现代控制理论(全国普通高校自动化类专业规划教材) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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胡皓，王春侠，任鸟飞 著

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• 系统控制
• 线性系统
• 状态空间

店铺： 北京爱读者图书专营店

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302371649

商品编码：29728896684

包装：平装

出版时间：2014-10-01

基本信息

书名：现代控制理论(全国普通高校自动化类专业规划教材)

定价：34.50元

作者：胡皓,王春侠,任鸟飞

出版社：清华大学出版社

出版日期：2014-10-01

ISBN：9787302371649

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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“现代控制理论”是自动化及其相关专业本科生的一门重要的专业基础课程。胡皓、王春侠、任鸟飞编著的这本《现代控制理论》适应工程与应用类院校自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器及相近专业的需要，力图结合系统的物理概念，深入浅出地阐述现代控制理论的基本内容，包括状态空间的基本概念和分析方法，系统的状态空间描述和各种标准型，系统的运动分析，能控性与能观测性，结构分解和实现问题，以及系统的稳定性分析、状态反馈和状态观测器等；后通过工程应用实例，归纳和总结状态空间的分析方法和具体应用。
　　本书叙述深入浅出，理论联系实际，尽可能从实际背景的分析中提出要讨论的问题、概念和方法。在介绍系统分析和控制系统设计方法的同时，适当地给出了相应的MATLAB函数，便于读者利用MATLAB软件来有效求解控制系统的一些计算和仿真问题，以加深对概念和方法的理解。
　　本书既适用于电气信息类各专业及其他相关专业作为教材使用，也适用于在职人员和广大读者自学深造使用。另外，本书配有电子课件，欢迎选用本书作教材的老师索取。

目录

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绪论章 线性控制系统的状态空间描述 1.1 状态空间模型 1.1.1 引例 1.1.2 状态空间的基本概念 1.1.3 系统的状态空间表达 1.1.4 状态结构图 1.2 动态系统状态空间表达式的建立 1.3 由系统微分方程求状态空间表达式 1.3.1 系统输入量不含有导数项 1.3.2 系统输入量含有导数项 1.4 由状态空间表达式求传递函数 1.4.1 单输入单输出系统的传递函数 1.4.2 多输入多输出系统传递函数阵 1.5 状态矢量的线性变换 1.5.1 线性非奇异变换 1.5.2 系统的特征根、特征向量与传递函数矩阵 1.5.3 一般型转化为对角标准型 1.6 离散系统的状态空间表示 1.6.1 由差分方程或脉冲传递函数建立动态方程 1.6.2 离散系统的传递函数阵 1.7 利用MATLAB进行系统模型之间的相互转换 本章小结 习题第2章 线性控制系统的运动分析 2.1 线性定常系统状态方程的解 2.1.1 齐次状态方程的求解 2.1.2 状态转移矩阵 2.1.3 非齐次状态方程的求解 2.2 特定输入下的状态响应 2.3 凯莱-哈密尔顿(Caley-Hamilton)定理 2.4 连续系统的时间离散化 2.4.1 连续时间线性系统的离散化模型 2.4.2 连续时间线性系统近似离散化模型 2.5 线性离散系统的运动分析 2.5.1 迭代法 2.5.2 z变换法求解 2.6 利用MATLAB计算矩阵指数 2.6.1 利用MATLAB 符号工具箱计算矩阵指数 2.6.2 求线性系统的状态响应 本章小结 习题第3章 线性系统的能控性与能观测性 3.1 线性定常连续系统的能控性 3.1.1 能控性定义 3.1.2 判别系统能控性的方法 3.1.3 输出能控性 3.2 线性连续系统的能观测性 3.2.1 能观测性定义 3.2.2 判别系统能观测性的方法 3.3 能控性和能观测性与传递函数零极点的关系 3.4 对偶原理 3.4.1 线性系统的对偶关系 3.4.2 对偶系统的性质 3.4.3 对偶原理 3.5 能控标准型和能观测标准型 3.5.1 单输入系统的能控标准型 3.5.2 单输出系统的能观测标准型 3.6 系统的结构分解 3.6.1 按能控性分解 3.6.2 按能观测性分解 3.6.3 按能控和能观测性分解 3.7 传递函数阵的实现问题 3.7.1 定义和基本特性 3.7.2 能控标准型实现和能观测标准型实现 3.7.3 小实现 3.8 离散系统的能控性与能观测性 3.8.1 离散系统的能控性 3.8.2 离散系统的能观测性 3.3.3 连续系统离散化后的能控性与能观测性 3.9 利用MATLAB分析系统的能控性和能观测性 本章小结 习题第4章 线性定常系统的综合 4.1 状态反馈控制系统的基本结构及其特点 4.1.1 状态反馈的基本结构 4.1.2 状态反馈的特点 4.1.3 状态反馈极点配置 4.2 输出反馈的极点配置 4.2.1 输出反馈 4.2.2 输出反馈的特点 4.2.3 输出反馈极点配置 4.3 状态观测器 4.3.1 观测器的模型 4.3.2 观测器的设计方法 4.3.3 降维观测器 4.4 带有状态观测器的状态反馈 4.4.1 系统的结构与数学模型 4.4.2 系统的基本特性 4.5 解耦控制 4.5.1 多变量系统的耦合关系 4.5.2 串联补偿器解耦 4.6 MATLAB在系统综合上的应用 4.6.1 采用MATLAB 实现极点配置 4.6.2 状态观测器设计 4.6.3 带有状态观测器的闭环状态反馈系统 本章小结 习题第5章 控制系统的稳定性分析 5.1 动态系统的外部稳定性 5.2 动态系统的内部稳定性 5.2.1 平衡状态 5.2.2 状态矢量的范数 5.2.3 Lyapunov意义下的稳定性 5.3 Lyapunov稳定性理论 5.3.1 预备知识 5.3.2 Lyapunov法 5.3.3 Lyapunov第二法 5.3.4 克拉索夫斯基方法 5.4 线性系统的Lyapunov稳定性分析 5.4.1 连续系统的Lyapunov稳定性分析 5.4.2 离散系统的Lyapunov稳定性分析 5.5 MATLAB在线性系统稳定性分析中的应用 5.5.1 Lyapunov法 5.5.2 Lyapunov第二法 5.5.3 MATLAB在线性定常离散系统稳定性分析中的应用 本章小结 习题第6章 其他控制方法 6.1 模型参考控制系统分析 6.2 优控制 6.2.1 优控制的性能指标 6.2.2 二次型性能指标的优控制 6.2.3 参数佳问题的Lyapunov第二法的解法 6.2.4 二次型佳控制问题 6.3 用MATLAB 解二次型优控制问题 本章小结 习题第7章 工程应用实例 7.1 倒立摆系统的控制 7.1.1 倒立摆系统简介 7.1.2 数学模型 7.1.3 系统的可控性分析 7.1.4 系统阶跃响应分析 7.1.5 极点配置 7.1.6 线性二次优控制 7.2 汽车悬架系统控制 7.2.1 汽车悬架系统的简化模型 7.2.2 汽车悬架的开环控制 7.2.3 汽车悬架的状态反馈控制 7.3 磁盘驱动器读写磁头的定位控制 7.3.1 磁盘存储器的工作原理 7.3.2 磁盘驱动器的动态特性分析 7.3.3 磁盘驱动器的状态空间分析 7.3.4 参数变化及扰动作用时磁盘驱动器的分析 7.3.5 要求具体指标时磁盘驱动器的分析 7.3.6 带有速度反馈的磁盘驱动器磁头系统分析 7.3.7 PID控制的磁盘驱动器磁头系统的分析 7.3.8 磁盘驱动器磁头系统的频率法分析 7.3.9 磁盘驱动器磁头系统的状态空间分析 7.4 电动机车驱动控制 本章小结参考文献

作者介绍

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胡皓，男，1962年生，宝鸡文理学院电气系教授，学院教学名师，自动化研究所副所长，西北地区电子技术研究会理事，陕西省自动化学会教育及普及委员会委员，宝鸡市制造业信息化电子行业服务中心副主任，宝鸡市电子学会理事，市政协委员。长期从事控制科学与工程方面的教学与研究工作。

文摘

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序言

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《现代控制理论》：一窥自动化世界的智慧之眼 在信息技术浪潮汹涌、自动化技术日益渗透社会方方面面的今天，理解和掌握现代控制理论已成为连接理论与实践、驱动科技进步的关键。这门学科不仅是自动化类专业的核心基石，更是航空航天、机器人、生物医学工程、经济管理等众多领域不可或缺的支撑。本书《现代控制理论（全国普通高校自动化类专业规划教材）》正是一扇通往这个精彩世界的大门，它以严谨的学术体系、清晰的逻辑结构，为读者铺就一条深入理解和应用现代控制理论的专业之路。 本书并非一本孤立的理论著作，它深植于自动化技术的发展脉络，紧密结合当前科学研究的前沿和工程实践的需求。从早期简单机械系统的开关控制，到如今复杂动态系统的智能优化，控制理论的发展历程本身就是一部人类智慧不断超越自我的生动写照。本书正是撷取了这一发展历程中的精华，系统地梳理了现代控制理论的核心概念、数学工具以及主要分支。 核心概念的深度解析：从系统到稳定性 本书的起点，是构建对“控制系统”的深刻认知。一个控制系统，本质上是一个能够对另一个系统（称为被控系统）的状态进行影响和调控的系统，其核心在于“反馈”机制。这种反馈，是系统感知自身状态、与外界环境互动并据此调整自身行为的关键。作者深入浅出地阐释了系统建模的重要性，从物理系统的数学描述，到状态空间方程的引入，为理解系统的动态行为奠定了坚实的数学基础。 其中，“稳定性”是控制理论中的一个核心概念，它关乎着一个系统能否在外部干扰或初始扰动后恢复到期望的状态，或者是否会失控发散。本书详细介绍了各种稳定性判据，如李雅普纳夫稳定性理论，并探讨了不同类型系统的稳定性分析方法。理解稳定性，如同为控制系统安装了“安全阀”，确保其运行的可靠性和可预测性。 数学工具的严谨运用：线性代数与微分方程的融合 现代控制理论的强大之处，离不开其高度抽象化的数学语言。本书在数学工具的使用上，力求严谨而实用。线性代数，作为描述多输入多输出系统的基础，贯穿于全书的各个章节。矩阵运算、特征值分析、向量空间等概念，被巧妙地应用于系统建模、系统分析以及控制器设计。例如，通过状态转移矩阵，可以精确预测系统在没有外部输入情况下的演化轨迹，而特征值则揭示了系统模态的行为特性。 同时，微分方程和差分方程是描述动态系统的“心脏”。本书系统地讲解了如何运用这些数学工具来刻画系统的瞬态响应和稳态特性。从一阶、二阶系统的经典分析，到高阶、非线性系统的复杂描述，读者将逐步掌握如何将物理世界的动态过程转化为可分析的数学模型。这种数学建模的能力，是解决实际工程问题的“金钥匙”。 核心分支的系统梳理：时域、频域与现代方法 本书对现代控制理论的各个分支进行了系统性的梳理，为读者提供了一个全景式的视角。 经典控制理论（时域与频域分析）：虽然本书名为“现代控制理论”，但对经典控制理论的温故与发展是必不可少的。经典控制理论主要关注单输入单输出（SISO）系统，并依赖于传递函数等工具。本书会介绍伯德图、奈奎斯特图等频域分析方法，以及根轨迹、瞬态响应分析等时域方法。这些方法在分析系统的频率响应特性、判断系统稳定性以及初步设计控制器方面依然具有重要价值。 状态空间方法：这是现代控制理论的核心标志之一。本书将深入介绍状态空间表示法，包括系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵和直接传输矩阵。通过状态方程和输出方程，读者将学会如何用一组一阶微分方程（或差分方程）来完整描述系统的内部状态和外部输出。这种方法能够处理多输入多输出（MIMO）系统，且对非线性系统的描述也更加灵活。 最优控制：当系统的性能指标无法仅通过稳定性来衡量时，最优控制理论应运而生。本书将探讨如何设计控制器，使得系统在满足一定约束条件的前提下，达到某个性能指标的最优，例如最小化能量消耗、最短化响应时间等。例如，庞特里亚金最小值原理和动态规划等方法，将是学习最优控制的重要工具。 状态估计与观测器设计：在实际控制系统中，并非所有系统的状态都能被直接测量。状态估计器（或观测器）就是用来通过可测量的输出信号来重构不可测量状态的数学模型。本书将介绍诸如李曼-沃尔什（Luenberger）观测器等经典状态估计方法，以及卡尔曼滤波器等在包含噪声情况下的最优估计方法。 离散时间系统：随着数字计算机在控制系统中的广泛应用，离散时间系统分析变得愈发重要。本书将系统地介绍离散时间系统的建模、稳定性分析以及控制器设计方法，包括Z变换、脉冲响应等概念。 理论联系实际：案例分析与工程应用 本书的价值不仅仅在于理论的阐述，更在于它如何将这些深奥的理论转化为解决实际问题的工具。作者会在适当的时候穿插具体的工程实例，例如飞行器姿态控制、机器人轨迹跟踪、过程工业的温度和压力控制等，来展示现代控制理论在不同领域的应用。通过这些案例，读者能够更直观地理解理论概念的物理意义，以及如何将数学模型转化为实际的控制器设计。 学习路径与读者收益 本书适合具备一定高等数学、线性代数和基础电路知识的本科生和研究生。对于从事自动化、控制工程、机器人、航空航天等领域的工程师和研究人员，本书也是一本极具参考价值的工具书。 通过系统学习本书，读者将能够： 1. 建立扎实的理论基础：掌握现代控制理论的核心概念、数学工具和分析方法。 2. 提升系统建模能力：能够将实际工程问题抽象为数学模型，并选择合适的建模方法。 3. 掌握控制器设计技术：学会设计满足性能要求的控制器，包括PID控制器、状态反馈控制器、观测器等。 4. 分析系统性能：能够准确评估系统的稳定性、动态响应特性以及鲁棒性。 5. 理解前沿研究方向：为进一步学习非线性控制、自适应控制、智能控制等更高级的主题打下基础。 6. 增强工程实践能力：将理论知识应用于解决实际工程中的控制问题。 总而言之，《现代控制理论》是一本旨在培养读者洞察和驾驭复杂动态系统的能力的教材。它不仅仅是知识的传递，更是思维的启迪。掌握了书中的理论与方法，就如同掌握了一双“智慧之眼”，能够清晰地看到自动化世界运行的内在规律，并具备改变和优化这些规律的能力，为未来科技的飞速发展注入源源不断的动力。

评分☆☆☆☆☆

说实话，刚拿到这本书的时候，我还有点担心它会不会过于偏重理论而忽略了工程实践。毕竟，控制理论最终是要用在机器和系统上的。然而，这本书完美地平衡了这一点。它的内容编排逻辑非常贴合实际工程的开发流程。例如，在讲到系统建模时，它不仅介绍了基于物理规律的建模，还花了相当篇幅讲解了如何利用实验数据进行辨识建模，这在实际的工业现场中是至关重要的技能。而且，书中很多案例都带有鲜明的工程背景，比如飞行器姿态控制、化工过程的温度调节等，这些都让抽象的控制算法有了具体的应用场景。这种“理论指导实践，实践反哺理论”的良性循环，是这本书最大的亮点之一。我个人觉得，即便是对于那些已经工作多年、需要回顾和提升理论水平的工程师来说，这本书的价值也无可替代，因为它能帮你系统地梳理那些在实际工作中可能被忽略的关键环节。

评分☆☆☆☆☆

我得说，这本教材的深度和广度确实配得上“全国规划教材”的称号。它不仅仅满足于讲解经典的线性系统控制，更将视野拓展到了非线性和鲁棒控制的前沿领域。对于已经有一定基础的同学来说，这本书无疑提供了一个非常扎实的进阶平台。书中对于最优控制的讨论尤为精彩，LQR控制器、H无穷控制器的推导过程，虽然涉及大量的矩阵运算，但作者的逻辑链条极其严密，让你能清晰地看到每一步数学操作背后的物理意义。我特别欣赏作者在处理复杂理论时所保持的那份严谨性，引用了最新的研究成果，使得这本书的时效性非常强。它没有回避那些计算量大的部分，而是将其作为锻炼读者分析能力的绝佳机会。读完后，我感觉自己对系统辨识和自适应控制有了一个全新的认识，不再是零散的知识点堆砌，而是一个有机的整体。对于想从事高性能控制系统设计工作的工程师来说，这本书绝对是案头的必备良器，它提供的理论框架足够支撑你去探索更深层次的问题。

评分☆☆☆☆☆

从阅读体验的角度来看，这本书的排版和术语的一致性做得非常出色，这在专业教材中往往是个容易被忽视的细节。在控制理论这个高度符号化的领域，术语的精确性直接决定了学习效率。这本书在这方面做得非常到位，几乎所有的符号定义都清晰明确，而且在首次出现复杂符号时都有详细的注解，极大地减少了反复查阅的需要。此外，它对不同流派控制思想的介绍也体现出一种开放和包容的态度，比如对经典控制和现代控制的衔接处理得非常自然，让人明白现代控制并非是完全推翻前人成果，而是在更高维度上对问题进行更全面的审视和解决。这种对知识体系完整性的尊重，让读者在学习时感到非常顺畅，思维的跨越也因此变得更加平滑。我甚至觉得，光是学会如何阅读和理解这本书中的数学表达，本身就是一种宝贵的训练。

评分☆☆☆☆☆

这本《现代控制理论》真是让我这个初学者大开眼界，虽然我还在摸索阶段，但书里的讲解方式真是太清晰了。它不像有些教材上来就甩一堆公式，而是循序渐进地引导你理解背后的逻辑。比如，在介绍状态空间表示法的时候，作者花了大篇幅去解释为什么这种方法比传统的传递函数模型更具系统性和通用性，这一点对我们理解现代控制系统的核心思想至关重要。书中丰富的图例和实例，简直是神来之笔，很多抽象的概念，通过那些生动的图形瞬间就变得直观可感了。我记得有一章讲到李雅普诺夫稳定性理论，本来以为会非常枯燥，结果通过好几个具体的机械臂控制案例，让我真切体会到理论的实用价值。而且，这本书的编排非常注重理论与实践的结合，每一章的末尾都有配套的习题，这些习题的难度设置也很有层次感，从基础巩固到深入思考，非常有助于巩固学习效果。我感觉，这本书与其说是一本教材，不如说是一位经验丰富的老教授在手把手地教你如何驾驭复杂的控制系统，那种匠心独运的设计，让人读起来心悦诚服。

评分☆☆☆☆☆

这本书的特色在于它对“鲁棒性”和“不确定性”的强调，这绝对是区别于老式教材的关键所在。在今天的复杂工程环境中，系统参数的微小波动或外部干扰都是不可避免的，如何设计出对这些不确定性“不敏感”的控制器，是衡量一个控制系统是否真正成熟的标准。该书在这方面的内容组织得极为精妙，从早期的经典鲁棒性指标，到后来先进的$H_infty$控制和模型预测控制（MPC），层层递进，深入浅出地展示了应对不确定性的各种工程智慧。尤其是MPC的介绍，它将优化算法与实时控制紧密结合的方式，让我看到了未来智能控制的发展方向。读完这部分，我不再满足于简单地“让系统稳定”，而是开始思考“如何在各种约束和干扰下，让系统以最优的方式运行”。这种思维层次的提升，才是真正一本优秀教材能带给读者的最大财富。