现代控制理论及其MATLAB实现 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

韩致信 著

图书标签:

• 控制理论
• 现代控制
• MATLAB
• 自动控制
• 系统分析
• 控制系统
• 数学模型
• 算法实现
• 仿真
• 工程应用

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121243660

版次：1

商品编码：11560651

包装：平装

开本：16开

出版时间：2014-09-01

页数：236

正文语种：中文

内容简介

本书主要介绍应用现代控制理论进行系统分析和综合的方法及其MATLAB编程与计算。全书共分6章，主要内容包括：第1章控制系统的状态空间数学模型，第2章控制系统的运动分析，第3章控制系统的稳定性分析，第4章控制系统的能控性与能观测性，第5章线性定常控制系统的综合，第6章最优控制。本书配套的电子课件和习题参考答案，可登录华信教育资源网www.hxedu.com.cn，注册后免费下载。

作者简介

韩致信，男，主要研究方向：机械设备自动化，机械系统在线智能监测与控制，工业和仿生机器人及其智能控制，机械振动与噪声及其控制，人驾驶汽车及其智能控制、机械强度及动态测试与分析。

目录

第1章 控制系统的状态空间数学模型
1．1 基本概念
1．2 线性定常连续系统的状态空间数学模型
1．2．1 根据物理模型建立状态空间模型
1．2．2 根据微分方程建立状态空间模型
1．2．3 根据传递函数建立状态空间模型
1．2．4 根据系统的传递函数结构图建立状态空间模型
1．2．5 状态空间模型的线性变换
1．2．6 状态空间模型与传递函数矩阵之间的关系
1．3 线性时变连续系统的状态空间数学模型
1．4 非线性连续系统的状态空间数学模型
1．4．1 本质非线性系统的状态空间模型
1．4．2 本征非线性系统的状态空间模型
1．5 线性离散系统的状态空间数学模型
1．5．1 基本概念
1．5．2 线性定常离散系统的状态空间模型
1．6 线性定常系统状态空间模型的MATLAB实现
1．6．1 数学模型的MATLAB表示法
1．6．2 实现能控规范型的MATLAB编程及计算
习题1
第2章 控制系统的运动分析
2．1 线性定常连续系统的运动分析
2．1．1 系统状态自由运动
2．1．2 状态转移矩阵
2．1．3 系统状态受控运动
2．1．4 系统的输出响应
2．1．5 实现线性定常连续系统运动分析的MATLAB编程
2．2 线性时变连续系统的运动分析
2．2．1 系统状态自由运动
2．2．2 状态转移矩阵
2．2．3 系统状态受控运动
2．2．4 系统输出响应
2．2．5 实现线性时变连续系统运动分析的MATLAB编程
2．3 线性定常离散系统的运动分析
2．3．1 线性定常连续系统的离散化及其MATLAB实现
2．3．2 线性定常离散系统的运动分析
2．3．3 实现线性定常离散系统运动分析的MATLAB编程
2．4 线性时变离散系统的运动分析
2．4．1 线性时变连续系统的离散化及其MATLAB实现
2．4．2 线性时变离散系统的状态运动分析
2．4．3 实现线性时变离散系统运动分析的MATLAB编程
习题2
第3章 控制系统的稳定性分析
3．1 李雅普诺夫稳定性基本定理
3．1．1 数学基础
3．1．2 李雅普诺夫稳定性定义
3．1．3 李雅普诺夫稳定性定理
3．2 线性连续系统的稳定性分析
3．2．1 线性定常连续系统的稳定性分析及其MATLAB编程与计算
3．2．2 线性时变连续系统的稳定性分析
3．3 线性离散系统的稳定性分析
3．3．1 线性定常离散系统的稳定性分析及其MATLAB编程与计算
3．3．2 线性时变离散系统的稳定性分析
3．4 非线性连续系统的稳定性分析
3．4．1 克拉索夫斯基(Krasovski)法及其MATLAB编程与计算
3．4．2 变量梯度法
习题3
第4章 控制系统的能控性与能观测性
4．1 系统的能控性
4．1．1 线性时变连续系统的状态能控性
4．1．2 线性定常连续系统的状态能控性及其MATLAB辅助分析
4．1．3 线性离散系统的状态能控性
4．1．4 系统的输出能控性
4．2 系统的能观测性
4．2．1 线性时变连续系统的能观测性
4．2．2 线性定常连续系统的状态能观测性及其MATLAB辅助分析
4．2．3 线性定常离散系统的状态能观测性
4．3 能控与能观测规范型的实现
4．3．1 能控规范型的实现及其MATLAB编程与计算
4．3．2 能观测规范型的实现及其MATLAB编程与计算
4．4 线性定常系统能控性与能观测性在复域［s］中的判据
4．5 对偶系统及对偶性原理
4．5．1 线性定常对偶系统
4．5．2 线性时变对偶系统
4．6 线性定常系统能控与能观测结构分解
4．6．1 能控与不能控结构分解及其MATLAB辅助计算
4．6．2 能观测与不能观测结构分解及其MATLAB辅助计算
4．6．3 能控性与能观测性结构综合分解
习题4
第5章 线性定常控制系统的综合
5．1 反馈控制系统的基本概念
5．1．1 状态反馈控制系统
5．1．2 输出反馈控制系统
5．2 以实现期望极点为目标的系统综合
5．2．1 单输入状态反馈控制系统极点配置及其MATLAB辅助计算
5．2．2 多输入状态反馈控制系统的极点配置方法
5．2．3 输出反馈控制系统极点配置及其MATLAB辅助计算
5．3 以实现系统镇定为目标的系统综合
5．4 以实现解耦控制为目标的系统综合
5．4．1 补偿器解耦
5．4．2 状态反馈解耦
5．4．3 实现状态反馈解耦控制计算的MATLAB编程与计算
5．5 状态重构控制系统
5．5．1 全维状态重构器及其MATLAB辅助设计
5．5．2 带全维状态重构器的状态反馈系统及其MATLAB辅助设计
5．5．3 降维状态重构器及其MATLAB辅助设计
习题5
第6章 最优控制
６．1 泛函及其变分法简介
6．2 最优控制及其变分解法
6．2．1 数学模型
6．2．2 求解最优控制问题的变分法――拉格朗日乘子法
6．3 线性二次型最优控制
6．3．1 线性二次型最优控制的目标泛函
6．3．2 状态调节器及其MATLAB辅助设计
6．3．3 输出调节器
6．3．4 输出跟踪器及其MATLAB辅助设计
6．4 极小值原理
6．4．1 连续系统的极小值原理
6．4．2 Bang-Bang开关控制
6．5 离散系统的最优控制
6．5．1 控制约束的离散系统的最优控制
6．5．2 控制有约束的离散系统的最优控制
6．6 动态规划法
6．6．1 多级决策过程及最优性原理
6．6．2 离散系统的动态规划
6．6．3 连续系统的动态规划
习题6
附录A 习题参考答案
参考文献

前言/序言

《信号与系统——理论、应用与Python实现》 内容概述 《信号与系统——理论、应用与Python实现》是一本旨在全面深入地介绍信号与系统基本概念、核心理论、实际应用以及利用Python语言进行建模与仿真的教科书。本书以清晰的逻辑结构，将抽象的信号与系统理论与工程实践紧密结合，为读者构建一个扎实而又实用的知识体系。本书内容涵盖了从信号的基本分类、运算，到线性时不变系统的性质、分析方法，再到傅里叶分析、拉普拉斯变换、Z变换等关键的数学工具，并在此基础上探讨了系统建模、滤波设计、信号处理等实际应用。贯穿全书的核心特色是，作者不仅详细阐述了理论知识，更通过大量的Python代码示例，展示了如何将这些理论应用于解决实际工程问题，从而加深读者对概念的理解，并培养实际动手能力。 第一部分：信号的基本概念与运算 本部分将系统地介绍信号的定义、分类及其基本运算。我们将首先探讨连续时间和离散时间信号的本质区别，以及如何对信号进行分类，例如周期信号与非周期信号、能量信号与功率信号、奇信号与偶信号等。在此基础上，我们将详细讲解信号的基本运算，包括时移、尺度变换（伸缩）、翻转（反折）以及信号的相加、相乘和卷积。这些基础运算是理解和分析后续更复杂系统行为的关键。本书将通过直观的图示和易于理解的解释，帮助读者掌握这些概念。 信号的定义与分类： 连续时间信号（CT）与离散时间信号（DT）的区分。 周期信号与非周期信号的判断与分析。 能量信号与功率信号的计算与特性。 信号的奇偶性分析。 单位阶跃信号、单位冲激信号、单位斜坡信号等典型信号的性质和表示。 信号的基本运算： 时间平移： $x(t-t_0)$ 和 $x(t+t_0)$ 的几何意义与计算。 时间尺度变换： $x(at)$ 的伸缩与压缩，以及其对信号形状的影响。 时间翻转： $x(-t)$ 的镜像变换。 信号的组合： $c_1x_1(t) + c_2x_2(t)$， $x_1(t)x_2(t)$ 的计算与解释。 Python实现： 使用NumPy库生成不同类型的信号（正弦波、方波、三角波、冲激信号等）。 利用Matplotlib库绘制信号波形，直观展示信号运算的效果。 编写Python函数实现信号的时移、尺度变换、翻转等操作。 第二部分：线性时不变（LTI）系统 本部分将深入探讨线性时不变（LTI）系统，这是信号处理和系统分析中的核心内容。我们将首先介绍LTI系统的定义，包括叠加性（线性）和移不变性。随后，我们将重点讲解LTI系统的两种基本分析方法：时域分析和频域分析。时域分析将以卷积积分（连续时间系统）和卷积和（离散时间系统）为核心，展示如何通过系统的单位脉冲响应来描述和预测系统的输出。频域分析将引入傅里叶级数和傅里叶变换，揭示信号在不同频率成分上的分布以及系统对这些频率成分的影响。 LTI系统的基本性质： 叠加性（线性）： $T{ax_1(t) + bx_2(t)} = aT{x_1(t)} + bT{x_2(t)}$。 移不变性： $T{x(t-t_0)} = y(t-t_0)$，其中 $y(t) = T{x(t)}$。 因果性与稳定性： LTI系统因果性、稳定性的判别条件。 LTI系统的时域分析——卷积： 连续时间LTI系统的卷积积分： $y(t) = x(t) h(t) = int_{-infty}^{infty} x( au)h(t- au)d au$。 离散时间LTI系统的卷积和： $y[n] = x[n] h[n] = sum_{k=-infty}^{infty} x[k]h[n-k]$。 单位脉冲响应 $h(t)$ 或 $h[n]$ 的重要性及其作用。 通过卷积计算LTI系统的输出。 Python实现： 利用NumPy的convolve函数实现离散时间信号的卷积和。 对于连续时间信号的卷积，将通过数值积分方法（如梯形法则）进行近似计算，并与解析解进行对比。 编写Python程序计算单位脉冲响应，并用于预测系统输出。 第三部分：傅里叶分析 傅里叶分析是理解和处理信号频谱特性的强大工具。本部分将从傅里叶级数开始，介绍周期信号的频谱分解，然后过渡到傅里叶变换，用于分析非周期信号的频谱。我们将详细讲解傅里叶级数（DFS, DTR）和傅里叶变换（FT）的定义、性质及其在信号分析中的应用。重点将放在理解频谱密度、频率响应以及傅里叶变换的各种性质，如线性、时移、频移、卷积性质等。 傅里叶级数（FS）： 周期信号的三角形式、指数形式傅里叶级数。 傅里叶级数的收敛性。 傅里叶级数的应用：谐波分析。 傅里叶变换（FT）： 非周期信号的傅里叶变换定义。 傅里叶变换的常见对。 傅里叶变换的重要性质：线性性、时移性、频移性、对称性、积分性、微分性、卷积性质。 傅里叶变换与卷积定理：时域卷积对应频域乘积。 帕斯瓦尔定理：信号的能量与频谱的关系。 Python实现： 使用NumPy的fft函数和ifft函数计算离散傅里叶变换（DFT）及其逆变换。 理解DFT与FT之间的关系，以及DFT在计算FT时的近似原理。 绘制信号的幅度谱和相位谱，分析信号的频率成分。 利用FFT计算卷积，验证卷积定理。 第四部分：拉普拉斯变换与Z变换 为了更广泛地分析线性系统，特别是处理超越傅里叶变换的稳定性问题和非收敛信号，我们将引入拉普拉斯变换（适用于连续时间系统）和Z变换（适用于离散时间系统）。本部分将详细介绍这两种变换的定义、收敛域（ROC）、重要性质以及它们在系统分析中的应用，包括稳定性分析、系统频率响应的获取以及零极点分析。 拉普拉斯变换（LT）： 单边拉普拉斯变换和双边拉普拉斯变换的定义。 收敛域（ROC）的概念及其重要性。 常见函数的拉普拉斯变换对。 拉普拉斯变换的性质：线性性、时移性、尺度变换性、微分性、积分性、卷积性。 利用拉普拉斯变换求解微分方程，分析LTI系统。 传递函数 $H(s)$ 的概念及其与单位脉冲响应 $h(t)$ 的关系。 极点和零点的概念及其对系统稳定性和频率响应的影响。 Z变换（ZT）： 单边Z变换和双边Z变换的定义。 收敛域（ROC）的概念及其重要性。 常见序列的Z变换对。 Z变换的性质：线性性、时移性、尺度变换性、微分性、积分性、卷积性。 利用Z变换求解差分方程，分析离散时间LTI系统。 传递函数 $H(z)$ 的概念及其与单位脉冲响应 $h[n]$ 的关系。 极点和零点的概念及其对系统稳定性和频率响应的影响。 Python实现： 虽然Python的标准库没有直接提供符号计算的拉普拉斯和Z变换，但本书将通过数值方法和库（如SciPy的signal模块）来演示相关概念。 使用Python计算离散时间系统的传递函数零极点，并分析系统的稳定性。 利用Python仿真离散时间系统，并与Z变换分析结果进行对比。 第五部分：系统建模与应用 本部分将把前面学到的理论知识应用于实际的系统建模与分析。我们将探讨如何利用LTI系统的概念来描述和分析现实世界中的各种系统，例如电路、机械系统、通信系统等。在此基础上，我们将深入研究信号处理中的关键技术，如滤波器的设计与实现。 系统建模： 如何从物理系统建立数学模型（微分方程或差分方程）。 利用LTI系统的性质分析模型的行为。 滤波器设计与应用： 滤波器的基本概念：低通、高通、带通、带阻滤波器。 连续时间滤波器（如RC滤波器）和离散时间滤波器（如FIR和IIR滤波器）的理论基础。 滤波器设计的基本方法（例如，巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器等）。 滤波器在信号去噪、信号分离等实际问题中的应用。 Python实现： 使用SciPy.signal模块进行滤波器的设计与应用。 设计FIR和IIR滤波器，并对含噪信号进行滤波处理。 通过仿真实验，展示滤波器的频率响应特性。 将所学理论与Python代码相结合，解决实际的信号处理问题，例如音频降噪、图像增强等。 总结 《信号与系统——理论、应用与Python实现》旨在为读者提供一个全面、深入且实用的信号与系统学习体验。本书强调理论与实践相结合，通过丰富的Python代码示例，帮助读者将抽象的数学概念转化为具体的工程应用。无论是初学者还是希望巩固相关知识的工程师，本书都将是宝贵的学习资源，帮助读者掌握理解和分析信号与系统世界的基本工具和方法。

评分☆☆☆☆☆

4. 实用价值极高的工程参考书 在实际工程项目中，理论知识的转化和落地往往面临诸多挑战。而这本《现代控制理论及其MATLAB实现》以其极高的实用价值，成为我案头不可或缺的参考书。书中不仅讲解了现代控制理论的核心概念，更注重理论与工程实践的紧密结合。每一个章节都包含了丰富的实例，涵盖了从系统建模、控制器设计到仿真验证的全过程。例如，在处理具有时滞的系统时，书中提供的处理方法和MATLAB实现，直接解决了我在实际项目中遇到的难题。同样，对于如何设计最优控制器以达到性能指标最优，以及如何通过状态估计来处理传感器噪声等问题，书中都有清晰的解答和详细的步骤。我尤其赞赏书中对不同控制方法优缺点的比较分析，这能够帮助工程师根据具体应用场景选择最合适的控制策略。MATLAB实现的源代码质量很高，可读性强，并且能够直接移植到实际项目中进行二次开发。这本书就像一个经验丰富的“老工头”，总能给出最接地气的建议，帮助我们把理论知识转化为解决实际工程问题的有效方案。

评分☆☆☆☆☆

2. 学习路径的清晰指引者 对于初学者来说，现代控制理论往往像一座难以逾越的高山，充斥着抽象的概念和复杂的数学推导。然而，这本《现代控制理论及其MATLAB实现》却以其清晰的学习路径，将这座高山变得触手可及。作者似乎非常理解初学者的困惑，因此在内容编排上做足了功夫。从最基础的状态空间表示法开始，逐步引入稳定性分析、能控性和能观性等核心概念，每一个环节都辅以直观的图示和简明的解释。最让我印象深刻的是，书中并没有一开始就抛出大量的线性代数和微分方程知识，而是选择在讲解过程中，根据需要适时地补充相关的数学工具，让读者能够边学边用，而不是被繁重的数学背景吓退。MATLAB的引入更是如虎添翼，书中提供的各种仿真示例，让理论的学习立刻变得可视化，能够直观地观察到不同控制策略对系统性能的影响。我尤其喜欢书中关于状态反馈控制器设计的部分，通过对极点配置的详细讲解，我能够清晰地理解如何通过调整控制器参数来达到预期的系统响应。这本书就像一位循循善诱的老师，一步步引导我走出理论的迷雾，迈向理解和应用现代控制理论的康庄大道。

评分☆☆☆☆☆

1. 理论深度与实践结合的典范 作为一名在自动化领域摸爬滚打多年的工程师，我一直在寻找一本既能深入阐述现代控制理论精髓，又能提供实际工程应用指导的工具书。终于，我在这本《现代控制理论及其MATLAB实现》中找到了答案。书的开篇便以一种令人耳目一新的方式，系统地梳理了经典控制理论的局限性，并巧妙地引出了现代控制理论的强大之处。从状态空间描述、可控性、可观测性到最优控制、鲁棒控制，每一个概念的引入都循序渐进，逻辑严谨。作者没有简单堆砌枯燥的数学公式，而是通过大量的工程实例，将抽象的理论转化为生动的实践。特别是其MATLAB实现部分，代码详实，注释清晰，几乎涵盖了从理论推导到仿真验证的每一个关键环节。我曾遇到一个复杂的多变量系统辨识难题，以往只能束手无策，但通过书中关于系统辨识的章节，我找到了思路，并成功运用MATLAB完成了辨识和控制器设计。书中关于PID控制的改进，以及对模糊控制、神经网络控制等先进方法的介绍，也为我开拓了新的视野，让我能够应对更加复杂的控制挑战。这本书不仅仅是一本教科书，更像是一位经验丰富的老友，在你遇到困难时，总能给出最有效的建议和最实用的工具。

评分☆☆☆☆☆

3. 开拓前沿控制技术视野的窗口 随着科技的飞速发展，传统的控制方法已难以满足日益复杂的工程需求。这本《现代控制理论及其MATLAB实现》恰恰抓住了这一时代脉搏，将目光聚焦于现代控制理论的前沿领域，为我们打开了一扇认识和应用先进控制技术的大门。书中对非线性系统控制、自适应控制、预测控制等前沿主题的阐述，不仅理论深入，而且紧密结合了MATLAB的仿真实现，让这些看似高深的理论变得不再遥不可及。例如，在讲解模型预测控制（MPC）时，作者不仅解释了其核心思想——滚动优化，还提供了具体的算法流程和MATLAB代码示例，让我能够快速理解其工作原理并尝试将其应用于实际问题。书中对鲁棒控制的介绍，特别是在面对参数不确定性和外部扰动时，如何设计出能够保证系统稳定性和性能的控制器，也给了我极大的启发。作为一名长期从事工业自动化设备研发的工程师，我深切体会到在复杂多变的环境下，对先进控制策略的需求日益迫切。这本书为我提供了宝贵的知识储备和实践指导，让我能够积极拥抱新技术，不断提升产品的性能和智能化水平。

评分☆☆☆☆☆

5. 激发创新思维的灵感源泉 一本好的技术书籍，不仅仅在于传授知识，更在于激发读者的创新思维。《现代控制理论及其MATLAB实现》无疑做到了这一点。它并没有止步于对经典理论的复述，而是深入探讨了现代控制理论的内在逻辑，以及如何利用其强大的数学工具来解决更复杂、更具挑战性的工程问题。书中对现代控制理论的系统性阐述，如同一张全景图，让我看到了控制工程发展的广阔前景。在阅读过程中，我经常会因为书中某些巧妙的论证或富有创意的实现方式而产生新的想法。例如，关于多模型切换控制的章节，其思想的启发性让我开始思考如何将不同的控制策略有机地结合起来，以应对更加多样化的工况。MATLAB的实现部分，不仅提供了可运行的代码，更展现了作者严谨的逻辑思维和解决问题的思路，这本身就是一种极佳的学习范例。这本书让我意识到，现代控制理论远不止于教科书上的公式，它更是一种思维方式，一种解决问题的工具，一种不断突破创新的动力。它激励着我去探索新的控制算法，去设计更智能、更高效的控制系统。

评分☆☆☆☆☆

最优控制理论 最优控制理论是设计最优控制系统的理论基础，主要研究受控系统在指定性能指标实现最优时的控制规律及其综合方法。在最优控制理论中，用于综合最优控制系统的主要方法有极大值原理和动态规划。最优控制理论的研究范围正在不断扩大，诸如大系统的最优控制、分布参数系统的最优控制等。

评分☆☆☆☆☆

线性系统理论 它是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。按所采用的数学工具，线性系统理论通常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆；基于抽象代数方法的代数理论，代表人物是R.E.卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。

评分☆☆☆☆☆

线性系统理论 它是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。按所采用的数学工具，线性系统理论通常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆；基于抽象代数方法的代数理论，代表人物是R.E.卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。

评分☆☆☆☆☆

线性系统理论 它是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。按所采用的数学工具，线性系统理论通常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆；基于抽象代数方法的代数理论，代表人物是R.E.卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。

评分☆☆☆☆☆

很不错的一本专业书籍，内容值得看~~~

评分☆☆☆☆☆

很不错的一本专业书籍，内容值得看~~~

评分☆☆☆☆☆

非线性系统理论 非线性系统的分析和综合理论尚不完善。研究领域主要还限于系统的运动稳定性、双线性系统的控制和观测问题、非线性反馈问题等。更一般的非线性系统理论还有待建立。从70年代中期以来，由微分几何理论得出的某些方法对分析某些类型的非线性系统提供了有力的理论工具。

评分☆☆☆☆☆

线性系统理论 它是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。按所采用的数学工具，线性系统理论通常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆；基于抽象代数方法的代数理论，代表人物是R.E.卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。

评分☆☆☆☆☆

线性系统理论 它是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。按所采用的数学工具，线性系统理论通常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆；基于抽象代数方法的代数理论，代表人物是R.E.卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。