現代控製理論及其MATLAB實現 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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韓緻信 著

圖書標籤:

• 控製理論
• 現代控製
• MATLAB
• 自動控製
• 係統分析
• 控製係統
• 數學模型
• 算法實現
• 仿真
• 工程應用

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121243660

版次：1

商品編碼：11560651

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2014-09-01

頁數：236

正文語種：中文

內容簡介

本書主要介紹應用現代控製理論進行係統分析和綜閤的方法及其MATLAB編程與計算。全書共分6章，主要內容包括：第1章控製係統的狀態空間數學模型，第2章控製係統的運動分析，第3章控製係統的穩定性分析，第4章控製係統的能控性與能觀測性，第5章綫性定常控製係統的綜閤，第6章最優控製。本書配套的電子課件和習題參考答案，可登錄華信教育資源網www.hxedu.com.cn，注冊後免費下載。

作者簡介

韓緻信，男，主要研究方嚮：機械設備自動化，機械係統在綫智能監測與控製，工業和仿生機器人及其智能控製，機械振動與噪聲及其控製，人駕駛汽車及其智能控製、機械強度及動態測試與分析。

目錄

第1章 控製係統的狀態空間數學模型
1．1 基本概念
1．2 綫性定常連續係統的狀態空間數學模型
1．2．1 根據物理模型建立狀態空間模型
1．2．2 根據微分方程建立狀態空間模型
1．2．3 根據傳遞函數建立狀態空間模型
1．2．4 根據係統的傳遞函數結構圖建立狀態空間模型
1．2．5 狀態空間模型的綫性變換
1．2．6 狀態空間模型與傳遞函數矩陣之間的關係
1．3 綫性時變連續係統的狀態空間數學模型
1．4 非綫性連續係統的狀態空間數學模型
1．4．1 本質非綫性係統的狀態空間模型
1．4．2 本徵非綫性係統的狀態空間模型
1．5 綫性離散係統的狀態空間數學模型
1．5．1 基本概念
1．5．2 綫性定常離散係統的狀態空間模型
1．6 綫性定常係統狀態空間模型的MATLAB實現
1．6．1 數學模型的MATLAB錶示法
1．6．2 實現能控規範型的MATLAB編程及計算
習題1
第2章 控製係統的運動分析
2．1 綫性定常連續係統的運動分析
2．1．1 係統狀態自由運動
2．1．2 狀態轉移矩陣
2．1．3 係統狀態受控運動
2．1．4 係統的輸齣響應
2．1．5 實現綫性定常連續係統運動分析的MATLAB編程
2．2 綫性時變連續係統的運動分析
2．2．1 係統狀態自由運動
2．2．2 狀態轉移矩陣
2．2．3 係統狀態受控運動
2．2．4 係統輸齣響應
2．2．5 實現綫性時變連續係統運動分析的MATLAB編程
2．3 綫性定常離散係統的運動分析
2．3．1 綫性定常連續係統的離散化及其MATLAB實現
2．3．2 綫性定常離散係統的運動分析
2．3．3 實現綫性定常離散係統運動分析的MATLAB編程
2．4 綫性時變離散係統的運動分析
2．4．1 綫性時變連續係統的離散化及其MATLAB實現
2．4．2 綫性時變離散係統的狀態運動分析
2．4．3 實現綫性時變離散係統運動分析的MATLAB編程
習題2
第3章 控製係統的穩定性分析
3．1 李雅普諾夫穩定性基本定理
3．1．1 數學基礎
3．1．2 李雅普諾夫穩定性定義
3．1．3 李雅普諾夫穩定性定理
3．2 綫性連續係統的穩定性分析
3．2．1 綫性定常連續係統的穩定性分析及其MATLAB編程與計算
3．2．2 綫性時變連續係統的穩定性分析
3．3 綫性離散係統的穩定性分析
3．3．1 綫性定常離散係統的穩定性分析及其MATLAB編程與計算
3．3．2 綫性時變離散係統的穩定性分析
3．4 非綫性連續係統的穩定性分析
3．4．1 剋拉索夫斯基(Krasovski)法及其MATLAB編程與計算
3．4．2 變量梯度法
習題3
第4章 控製係統的能控性與能觀測性
4．1 係統的能控性
4．1．1 綫性時變連續係統的狀態能控性
4．1．2 綫性定常連續係統的狀態能控性及其MATLAB輔助分析
4．1．3 綫性離散係統的狀態能控性
4．1．4 係統的輸齣能控性
4．2 係統的能觀測性
4．2．1 綫性時變連續係統的能觀測性
4．2．2 綫性定常連續係統的狀態能觀測性及其MATLAB輔助分析
4．2．3 綫性定常離散係統的狀態能觀測性
4．3 能控與能觀測規範型的實現
4．3．1 能控規範型的實現及其MATLAB編程與計算
4．3．2 能觀測規範型的實現及其MATLAB編程與計算
4．4 綫性定常係統能控性與能觀測性在復域［s］中的判據
4．5 對偶係統及對偶性原理
4．5．1 綫性定常對偶係統
4．5．2 綫性時變對偶係統
4．6 綫性定常係統能控與能觀測結構分解
4．6．1 能控與不能控結構分解及其MATLAB輔助計算
4．6．2 能觀測與不能觀測結構分解及其MATLAB輔助計算
4．6．3 能控性與能觀測性結構綜閤分解
習題4
第5章 綫性定常控製係統的綜閤
5．1 反饋控製係統的基本概念
5．1．1 狀態反饋控製係統
5．1．2 輸齣反饋控製係統
5．2 以實現期望極點為目標的係統綜閤
5．2．1 單輸入狀態反饋控製係統極點配置及其MATLAB輔助計算
5．2．2 多輸入狀態反饋控製係統的極點配置方法
5．2．3 輸齣反饋控製係統極點配置及其MATLAB輔助計算
5．3 以實現係統鎮定為目標的係統綜閤
5．4 以實現解耦控製為目標的係統綜閤
5．4．1 補償器解耦
5．4．2 狀態反饋解耦
5．4．3 實現狀態反饋解耦控製計算的MATLAB編程與計算
5．5 狀態重構控製係統
5．5．1 全維狀態重構器及其MATLAB輔助設計
5．5．2 帶全維狀態重構器的狀態反饋係統及其MATLAB輔助設計
5．5．3 降維狀態重構器及其MATLAB輔助設計
習題5
第6章 最優控製
６．1 泛函及其變分法簡介
6．2 最優控製及其變分解法
6．2．1 數學模型
6．2．2 求解最優控製問題的變分法――拉格朗日乘子法
6．3 綫性二次型最優控製
6．3．1 綫性二次型最優控製的目標泛函
6．3．2 狀態調節器及其MATLAB輔助設計
6．3．3 輸齣調節器
6．3．4 輸齣跟蹤器及其MATLAB輔助設計
6．4 極小值原理
6．4．1 連續係統的極小值原理
6．4．2 Bang-Bang開關控製
6．5 離散係統的最優控製
6．5．1 控製約束的離散係統的最優控製
6．5．2 控製有約束的離散係統的最優控製
6．6 動態規劃法
6．6．1 多級決策過程及最優性原理
6．6．2 離散係統的動態規劃
6．6．3 連續係統的動態規劃
習題6
附錄A 習題參考答案
參考文獻

前言/序言

《信號與係統——理論、應用與Python實現》 內容概述 《信號與係統——理論、應用與Python實現》是一本旨在全麵深入地介紹信號與係統基本概念、核心理論、實際應用以及利用Python語言進行建模與仿真的教科書。本書以清晰的邏輯結構，將抽象的信號與係統理論與工程實踐緊密結閤，為讀者構建一個紮實而又實用的知識體係。本書內容涵蓋瞭從信號的基本分類、運算，到綫性時不變係統的性質、分析方法，再到傅裏葉分析、拉普拉斯變換、Z變換等關鍵的數學工具，並在此基礎上探討瞭係統建模、濾波設計、信號處理等實際應用。貫穿全書的核心特色是，作者不僅詳細闡述瞭理論知識，更通過大量的Python代碼示例，展示瞭如何將這些理論應用於解決實際工程問題，從而加深讀者對概念的理解，並培養實際動手能力。 第一部分：信號的基本概念與運算 本部分將係統地介紹信號的定義、分類及其基本運算。我們將首先探討連續時間和離散時間信號的本質區彆，以及如何對信號進行分類，例如周期信號與非周期信號、能量信號與功率信號、奇信號與偶信號等。在此基礎上，我們將詳細講解信號的基本運算，包括時移、尺度變換（伸縮）、翻轉（反摺）以及信號的相加、相乘和捲積。這些基礎運算是理解和分析後續更復雜係統行為的關鍵。本書將通過直觀的圖示和易於理解的解釋，幫助讀者掌握這些概念。 信號的定義與分類： 連續時間信號（CT）與離散時間信號（DT）的區分。 周期信號與非周期信號的判斷與分析。 能量信號與功率信號的計算與特性。 信號的奇偶性分析。 單位階躍信號、單位衝激信號、單位斜坡信號等典型信號的性質和錶示。 信號的基本運算： 時間平移： $x(t-t_0)$ 和 $x(t+t_0)$ 的幾何意義與計算。 時間尺度變換： $x(at)$ 的伸縮與壓縮，以及其對信號形狀的影響。 時間翻轉： $x(-t)$ 的鏡像變換。 信號的組閤： $c_1x_1(t) + c_2x_2(t)$， $x_1(t)x_2(t)$ 的計算與解釋。 Python實現： 使用NumPy庫生成不同類型的信號（正弦波、方波、三角波、衝激信號等）。 利用Matplotlib庫繪製信號波形，直觀展示信號運算的效果。 編寫Python函數實現信號的時移、尺度變換、翻轉等操作。 第二部分：綫性時不變（LTI）係統 本部分將深入探討綫性時不變（LTI）係統，這是信號處理和係統分析中的核心內容。我們將首先介紹LTI係統的定義，包括疊加性（綫性）和移不變性。隨後，我們將重點講解LTI係統的兩種基本分析方法：時域分析和頻域分析。時域分析將以捲積積分（連續時間係統）和捲積和（離散時間係統）為核心，展示如何通過係統的單位脈衝響應來描述和預測係統的輸齣。頻域分析將引入傅裏葉級數和傅裏葉變換，揭示信號在不同頻率成分上的分布以及係統對這些頻率成分的影響。 LTI係統的基本性質： 疊加性（綫性）： $T{ax_1(t) + bx_2(t)} = aT{x_1(t)} + bT{x_2(t)}$。 移不變性： $T{x(t-t_0)} = y(t-t_0)$，其中 $y(t) = T{x(t)}$。 因果性與穩定性： LTI係統因果性、穩定性的判彆條件。 LTI係統的時域分析——捲積： 連續時間LTI係統的捲積積分： $y(t) = x(t) h(t) = int_{-infty}^{infty} x( au)h(t- au)d au$。 離散時間LTI係統的捲積和： $y[n] = x[n] h[n] = sum_{k=-infty}^{infty} x[k]h[n-k]$。 單位脈衝響應 $h(t)$ 或 $h[n]$ 的重要性及其作用。 通過捲積計算LTI係統的輸齣。 Python實現： 利用NumPy的convolve函數實現離散時間信號的捲積和。 對於連續時間信號的捲積，將通過數值積分方法（如梯形法則）進行近似計算，並與解析解進行對比。 編寫Python程序計算單位脈衝響應，並用於預測係統輸齣。 第三部分：傅裏葉分析 傅裏葉分析是理解和處理信號頻譜特性的強大工具。本部分將從傅裏葉級數開始，介紹周期信號的頻譜分解，然後過渡到傅裏葉變換，用於分析非周期信號的頻譜。我們將詳細講解傅裏葉級數（DFS, DTR）和傅裏葉變換（FT）的定義、性質及其在信號分析中的應用。重點將放在理解頻譜密度、頻率響應以及傅裏葉變換的各種性質，如綫性、時移、頻移、捲積性質等。 傅裏葉級數（FS）： 周期信號的三角形式、指數形式傅裏葉級數。 傅裏葉級數的收斂性。 傅裏葉級數的應用：諧波分析。 傅裏葉變換（FT）： 非周期信號的傅裏葉變換定義。 傅裏葉變換的常見對。 傅裏葉變換的重要性質：綫性性、時移性、頻移性、對稱性、積分性、微分性、捲積性質。 傅裏葉變換與捲積定理：時域捲積對應頻域乘積。 帕斯瓦爾定理：信號的能量與頻譜的關係。 Python實現： 使用NumPy的fft函數和ifft函數計算離散傅裏葉變換（DFT）及其逆變換。 理解DFT與FT之間的關係，以及DFT在計算FT時的近似原理。 繪製信號的幅度譜和相位譜，分析信號的頻率成分。 利用FFT計算捲積，驗證捲積定理。 第四部分：拉普拉斯變換與Z變換 為瞭更廣泛地分析綫性係統，特彆是處理超越傅裏葉變換的穩定性問題和非收斂信號，我們將引入拉普拉斯變換（適用於連續時間係統）和Z變換（適用於離散時間係統）。本部分將詳細介紹這兩種變換的定義、收斂域（ROC）、重要性質以及它們在係統分析中的應用，包括穩定性分析、係統頻率響應的獲取以及零極點分析。 拉普拉斯變換（LT）： 單邊拉普拉斯變換和雙邊拉普拉斯變換的定義。 收斂域（ROC）的概念及其重要性。 常見函數的拉普拉斯變換對。 拉普拉斯變換的性質：綫性性、時移性、尺度變換性、微分性、積分性、捲積性。 利用拉普拉斯變換求解微分方程，分析LTI係統。 傳遞函數 $H(s)$ 的概念及其與單位脈衝響應 $h(t)$ 的關係。 極點和零點的概念及其對係統穩定性和頻率響應的影響。 Z變換（ZT）： 單邊Z變換和雙邊Z變換的定義。 收斂域（ROC）的概念及其重要性。 常見序列的Z變換對。 Z變換的性質：綫性性、時移性、尺度變換性、微分性、積分性、捲積性。 利用Z變換求解差分方程，分析離散時間LTI係統。 傳遞函數 $H(z)$ 的概念及其與單位脈衝響應 $h[n]$ 的關係。 極點和零點的概念及其對係統穩定性和頻率響應的影響。 Python實現： 雖然Python的標準庫沒有直接提供符號計算的拉普拉斯和Z變換，但本書將通過數值方法和庫（如SciPy的signal模塊）來演示相關概念。 使用Python計算離散時間係統的傳遞函數零極點，並分析係統的穩定性。 利用Python仿真離散時間係統，並與Z變換分析結果進行對比。 第五部分：係統建模與應用 本部分將把前麵學到的理論知識應用於實際的係統建模與分析。我們將探討如何利用LTI係統的概念來描述和分析現實世界中的各種係統，例如電路、機械係統、通信係統等。在此基礎上，我們將深入研究信號處理中的關鍵技術，如濾波器的設計與實現。 係統建模： 如何從物理係統建立數學模型（微分方程或差分方程）。 利用LTI係統的性質分析模型的行為。 濾波器設計與應用： 濾波器的基本概念：低通、高通、帶通、帶阻濾波器。 連續時間濾波器（如RC濾波器）和離散時間濾波器（如FIR和IIR濾波器）的理論基礎。 濾波器設計的基本方法（例如，巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器等）。 濾波器在信號去噪、信號分離等實際問題中的應用。 Python實現： 使用SciPy.signal模塊進行濾波器的設計與應用。 設計FIR和IIR濾波器，並對含噪信號進行濾波處理。 通過仿真實驗，展示濾波器的頻率響應特性。 將所學理論與Python代碼相結閤，解決實際的信號處理問題，例如音頻降噪、圖像增強等。 總結 《信號與係統——理論、應用與Python實現》旨在為讀者提供一個全麵、深入且實用的信號與係統學習體驗。本書強調理論與實踐相結閤，通過豐富的Python代碼示例，幫助讀者將抽象的數學概念轉化為具體的工程應用。無論是初學者還是希望鞏固相關知識的工程師，本書都將是寶貴的學習資源，幫助讀者掌握理解和分析信號與係統世界的基本工具和方法。

評分☆☆☆☆☆

2. 學習路徑的清晰指引者 對於初學者來說，現代控製理論往往像一座難以逾越的高山，充斥著抽象的概念和復雜的數學推導。然而，這本《現代控製理論及其MATLAB實現》卻以其清晰的學習路徑，將這座高山變得觸手可及。作者似乎非常理解初學者的睏惑，因此在內容編排上做足瞭功夫。從最基礎的狀態空間錶示法開始，逐步引入穩定性分析、能控性和能觀性等核心概念，每一個環節都輔以直觀的圖示和簡明的解釋。最讓我印象深刻的是，書中並沒有一開始就拋齣大量的綫性代數和微分方程知識，而是選擇在講解過程中，根據需要適時地補充相關的數學工具，讓讀者能夠邊學邊用，而不是被繁重的數學背景嚇退。MATLAB的引入更是如虎添翼，書中提供的各種仿真示例，讓理論的學習立刻變得可視化，能夠直觀地觀察到不同控製策略對係統性能的影響。我尤其喜歡書中關於狀態反饋控製器設計的部分，通過對極點配置的詳細講解，我能夠清晰地理解如何通過調整控製器參數來達到預期的係統響應。這本書就像一位循循善誘的老師，一步步引導我走齣理論的迷霧，邁嚮理解和應用現代控製理論的康莊大道。

評分☆☆☆☆☆

4. 實用價值極高的工程參考書 在實際工程項目中，理論知識的轉化和落地往往麵臨諸多挑戰。而這本《現代控製理論及其MATLAB實現》以其極高的實用價值，成為我案頭不可或缺的參考書。書中不僅講解瞭現代控製理論的核心概念，更注重理論與工程實踐的緊密結閤。每一個章節都包含瞭豐富的實例，涵蓋瞭從係統建模、控製器設計到仿真驗證的全過程。例如，在處理具有時滯的係統時，書中提供的處理方法和MATLAB實現，直接解決瞭我在實際項目中遇到的難題。同樣，對於如何設計最優控製器以達到性能指標最優，以及如何通過狀態估計來處理傳感器噪聲等問題，書中都有清晰的解答和詳細的步驟。我尤其贊賞書中對不同控製方法優缺點的比較分析，這能夠幫助工程師根據具體應用場景選擇最閤適的控製策略。MATLAB實現的源代碼質量很高，可讀性強，並且能夠直接移植到實際項目中進行二次開發。這本書就像一個經驗豐富的“老工頭”，總能給齣最接地氣的建議，幫助我們把理論知識轉化為解決實際工程問題的有效方案。

評分☆☆☆☆☆

3. 開拓前沿控製技術視野的窗口 隨著科技的飛速發展，傳統的控製方法已難以滿足日益復雜的工程需求。這本《現代控製理論及其MATLAB實現》恰恰抓住瞭這一時代脈搏，將目光聚焦於現代控製理論的前沿領域，為我們打開瞭一扇認識和應用先進控製技術的大門。書中對非綫性係統控製、自適應控製、預測控製等前沿主題的闡述，不僅理論深入，而且緊密結閤瞭MATLAB的仿真實現，讓這些看似高深的理論變得不再遙不可及。例如，在講解模型預測控製（MPC）時，作者不僅解釋瞭其核心思想——滾動優化，還提供瞭具體的算法流程和MATLAB代碼示例，讓我能夠快速理解其工作原理並嘗試將其應用於實際問題。書中對魯棒控製的介紹，特彆是在麵對參數不確定性和外部擾動時，如何設計齣能夠保證係統穩定性和性能的控製器，也給瞭我極大的啓發。作為一名長期從事工業自動化設備研發的工程師，我深切體會到在復雜多變的環境下，對先進控製策略的需求日益迫切。這本書為我提供瞭寶貴的知識儲備和實踐指導，讓我能夠積極擁抱新技術，不斷提升産品的性能和智能化水平。

評分☆☆☆☆☆

1. 理論深度與實踐結閤的典範 作為一名在自動化領域摸爬滾打多年的工程師，我一直在尋找一本既能深入闡述現代控製理論精髓，又能提供實際工程應用指導的工具書。終於，我在這本《現代控製理論及其MATLAB實現》中找到瞭答案。書的開篇便以一種令人耳目一新的方式，係統地梳理瞭經典控製理論的局限性，並巧妙地引齣瞭現代控製理論的強大之處。從狀態空間描述、可控性、可觀測性到最優控製、魯棒控製，每一個概念的引入都循序漸進，邏輯嚴謹。作者沒有簡單堆砌枯燥的數學公式，而是通過大量的工程實例，將抽象的理論轉化為生動的實踐。特彆是其MATLAB實現部分，代碼詳實，注釋清晰，幾乎涵蓋瞭從理論推導到仿真驗證的每一個關鍵環節。我曾遇到一個復雜的多變量係統辨識難題，以往隻能束手無策，但通過書中關於係統辨識的章節，我找到瞭思路，並成功運用MATLAB完成瞭辨識和控製器設計。書中關於PID控製的改進，以及對模糊控製、神經網絡控製等先進方法的介紹，也為我開拓瞭新的視野，讓我能夠應對更加復雜的控製挑戰。這本書不僅僅是一本教科書，更像是一位經驗豐富的老友，在你遇到睏難時，總能給齣最有效的建議和最實用的工具。

評分☆☆☆☆☆

5. 激發創新思維的靈感源泉 一本好的技術書籍，不僅僅在於傳授知識，更在於激發讀者的創新思維。《現代控製理論及其MATLAB實現》無疑做到瞭這一點。它並沒有止步於對經典理論的復述，而是深入探討瞭現代控製理論的內在邏輯，以及如何利用其強大的數學工具來解決更復雜、更具挑戰性的工程問題。書中對現代控製理論的係統性闡述，如同一張全景圖，讓我看到瞭控製工程發展的廣闊前景。在閱讀過程中，我經常會因為書中某些巧妙的論證或富有創意的實現方式而産生新的想法。例如，關於多模型切換控製的章節，其思想的啓發性讓我開始思考如何將不同的控製策略有機地結閤起來，以應對更加多樣化的工況。MATLAB的實現部分，不僅提供瞭可運行的代碼，更展現瞭作者嚴謹的邏輯思維和解決問題的思路，這本身就是一種極佳的學習範例。這本書讓我意識到，現代控製理論遠不止於教科書上的公式，它更是一種思維方式，一種解決問題的工具，一種不斷突破創新的動力。它激勵著我去探索新的控製算法，去設計更智能、更高效的控製係統。

評分☆☆☆☆☆

綫性係統理論 它是現代控製理論中最為基本和比較成熟的一個分支，著重於研究綫性係統中狀態的控製和觀測問題，其基本的分析和綜閤方法是狀態空間法。按所采用的數學工具，綫性係統理論通常分成為三個學派：基於幾何概念和方法的幾何理論，代錶人物是W.M.旺納姆；基於抽象代數方法的代數理論，代錶人物是R.E.卡爾曼；基於復變量方法的頻域理論，代錶人物是H.H.羅森布羅剋。

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很不錯的一本專業書籍，內容值得看~~~

評分☆☆☆☆☆

非綫性係統理論 非綫性係統的分析和綜閤理論尚不完善。研究領域主要還限於係統的運動穩定性、雙綫性係統的控製和觀測問題、非綫性反饋問題等。更一般的非綫性係統理論還有待建立。從70年代中期以來，由微分幾何理論得齣的某些方法對分析某些類型的非綫性係統提供瞭有力的理論工具。

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非綫性係統理論 非綫性係統的分析和綜閤理論尚不完善。研究領域主要還限於係統的運動穩定性、雙綫性係統的控製和觀測問題、非綫性反饋問題等。更一般的非綫性係統理論還有待建立。從70年代中期以來，由微分幾何理論得齣的某些方法對分析某些類型的非綫性係統提供瞭有力的理論工具。

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最優控製理論 最優控製理論是設計最優控製係統的理論基礎，主要研究受控係統在指定性能指標實現最優時的控製規律及其綜閤方法。在最優控製理論中，用於綜閤最優控製係統的主要方法有極大值原理和動態規劃。最優控製理論的研究範圍正在不斷擴大，諸如大係統的最優控製、分布參數係統的最優控製等。

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綫性係統理論 它是現代控製理論中最為基本和比較成熟的一個分支，著重於研究綫性係統中狀態的控製和觀測問題，其基本的分析和綜閤方法是狀態空間法。按所采用的數學工具，綫性係統理論通常分成為三個學派：基於幾何概念和方法的幾何理論，代錶人物是W.M.旺納姆；基於抽象代數方法的代數理論，代錶人物是R.E.卡爾曼；基於復變量方法的頻域理論，代錶人物是H.H.羅森布羅剋。