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出版者:

作者:徐健 編

出品人:

頁數:166

译者:

出版時間:2010-7

價格:20.00元

裝幀:

isbn號碼:9787111306139

叢書系列:

圖書標籤:

• 模擬電路
• 電路分析
• 電子技術
• 模擬電子
• 電路設計
• 電子工程
• 高等教育
• 教材
• 電子學
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現代控製係統理論與實踐 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且具有前瞻性的現代控製係統理論框架及其工程實踐指導。它不僅僅是一本教科書，更是一本麵嚮研究人員、高級工程師及係統設計師的工具書和參考手冊，旨在幫助讀者掌握從經典控製到先進控製的完整技術棧，並能有效地應用於復雜的實際工程問題中。 第一部分：控製理論的基石與深化 第一章：係統建模與狀態空間錶示 本章詳細闡述瞭建立物理係統數學模型的關鍵方法。從基本的機電係統、熱力學係統到復雜的化學過程，我們探討瞭如何將物理定律（如牛頓第二定律、基爾霍夫定律、能量守恒原理）轉化為一組描述係統動態行為的微分方程或差分方程。重點在於狀態空間錶示法的構建，包括狀態變量的選擇、係統的標準型（如能控標準型、能觀測標準型）轉換，以及如何處理非綫性和時變係統的初步建模挑戰。我們深入分析瞭綫性定常（LTI）係統在狀態空間下的特性——能控性（Controllability）和能觀測性（Observability），這是後續所有控製器設計和狀態估計技術的基礎。 第二章：綫性係統的時域與頻域分析 在係統識彆和建模完成後，本章聚焦於對LTI係統性能的深入分析。時域分析部分，我們推導並應用瞭狀態轉移矩陣 ($Phi(t)$) 的解析解，分析瞭係統的自由響應、零輸入響應和零狀態響應。引入瞭李雅普諾夫穩定性判據的初步概念，並詳細討論瞭暫態響應指標（如超調量、建立時間、誤差衰減率）。 頻域分析則側重於係統對正弦輸入的響應特性。我們詳細討論瞭傳遞函數的建立與性質，包括瞭極點零點配置對係統特性的影響。通過頻率響應分析（Bode圖、Nyquist圖），讀者將學習如何直觀地評估係統的帶寬、增益裕度和相位裕度，從而判斷係統的相對穩定性。本章特彆強調瞭時域指標與頻域指標之間的內在聯係。 第三章：經典控製設計方法的迴顧與拓展 本章對經典的反饋控製設計方法進行瞭係統性的迴顧，但更側重於在現代控製框架下的應用與局限性分析。重點包括：根軌跡分析、PID控製器的設計（包括參數整定方法如Ziegler-Nichols法及其在現代係統中的局限性討論），以及頻率響應法（如Nichols圖）在多變量係統初步解耦設計中的應用潛力。通過這些經典方法的復習，為過渡到更先進的、基於狀態反饋的設計方法奠定基礎。 --- 第二部分：現代控製理論的核心技術 第四章：極點配置與狀態反饋設計 本章是現代控製設計的核心。我們詳細推導瞭極點配置（Pole Placement）技術，展示瞭如何通過選擇閤適的狀態反饋增益矩陣 $K$，將閉環係統的極點任意配置到S平麵上的期望位置，以滿足特定的暫態響應要求。在此基礎上，我們引入瞭可控性在極點配置中的決定性作用。 更進一步，本章探討瞭綫性二次型調節器（LQR）的設計。LQR提供瞭一種在係統性能（通過二次型性能指標函數 $J$ 定義）和控製能量消耗之間進行權衡的優化方法。我們詳細推導瞭代數黎卡提方程（ARE）的求解，並展示瞭LQR控製器在保證穩定性的同時，實現最優性能的優雅性。 第五章：狀態觀測器設計與全階狀態估計 在許多實際應用中，係統的所有狀態變量都無法直接測量。本章緻力於解決“狀態估計”問題。我們首先基於可觀測性的判據，推導瞭狀態觀測器（Observer）的設計原理。重點講解瞭杜濛（Dunn）觀測器和卡爾曼濾波器（Kalman Filter）的確定性版本（如Luenberger觀測器），它們能夠重構係統的內部狀態。 第六章：最優估計的巔峰——卡爾曼濾波理論 本章深入探討瞭在存在過程噪聲和測量噪聲（均值為零的高斯白噪聲）情況下的最優綫性無偏估計器——卡爾曼濾波器。我們詳細介紹瞭卡爾曼濾波器的預測（時間更新）和校正（測量更新）兩個核心步驟，以及它們如何通過迭代更新協方差矩陣來實現估計誤差的最小化。本章還涵蓋瞭擴展卡爾曼濾波器（EKF）和無跡卡爾曼濾波器（UKF）在處理非綫性係統狀態估計中的應用及其局限性。 第七章：復閤控製器設計：結閤反饋與估計 本章將前兩章的成果整閤起來，介紹瞭分離原理（Separation Principle）。我們展示瞭如何通過結閤狀態反饋控製器（如LQR控製器）和狀態觀測器（如卡爾曼濾波器）來設計一個完整的閉環控製係統——即LQG（Linear Quadratic Gaussian）控製器。讀者將理解，最優估計和最優控製的設計過程可以在綫性高斯框架下相互獨立地完成，這是現代控製理論中最具影響力的成果之一。 --- 第三部分：先進控製策略與係統辨識 第八章：魯棒控製導論：H₂與H∞控製 隨著係統復雜性的增加，對不確定性的處理變得至關重要。本章引入瞭魯棒控製的概念。首先，我們從性能優化的角度迴顧瞭H₂最優控製（與LQR密切相關）。隨後，深入探討瞭H∞控製理論，其目標是最小化在最壞情況擾動下的係統輸齣範數，從而保證對模型誤差和外部擾動的最大魯棒性。本章將引導讀者理解奇異值分解在魯棒性分析中的作用。 第九章：非綫性係統的控製基礎 綫性化是處理非綫性係統的主要手段，但本章將探索直接處理非綫性動力學的技術。重點介紹反步法（Backstepping）的設計流程，這是一種係統化地、遞歸地設計非綫性反饋控製器的強大工具。此外，還將討論滑模控製（Sliding Mode Control, SMC），重點分析其在實現對不確定性魯棒性方麵的優勢以及“抖振”現象的緩解策略。 第十章：係統辨識與實驗數據驅動建模 在無法完全解析建模的情況下，係統辨識成為獲取精確數學模型的關鍵。本章係統地介紹瞭數據驅動的建模方法。內容涵蓋瞭時域辨識（如ARX、ARMAX模型結構選擇）和頻域辨識。重點講解瞭最小二乘法（Least Squares）及其遞推形式（RLS）在綫參數估計中的應用。本章強調瞭實驗數據預處理（去趨勢、濾波）和模型結構選擇對辨識結果準確性的關鍵影響。 第十一章：多變量與解耦控製 許多實際係統具有多個輸入和多個輸齣（MIMO）。本章專注於如何處理這些相互耦閤的係統。我們將分析動態矩陣控製（DMC）的基本原理，以及如何利用逆模型補償和輸入-輸齣綫性化技術來設計解耦控製器，使復雜的多變量控製問題轉化為一組可獨立處理的單變量問題。 --- 總結與展望 本書的結構設計遵循瞭從理論基礎、核心技術到前沿應用的遞進路綫。通過對狀態空間理論的深入掌握，讀者將具備設計高精度、高魯棒性、最優化的現代控製係統的能力。後續學習應聚焦於強化計算仿真能力，並將所學知識應用於如航空航天、機器人、智能電網等前沿領域。

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