Modern Control Engineering (4th Edition) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Prentice Hall

作者:Katsuhiko Ogata

出品人:

页数:964

译者:

出版时间:2001-11-13

价格:USD 128.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780130609076

丛书系列:

图书标签:

• 控制工程
• 现代控制
• 自动控制
• 系统分析
• 系统设计
• 线性系统
• 状态空间
• 最优控制
• 鲁棒控制
• MATLAB仿真

好的，这是一份关于一本假设的、名为《Advanced System Dynamics and Nonlinear Control》的图书简介。这份简介旨在详尽地介绍该书的深度、覆盖范围和目标读者，同时完全不提及您提到的《Modern Control Engineering (4th Edition)》。 图书简介：先进系统动力学与非线性控制 (Advanced System Dynamics and Nonlinear Control) 作者： [此处可填入虚构的作者姓名，例如：Dr. Elias Vance & Prof. Isabella Rossi] 出版社： [此处可填入虚构的出版社名称，例如：Pinnacle Technical Press] 页数： 约 850 页 版本： 第一版 导言：跨越经典边界的控制范式 在工程和科学领域中，对复杂、高动态性系统的精确建模、分析和控制的需求正以前所未有的速度增长。随着现代机械、航空航天、生物医学和能源系统的复杂性日益增加，传统的线性控制理论已不足以全面捕捉和驾驭系统内部固有的非线性特性、不确定性和高维耦合效应。 《先进系统动力学与非线性控制》正是为应对这一挑战而精心编纂的权威性著作。本书超越了经典和基础现代控制理论的范畴，深入探讨了描述复杂物理过程所必需的严谨数学工具，并系统地介绍了应对强非线性、不确定性、时变特性以及耦合效应的现代控制策略。本书旨在为研究生、高级本科生以及在工业研发领域工作的工程师和研究人员提供一个全面、深入且具有实践指导意义的知识体系。 本书的结构设计旨在确保读者不仅掌握控制理论的“是什么”（What），更能理解“为什么”（Why）以及“如何做”（How），从而能够自信地设计出在真实世界极端条件下依然稳健、高效的控制系统。 第一部分：系统建模与状态空间基础的深化 本书的基石建立在对系统动力学进行精确描述的能力之上。在第一部分中，我们重新审视并极大地深化了状态空间方法的应用，并引入了处理非线性动力学的必要数学框架。 1. 连续时间与离散时间系统回顾与拓展： 对线性时不变（LTI）系统进行快速回顾后，重点转向线性时变（LTV）系统。详细分析了李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性理论在时变系统分析中的应用，并引入了矩阵指数的数值计算方法。 2. 状态空间建模的扩展： 深入探讨了如何将物理系统（如多自由度机械系统、电路网络、热力学过程）转化为结构清晰的状态空间表示。重点分析了奇异摄动法（Singular Perturbation Theory）在分解大型、多尺度系统模型中的关键作用，这对于高阶系统的分析至关重要。 3. 几何与微分几何基础： 对于非线性系统的分析，纯粹的代数方法往往不够。本书引入了必要的微分几何概念，包括流形（Manifolds）、李括号（Lie Brackets）和向量场（Vector Fields），这些是理解系统拓扑结构和非完整约束（Nonholonomic Constraints）的基础。 第二部分：非线性系统分析的严格工具 第二部分是本书的核心，致力于提供分析非线性系统复杂行为的数学利器。我们着重于稳定性的严格证明，而非仅仅依赖于局部线性化。 4. 李雅普诺夫稳定性理论的深入应用： 这是理解非线性系统稳定性的核心。本书详细介绍了直接法（Second Method of Lyapunov）的各种变体，包括拉萨尔不变集原理（LaSalle’s Invariance Principle），该原理允许在更弱的条件下证明渐近稳定性和全局稳定性的存在性。此外，还覆盖了时间导出的二次型李雅普诺夫函数的构造方法。 5. 过程建模与描述函数法： 对于工程中常见的饱和、死区、摩擦等不精确建模的非线性项，本书详细介绍了描述函数法（Describing Function Method），用于预测极限环振荡的特性。同时，探讨了高频增益分析在系统稳健性评估中的作用。 6. 混沌与复杂动力学： 针对具有高度敏感性和复杂行为的系统，本书引入了庞加莱截面（Poincaré Sections）、分岔理论（Bifurcation Theory）的基础概念，以及如何利用最大李雅普诺夫指数来量化系统的混沌程度。 第三部分：非线性控制器的设计与综合 第三部分将分析理论转化为可实施的控制算法。重点在于系统性地将非线性动态转化为可控形式，并设计出能够保证全局性能的控制器。 7. 反馈线性化技术 (Feedback Linearization)： 深入探讨了输入-输出线性化（Input-Output Linearization）和完全反馈线性化（Full State Feedback Linearization）的理论基础。详细演示了如何通过坐标变换和巧妙的反馈设计，将一个复杂的非线性系统转化为等效的线性积分器链，从而可以直接应用成熟的线性控制设计方法。 8. 滑模控制 (Sliding Mode Control, SMC)： 作为处理不确定性和外部扰动的强大工具，SMC 被详细阐述。本书不仅覆盖了经典的等值控制（Equivalent Control）计算，还重点分析了抖振现象（Chattering）及其解决策略，如引入S-函数和平滑切换机制，以实现更实用的高性能控制。 9. 基于能量函数的控制设计： 遵循李雅普诺夫的直接法思想，本书系统地介绍了如何通过构造合适的能量函数（或称为李雅普诺夫函数）来直接设计控制器，确保系统误差收敛性。这包括Backstepping（反步法）的理论推导、应用及其在级联系统控制中的普适性。 10. 适应性与鲁棒控制的融合： 考虑到真实世界参数的漂移和模型误差，本书将鲁棒性分析与自适应机制相结合。详细介绍了基于李雅普诺夫的自适应控制的设计框架，以及如何利用鲁棒性分析工具（如$mathcal{H}_infty$范数）来评估和提升非线性控制器的容错能力。 第四部分：先进主题与现代应用 最后一部分聚焦于当前研究的热点领域，展示了先进控制理论在特定复杂应用中的部署。 11. 估计与观测器设计： 精确的状态信息是设计高性能控制器的前提。本书详细介绍了针对非线性系统的卡尔曼滤波器的扩展形式——扩展卡尔曼滤波器（EKF）和无迹卡尔曼滤波器（UKF）的设计与实现，以及高增益观测器在特定条件下的应用。 12. 基于模型的预测控制 (MPC) 的非线性拓展： 介绍了非线性模型预测控制（NMPC）的基本框架，包括如何利用在线优化算法（如梯度下降法或准牛顿法）来实时求解最优控制问题，并讨论了其在满足严格约束条件下的计算挑战和高效求解策略。 目标读者与学习预期 本书是为那些已经掌握经典控制理论（如根轨迹、频率响应分析、基本状态空间方法）并希望向系统控制的前沿迈进的读者准备的。 研究生和博士生： 本书是高级控制理论课程的理想教材，能够为后续的专业研究打下坚实的基础。 控制系统工程师与研发人员： 提供了处理复杂、高动态、强耦合工业过程（如先进机器人、航空姿态控制、过程工业优化）时所需的理论深度和设计工具。 通过对本书内容的学习，读者将能够： 1. 熟练地对任意复杂系统进行严格的非线性数学建模。 2. 利用微分几何和李雅普诺夫工具，对非线性系统的稳定性和性能进行严格的数学证明。 3. 系统地设计出包括反馈线性化、滑模控制和反步法在内的多种高性能非线性控制器。 4. 评估和减轻外部扰动、参数不确定性以及模型误差对控制系统性能的影响。 《先进系统动力学与非线性控制》不仅是一本理论参考书，更是一份引导实践者深入理解和掌控复杂动态系统的路线图。

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这本书对非线性控制的介绍角度非常新颖且实用。很多教材在处理非线性系统时，要么过于简化，要么直接跳到高深的微分几何，让初学者望而却步。然而，这本书采取了一种更为渐进和工程化的方法，比如在讲解李雅普诺夫稳定性理论时，它首先用非常直观的能量函数概念来铺垫，解释了为什么该理论如此强大和重要，而非直接抛出复杂的二阶导数条件。对于最常见的现象，如极限环和跳跃现象，作者也给出了非常形象的物理类比和图解分析，这对于我们这些习惯于从物理世界理解问题的工程师来说，帮助极大。它没有回避非线性系统的复杂性，但通过精妙的组织，将复杂的分析工具（如线性化、反步法基础思想）分解成可管理的小模块。这种处理方式极大地增强了读者对复杂系统建模与控制的信心，让人觉得即便是面对复杂的实际系统，也有一套可靠的理论工具可以去驾驭它，而不是仅仅停留在理论的层面空谈。

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不得不提的是，这本书在教学辅助和学习体验上的设计非常人性化，体现了编者对教学规律的深刻理解。版面设计简洁明了，数学公式的排版清晰工整，没有那种令人眼花缭乱的拥挤感。更重要的是，每章末尾的习题设置极具针对性，它们巧妙地结合了理论知识点，很多题目都具有一定的开放性，鼓励读者进行批判性思考和创新性应用，而非简单的代数运算。例如，有些设计类的题目，要求读者根据给定的系统性能指标，选择合适的控制器结构并进行仿真验证，这极大地培养了我的工程直觉。此外，书中对符号的统一性和一致性处理得非常到位，这在阅读涉及大量变量和矩阵的现代控制理论时尤为重要，有效避免了因符号混乱而产生的理解障碍。对于自学控制工程的同仁而言，这本书提供了一种近乎“完美”的自学路径，它不仅提供了知识，更构建了一种解决问题的思维框架，让人在阅读过程中始终保持高度的参与感和探索欲。

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这本书的实战应用深度确实让我眼前一亮，完全跳出了那种枯燥的理论堆砌模式。我尤其欣赏作者在讲解状态空间模型时，不仅仅是给出数学推导，而是花了大量篇幅去探讨如何将这些抽象的数学概念映射到实际的工程问题中，比如机器人运动控制、航空航天姿态稳定等具体案例。这种“以终为始”的教学方法，让我在学习过程中始终能抓住核心目的——解决实际的工程挑战，而不是仅仅为了完成作业。书中对各种控制器的设计流程进行了细致的剖析，从初期的系统辨识到最终的参数整定，每一步都配有详尽的步骤和图示。特别是对于数字控制系统的离散化处理，讲解得非常透彻，清晰地阐述了连续时间信号到离散时间信号转换过程中需要注意的陷阱和处理技巧。阅读这本书就像是跟着一位经验丰富的高级工程师在做项目指导，他不仅告诉你“怎么做”，更告诉你“为什么这么做”，这种深层次的理解是其他教材难以提供的。即便是涉及到一些前沿的鲁棒控制和自适应控制概念，作者也采用了循序渐进的方式，先从基础的经典控制理论入手，逐步过渡，使得初学者也能逐步建立起宏大的知识框架，不会感到力不从心。

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这本书的理论深度和覆盖范围令人印象深刻，简直是一部控制理论的“百科全书”。它对经典控制理论（如频域分析、根轨迹法）的阐述稳健扎实，为后续学习更复杂的现代控制方法打下了坚实的基础。令人称道的是，它并没有止步于传统的PID控制，而是大篇幅地深入探讨了状态观测器（如卡尔曼滤波器的基础原理）在实际工程中的应用价值。我特别喜欢它在介绍最优控制时，那种严谨的数学推导和清晰的逻辑衔接。作者在阐述庞特里亚金极大值原理和贝尔曼最优性原理时，处理得既专业又易于消化，尽管是高阶内容，但通过精心的章节组织，读起来并不觉得晦涩难懂。对于那些希望在理论上深挖下去的读者来说，这本书提供了足够的素材和严谨的论证。它不仅仅是一本教材，更像是一本可以长期参考的工具书，每当我回过头来查阅某个特定定理的详细条件或证明过程时，总能发现值得深入研究的细节。这种详尽而又不失系统性的内容组织，极大地提升了学习效率和知识的留存度。

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我发现这本书最大的价值在于它对系统辨识和参数估计的重视程度远超同类书籍。在很多控制教科书中，系统模型往往被视为“已知”的，这与现实世界的要求相悖。这本书则将系统辨识作为现代控制设计流程中不可或缺的一环进行了详细论述。它不仅介绍了最基本的最小二乘法，还深入讲解了如何处理系统噪声和模型失配问题。特别是在讨论卡尔曼滤波器的实际部署时，书中提供了大量关于数据预处理、噪声协方差矩阵估计的工程经验。这些经验性的指导，往往是在实验室或工业现场才能学到的宝贵财富，被作者提炼并融入了理论框架之中。阅读这些内容时，我感觉自己正在从一个纯粹的理论学习者，迅速转型为一个能够处理不确定性、具备初步工程实践能力的工程师。这种将理论严谨性与工程实用性完美融合的编辑策略，使得这本书不仅仅停留在学术研究的象牙塔内，而是真正地“落地生根”，成为指导实际工程应用的上乘之作。

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