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出版者:高等教育齣版社

作者:仇佩亮

出品人:

頁數:504

译者:

出版時間:2003-12

價格:40.10元

裝幀:簡裝本

isbn號碼:9787040130478

叢書系列:

圖書標籤:

• 信息論
• 編碼學
• 通信原理
• 數據壓縮
• 信道編碼
• 香農信息論
• 糾錯編碼
• 數字通信
• 信息處理
• 理論基礎

現代控製係統設計與優化：基於先進算法的理論與實踐 本書導言：駕馭復雜係統的藝術與科學 在當代工程與科學領域，控製係統的設計與優化是實現自動化、提升效率和保障安全的核心技術。從精密製造機器人到廣闊的航空航天係統，再到復雜的能源電網，對動態過程的精確控製和性能優化是推動技術進步的根本動力。本書《現代控製係統設計與優化：基於先進算法的理論與實踐》旨在為讀者提供一個全麵、深入且高度實用的視角，剖析現代控製理論的最新進展及其在解決復雜工程問題中的應用。 本書超越瞭傳統的經典控製理論框架，聚焦於那些能夠有效處理非綫性、不確定性、時變特性以及高維度的先進控製策略。我們深信，理解控製係統的數學本質、掌握現代分析工具，並能靈活運用前沿算法，是新一代工程師和研究人員必備的核心素養。 第一部分：現代控製理論基礎的深化與擴展 本部分將快速迴顧並鞏固讀者對狀態空間錶示、可控性、可觀測性等基本概念的理解，隨後迅速轉嚮更具挑戰性和實用性的主題。 第一章：狀態空間理論的再審視與拓撲結構分析 我們詳細探討瞭多輸入多輸齣（MIMO）係統的奇異性分析和約化方法。重點講解瞭如何利用係統的自然模態分解（如Jordan標準型）來揭示係統內在的不穩定因素和時間響應特性。此外，對描述係統在不同坐標係下行為的變換矩陣進行瞭深入分析，特彆是那些能夠使係統矩陣對角化的相似變換及其在簡化控製器設計中的作用。 第二章：綫性二次型調節器（LQR）的進階應用與魯棒性考量 LQR以其對最優性能指標的嚴格定義而著稱，但其在實際應用中對係統模型的精確性依賴性較強。本章深入研究瞭代數Riccati方程的數值求解技術，並引入瞭離散時間LQR（DLQR）的設計流程。更關鍵的是，我們引入瞭定量反饋理論（QFT）的初步概念，用以評估和增強LQR控製器在參數不確定性下的魯棒性裕度。討論瞭如何通過加權矩陣的選擇來平衡控製能耗與狀態誤差之間的矛盾。 第三章：非綫性係統的建模與基本分析工具 非綫性是現實世界的主鏇律。本章係統介紹瞭描述非綫性動態的幾種關鍵數學工具：李雅普諾夫穩定性理論的擴展（如間接法和直接法）、平麵係統（二維）的相平麵分析，以及利用泰勒級數展開進行局部綫性化。特彆強調瞭不動點分析和極限環的識彆方法，為後續設計非綫性控製器打下堅實的基礎。 第二部分：先進控製算法的設計與實現 本部分是本書的核心，重點介紹在復雜、高維、高精度要求的控製場景中發揮關鍵作用的現代算法。 第四章：滑模控製（SMC）：應對不確定性的利器 滑模控製以其對外部擾動和模型不確定的內在魯棒性而受到青睞。本章詳細推導瞭二階滑模的等效控製力計算過程，並深入探討瞭“抖振”現象的成因。提齣瞭改進的Super-Twisting算法和高階滑模控製（HOSMC），旨在保留SMC的魯棒性的同時，顯著抑製高頻切換帶來的執行器磨損問題。針對具體應用場景，展示瞭滑模觀測器在狀態估計中的應用。 第五章：自適應控製：讓係統“學習”其不確定性 當係統參數隨時間變化或無法準確建模時，自適應控製成為首選。本章詳述瞭基於標量參數估計的間接自適應控製器的設計步驟，並重點介紹瞭基於模型的參考自適應控製（MRAC）的Lyapunov法設計。通過嚴格的數學證明，論證瞭閉環係統的收斂性和參數跟蹤誤差的界限。此外，還引入瞭基於奇異攝動理論的快速/慢速動態分離在大型自適應係統設計中的應用。 第六章：最優控製與模型預測控製（MPC）的深化 MPC是當前工業界最流行的先進控製技術之一。本章首先從變分法和Pontryagin最小原理齣發，重新闡述最優控製的理論基礎。隨後，將重點放在有限時間最優控製和滾動時域優化的概念上。詳細分析瞭在綫優化問題的求解器（如序列二次規劃SQP）在實時性上的挑戰與優化策略。我們還探討瞭約束處理的技巧，包括軟約束和硬約束的數學形式化，以及對預測模型誤差的魯棒MPC（RMPS）的初步介紹。 第七章：先進估計技術：卡爾曼濾波的擴展與非高斯問題 精確的狀態估計是所有反饋控製的前提。本章首先迴顧瞭標準綫性卡爾曼濾波（LKF）的遞推公式，並重點講解瞭擴展卡爾曼濾波（EKF）在綫性化誤差的處理方式，以及無跡卡爾曼濾波（UKF）利用Sigma點進行更精確非綫性近似的優勢。此外，針對高維或極端非綫性係統，引入瞭粒子濾波（PF）的基本原理和采樣策略，展示瞭其在處理非高斯噪聲和多模態不確定性時的潛力。 第三部分：控製係統的魯棒性、安全與集成 本部分關注如何將理論設計轉化為滿足實際工程需求的、安全可靠的係統。 第八章：$mathcal{H}_{infty}$ 控製理論：麵嚮最壞情況的性能保證 $mathcal{H}_{infty}$ 控製旨在最小化係統在所有可能外部乾擾下的“最壞情況”增益，提供嚴格的性能保證。本章詳細推導瞭針對加權連續時間係統的$mathcal{H}_{infty}$ 控製器的求解流程，特彆是涉及兩個耦閤Riccati方程的求解。討論瞭如何通過Bode圖分析來驗證設計的控製器是否滿足預定的衰減水平。 第九章：混閤係統與分層控製架構 許多現實係統（如交通管理、復雜製造流程）本質上是混閤的——包含連續動態和離散事件。本章介紹瞭混閤自動機（Hybrid Automata）的概念，用於描述這類係統。隨後，提齣瞭分層控製架構的構建方法，包括上層的邏輯決策層和下層的連續控製執行層，並討論瞭如何利用監督控製器實現不同控製模式之間的平滑切換。 第十章：安全關鍵係統的設計考量與驗證 在航空、醫療和核能等領域，係統的安全性至關重要。本章引入瞭負反饋控製器的穩定性分析的更嚴格工具，如二次李雅普諾夫函數的構造，以證明係統在受到特定範圍內的有界擾動下依然保持穩定。討論瞭故障檢測與隔離（FDI）的基本框架，以及如何設計容錯控製器，使其在傳感器或執行器發生部分失效時仍能維持基本功能。 結語：麵嚮未來的控製前沿 本書在最後對當前研究熱點進行瞭展望，包括強化學習在控製中的應用（RL4C）、事件觸發控製（ETC）對帶寬限製係統的適應性，以及分布式與協同控製在物聯網（IoT）和大規模網絡係統中的必要性。 本書的編寫風格注重嚴謹的數學推導與清晰的工程實例相結閤，旨在使讀者不僅知其然，更能知其所以然，從而具備設計和實現下一代復雜控製係統的能力。

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评分☆☆☆☆☆

這本《信息論與編碼》初讀之下，感覺像是直接麵對一位學識淵博但又略顯古闆的教授。它沒有太多花哨的排版或引人入勝的案例，就是那種紮紮實實的教科書風格。內容上，對香農的奠基性工作進行瞭極其詳盡的梳理，每一個定理的推導都力求嚴謹到令人窒息。我花瞭好大力氣纔跟上它對熵的定義、信源編碼的極限探索，以及信道容量的數學證明。對於初學者來說，可能門檻會高得有些嚇人，很多地方需要反復對照公式和定義纔能理解其深層含義。比如，探討熱力學與信息論的聯係時，作者采用瞭非常抽象的數學語言，讓讀者不得不沉浸於符號的海洋中。這本書的優點在於其理論的完備性和曆史的準確性，它不像市麵上很多為瞭迎閤市場而簡化概念的讀物，它堅持瞭信息科學的本源和深度。閱讀體驗上，我更像是走進瞭圖書館深處的資料室，空氣中彌漫著紙張和陳舊知識的味道，需要極大的專注力和毅力纔能啃下一章。它更像是一部工具書，而非輕鬆的讀物，適閤那些已經具備一定數學基礎，並希望深入探究信息傳輸底層邏輯的研究人員或高階學生。

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這本書給我的整體印象是“嚴謹到不留情麵”。它似乎不打算取悅任何讀者，隻是忠實地記錄和推演瞭信息論的邏輯脈絡。我尤其對其中關於最大似然譯碼和最大後驗概率譯碼的對比分析印象深刻。作者沒有簡單地將兩者並列介紹，而是通過一個虛構的、但邏輯嚴密的通信場景，層層遞進地展示瞭在不同先驗知識條件下，選擇不同譯碼策略的必然性。這種教學方法，雖然推導過程復雜，但一旦理解透徹，便能建立起一個非常穩固的決策框架。這本書的語言風格是高度理性的，幾乎沒有多餘的情感色彩或個人化的敘事介入，一切都圍繞著信息和信道展開。它更像是一份精準的藍圖，而非一份導覽地圖。對於希望係統性掌握信息論體係，並準備投入到實際算法設計中的人來說，這本書的價值是無可替代的，它提供瞭最堅實的基礎支撐，讓你在麵對前沿問題時，能夠追溯到最底層的原理。

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翻開這本著作，我首先感受到的不是信息論的抽象，而是一種對“效率”近乎偏執的追求。這本書的敘事方式非常獨特，它不像傳統教材那樣按部就班地介紹概念，而是更像是在講述一場人類如何對抗無序的史詩。作者似乎對冗餘有一種天然的憎惡，每一個章節都在試圖證明，如何在嘈雜的世界中，用最少的符號傳遞最多的意義。尤其是關於信道編碼的部分，引入瞭非常多巧妙的構造性證明，比如對循環冗餘校驗碼（CRC）的介紹，就不是簡單地給齣公式，而是追溯瞭它們在早期通信係統中的實際應用和遇到的挑戰。這種行文風格讓原本枯燥的代數運算變得富有畫麵感。我特彆喜歡作者在討論捲積碼和維特比譯碼算法時的那份熱情，仿佛能感受到工程師們在麵對現實噪聲時，如何通過數學的智慧來“馴服”隨機性。這本書的價值在於，它不僅告訴你“是什麼”，更讓你理解“為什麼必須是這樣”，引導你從工程實踐的角度去審視信息論的優雅。

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坦白講，這本書的齣版質量和排版風格，讓人有一種穿越迴上世紀末的感覺。裝幀樸實無華，字體選擇也偏嚮於傳統學術齣版的風格，缺乏現代技術書籍那種活潑的圖示和色彩輔助。這使得我在學習過程中不得不花費額外的心力去構建腦海中的模型。例如，在解釋“信道容量”這個核心概念時，如果能配上更直觀的圖形化模擬，例如不同噪聲水平下信號衰減的動態演示，學習起來或許會輕鬆不少。然而，這本書的文字描述極其精妙，它依賴於讀者自身的想象力和對數學符號的敏感度。特彆是當涉及到速率失真理論時，作者幾乎是用散文般的語言在描繪復雜的概率分布，這種“以文述理”的方式，對於那些更偏愛圖示學習的讀者來說，無疑是一種挑戰。它強迫你慢下來，用更深層次的思考去填補視覺信息的缺失。總的來說，這是一本需要耐心“泡”進去的書，它提供的知識是醇厚的，但獲取過程略顯艱澀。

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閱讀這本厚重的文本，我發現它最大的特點在於其對“編碼”二字的廣義解讀。它不僅僅停留在理論層麵的數學構造，而是深入探討瞭信息如何在不同物理載體間轉換和保存的哲學思辨。作者在分析糾錯碼的極限時，常常會引用一些看似無關的領域，比如統計物理中的相變概念，這極大地拓寬瞭我的思維邊界。我原以為信息論是孤立於其他學科的純數學分支，但這本書巧妙地搭建瞭橋梁。比如，在闡述捲積編碼的譯碼復雜度時，作者沒有止步於傳統的計算復雜度分析，而是引入瞭時間維度上的信息流的“摩擦力”這個隱喻，讓人在理解其性能的同時，也對其實現難度有瞭更貼切的感受。這種跨界思維的體現，使得這本書超越瞭一般的入門教材，更像是一部引導你進行橫嚮思考的智力體操。盡管某些章節的專業術語密度極高，但隻要堅持讀完，你會發現自己的知識結構被重新梳理和加固瞭。

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嗬嗬

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