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出版者:国防工业出版社

作者:高社生

出品人:

页数:235

译者:

出版时间:2010-1

价格:30.00元

装帧:

isbn号码:9787118028775

丛书系列:

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现代控制理论及其在复杂系统中的应用 内容提要： 本书深入探讨了现代控制理论的核心概念、数学基础及其在处理复杂动态系统问题上的前沿应用。全书结构严谨，从经典的经典控制理论回顾出发，迅速过渡到状态空间表示、最优控制、随机系统、非线性控制以及鲁棒控制等现代控制领域的核心议题。重点阐述了线性二次高斯（LQG）控制、H∞控制、滑模控制等关键方法的理论推导、设计步骤和实际工程实现。此外，本书特别关注了现代控制理论在航空航天、精密机械、过程工业以及新兴的智能电网和机器人学中的实际案例分析和建模挑战。旨在为读者构建一个全面、深入且具有实践指导意义的现代控制理论知识体系。 --- 第一部分：现代控制理论的基石与数学工具 第一章：系统描述与状态空间方法 本章首先回顾了经典的传递函数模型在描述高阶、多输入多输出（MIMO）系统时的局限性。随后，详细介绍了状态空间表示法，这是现代控制理论的基石。我们探讨了线性定常系统（LTI）在状态空间下的描述形式，包括系统的能控性（Controllability）和能观测性（Observability）判据，如卡尔曼矩阵判据。系统的约减、极点配置（Pole Placement）技术在状态反馈设计中的应用被详尽阐述。同时，针对非线性系统的描述，引入了李雅普诺夫意义下的稳定性分析方法，为后续的复杂系统控制奠定基础。 第二章：系统辨识与模型辨识 在许多实际工程问题中，系统的精确数学模型往往难以直接获得。本章专注于如何从实验数据中估计出系统的动态特性。我们系统地介绍了参数估计方法，包括最小二乘法（LS）、递推最小二乘法（RLS）以及子空间辨识方法。辨识结果的准确性评估（如残差分析）和模型结构的确定方法（如ARX、ARMAX模型结构）被作为重点讨论，强调了模型质量对后续控制器性能的决定性影响。 第三章：线性系统的优化设计基础 本章引入了变分法和庞特里亚金极大值原理作为求解最优控制问题的数学工具。重点分析了线性系统在二次型性能指标下的最优控制问题，即LQR（Linear Quadratic Regulator）控制器的设计。通过求解黎卡提方程（Algebraic or Differential Riccati Equation），推导出反馈增益矩阵，并讨论了LQR控制器在状态全反馈条件下的最优性和稳定性保证。 第二部分：随机与不确定性系统控制 第四章：随机过程与线性系统估计 现代工程系统大多受到环境噪声和传感器误差的影响，本章将控制问题扩展到随机域。首先，详细回顾了随机过程的基础，如维纳过程、马尔可夫过程以及随机微分方程（SDEs）。随后，集中探讨了系统状态估计问题，特别是卡尔曼滤波（Kalman Filtering）。卡尔曼滤波作为最优线性无偏估计器，其递推算法、离散化处理以及在实际导航、定位系统中的应用被深入剖析。 第五章：线性二次高斯（LQG）控制 LQG控制是现代控制理论中最具影响力的成果之一。本章结合前面对状态估计（卡尔曼滤波）和最优控制（LQR）的分析，推导了LQG控制器的结构——即“分离原理”（Separation Principle）。我们论证了在随机约束条件下，最优控制器可以分解为最优状态估计器和最优状态反馈控制器的串联组合。本章还讨论了LQG控制器的稳定性和性能局限性。 第六章：鲁棒控制导论与H∞理论 面对模型不确定性、参数波动和未建模动态，鲁棒控制成为应对复杂工程挑战的关键。本章从经典的鲁棒性指标（如增益裕度、相角裕度）出发，引出更严格的鲁棒性能要求。重点聚焦于H∞控制理论。该理论旨在最小化系统对外部扰动的敏感度，通过引入加权函数来整形系统的灵敏度特性。详细推导了保证闭环系统H∞范数小于预设值的控制器设计方法，并讨论了其在抑制高频噪声和处理模型误差方面的优势。 第三部分：非线性系统的分析与控制 第七章：非线性系统的稳定性分析 非线性系统是自然界和工程中普遍存在的系统类型，其分析远比线性系统复杂。本章从基本概念入手，介绍了非线性系统的平衡点、相平面分析法以及李雅普诺夫稳定性理论的扩展应用。重点讨论了李雅普诺夫直接法（第二法），展示了如何构造李雅普诺夫函数来判断系统的全局或局部稳定性，以及李雅普诺夫稳定性与输入-状态稳定性（ISS）之间的关系。 第八章：经典非线性控制技术 本章介绍了针对特定形式非线性系统设计的有效控制策略。首先是反馈线性化（Feedback Linearization）技术，探讨了如何通过坐标变换和状态反馈将非线性系统转化为等效的线性系统，从而应用成熟的线性控制方法。其次，系统分析了滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）。SMC的核心在于设计一个切换控制律，迫使系统状态轨迹在“滑模面”上运动，实现对不确定性和外部扰动的强鲁棒性。我们详细分析了抖振现象（Chattering）及其抑制方法（如利用边界层）。 第四部分：前沿应用与先进主题 第九章：模型预测控制（MPC） 模型预测控制（MPC）是当前应用最为广泛的先进控制技术之一，特别是在过程控制和大型多变量系统中。本章详细阐述了MPC的核心思想：基于当前系统的实时估计模型，在线优化一个有限时域内的控制序列，并只执行第一个最优动作。我们分析了MPC的滚动时域特性、约束处理能力（包括状态约束和输入约束），以及如何通过求解实时优化问题（QP或NLP）来实现控制律的在线计算。 第十章：复杂系统中的自适应与智能控制集成 本章探讨了控制理论向更高级智能方向发展的趋势。内容包括自适应控制（Adaptive Control）的基本框架，如基于误差模型的自适应律设计，以及在系统参数未知或缓慢变化时的应用。此外，简要介绍了基于学习的控制方法，如强化学习（RL）在复杂决策和控制任务中的潜力，展示了经典控制理论如何与人工智能技术融合，以解决高维、强非线性、高度不确定的新兴工程问题。 --- 本书特色： 本书的编写风格注重理论的严密性和工程实现的直观性。在每一章节中，除了详细的理论推导外，还穿插了大量的MATLAB/Simulink仿真案例和实际工程实例，帮助读者理解抽象的数学概念如何转化为可操作的控制算法。本书不仅适合控制科学、自动化、电子信息工程等专业的高年级本科生和研究生，也是从事航空航天、能源系统、机器人、过程控制等领域研发工程师的理想参考用书。通过系统的学习，读者将能够掌握分析和设计复杂动态系统控制器的全套现代工具箱。

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这本书的阅读体验可以说是“酣畅淋漓”中带着一丝“头疼”——前者是因为它的内容广度令人惊叹，后者则是因为其对读者基础知识储备要求极高。我记得我刚翻开时，对其中关于随机过程和概率论基础的章节感到非常吃力，作者几乎没有做任何回顾性的基础知识铺垫，直接切入了最优维护策略的动态规划模型。这说明作者的定位非常明确：它面向的是已经掌握了高等数学和基础概率论的专业人士，而非入门者。但一旦你跟上节奏，你会发现作者在“软件可靠性”方面的探讨非常前沿。它没有局限于传统的MTBF计算，而是深入到了代码复杂度、缺陷密度与软件生命周期成本之间的量化关系。我特别喜欢它引入的“贝叶斯网络”在预测软件缺陷爆发点上的应用案例，这种跨学科的融合使得本书不仅仅是一本传统的工程手册，更像是一本面向未来的技术前瞻。不过，对于初学者来说，建议先配合一本专门的概率论教材辅助阅读，否则很容易在细节的海洋里迷失方向。

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这本书的理论框架非常扎实，尤其是它在系统可靠性建模这一块的讲解，简直是教科书级别的深度。我个人尤其欣赏它对于马尔可夫链在复杂系统状态转移分析中的应用，作者不仅清晰地阐述了数学原理，还配有大量贴合实际工程案例的图示和推导过程，这对于我这种既需要理论支撑又急需落地工具的工程师来说，简直是如获至宝。我记得其中一章详细分析了“冷备份冗余系统”的寿命分布特性，它没有停留在简单的指数分布假设上，而是引入了Weibull分布和Gamma分布来模拟更现实的失效机制，并且通过蒙特卡洛模拟的方法验证了理论公式的准确性，这种严谨性让人不得不信服。再者，它对“故障树分析（FTA）”和“事件树分析（ETA）”的结合应用也讲解得非常透彻，特别是关于如何处理多重、相互依赖的失效事件，书中提供了一套清晰的步骤和工具集，大大降低了处理大型系统可靠性评估的门槛。总的来说，这是一本能让人真正从“知道”可靠性概念，迈向“精通”可靠性分析的参考书，对于从事航空航天、精密制造等高可靠性要求的行业人员，其价值是无法估量的。

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这本书的实用性简直达到了一个令人发指的程度。我不是指它有多少“即插即用”的公式，而是指它提供的那些“思维框架”可以直接被应用到任何复杂的工程决策中去。比如，它关于“可靠性分配”的章节，没有简单地给出一个公式让大家去套，而是构建了一个多目标优化问题的数学模型，考虑了成本约束、时间限制和性能要求这三个互相制约的因素。作者非常巧妙地将这些约束条件融入到拉格朗日乘数法中进行求解，并给出了一套系统性的迭代求解步骤。对我个人而言，最有启发的是它关于“寿命数据分析”中“截尾数据”处理的方法。在实际的产品测试中，很少有测试能完整跑到所有部件失效，如何有效利用那些只观测到部分失效时间的数据？这本书给出了最严谨的非参数和半参数估计方法，并在附录中提供了对应的SAS或MATLAB代码片段（虽然代码不完整，但思路足够清晰），极大地提升了实验数据的利用效率。这才是真正的工程应用指导手册。

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这本书的视角非常宏大，它没有局限在单一组件或系统的可靠性分析上，而是将“全生命周期管理”的理念融入到了每一个分析模型之中。我特别欣赏它对“寿命周期成本（LCC）”与“可靠性指标”的耦合分析。作者清晰地论证了，过分追求极高的可靠性指标，往往会导致初始投入成本呈指数级增长，而这种高投入在工程寿命期内可能无法通过降低维护成本来完全抵消。书中通过建立多个场景下的“净现值（NPV）”模型，直观地展示了在特定预算和预期寿命下的“最佳平衡点”。这种经济学和工程学的深度融合，使得本书超越了单纯的技术手册，成为了一本战略性的决策工具。它强迫读者跳出技术细节，从企业整体效益的角度去重新审视可靠性设计，这一点对于那些负责项目预算和长期规划的领导者来说，价值是无法估量的。

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坦白说，这本书的排版和图文设计略显老派，封面看起来就像是上世纪九十年代的学术专著，但内容绝对是顶级的。它在“人因工程与可靠性交叉”领域所做的贡献，是我在其他同类书籍中很少看到的亮点。作者没有将人视为一个“零缺陷”的完美组件，而是将其视为最主要的、且最难建模的失效源头。书中详细分析了疲劳、压力、信息过载对操作员绩效的影响，并且引入了基于认知负荷理论的可靠性修正因子。我印象最深的是对“人为错误分类系统”的梳理，它不仅仅停留在“疏忽”和“失误”这种笼统的描述，而是细化到了“基于知识的错误”、“基于规则的错误”和“基于熟练度的错误”等更细致的层面，并对应提出了不同的培训和界面设计对策。这使得这本书不仅对硬件、软件工程师有价值，对流程设计师、人机界面专家同样具有极强的参考意义。

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