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出版者:人民郵電

作者:王琦

出品人:

頁數:338

译者:

出版時間:2007-11

價格:39.00元

裝幀:

isbn號碼:9787115165954

叢書系列:

圖書標籤:

• MATLAB
• MATLAB
• 數值計算
• 科學計算
• 工程計算
• 算法
• 實例
• 入門
• 教程
• 數學建模
• 數據分析

深入淺齣：現代控製理論及其在工程實踐中的前沿應用 本書導言： 在當今飛速發展的工程技術領域，對復雜係統的精確建模、分析與控製已成為衡量一個國傢科技實力的重要標誌。從航空航天器的精密姿態控製，到新能源汽車的能量管理係統，再到智能製造流水綫的優化調度，無不深刻依賴於堅實的現代控製理論基礎和創新的應用技術。本書旨在為讀者構建一個全麵、深入且極具實踐價值的現代控製理論知識體係，超越傳統的課堂教學範疇，聚焦於當前工程界最迫切需要解決的關鍵問題。 本書的編寫理念是“理論源於實踐，實踐檢驗理論”。我們不滿足於對經典理論的機械復述，而是著重於挖掘其背後的數學本質、物理意義，並將其無縫銜接到現代工程實踐中的具體挑戰上。全書內容編排邏輯嚴謹，由淺入深，確保即便是具備一定數學基礎的初學者，也能循序漸進地掌握核心概念，最終能夠獨立設計、仿真與實現復雜的控製係統。 第一部分：現代控製理論的基石與數學工具（約400字） 本部分將係統迴顧和深化讀者對現代控製理論所依賴的數學基礎的理解。我們將從狀態空間錶示法（State-Space Representation）這一現代控製理論的基石齣發，詳細闡述綫性係統在時域和頻域下的描述方法。重點解析李雅普諾夫（Lyapunov）穩定性理論，不僅僅停留在判據的羅列，而是深入探討其在非綫性係統穩定性分析中的強大潛力，包括間接法與直接法在復雜係統分析中的具體應用流程。 我們將引入先進的矩陣分析技術，如奇異值分解（SVD）和施密特分解（Schur Decomposition），展示它們如何幫助我們理解係統的內在結構、解耦性以及控製輸入的有效性。針對時間延遲係統（Time-Delay Systems）這一工程中常見的難題，我們將介紹涉及無限維係統的相關理論基礎，如特徵值問題和無窮維李雅普諾夫方程的求解思路。此外，本部分還將引入隨機過程理論在係統辨識和最優估計中的初步應用，為後續的濾波與估計章節打下堅實基礎。我們著重強調，嚴謹的數學推導是構建可靠控製器的前提。 第二部分：綫性係統的分析、設計與結構化方法（約450字） 在堅實的數學基礎上，第二部分將聚焦於綫性定常（LTI）係統的全方位分析與控製器設計。係統的可控性與可觀測性分析是本部分的核心，我們將使用判定矩陣法和結構分析法，深入探討係統零/極點與輸入/輸齣反饋之間的內在聯係。 控製器設計方麵，本書將詳細介紹極點配置（Pole Placement）技術，並將其擴展到基於輸齣反饋和狀態反饋的混閤控製架構設計。對於需要提升係統性能（如快速響應、減小超調）的需求，我們將著重講解超前/滯後補償器的設計，並結閤根軌跡分析法，直觀地指導設計參數的選擇。 更進一步，我們將引入現代設計方法中的重要工具——極點配置的擴展應用，例如如何利用反饋綫性化（Feedback Linearization）的思想來處理部分非綫性係統，以及如何使用魯棒控製的基本概念（如輸入輸齣反饋的魯棒性邊界）來預估控製器的性能裕度。本部分還將包含一個完整的數字控製係統設計流程，包括采樣周期的選取、Z變換在離散化中的應用，以及零階保持器（ZOH）的誤差分析，確保理論設計能順利過渡到實際的數字控製器實現。 第三部分：非綫性控製的挑戰與前沿技術（約450字） 現代工程係統，如機器人、自動駕駛車輛、生物工程係統等，本質上都是非綫性的。本部分是本書的亮點和深度體現，聚焦於如何駕馭這些復雜的非綫性動力學。我們將從基礎的相平麵分析法入手，幫助讀者定性理解簡單的二階非綫性係統的行為，如極限環、奇點等。 隨後，我們將轉嚮更具工程實用性的非綫性控製技術。重點介紹反饋綫性化（Feedback Linearization） 的原理與局限性，詳細分析其在全反饋綫性化和輸齣反饋綫性化中的具體實現步驟和遇到的挑戰，特彆是外部攝動對綫性化模型的影響。滑模控製（Sliding Mode Control, SMC） 作為一種結構簡單、魯棒性極強的非綫性控製方法，將被深入剖析其等效控製的計算、抖振（Chattering）現象的成因及基於高階滑模麵的抑製策略。 此外，本書還將介紹基於輸入/輸齣綫性化和反步法（Backstepping） 的遞階設計框架。反步法以其係統性的遞推結構，提供瞭一種設計復雜多輸入多輸齣（MIMO）非綫性係統穩定器的通用途徑，我們將通過一個具體的機械臂模型實例，清晰展示反步法的每一步操作及其在保證全局穩定性上的威力。 第四部分：最優控製、估計與魯棒性分析（約200字） 本部分將探討在不確定性環境下的高性能控製設計。最優控製理論，特彆是LQR（Linear Quadratic Regulator）的設計，將被詳細講解，重點在於性能指標函數（代價函數）的構建，以及如何通過求解代數黎卡提方程（ARE）來獲得最優反饋增益。 針對係統模型不完全準確或存在測量噪聲的情況，我們將引入卡爾曼濾波（Kalman Filtering）作為狀態估計的黃金標準。本書將不僅展示其遞推公式，更會深入剖析其背後的最小均方誤差（MMSE）優化原理，並將其擴展到擴展卡爾曼濾波（EKF）和無跡卡爾曼濾波（UKF）在非綫性係統狀態估計中的應用。最後，本部分將簡要介紹 $H_{infty}$ 控製的基本思想，作為進入魯棒控製設計領域的敲門磚。 結語： 本書的最終目標是培養讀者將理論知識轉化為解決實際工程問題的能力。我們相信，通過對本書內容的係統學習和深入思考，讀者將不僅掌握現代控製理論的精髓，更能以一種結構化、係統化的思維方式去麵對和徵服日益復雜的工程控製挑戰。

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這本教材的排版和圖示設計也值得稱贊，極大地提升瞭閱讀體驗。在學習圖形用戶界麵（GUI）編程或三維可視化時，清晰的截圖和步驟說明是至關重要的，這本書在這方麵做得無可挑剔。每一步操作都被細緻地標注齣來，即使用戶的MATLAB版本略有差異，也能很快定位到對應的菜單或工具欄。我記得在學習如何定製繪圖樣式時，書中提供瞭多種顔色映射和坐標軸設置的示例代碼，這讓我能夠輕鬆地生成符閤學術論文標準的專業圖錶。很多技術書籍的圖示模糊不清，導緻讀者需要反復試驗，而這本書則避免瞭這種低效的學習過程，真正做到瞭“所見即所得”，非常適閤視覺學習者。

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這本書在深入探討MATLAB編程技巧方麵做得非常齣色，它沒有停留在“會用”的層麵，而是力求讓讀者達到“精通”的境界。特彆是關於程序優化和高性能計算的部分，講解得尤為透徹。作者顯然對MATLAB的內部機製有深刻的理解，書中提及瞭嚮量化操作的重要性，並用對比實驗清晰地展示瞭循環結構與嚮量化操作在運行效率上的巨大差異。這種對細節的關注，讓這本書的價值遠超一般的入門指南。我過去在處理大型數據集時遇到的運行緩慢問題，通過參考書中的優化策略，得到瞭顯著改善。這不僅僅是教會你如何寫代碼，更是培養你成為一個高效的MATLAB工程師的思維方式。

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讀完這本書，我感覺自己像是完成瞭一次對科學計算的“新手訓練營”。它的結構設計非常注重實用性，不像某些書籍那樣，把大量的篇幅用於介紹MATLAB的曆史或復雜的底層原理，而是直接切入解決問題的核心方法。書中大量的應用實例，覆蓋瞭工程計算、數據分析等多個領域，這些案例的選擇非常貼閤當前工程技術人員的實際需求。我嘗試著跟著書中的步驟，自己動手實現瞭幾個復雜的信號處理模型，結果令人驚喜地發現，原本覺得遙不可及的計算任務，在MATLAB的強大功能下變得觸手可及。這種“學以緻用”的成就感，是很多純理論書籍無法給予的。對於希望快速將MATLAB能力轉化為實際工作成果的讀者來說，這本書無疑是份寶藏。

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總的來說，這本書給我的感覺是，它是一本被精心打磨過的工具書，而不是一套冷冰冰的參考手冊。它的語調是鼓勵性的，同時又不失嚴謹。即便是在介紹一些相對復雜的控製係統或數值微分方程求解時，作者也總是能用一種引人入勝的方式來鋪陳講解的脈絡，讓人不會感到壓力過大。書末附帶的常見問題解答和調試技巧部分，更是體現瞭作者的周到。它仿佛預料到瞭讀者在學習過程中可能遇到的所有“坑”，並提前提供瞭解決方案。對於希望係統性地、全麵地掌握MATLAB在工程科學領域應用的讀者而言，這本書提供瞭一個紮實且可靠的起點，是值得反復翻閱的案頭良伴。

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這本關於MATLAB的教材，從頭到尾都給人一種深入淺齣的感覺，作者的功力可見一斑。它不僅僅是一本理論堆砌的教科書，更像是一位經驗豐富的老師，耐心地引導你一步步走進MATLAB的世界。書中的內容組織得非常巧妙，從最基礎的語法結構講起，循序漸進地過渡到高級的矩陣運算和可視化技術。我特彆欣賞它在概念闡述上的清晰度，即便是初學者也能很快抓住核心要點，不會因為晦澀的術語而感到睏惑。比如，書中對M文件和函數定義的講解，配閤大量的實例代碼，使得抽象的編程概念變得具體可行。每一次我對某個函數的功能産生疑問時，翻開這本書，總能找到最貼切的解釋和應用場景。它真正做到瞭理論與實踐的完美結閤，讓學習過程充滿瞭探索的樂趣，而不是枯燥的記憶。

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