正版剛現代控製理論(全國普通高校自動化類專業規劃教材)9787302371649鬍皓,王春 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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鬍皓，王春俠，任鳥飛 著

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齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302371649

商品編碼：29760639957

包裝：平裝

齣版時間：2014-10-01

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基本信息

書名：現代控製理論(全國普通高校自動化類專業規劃教材)

定價：34.50元

作者：鬍皓,王春俠,任鳥飛

齣版社：清華大學齣版社

齣版日期：2014-10-01

ISBN：9787302371649

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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“現代控製理論”是自動化及其相關專業本科生的一門重要的專業基礎課程。鬍皓、王春俠、任鳥飛編著的這本《現代控製理論》適應工程與應用類院校自動化、電氣工程及其自動化、測控技術與儀器及相近專業的需要，力圖結閤係統的物理概念，深入淺齣地闡述現代控製理論的基本內容，包括狀態空間的基本概念和分析方法，係統的狀態空間描述和各種標準型，係統的運動分析，能控性與能觀測性，結構分解和實現問題，以及係統的穩定性分析、狀態反饋和狀態觀測器等；後通過工程應用實例，歸納和總結狀態空間的分析方法和具體應用。
　　本書敘述深入淺齣，理論聯係實際，盡可能從實際背景的分析中提齣要討論的問題、概念和方法。在介紹係統分析和控製係統設計方法的同時，適當地給齣瞭相應的MATLAB函數，便於讀者利用MATLAB軟件來有效求解控製係統的一些計算和仿真問題，以加深對概念和方法的理解。
　　本書既適用於電氣信息類各專業及其他相關專業作為教材使用，也適用於在職人員和廣大讀者自學深造使用。另外，本書配有電子課件，歡迎選用本書作教材的老師索取。

目錄

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緒論章 綫性控製係統的狀態空間描述 1.1 狀態空間模型 1.1.1 引例 1.1.2 狀態空間的基本概念 1.1.3 係統的狀態空間錶達 1.1.4 狀態結構圖 1.2 動態係統狀態空間錶達式的建立 1.3 由係統微分方程求狀態空間錶達式 1.3.1 係統輸入量不含有導數項 1.3.2 係統輸入量含有導數項 1.4 由狀態空間錶達式求傳遞函數 1.4.1 單輸入單輸齣係統的傳遞函數 1.4.2 多輸入多輸齣係統傳遞函數陣 1.5 狀態矢量的綫性變換 1.5.1 綫性非奇異變換 1.5.2 係統的特徵根、特徵嚮量與傳遞函數矩陣 1.5.3 一般型轉化為對角標準型 1.6 離散係統的狀態空間錶示 1.6.1 由差分方程或脈衝傳遞函數建立動態方程 1.6.2 離散係統的傳遞函數陣 1.7 利用MATLAB進行係統模型之間的相互轉換 本章小結 習題第2章 綫性控製係統的運動分析 2.1 綫性定常係統狀態方程的解 2.1.1 齊次狀態方程的求解 2.1.2 狀態轉移矩陣 2.1.3 非齊次狀態方程的求解 2.2 特定輸入下的狀態響應 2.3 凱萊-哈密爾頓(Caley-Hamilton)定理 2.4 連續係統的時間離散化 2.4.1 連續時間綫性係統的離散化模型 2.4.2 連續時間綫性係統近似離散化模型 2.5 綫性離散係統的運動分析 2.5.1 迭代法 2.5.2 z變換法求解 2.6 利用MATLAB計算矩陣指數 2.6.1 利用MATLAB 符號工具箱計算矩陣指數 2.6.2 求綫性係統的狀態響應 本章小結 習題第3章 綫性係統的能控性與能觀測性 3.1 綫性定常連續係統的能控性 3.1.1 能控性定義 3.1.2 判彆係統能控性的方法 3.1.3 輸齣能控性 3.2 綫性連續係統的能觀測性 3.2.1 能觀測性定義 3.2.2 判彆係統能觀測性的方法 3.3 能控性和能觀測性與傳遞函數零極點的關係 3.4 對偶原理 3.4.1 綫性係統的對偶關係 3.4.2 對偶係統的性質 3.4.3 對偶原理 3.5 能控標準型和能觀測標準型 3.5.1 單輸入係統的能控標準型 3.5.2 單輸齣係統的能觀測標準型 3.6 係統的結構分解 3.6.1 按能控性分解 3.6.2 按能觀測性分解 3.6.3 按能控和能觀測性分解 3.7 傳遞函數陣的實現問題 3.7.1 定義和基本特性 3.7.2 能控標準型實現和能觀測標準型實現 3.7.3 小實現 3.8 離散係統的能控性與能觀測性 3.8.1 離散係統的能控性 3.8.2 離散係統的能觀測性 3.3.3 連續係統離散化後的能控性與能觀測性 3.9 利用MATLAB分析係統的能控性和能觀測性 本章小結 習題第4章 綫性定常係統的綜閤 4.1 狀態反饋控製係統的基本結構及其特點 4.1.1 狀態反饋的基本結構 4.1.2 狀態反饋的特點 4.1.3 狀態反饋極點配置 4.2 輸齣反饋的極點配置 4.2.1 輸齣反饋 4.2.2 輸齣反饋的特點 4.2.3 輸齣反饋極點配置 4.3 狀態觀測器 4.3.1 觀測器的模型 4.3.2 觀測器的設計方法 4.3.3 降維觀測器 4.4 帶有狀態觀測器的狀態反饋 4.4.1 係統的結構與數學模型 4.4.2 係統的基本特性 4.5 解耦控製 4.5.1 多變量係統的耦閤關係 4.5.2 串聯補償器解耦 4.6 MATLAB在係統綜閤上的應用 4.6.1 采用MATLAB 實現極點配置 4.6.2 狀態觀測器設計 4.6.3 帶有狀態觀測器的閉環狀態反饋係統 本章小結 習題第5章 控製係統的穩定性分析 5.1 動態係統的外部穩定性 5.2 動態係統的內部穩定性 5.2.1 平衡狀態 5.2.2 狀態矢量的範數 5.2.3 Lyapunov意義下的穩定性 5.3 Lyapunov穩定性理論 5.3.1 預備知識 5.3.2 Lyapunov法 5.3.3 Lyapunov第二法 5.3.4 剋拉索夫斯基方法 5.4 綫性係統的Lyapunov穩定性分析 5.4.1 連續係統的Lyapunov穩定性分析 5.4.2 離散係統的Lyapunov穩定性分析 5.5 MATLAB在綫性係統穩定性分析中的應用 5.5.1 Lyapunov法 5.5.2 Lyapunov第二法 5.5.3 MATLAB在綫性定常離散係統穩定性分析中的應用 本章小結 習題第6章 其他控製方法 6.1 模型參考控製係統分析 6.2 優控製 6.2.1 優控製的性能指標 6.2.2 二次型性能指標的優控製 6.2.3 參數佳問題的Lyapunov第二法的解法 6.2.4 二次型佳控製問題 6.3 用MATLAB 解二次型優控製問題 本章小結 習題第7章 工程應用實例 7.1 倒立擺係統的控製 7.1.1 倒立擺係統簡介 7.1.2 數學模型 7.1.3 係統的可控性分析 7.1.4 係統階躍響應分析 7.1.5 極點配置 7.1.6 綫性二次優控製 7.2 汽車懸架係統控製 7.2.1 汽車懸架係統的簡化模型 7.2.2 汽車懸架的開環控製 7.2.3 汽車懸架的狀態反饋控製 7.3 磁盤驅動器讀寫磁頭的定位控製 7.3.1 磁盤存儲器的工作原理 7.3.2 磁盤驅動器的動態特性分析 7.3.3 磁盤驅動器的狀態空間分析 7.3.4 參數變化及擾動作用時磁盤驅動器的分析 7.3.5 要求具體指標時磁盤驅動器的分析 7.3.6 帶有速度反饋的磁盤驅動器磁頭係統分析 7.3.7 PID控製的磁盤驅動器磁頭係統的分析 7.3.8 磁盤驅動器磁頭係統的頻率法分析 7.3.9 磁盤驅動器磁頭係統的狀態空間分析 7.4 電動機車驅動控製 本章小結參考文獻

作者介紹

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鬍皓，男，1962年生，寶雞文理學院電氣係教授，學院教學名師，自動化研究所副所長，西北地區電子技術研究會理事，陝西省自動化學會教育及普及委員會委員，寶雞市製造業信息化電子行業服務中心副主任，寶雞市電子學會理事，市政協委員。長期從事控製科學與工程方麵的教學與研究工作。

文摘

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序言

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現代控製理論 圖書簡介 本書是一本深入探討現代控製理論核心概念、方法與應用的教材，旨在為讀者提供一個係統、全麵且嚴謹的學習框架。內容覆蓋瞭經典控製理論的延續與發展，重點闡述瞭狀態空間方法、最優控製、穩定性理論、能觀能控性等現代控製工程的關鍵要素。本書理論深度與工程實踐相結閤，適閤高等院校自動化、電氣工程、航空航天、機械工程等相關專業的本科生、研究生以及從事控製係統設計與研究的工程師閱讀。 第一部分：係統建模與狀態空間描述 本部分是現代控製理論的基礎，將詳細介紹如何將實際的動態係統用數學模型來描述，並重點引入瞭狀態空間法的強大錶達能力。 物理係統的建模：我們將從描述物理係統的基本定律齣發，如牛頓定律、電路定律、拉普拉斯變換等，學習如何建立描述係統動態行為的微分方程或差分方程。這包括瞭綫性定常係統、綫性時變係統以及非綫性係統的初步建模思想。我們將詳細分析如何從實際的物理結構齣發，提取齣係統的關鍵參數，並將其轉化為代數或微分方程的形式。例如，對於機械係統，我們會討論質量、阻尼、彈簧等參數如何構成係統的運動方程；對於電路係統，會分析電感、電容、電阻等元件的特性如何影響電路的動態行為。 狀態變量的概念與選取：我們將深入理解狀態變量在描述係統動態演化中的核心作用。狀態變量是描述係統當前狀態的最少一組獨立變量，它們決定瞭係統未來的行為，與過去輸入無關（在特定條件下）。我們將討論如何根據係統的物理結構和數學模型，恰當地選取一組狀態變量。例如，對於一個二階倒立擺係統，其狀態變量可能包括擺杆的角度、角速度以及小車的位置、速度。我們將探討不同狀態變量選取方案的優劣，以及它們對後續分析的影響。 狀態空間方程的建立：基於狀態變量的選取，我們將詳細推導係統的狀態空間方程。這通常錶現為一組一階綫性微分方程（對於連續時間係統）或差分方程（對於離散時間係統）。我們將介紹兩種主要的標準形式： 標準型：$dot{x}(t) = Ax(t) + Bu(t)$ 和 $y(t) = Cx(t) + Du(t)$ 約旦標準型：該形式將係統矩陣A化為約旦塊對角矩陣，便於分析係統的固有動態特性。 我們將詳細講解矩陣A、B、C、D的物理意義，以及它們如何分彆代錶係統的內部動態、輸入耦閤、輸齣耦閤和直接饋通。對於非綫性係統，我們將討論如何通過泰勒展開或綫性化方法將其近似錶示為綫性狀態空間模型，並分析綫性化誤差的影響。 模型的時域與頻域錶示：除瞭狀態空間描述，我們還將迴顧並深化對係統傳遞函數的理解。我們將詳細推導狀態空間模型與傳遞函數之間的轉換關係，展示兩種錶示方法之間的等價性，並分析它們各自的優勢與適用場景。例如，傳遞函數更側重於係統的輸入輸齣關係和頻率響應特性，而狀態空間則能更全麵地反映係統的內部動態和結構。 第二部分：係統分析與反饋控製 本部分將聚焦於利用狀態空間方法對控製係統進行深入分析，並重點介紹基於狀態反饋的控製律設計。 能控性與能觀性：這是現代控製理論中兩個至關重要的概念，直接關係到我們能否通過控製輸入改變係統的狀態，以及能否通過測量輸齣來推斷係統的內部狀態。 能控性：我們將詳細介紹能控性的定義，即是否存在一個控製輸入，能夠將係統的狀態從任意初始狀態轉移到任意目標狀態。我們將推導判彆能控性的卡爾曼判據（Kalman controllability criterion），並介紹其他等價的判據，如秩判據。我們將通過具體的例子，說明係統不可控可能導緻的問題，以及如何通過添加控製器來增強係統的可控性。 能觀性：我們將深入理解能觀性的定義，即根據係統的輸入和輸齣信號，能否唯一地確定係統的所有狀態變量。我們將推導判彆能觀性的卡爾曼判據（Kalman observability criterion），並介紹其等價判據。我們將分析係統不可觀的後果，以及如何通過設計觀測器來估計係統的狀態。 能控標準型與能觀標準型：我們將介紹如何通過狀態變換將係統轉化為能控標準型和能觀標準型，這有助於我們更清晰地理解係統的可控和可觀子係統，以及它們之間的相互作用。 穩定性分析：我們將全麵深入地探討係統的穩定性，這是控製係統設計中最基本的要求。 李亞普諾夫穩定性理論：我們將詳細介紹李亞普諾夫第一方法（綫性係統）和李亞普諾夫第二方法（直接法），這是分析非綫性係統穩定性的強大工具。我們將定義和理解漸近穩定性、指數穩定性等概念，並學習如何構造李亞普諾夫函數來證明係統的穩定性。我們將重點分析李亞普諾夫方程在係統穩定性分析中的應用。 Routh-Hurwitz判據與根軌跡法迴顧：雖然屬於經典控製理論，但我們將迴顧這些方法在分析綫性係統穩定性和理解係統動態響應中的作用，並與李亞普諾夫理論進行對比。 狀態反饋控製：這是現代控製工程的核心技術之一。 極點配置：我們將詳細講解如何通過狀態反饋，即令控製輸入 $u(t) = -Kx(t)$，來改變係統的閉環特徵值（閉環係統的極點）。我們將推導求解狀態反饋增益矩陣K的方法，如使用代數方法或帕德近似法，以及如何根據設計要求（如希望係統具有特定的響應速度和阻尼特性）來配置閉環極點。 最優控製理論基礎：我們將引入最優控製的基本思想，即在滿足係統動態約束的同時，最小化（或最大化）某個性能指標函數（代價函數）。我們將討論如何定義代價函數，以及求解最優控製問題的方法。 第三部分：狀態估計與現代控製策略 本部分將進一步拓展現代控製理論的應用範圍，涵蓋狀態估計、最優控製以及一些先進的控製技術。 狀態觀測器：在實際工程中，並非所有狀態變量都能直接測量。狀態觀測器是一種能夠利用係統的輸入和輸齣信號來估計係統內部狀態的數學模型。 Luenberger觀測器：我們將詳細介紹Luenberger觀測器的結構和設計方法。我們將推導觀測器增益矩陣L的選取原則，使其能夠快速準確地估計係統狀態。我們將討論觀測器誤差的動態特性，以及如何通過調整L來改善觀測器的性能。 最小階觀測器：在某些情況下，我們可以設計一個階數低於係統階數的狀態觀測器，以減少計算量和傳感器需求。我們將介紹最小階觀測器的設計方法。 卡爾曼濾波器：作為最著名的狀態估計器，卡爾曼濾波器在處理帶噪聲的測量信號時錶現齣色。我們將深入介紹卡爾曼濾波器的基本原理、遞推算法以及離散時間與連續時間卡爾曼濾波器的推導。我們將強調卡爾曼濾波器作為最優綫性無偏估計器的性質，並討論其在實際應用中的廣泛性。 最優控製：我們將深入探討最優控製理論，這是現代控製領域的一個重要分支。 綫性二次型最優控製（LQR）：我們將詳細推導LQR問題的數學形式，即在滿足綫性係統動態約束的條件下，最小化一個二次型性能指標函數。我們將學習如何求解Riccati方程來獲得最優狀態反饋增益矩陣K。我們將分析LQR控製器在係統性能和魯棒性方麵的優勢。 動態規劃：我們將介紹Bellman最優性原理和動態規劃的思想，這是求解更一般最優控製問題（包括非綫性係統和更復雜的性能指標）的強大框架。我們將推導Hamilton-Jacobi-Bellman（HJB）方程，並討論其求解方法。 係統辨識：在實際工程中，精確的係統模型往往難以獲得。係統辨識是根據實驗數據來構建或改進係統模型的過程。我們將介紹基於模型的方法，如最小二乘法及其變種，用於估計係統的參數。 魯棒控製與模型預測控製（MPC）簡介：我們將對一些更先進的控製理論進行初步介紹，為讀者進一步學習打下基礎。 魯棒控製：我們將介紹魯棒控製的基本思想，即設計控製器，使其在模型不確定性或外部乾擾存在的情況下，仍能保證係統的性能和穩定性。 模型預測控製（MPC）：我們將簡要介紹MPC的原理，它利用未來一段時間內的係統模型來預測係統行為，並滾動優化控製輸入，以實現最優控製。MPC在處理約束條件和多變量係統方麵具有顯著優勢。 第四部分：應用與發展 本部分將結閤實際工程中的典型應用案例，展示現代控製理論的強大威力，並展望未來的發展方嚮。 典型應用案例：我們將選取幾個代錶性的應用案例，如飛行器姿態控製、機器人路徑規劃、過程控製係統、電力係統穩定控製等，詳細分析如何將現代控製理論的原理和方法應用於這些領域。通過這些案例，讀者將能更直觀地理解理論知識的實踐意義。 多變量控製係統：我們將探討如何處理具有多個輸入和多個輸齣的復雜係統，以及如何設計協同工作的控製器。 數字控製係統：我們將討論離散化技術、采樣保持器以及數字控製器設計中的關鍵問題。 智能控製與自適應控製簡介：我們將簡要介紹基於神經網絡、模糊邏輯等智能方法的控製技術，以及能夠根據係統變化而自動調整控製器參數的自適應控製。 本書力求在理論嚴謹性、內容全麵性、方法實用性以及教學可行性之間取得平衡，通過豐富的圖示、清晰的推導和適度的習題，幫助讀者深入理解現代控製理論的精髓，為解決實際工程問題奠定堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

我是一個偏嚮於應用實踐的工程師，所以在挑選控製理論教材時，非常看重模型與實際的結閤程度。這本書在這方麵做得確實讓人眼前一亮。它沒有沉溺於純粹的數學推導，而是花瞭相當大的篇幅去解釋“為什麼”要用某種方法，以及這種方法在實際的機器人、航空航天等領域是如何體現的。比如，它在講到狀態空間錶示法時，會穿插介紹如何根據物理係統的微分方程直接建立矩陣模型，這對於我這種需要快速搭建仿真模型的工程師來說，簡直是救星。更讓我欣賞的是，書中對於現代控製理論中的一些“陷阱”處理得非常謹慎，比如在進行狀態觀測器設計時，對觀測器增益的選擇對係統動態性能的影響，書裏通過仿真圖例直觀地展示瞭不同增益下的收斂速度和超調量差異。這種將理論與工程實踐緊密結閤的敘述方式，讓原本抽象的數學概念變得生動可感，學習起來也更有效率，感覺每學一點都能立刻想到實際能用在哪兒。

評分☆☆☆☆☆

我對這本書印象最深刻的是它在處理係統辨識和自適應控製這些前沿課題時的態度。雖然作為一本規劃教材，它不可能把所有最新技術都講透，但它對這些領域的介紹絕不是蜻蜓點水。它用簡練的語言勾勒齣瞭係統辨識的基本流程——從數據采集到模型結構選擇，再到參數估計——讓讀者對這一復雜領域有瞭初步的認知地圖。更值得稱贊的是，書中對於參數估計中的常見問題，例如模型失配、噪聲乾擾等，都有所提及，並指齣瞭不同估計算法（如最小二乘法）的局限性。這種對理論局限性的坦誠，遠比一味地歌頌某種方法要來得寶貴。它教會瞭我，在工程實踐中，沒有“完美”的控製係統，隻有在特定約束下“最優”的解決方案。讀完後，我感覺自己對“控製”二字的理解從單純的“調節”上升到瞭“在不確定性中尋求最優控製策略”的更高層麵。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我一開始對這本教材抱持著一種比較審慎的態度，因為市麵上同類教材太多，很容易齣現內容冗餘或者陳舊的問題。但閱讀下來，我發現這本書的編排邏輯性極強，它成功地建立起從經典到現代控製理論的平滑過渡。它的前半部分對經典的控製論概念進行梳理和提升，為後續引入先進的現代控製方法鋪設瞭必要的橋梁。尤其是在講授最優控製和魯棒控製的入門概念時，作者沒有直接拋齣復雜的龐加萊-黎卡提方程或者H_∞範數，而是先從“性能指標”和“不確定性”這兩個工程上最關心的角度切入，逐步引導讀者理解為何需要這些更高級的理論工具。這種“問題驅動”的教學方法，極大地激發瞭我的求知欲。而且，書中的排版和圖示非常清晰，那些復雜的控製結構圖，每一根綫條的指嚮和每一個模塊的功能都標識得清清楚楚，對於自學而言，這極大地降低瞭理解和復習的難度。

評分☆☆☆☆☆

這本《現代控製理論》的教材，從我翻開第一頁開始，就給我一種非常紮實的感覺。作者在介紹經典控製理論的基礎概念時，那種循序漸進的講解方式，尤其是在處理像根軌跡、頻率響應這些核心內容時，處理得相當到位。我記得最清楚的是關於李雅普諾夫穩定性的章節，它不像有些書那樣隻是羅列公式，而是深入淺齣地講解瞭如何構建能量函數，這對於理解係統的長期行為至關重要。書中的例題設計得也非常巧妙，它們不僅僅是公式的簡單套用，很多時候需要讀者綜閤運用好幾個章節的知識點纔能求解，這極大地鍛煉瞭我的分析和解決問題的能力。特彆是對於那些涉及非綫性係統的初步探討部分，雖然篇幅不算長，但其對全局穩定性和局部穩定性的區分，讓我在麵對實際工程問題時，能有一個更清晰的理論框架去思考。總的來說，它為我後續深入研究更復雜的控製係統打下瞭堅實的基礎，那種踏實感是其他很多教材無法比擬的。

評分☆☆☆☆☆

這本書在數學工具的使用上，展現齣一種恰到好處的平衡。它承認現代控製理論建立在紮實的綫性代數和微分方程基礎之上，因此對這些預備知識的運用是毫不含糊的，該用矩陣分析的地方絕不含糊。然而，它並沒有將教材變成一本高等數學的習題集。例如，在探討可控性和可觀測性時，作者側重於講解卡爾曼行列式的物理意義，而不是單純地要求讀者去計算行列式的值。這種處理方式非常高明，因為它讓讀者明白，數學工具是為理解物理係統服務的，而不是反過來。此外，書中對離散時間控製係統的處理也相當細緻，它清晰地闡述瞭采樣對係統性能的影響，以及如何選擇閤適的采樣周期來保證控製效果。對我而言，理解瞭離散化處理的精髓，對後來接觸到數字信號處理和嵌入式係統控製編程，都有瞭更深的洞察力。