正版刚现代控制理论(全国普通高校自动化类专业规划教材)9787302371649胡皓,王春 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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店铺： 温文尔雅图书专营店

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302371649

商品编码：29760639957

包装：平装

出版时间：2014-10-01

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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 图书简介 本书是一本深入探讨现代控制理论核心概念、方法与应用的教材，旨在为读者提供一个系统、全面且严谨的学习框架。内容覆盖了经典控制理论的延续与发展，重点阐述了状态空间方法、最优控制、稳定性理论、能观能控性等现代控制工程的关键要素。本书理论深度与工程实践相结合，适合高等院校自动化、电气工程、航空航天、机械工程等相关专业的本科生、研究生以及从事控制系统设计与研究的工程师阅读。 第一部分：系统建模与状态空间描述 本部分是现代控制理论的基础，将详细介绍如何将实际的动态系统用数学模型来描述，并重点引入了状态空间法的强大表达能力。 物理系统的建模：我们将从描述物理系统的基本定律出发，如牛顿定律、电路定律、拉普拉斯变换等，学习如何建立描述系统动态行为的微分方程或差分方程。这包括了线性定常系统、线性时变系统以及非线性系统的初步建模思想。我们将详细分析如何从实际的物理结构出发，提取出系统的关键参数，并将其转化为代数或微分方程的形式。例如，对于机械系统，我们会讨论质量、阻尼、弹簧等参数如何构成系统的运动方程；对于电路系统，会分析电感、电容、电阻等元件的特性如何影响电路的动态行为。 状态变量的概念与选取：我们将深入理解状态变量在描述系统动态演化中的核心作用。状态变量是描述系统当前状态的最少一组独立变量，它们决定了系统未来的行为，与过去输入无关（在特定条件下）。我们将讨论如何根据系统的物理结构和数学模型，恰当地选取一组状态变量。例如，对于一个二阶倒立摆系统，其状态变量可能包括摆杆的角度、角速度以及小车的位置、速度。我们将探讨不同状态变量选取方案的优劣，以及它们对后续分析的影响。 状态空间方程的建立：基于状态变量的选取，我们将详细推导系统的状态空间方程。这通常表现为一组一阶线性微分方程（对于连续时间系统）或差分方程（对于离散时间系统）。我们将介绍两种主要的标准形式： 标准型：$dot{x}(t) = Ax(t) + Bu(t)$ 和 $y(t) = Cx(t) + Du(t)$ 约旦标准型：该形式将系统矩阵A化为约旦块对角矩阵，便于分析系统的固有动态特性。 我们将详细讲解矩阵A、B、C、D的物理意义，以及它们如何分别代表系统的内部动态、输入耦合、输出耦合和直接馈通。对于非线性系统，我们将讨论如何通过泰勒展开或线性化方法将其近似表示为线性状态空间模型，并分析线性化误差的影响。 模型的时域与频域表示：除了状态空间描述，我们还将回顾并深化对系统传递函数的理解。我们将详细推导状态空间模型与传递函数之间的转换关系，展示两种表示方法之间的等价性，并分析它们各自的优势与适用场景。例如，传递函数更侧重于系统的输入输出关系和频率响应特性，而状态空间则能更全面地反映系统的内部动态和结构。 第二部分：系统分析与反馈控制 本部分将聚焦于利用状态空间方法对控制系统进行深入分析，并重点介绍基于状态反馈的控制律设计。 能控性与能观性：这是现代控制理论中两个至关重要的概念，直接关系到我们能否通过控制输入改变系统的状态，以及能否通过测量输出来推断系统的内部状态。 能控性：我们将详细介绍能控性的定义，即是否存在一个控制输入，能够将系统的状态从任意初始状态转移到任意目标状态。我们将推导判别能控性的卡尔曼判据（Kalman controllability criterion），并介绍其他等价的判据，如秩判据。我们将通过具体的例子，说明系统不可控可能导致的问题，以及如何通过添加控制器来增强系统的可控性。 能观性：我们将深入理解能观性的定义，即根据系统的输入和输出信号，能否唯一地确定系统的所有状态变量。我们将推导判别能观性的卡尔曼判据（Kalman observability criterion），并介绍其等价判据。我们将分析系统不可观的后果，以及如何通过设计观测器来估计系统的状态。 能控标准型与能观标准型：我们将介绍如何通过状态变换将系统转化为能控标准型和能观标准型，这有助于我们更清晰地理解系统的可控和可观子系统，以及它们之间的相互作用。 稳定性分析：我们将全面深入地探讨系统的稳定性，这是控制系统设计中最基本的要求。 李亚普诺夫稳定性理论：我们将详细介绍李亚普诺夫第一方法（线性系统）和李亚普诺夫第二方法（直接法），这是分析非线性系统稳定性的强大工具。我们将定义和理解渐近稳定性、指数稳定性等概念，并学习如何构造李亚普诺夫函数来证明系统的稳定性。我们将重点分析李亚普诺夫方程在系统稳定性分析中的应用。 Routh-Hurwitz判据与根轨迹法回顾：虽然属于经典控制理论，但我们将回顾这些方法在分析线性系统稳定性和理解系统动态响应中的作用，并与李亚普诺夫理论进行对比。 状态反馈控制：这是现代控制工程的核心技术之一。 极点配置：我们将详细讲解如何通过状态反馈，即令控制输入 $u(t) = -Kx(t)$，来改变系统的闭环特征值（闭环系统的极点）。我们将推导求解状态反馈增益矩阵K的方法，如使用代数方法或帕德近似法，以及如何根据设计要求（如希望系统具有特定的响应速度和阻尼特性）来配置闭环极点。 最优控制理论基础：我们将引入最优控制的基本思想，即在满足系统动态约束的同时，最小化（或最大化）某个性能指标函数（代价函数）。我们将讨论如何定义代价函数，以及求解最优控制问题的方法。 第三部分：状态估计与现代控制策略 本部分将进一步拓展现代控制理论的应用范围，涵盖状态估计、最优控制以及一些先进的控制技术。 状态观测器：在实际工程中，并非所有状态变量都能直接测量。状态观测器是一种能够利用系统的输入和输出信号来估计系统内部状态的数学模型。 Luenberger观测器：我们将详细介绍Luenberger观测器的结构和设计方法。我们将推导观测器增益矩阵L的选取原则，使其能够快速准确地估计系统状态。我们将讨论观测器误差的动态特性，以及如何通过调整L来改善观测器的性能。 最小阶观测器：在某些情况下，我们可以设计一个阶数低于系统阶数的状态观测器，以减少计算量和传感器需求。我们将介绍最小阶观测器的设计方法。 卡尔曼滤波器：作为最著名的状态估计器，卡尔曼滤波器在处理带噪声的测量信号时表现出色。我们将深入介绍卡尔曼滤波器的基本原理、递推算法以及离散时间与连续时间卡尔曼滤波器的推导。我们将强调卡尔曼滤波器作为最优线性无偏估计器的性质，并讨论其在实际应用中的广泛性。 最优控制：我们将深入探讨最优控制理论，这是现代控制领域的一个重要分支。 线性二次型最优控制（LQR）：我们将详细推导LQR问题的数学形式，即在满足线性系统动态约束的条件下，最小化一个二次型性能指标函数。我们将学习如何求解Riccati方程来获得最优状态反馈增益矩阵K。我们将分析LQR控制器在系统性能和鲁棒性方面的优势。 动态规划：我们将介绍Bellman最优性原理和动态规划的思想，这是求解更一般最优控制问题（包括非线性系统和更复杂的性能指标）的强大框架。我们将推导Hamilton-Jacobi-Bellman（HJB）方程，并讨论其求解方法。 系统辨识：在实际工程中，精确的系统模型往往难以获得。系统辨识是根据实验数据来构建或改进系统模型的过程。我们将介绍基于模型的方法，如最小二乘法及其变种，用于估计系统的参数。 鲁棒控制与模型预测控制（MPC）简介：我们将对一些更先进的控制理论进行初步介绍，为读者进一步学习打下基础。 鲁棒控制：我们将介绍鲁棒控制的基本思想，即设计控制器，使其在模型不确定性或外部干扰存在的情况下，仍能保证系统的性能和稳定性。 模型预测控制（MPC）：我们将简要介绍MPC的原理，它利用未来一段时间内的系统模型来预测系统行为，并滚动优化控制输入，以实现最优控制。MPC在处理约束条件和多变量系统方面具有显著优势。 第四部分：应用与发展 本部分将结合实际工程中的典型应用案例，展示现代控制理论的强大威力，并展望未来的发展方向。 典型应用案例：我们将选取几个代表性的应用案例，如飞行器姿态控制、机器人路径规划、过程控制系统、电力系统稳定控制等，详细分析如何将现代控制理论的原理和方法应用于这些领域。通过这些案例，读者将能更直观地理解理论知识的实践意义。 多变量控制系统：我们将探讨如何处理具有多个输入和多个输出的复杂系统，以及如何设计协同工作的控制器。 数字控制系统：我们将讨论离散化技术、采样保持器以及数字控制器设计中的关键问题。 智能控制与自适应控制简介：我们将简要介绍基于神经网络、模糊逻辑等智能方法的控制技术，以及能够根据系统变化而自动调整控制器参数的自适应控制。 本书力求在理论严谨性、内容全面性、方法实用性以及教学可行性之间取得平衡，通过丰富的图示、清晰的推导和适度的习题，帮助读者深入理解现代控制理论的精髓，为解决实际工程问题奠定坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本《现代控制理论》的教材，从我翻开第一页开始，就给我一种非常扎实的感觉。作者在介绍经典控制理论的基础概念时，那种循序渐进的讲解方式，尤其是在处理像根轨迹、频率响应这些核心内容时，处理得相当到位。我记得最清楚的是关于李雅普诺夫稳定性的章节，它不像有些书那样只是罗列公式，而是深入浅出地讲解了如何构建能量函数，这对于理解系统的长期行为至关重要。书中的例题设计得也非常巧妙，它们不仅仅是公式的简单套用，很多时候需要读者综合运用好几个章节的知识点才能求解，这极大地锻炼了我的分析和解决问题的能力。特别是对于那些涉及非线性系统的初步探讨部分，虽然篇幅不算长，但其对全局稳定性和局部稳定性的区分，让我在面对实际工程问题时，能有一个更清晰的理论框架去思考。总的来说，它为我后续深入研究更复杂的控制系统打下了坚实的基础，那种踏实感是其他很多教材无法比拟的。

评分☆☆☆☆☆

我是一个偏向于应用实践的工程师，所以在挑选控制理论教材时，非常看重模型与实际的结合程度。这本书在这方面做得确实让人眼前一亮。它没有沉溺于纯粹的数学推导，而是花了相当大的篇幅去解释“为什么”要用某种方法，以及这种方法在实际的机器人、航空航天等领域是如何体现的。比如，它在讲到状态空间表示法时，会穿插介绍如何根据物理系统的微分方程直接建立矩阵模型，这对于我这种需要快速搭建仿真模型的工程师来说，简直是救星。更让我欣赏的是，书中对于现代控制理论中的一些“陷阱”处理得非常谨慎，比如在进行状态观测器设计时，对观测器增益的选择对系统动态性能的影响，书里通过仿真图例直观地展示了不同增益下的收敛速度和超调量差异。这种将理论与工程实践紧密结合的叙述方式，让原本抽象的数学概念变得生动可感，学习起来也更有效率，感觉每学一点都能立刻想到实际能用在哪儿。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我一开始对这本教材抱持着一种比较审慎的态度，因为市面上同类教材太多，很容易出现内容冗余或者陈旧的问题。但阅读下来，我发现这本书的编排逻辑性极强，它成功地建立起从经典到现代控制理论的平滑过渡。它的前半部分对经典的控制论概念进行梳理和提升，为后续引入先进的现代控制方法铺设了必要的桥梁。尤其是在讲授最优控制和鲁棒控制的入门概念时，作者没有直接抛出复杂的庞加莱-黎卡提方程或者H_∞范数，而是先从“性能指标”和“不确定性”这两个工程上最关心的角度切入，逐步引导读者理解为何需要这些更高级的理论工具。这种“问题驱动”的教学方法，极大地激发了我的求知欲。而且，书中的排版和图示非常清晰，那些复杂的控制结构图，每一根线条的指向和每一个模块的功能都标识得清清楚楚，对于自学而言，这极大地降低了理解和复习的难度。

评分☆☆☆☆☆

这本书在数学工具的使用上，展现出一种恰到好处的平衡。它承认现代控制理论建立在扎实的线性代数和微分方程基础之上，因此对这些预备知识的运用是毫不含糊的，该用矩阵分析的地方绝不含糊。然而，它并没有将教材变成一本高等数学的习题集。例如，在探讨可控性和可观测性时，作者侧重于讲解卡尔曼行列式的物理意义，而不是单纯地要求读者去计算行列式的值。这种处理方式非常高明，因为它让读者明白，数学工具是为理解物理系统服务的，而不是反过来。此外，书中对离散时间控制系统的处理也相当细致，它清晰地阐述了采样对系统性能的影响，以及如何选择合适的采样周期来保证控制效果。对我而言，理解了离散化处理的精髓，对后来接触到数字信号处理和嵌入式系统控制编程，都有了更深的洞察力。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书印象最深刻的是它在处理系统辨识和自适应控制这些前沿课题时的态度。虽然作为一本规划教材，它不可能把所有最新技术都讲透，但它对这些领域的介绍绝不是蜻蜓点水。它用简练的语言勾勒出了系统辨识的基本流程——从数据采集到模型结构选择，再到参数估计——让读者对这一复杂领域有了初步的认知地图。更值得称赞的是，书中对于参数估计中的常见问题，例如模型失配、噪声干扰等，都有所提及，并指出了不同估计算法（如最小二乘法）的局限性。这种对理论局限性的坦诚，远比一味地歌颂某种方法要来得宝贵。它教会了我，在工程实践中，没有“完美”的控制系统，只有在特定约束下“最优”的解决方案。读完后，我感觉自己对“控制”二字的理解从单纯的“调节”上升到了“在不确定性中寻求最优控制策略”的更高层面。