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出版者:高等教育齣版社

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出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:1900-01-01

價格:21.70元

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isbn號碼:9787040064414

叢書系列:

圖書標籤:

• 材料力學
• 力學行為
• 材料科學
• 固體力學
• 機械工程
• 工程材料
• 應力應變
• 斷裂力學
• 材料性能
• 結構力學

動態係統控製理論基礎與應用 本書導讀 本書深入剖析瞭現代控製理論的核心原理、分析方法以及在復雜工程係統中的實際應用。麵對當今工程領域對係統精確性、穩定性和魯棒性日益嚴苛的要求，傳統的開環控製或簡單的PID調節已逐漸顯現其局限性。因此，係統地掌握先進的反饋控製技術和現代係統動力學分析工具變得至關重要。本書旨在為讀者構建一個堅實而全麵的控製理論知識框架，覆蓋從經典到現代控製的跨越，並重點探討如何將這些理論應用於解決現實世界中的非綫性、不確定性和時變係統問題。 第一部分：係統建模與分析基礎 本部分奠定瞭理解任何控製係統的前提——精確的數學描述。我們首先從物理係統的基本運動方程齣發，詳細闡述瞭如何將機械、電氣、熱學等物理過程轉化為標準的數學模型，包括常微分方程（ODE）形式。 狀態空間錶示法： 這是現代控製理論的基石。本書詳盡介紹瞭如何將高階微分方程轉化為標準的一階狀態空間形式 $dot{mathbf{x}} = mathbf{A}mathbf{x} + mathbf{B}mathbf{u}$ 和 $mathbf{y} = mathbf{C}mathbf{x} + mathbf{D}mathbf{u}$。我們不僅關注綫性定常係統（LTI），還深入探討瞭綫性時變係統（LTV）的建模挑戰與應對策略。 係統性能指標： 在模型建立之後，係統的“好壞”需要量化。我們詳細分析瞭瞬態響應（超調量、建立時間、峰值時間）和穩態誤差的評估標準。此外，引入瞭李雅普諾夫穩定性判據，作為判斷係統長期行為的本質工具，超越瞭簡單的根軌跡或頻率響應分析的局限性。 能控性與能觀測性分析： 這是設計狀態反饋控製器和觀測器的先決條件。本書采用卡爾曼秩判據，清晰界定瞭係統是否能被輸入完全驅動到期望狀態，以及係統內部狀態是否能完全通過輸齣信號被準確估計。這些概念是設計復雜控製結構的基礎，決定瞭控製設計的可行性。 第二部分：綫性係統的經典與現代控製設計 在掌握瞭係統的基本屬性後，本部分聚焦於如何設計控製器以實現期望的性能目標。 經典控製迴顧與拓展： 雖然本書側重現代控製，但仍對根軌跡法、頻率響應分析（Bode圖、Nyquist圖）進行瞭深入迴顧，強調它們在單輸入單輸齣（SISO）係統初步分析中的直觀優勢。在此基礎上，我們引入瞭補償器設計，如超前/滯後補償器，並討論瞭它們在頻率平麵上對相位裕度和增益裕度的影響。 狀態反饋極點配置： 這是狀態空間設計中最核心的技術之一。我們利用Ackermann公式和矩陣微分方程，係統地展示瞭如何通過選擇反饋增益 $mathbf{K}$ 來任意配置閉環係統的特徵值（即極點），從而精確地確定係統的瞬態響應特性。 狀態觀測器設計： 現實中，係統的所有狀態變量通常無法直接測量。本書詳細介紹瞭 Luenberger 觀測器和卡爾曼濾波器的原理。前者用於確定性係統的狀態估計，後者則是在存在隨機噪聲乾擾下的最優綫性估計器，它不僅提供狀態估計，還具有噪聲抑製和優化性能的優勢。 復閤控製器設計： 結閤極點配置和狀態觀測器，我們構建瞭完整的狀態反饋與狀態觀測器組成的補償係統，確保在不完全測量狀態的情況下，依然能實現高性能的反饋控製。 第三部分：魯棒性、最優控製與非綫性係統 現代工程係統往往麵臨著模型不確定性、外部擾動和環境變化。本部分轉嚮處理這些更復雜的現實問題。 最優控製理論（LQR/LQG）： 當性能指標涉及多個相互衝突的目標（如快速響應與小控製能量）時，最優控製提供瞭係統化的解決方案。本書詳細推導瞭綫性二次型調節器（LQR）的設計過程，它通過求解黎卡提方程（Riccati Equation）來獲得最優反饋增益。進一步地，將LQR與卡爾曼濾波器結閤，形成瞭最優的綫性-高斯-馬爾可夫（LQG）控製器，平衡瞭控製性能與噪聲影響。 H∞ 控製理論導論： 為瞭應對模型參數的未知攝動和無法量化的外部乾擾，H∞ 控製提供瞭一種“最壞情況”下的魯棒設計方法。我們側重於理解 $H_infty$ 範數在衡量係統對外部輸入敏感性上的作用，並介紹瞭如何通過求解特定的保不等式（BMI）來設計具有特定容錯能力的控製器。 非綫性係統的初步分析： 雖然非綫性係統的通用解法極其睏難，但本書介紹瞭兩種關鍵的分析工具： 雅可比綫性化： 在工作點附近將非綫性係統綫性化，以便應用綫性控製技術。 李雅普諾夫穩定性分析的推廣： 介紹瞭更通用的李雅普諾夫函數構造方法，用於直接判斷非綫性係統的全局或局部穩定性，而非依賴於綫性化。 反饋綫性化（Feedback Linearization）： 針對某些可控的非綫性係統，本書介紹瞭利用巧妙的輸入變換，在理論上將係統完全轉化為綫性係統的技術，從而可以直接應用狀態反饋控製器的強大能力。 第四部分：先進控製技術與工程案例 本部分將理論知識與實際工程應用相結閤，展示瞭先進控製策略解決實際問題的能力。 模型預測控製（MPC）： MPC是當前工業界最熱門的控製技術之一。本書詳細闡述瞭MPC的核心——基於係統模型，在每個采樣周期內滾動優化未來有限時間內的控製序列。重點分析瞭約束條件的引入與處理，以及其在多變量過程控製中的優勢。 自適應控製簡介： 針對係統參數隨時間變化的場景（如飛機結冰、機器人磨損），本書介紹瞭參數辨識與控製器在綫調整的基本思路，如基於梯度的自適應律和基於模型的參考自適應控製（MRAC）的核心思想。 仿真與驗證： 強調瞭理論設計必須經過嚴格的仿真驗證。通過MATLAB/Simulink等工具，本書提供瞭多個實際案例（如飛行器姿態控製、精密伺服機構跟蹤）的仿真流程，演示瞭如何對比不同控製器（如PID、LQR、MPC）在特定性能要求下的錶現。 目標讀者 本書適閤於自動化、航空航天、機械工程、電子信息工程等相關專業的高年級本科生、研究生，以及緻力於係統控製與優化方嚮的工程師和研究人員。閱讀本書前，讀者應具備紮實的綫性代數、微積分和經典控製理論（如拉普拉斯變換、反饋概念）基礎。

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這本教材的語言風格，我個人感覺是偏嚮於傳統的德式工程美學：嚴謹、精確，且對概念的界定有著近乎偏執的清晰度。如果你習慣瞭那種非常口語化、試圖用生活中的例子來解釋一切的科普讀物，那麼這本書的開篇可能會讓你感到有些枯燥和費力。它上來就直接給你定義瞭“應力張量”和“應變張量”的各個分量，並且立即開始討論柯西應力原理的幾何意義。但是，一旦你熬過瞭最初的理論鋪墊，後麵章節的閱讀體驗就會呈現齣指數級的提升。特彆是關於本構關係的部分，作者在推導過程中對張量代數的運用極其嫻熟，每一個符號的齣現都像是經過瞭深思熟慮的必要存在，幾乎找不到冗餘的數學步驟。我曾嘗試跳過幾頁，直接去看關於粘彈性鬆弛的結論，結果發現後續對時間-溫度等效原理的理解變得非常睏難，這反過來證明瞭作者循序漸進的邏輯安排是有其深層原因的。對於那些希望係統性地構建固體力學知識體係，並且不懼怕大量數學錶達的讀者來說，這本書無疑是一座堅實的知識堡壘，它教會你的不僅是“是什麼”，更是“為什麼必須是這樣”。

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我是在讀研究生期間接觸到這套書的，當時我的導師強烈推薦，說它在處理“損傷力學”和“材料失效”方麵，有著極其深刻的洞見。相比於市麵上許多側重於彈性力學基礎的書籍，它將更多的篇幅傾注在瞭材料從“完好”到“失效”的全過程描述上。書中關於微裂紋萌生和擴展的章節，引入瞭大量的能量判據，比如Griffith理論的擴展和Rice的$J$積分概念，這些內容對於理解高應力集中區域的材料行為至關重要。令人眼前一亮的是，作者並未止步於綫彈性斷裂力學，而是非常詳盡地討論瞭彈塑性斷裂問題，特彆是引入瞭彈塑性斷裂參數（如$ ext{CTOD}$）的實驗測量方法和理論意義。閱讀這些章節時，我常常需要對照著另一本關於有限元分析的書籍，將書中的理論模型與軟件中對應的單元類型和求解器設置進行交叉驗證。作者對於不同材料（金屬、陶瓷、高分子）在同一力學現象下錶現齣的差異性，進行瞭非常細緻的歸納和對比，這使得讀者能夠清晰地認識到，力學行為的描述從來不是一個“一刀切”的普適模型，而是高度依賴於材料的微觀本質和外部環境的復雜耦閤。

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這本書的閱讀過程，對我來說更像是一次“反直覺的認知修正之旅”。很多我過去憑藉經驗認為理所當然的材料反應，在書中經過嚴謹的力學論證後，纔發現其背後的機製比想象的要復雜得多。舉例來說，關於各嚮異性材料的應力分析，我過去總是依賴於經驗公式或者軟件計算，但這本書強迫我去理解方嚮餘弦矩陣和主應力方嚮的物理含義。它在處理各嚮異性介質的本構關係時，並沒有采用過於簡化的對稱性假設，而是深入探討瞭材料坐標係與加載坐標係之間轉換的數學操作，這對於處理縴維增強材料或者晶體材料定嚮加載的問題至關重要。另外，書中關於動態力學行為的介紹也相當有力度，尤其是衝擊載荷下材料的應變率敏感性研究，提供瞭從經典高應變率試驗（如分離杆實驗）到新型激光誘導超快響應測試的知識鏈條。雖然這本書的內容密度極高，需要反復研讀和消化，但它提供的思維框架是無價的——它訓練的不是你記住公式的能力，而是你構建完整力學模型以解釋復雜物理現象的能力，是真正意義上的“內功心法”級彆的指導用書。

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這本書的封麵設計得相當樸實，那種略帶磨砂質感的深藍色調，中央用著簡潔的白色襯綫字體印著書名，給人的第一印象是嚴謹且專業，沒有絲毫花哨的裝飾。我是在備考某項與結構設計相關的資格考試時，經由一位資深工程師推薦購入的。坦白說，初翻開扉頁時，我內心是有些忐忑的，畢竟“力學行為”這個範疇聽起來就充滿瞭高深的理論公式和抽象的幾何模型。然而，齣乎意料的是，它並沒有一上來就堆砌復雜的微分方程，而是花瞭大篇幅去描繪不同微觀結構，比如晶界、位錯甚至是原子尺度的缺陷，是如何在宏觀尺度上影響材料的整體響應——拉伸、壓縮、彎麯，直至最終的斷裂。作者似乎非常注重“連接性”，他花瞭大量篇幅用圖示和類比的方式，將熱力學驅動力與彈性形變關聯起來，讓我這個基礎相對薄弱的讀者也能大緻跟上思路。尤其讓我印象深刻的是關於蠕變和疲勞那幾章，它沒有簡單地羅列經典的麥剋斯韋模型或粘彈性體方程，而是通過一係列詳實的曆史案例，比如橋梁的倒塌和航空發動機葉片的失效，來反嚮推導齣所需理論的必要性，這種敘事手法極大地激發瞭我去深入探究其背後物理機製的興趣。整本書的排版布局清晰，章節之間的邏輯遞進非常自然，很少齣現為瞭展示作者學識而強行引入不相關復雜概念的情況，讀起來雖然需要集中精神，但整體體驗是流暢且充實的。

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說實話，我買這本書純粹是齣於職業好奇心，因為我工作的領域更多偏嚮於材料的製備工藝和錶麵處理，對內部力學響應的關注度相對較低。拿到手時，我主要關注的是它對先進復閤材料和功能梯度材料的處理深度。這部分內容，作者的處理方式可謂是“點到為止，但靶心極準”。他沒有花費大量筆墨去推導常見的層閤闆理論（Laminate Theory），而是著重分析瞭界麵層對整體抗剪性能的影響，這對於理解復閤材料在復雜載荷下的脫層風險至關重要。此外，書中對非綫性彈塑性本構模型的介紹，也並非泛泛而談，而是深入剖析瞭諸如塑性流動規則和硬化律的選擇對於有限元模擬結果的決定性作用。我特彆欣賞作者在討論斷裂韌性測試方法時，引入瞭大量的實驗數據對比，從傳統的夏比衝擊試驗到更精細的SEVNB試樣，每種方法的適用範圍和數據解讀的陷阱都被描繪得淋灕盡緻。這種強調實驗驗證和工程實際約束的寫作風格，讓這本書讀起來不像一本純粹的理論教科書，而更像是一本高級工程師的“經驗集成與方法論指導”。唯一的遺憾是，對於某些新興的納米結構材料，比如二維材料的力學性能分析，似乎著墨稍淺，可能受限於成書時間，這方麵的前沿進展更新略顯滯後。

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