常细腻，他不是那种冷冰冰地把理论砸在你面前的人。更像是带着你，一步一步地穿过层层迷雾，去理解为什么一个简单的放大器电路能产生如此精妙的信号处理能力。特别是在讲到BJT的跨导和输出电阻那块，作者用了大量的类比，把电流和电压的关系比喻成了水流和水压，这让一个对半导体物理只有模糊概念的初学者，也能大致抓住核心的物理图像。书中的例题设计也非常巧妙，很多都是贴近实际应用的场景，比如音频放大器的设计，或者简单的滤波器构建，这极大地激发了我的学习兴趣，让我觉得这些抽象的公式终于有了“用武之地”，而不是仅仅停留在纸面上。

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我阅读其他电子工程书籍时，经常会遇到一个通病：理论讲解得头头是道，但实际动手操作的时候却发现理论和现实总有那么一小段难以跨越的鸿沟。然而，这本《模拟电路》在这方面做得相当出色。它不仅仅是告诉你“怎么算”，更深入地探讨了“为什么这么设计”。举个例子，在讨论多级放大器的频率响应时，作者没有直接给出那个复杂的伯德图公式，而是先通过对不同级联电路的寄生电容进行定性分析，让我们直观地感受到高频特性是如何被拖后腿的。这种先建立直觉，再用数学工具去精确验证的教学方法，对我建立完整的知识体系帮助太大了。而且，书中对各种非理想因素的讨论也毫不含糊，比如运放的共模抑制比、失调电压、以及温度漂移的影响。这些在理论课上常常被一笔带过的内容，在这本书里却被详尽地剖析，这让我意识到，真正的工程设计，远比课本上的“理想模型”要复杂得多，也更有挑战性。这让我的工程思维得到了一个很好的锻炼，从“纸上谈兵”转向了“实际考量”。

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这本书的排版和图示质量，是我个人认为非常值得称赞的一点。在这个信息爆炸的时代，一本技术书籍如果图文不搭，或者插图模糊不清，那阅读体验简直是一种折磨。这本《模拟电路》在这方面简直是典范。清晰的电路图配合着精确的元件标注，即使是那些复杂的反馈网络图，看起来也不会让人感到头晕目眩。更妙的是，很多关键概念的图示不是那种刻板的几何图形，而是带有动态效果的示意图，比如在讲解负反馈对增益和带宽的影响时，曲线的变化趋势被描绘得非常直观。我记得有一章专门讲解线性化问题，作者用了一个非常巧妙的图形工具来展示小信号近似的适用范围，这比单纯看泰勒级数展开要来得有效一百倍。对于我这种视觉学习者来说，这种高质量的视觉辅助材料，直接决定了我能否高效地吸收知识。可以说，这本书的设计者深谙读者的需求，他们在“知识的深度”和“知识的可读性”之间找到了一个非常完美的平衡点。

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