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| 編輯推薦： |
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本书的目标是以简单的语言讲述复杂的知识，希望本书可以引起读者对控制理论的兴趣，并掌握控制理论的核心精神所在，为未来深入学习其他相关知识打下基础。
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| 內容簡介： |
本书涵盖动态系统分析、经典控制理论与现代控制理论的核心内容。其中，经典控制理论以拉普拉斯变换为数学工具，通过传递函数分析系统的表现并进行控制器的设计；现代控制理论则是以状态空间方程为研究对象，以微分方程和线性代数为数学工具，从时域的角度分析系统的表现并设计系统的控制器。
本书在多个章节对比讲解两种理论之间的区别与联系。本书的目标是以简单的语言讲述复杂的知识，希望本书可以引起读者对控制理论的兴趣，并掌握控制理论的核心精神所在，为未来深入学习其他相关知识打下基础。同时，本书的“实战性”很强，大部分章节以一个实际例子入手，从开发者的角度展开分析并引出知识点。
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| 關於作者： |
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王天威（DR_CAN）博士，机器人高级研发工程师。2016年博士毕业于美国Clemson大学机械工程系， 研究方向是动态系统与控制理论。自2017年起在B站上制作控制理论相关视频课程，涵盖了控制专业本科与研究生的专业课程，包括现代控制理论、经典控制理论、非线性控制理论、最优化控制理论、动态系统的建模与分析等。视频总播放量近千万。
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| 目錄：
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目录
第1章绪论
1.1动态系统
1.2控制系统
第2章动态系统建模——传递函数
2.1卷积与微分方程
2.1.1卷积
2.1.2常见动态系统微分方程举例
2.2拉普拉斯变换
2.2.1拉普拉斯变换的定义
2.2.2拉普拉斯变换的收敛域
2.2.3拉普拉斯逆变换
2.3传递函数和系统设计
2.3.1传递函数
2.3.2控制系统的传递函数
2.4非零初始状态下的传递函数
2.5本章要点总结
第3章动态系统建模——状态空间方程
3.1状态空间方程
3.1.1状态空间方程表达式
3.1.2状态空间方程与传递函数的关系
3.2相平面数学基础
3.2.1矩阵的特征值与特征向量
3.2.2特征值与特征向量的应用——线性方程组解耦
3.3相平面与相轨迹分析
3.3.1一维相轨迹
3.3.2二维相平面与相轨迹——简化形式
3.3.3二维相平面与相轨迹——一般形式
3.4相平面案例分析——爱情故事
3.5本章要点总结
第4章一阶系统的时域响应分析
4.1引子——案发时间是几点
4.2一阶系统的时域响应
4.2.1典型一阶系统和典型系统输入信号
4.2.2一阶系统单位冲激响应
4.2.3一阶系统单位阶跃响应
4.3案发时间揭秘
4.4本章要点总结
第5章二阶系统的时域响应分析
5.1二阶系统的一般形式——传递函数和状态空间方程
5.2二阶系统对初始状态的响应
5.3二阶系统的单位阶跃响应
5.4二阶系统性能指标分析
5.4.1二阶系统的重要性能指标
5.4.2二阶系统的性能分析
5.5本章要点总结
第6章稳定性
6.1系统稳定性的定义
6.1.1稳定性的直观理解
6.1.2稳定性的定义
6.1.3稳定性的研究对象
6.2稳定性与传递函数
6.3稳定性与状态空间方程
6.4本章要点总结
第7章基于传递函数的控制器设计(1)——比例积分控制
7.1引子—— 燃烧卡路里
7.2比例控制
7.3比例积分控制器
7.3.1终值定理
7.3.2积分控制
7.3.3直流增益与稳态响应
7.3.4比例积分控制
7.4含有限制条件的控制器设计
7.5本章要点总结
第8章基于传递函数的控制器设计(2)——根轨迹法
8.1根轨迹的研究目标与方法
8.2根轨迹绘制的基本规则
8.3根轨迹的几何性质
8.4基于根轨迹的控制器设计
8.4.1比例微分控制
8.4.2超前补偿器
8.4.3滞后补偿器
8.5比例积分微分控制器
8.6本章要点总结
第9章频率响应与分析
9.1引子——百万调音师
9.2频率特性推导
9.3一阶系统的频率响应
9.4二阶系统的频率响应
9.5伯德图
9.5.1伯德图的含义与性质
9.5.2典型系统的频率响应
9.5.3调音台的设计
9.6使用开环系统伯德图设计控制器
9.6.1灵敏度传递函数
9.6.2开环系统传递函数对闭环系统的影响
9.6.3案例分析
9.7Nyquist图与稳定性判据
9.7.1开环传递函数与闭环传递函数极点、零点间的关系
9.7.2复平面映射与柯西辐角原理
9.7.3Nyquist稳定性判据
9.7.4正虚轴jω的映射
9.8增益裕度和相位裕度
9.8.1Nyquist图上的裕度分析
9.8.2伯德图上的裕度分析
9.8.3裕度设计与系统表现
9.8.4幅值裕度与根轨迹
9.9本章要点总结
第10章基于状态空间方程的控制器及观测器的设计与应用
10.1引子——指尖上的平衡
10.1.1问题的提出与数学建模
10.1.2PID控制方案
10.1.3状态空间方程建模
10.2系统的能控性
10.2.1系统能控性的直观理解
10.2.2系统能控性的定义与判据
10.2.3系统能控性的举例与分析
10.3线性状态反馈控制器
10.3.1极点配置
10.3.2最优化控制初探——LQR控制器
10.3.3轨迹追踪
10.4观测器设计
10.4.1系统的能观测性
10.4.2线性观测器设计
10.4.3降阶观测器
10.4.4观测器的滤波器性质
10.5观测器与控制器的结合
10.5.1分离原理
10.5.2指尖平衡案例
10.6本章要点总结
附录A非线性系统的线性化
附录B傅里叶级数与变换
B.1三角函数的正交性
B.2周期为2π的函数展开成傅里叶级数
B.3周期为2L的函数展开成傅里叶级数
B.4傅里叶级数的复数表达形式
B.5傅里叶变换
附录C代码汇总与说明
参考文献
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| 內容試閱：
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第2版前言
《控制之美(卷1)——控制理论从传递函数到状态空间》(以下简称卷1)自2022年6月问世以来，深受读者的支持与喜爱，销量远超预期，并被评选为清华大学出版社2022年度的十佳好书。作为我的第一部作品，这样的成就令我感到无比荣幸和感激。然而，回顾初版的写作过程，我发现了许多不够成熟的地方以及可以改进的空间。在过去的两年里，我在编写《控制之美(卷2)——最优化控制MPC与卡尔曼滤波器》(以下简称卷2)的过程中积累了更多经验，并逐渐完善了图书的风格和内容。为了使卷1和卷2在风格上保持一致，我决定对卷1进行全面的改版。作者和UP主的双重身份让我能够更加直接地与读者进行交流和互动，这种互动模式使得我能够更加及时地对内容做出调整和改进。这次的改版不仅是为了提升卷1的整体质量，更是为了响应读者提供的大量反馈、建议与意见。
《控制之美(卷1)——控制理论从传递函数到状态空间(第2版)》延续第1版的写作风格，继续追求以简单的语言讲述复杂的知识，同时强调知识点之间的内在联系。例如，我在新增的内容中将基于频率响应的控制器设计与根轨迹结合，将观测器设计与滤波器结合，通过不同的角度与思路讲解PI控制器，以便读者能够更全面地理解和应用这些概念。在第2版中，我对内容进行了多方面的扩展和优化，新增内容具体如下。
(1) 第2章： 增加流体系统动态方程建模的例子。
(2) 第4章： 新增以流体系统为案例的直流增益概念讲解。
(3) 第7章： 增加扰动对系统的影响，以及扰动和系统叠加的概念，同时探讨了直流增益与稳态系统的关系。
(4) 第8章： 新增标准型PID控制器的介绍。
(5) 第9章：
基于标准型PID设计重构9.5.2节。
新增9.6节，详细讨论使用频率响应设计控制器的思路。
新增9.7节，介绍Nyquist稳定性判据相关概念。
新增9.8节，介绍裕度的概念与设计思路。
(6) 第10章：
重构10.4.3节和10.4.4节，增加降阶观测器的设计并讨论观测器的滤波性质。
新增10.5节，通过一个案例探讨观测器与控制器的结合。
(7) 代码优化： 重新制作了所有程序代码并增加了详细注释，使之更易于理解和应用。
(8) 文字修改： 对章节中的一些文字进行了修改，增加了一些解释，修改了一些错误，以使内容更加清晰和易懂。
通过这次改版，我希望能够进一步提升卷1的质量，使其更符合读者的期待和需求。感谢读者一直以来的支持与关注，也感谢大家对卷1的反馈与建议。
王天威2024年9月
第1版前言
自2017年起，我开始以网名DR_CAN在哔哩哔哩网站上发表自己制作的动态系统和控制理论的视频课程。我当时的想法很简单，如果能有50人，也就是一个班的同学可以从我的视频中得到启发，我就心满意足了。没想到几年过去了，到本书截稿时，频道已经获得了超过16万人的关注以及500多万次的视频观看量。
在过去的几年中，我收到了大量的留言，其中有很多朋友希望我分享视频中的笔记，或者推荐一些参考书籍。也有朋友给我留言提醒，为我愤愤不平，他们发现我的视频内容被一些网友整理并发表了出来，有的加了引用，也有的直接拿来使用，甚至有些是从视频中截图直接放进自己的网文里。对于这样的行为，我并没有感到很大的冒犯，因为我讲述的这些知识都属于自动化学科中的基础知识，都是前辈科学家们的发现与创造。我所做的工作是将其中的重点与核心内容整理出来，把晦涩难懂的地方加入了我的个人理解之后，再尝试用简单易懂的方式介绍给大家。当然，这种尝试取得了很好的效果，也有越来越多的同学从中得到了启发。
在我最开始制作视频的阶段，所计划的内容并不多。但随着关注的同学越来越多，大家提出了各类的问题和有兴趣的话题。所以有很多开始时并没有计划的内容便以补丁的形式做到了视频里。这就导致了整个视频课程虽然完整，但是缺少严谨的逻辑性。而且回过头去看，我也发现了一些口误与笔误，有些例子的使用也并不是最适合的。考虑以上几点，我决定写一本可读性强、结构严谨、举例生动的书籍作为视频的深化与补充。
在编写本书时，我选择了将经典控制理论和现代控制理论的核心内容包括其中，并打破了传统教科书中将两者分离的讲解方式，重点说明两者的联系与区别。此外，我重新设计了一些贯穿章节的案例，从开发者的角度为读者深入浅出地讲解动态系统分析及控制理论中的重要概念与知识点。同时，通过案例的结果与讨论，我希望向各位读者传递科学思考的方法及思辨的精神。
最后，我要感谢清华大学出版社的杨迪娜编辑为本书的立项、编排与出版付出的辛勤劳动，同时感谢清华大学出版社对本书的支持。
感谢我的师弟黄军魁博士，他在繁忙的工作中抽出时间阅读本书的草稿，并为一些章节的写作、例子的展开、结果与讨论提供思路。同时感谢陶欣然博士对部分章节提出的修改建议。
感谢所有哔哩哔哩网站上的粉丝对我的关注、留言、提问与批评。
感谢我的母亲宋津丽对我一如既往的信任与鼓励。感谢我一岁的儿子王逸飞对我“三言两语”的支持以及带给我的无尽快乐。
最要感谢的是我的爱人王莎莎博士在我写作的过程中对家庭的奉献与付出。同时，她虽然并非本专业人士，但依然帮助我指出了稿件中的写作问题及纰漏之处。
限于本人水平，书中的缺点和不足之处在所难免，热忱欢迎各位读者批评指正。有关图书的建议和意见，请发送到以下邮箱： ydn85@sina.cn。勘误表扫描封底本书代码即可获取。
王天威
2022年7月
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