H-Infinity Optimal Control and Related Minimax Design Problems

H-Infinity Optimal Control and Related Minimax Design Problems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者: 作者:Basar, Tamer/ Bernhard, Pierre 出品人: 页数:428 译者: 出版时间:2008-1 价格:$ 79.09 装帧: isbn号码:9780817647568 丛书系列:
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  • H-Infinity控制
  • 最优控制
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  • 现代控制理论
  • 系统与控制
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  • 滤波估计
  • 控制系统设计
  • 工程应用
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具体描述

This book is devoted to one of the fastest developing fields in modern control theory - the so-called H-infinity optimal control theory. The book can be used for a second or third year graduate level course in the subject, and researchers working in the area will find the book useful as a standard reference. Based mostly on recent work of the authors, the book is written on a good mathematical level. Many results in it are original, interesting, and inspirational. The topic is central to modern control and hence this definitive book is highly recommended to anyone who wishes to catch up with important theoretical developments in applied mathematics and control.

现代控制理论与系统动力学新进展:面向不确定环境的鲁棒设计 本书聚焦于当代控制理论的前沿领域,特别是针对系统在高度不确定性和环境动态变化下的优化控制与稳健设计方法。本书内容涵盖了从经典的优化控制框架到最新的随机系统理论,旨在为研究人员、工程师和高级学生提供一套全面且深入的理论基础与实用工具集。 第一部分:非线性动力学与系统建模基础 本部分将系统地回顾和深化非线性动力学系统的建模技术,重点关注那些难以用线性化方法精确描述的复杂系统,例如高维流体力学系统、复杂的化学反应网络以及生物工程中的耦合系统。 第一章:广义微分方程与流形理论 深入探讨在高维空间中定义的非光滑动力学系统的描述方法。着重分析李雅普诺夫函数在确定非线性系统稳定性的应用,并引入拓扑动力学和不变流形理论,以揭示系统在长时间演化过程中可能展现的奇异行为和吸引子特性。讨论如何利用中心流形理论来简化复杂系统的有效动力学描述,尤其是在分析临界点附近的系统响应时。 第二章:随机微分方程与高斯过程 系统地介绍伊藤微积分及其在建模含有乘性噪声的随机系统中的应用。探讨随机微分方程(SDEs)的解的存在性、唯一性和稳定性分析。特别关注非高斯噪声的特性,如跳跃过程(Lévy 过程)对系统状态演化的影响。引入高斯过程回归方法,用于在数据稀疏或模型不完全确定的情况下,对系统不确定性进行概率性量化和估计。 第三章:网络化控制系统的建模挑战 本章专门处理现代工程实践中日益普遍的网络化控制系统。探讨数据延迟、丢包和网络诱导振荡(Network-Induced Oscillations)对闭环系统性能的影响。引入事件触发控制(Event-Triggered Control)的建模框架,旨在最小化通信开销的同时保持控制性能。分析基于有限域网络的系统一致性问题和分布式优化算法的收敛性分析。 第二部分:最优控制的新范式与算法 本部分侧重于在不同约束条件下求解最优控制问题的理论与计算方法,扩展了传统的变分法和庞特里亚金最大值原理的应用范围。 第四章:约束优化与 Hamilton-Jacobi-Bellman 方程的数值求解 详述在状态和输入约束下的最优控制问题。着重讨论 Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) 方程在解决非线性最优控制问题中的核心地位,并分析其在无限维空间中的困难。重点介绍值迭代和策略迭代等数值方法,特别是针对高维系统时,如何利用稀疏网格法和张量分解技术来克服“维度灾难”。讨论基于随机动态规划的蒙特卡洛方法(如随机扩展的动态规划)。 第五章:模型预测控制(MPC)的鲁棒性增强 将模型预测控制(MPC)从标准优化框架扩展到不确定系统。详细介绍鲁棒模型预测控制(RMMPC)的构建,包括明确考虑模型不确定性(如界限、锥形约束)的优化问题。探讨二次规划(QP)公式在处理线性动态系统MPC中的高效性,并深入研究非线性MPC(NMPC)中求解非凸优化问题的实时算法,如一次射击法和准牛顿法。 第六章:最优反馈的自适应设计 针对系统参数的未知或时变性,本章探讨自适应最优控制策略。引入基于强化学习(RL)的框架,特别关注深度Q网络(DQN)和策略梯度方法在连续控制域中的应用。讨论如何设计奖励函数以反映性能指标和控制努力的平衡。着重分析自适应控制器在保证关键稳定性边界的同时,如何迭代地改进最优反馈律的有效性。 第三部分:面向不确定性的稳健与适应性设计 本部分是全书的核心,专注于如何设计出即使在最坏情况或高随机扰动下仍能保持稳定性和可接受性能的控制系统。 第七章:线性矩阵不等式 (LMI) 在稳健控制中的应用 系统地回顾 LMI 理论在求解线性系统 H-无穷($H_{infty}$)控制问题中的强大能力。详细推导闭环系统的稳定性和性能界限与 LMI 可行域之间的关系。扩展 LMI 方法至 Tchebycheff 范数下的控制设计,并讨论如何利用凸松弛技术来处理非凸的控制设计约束。分析 LMI 在离散时间系统 $H_{infty}$ 控制中的应用。 第八章:控制依赖于输入的饱和与死区处理 真实世界中的执行器往往存在输入饱和和死区等非线性特性。本章研究如何将这些限制纳入控制设计。采用输入饱和下的二次有界稳定性(ISS-Lyapunov 函数)分析方法,并利用平移变换和凸包技术来近似或精确地描述这些非线性约束对系统性能的影响。探讨如何设计反饱和或限幅控制器以避免系统进入不可恢复的非线性区域。 第九章:区间分析与区间控制 针对系统参数和外部扰动仅能用区间而非概率分布描述的情况,本章引入区间算术和区间分析方法。推导区间李雅普诺夫稳定性条件,确保系统在所有可能的参数组合下都能保持稳定性。重点介绍区间模型预测控制(IMPC)的构建,该方法能够在保证控制动作始终有效的前提下,为系统性能提供严格的区间估计。 第十章:观测器设计与状态估计的局限性 状态观测器是控制系统的关键组成部分。本章讨论 Luenberger 观测器在非线性系统中的局限性,并深入研究卡尔曼滤波的扩展形式。特别是,对扩展卡尔曼滤波(EKF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)的原理、收敛性和数值稳定性进行对比分析,并探讨在高维非线性系统中,如何利用信息融合技术(如分布式滤波)来提高状态估计的精度和鲁棒性。 附录:数值计算与软件实现 提供用于实现书中介绍的优化算法(如内点法、序列二次规划)的实用数值工具和代码框架指南。包括对高性能计算库(如优化求解器)的使用示例,以便读者能够将理论成果应用于实际工程问题。 本书内容结构严谨,理论推导详实,同时紧密结合现代工程实践中的挑战,致力于提供一套超越传统控制方法限制的、面向不确定性的、高性能的系统设计工具箱。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的封面设计就透着一股深邃与严谨,黑底白字的标题在视觉上给人一种专业且权威的感觉,让人一打开就预感到这是一场硬核的智力挑战。初翻几页,立刻能感受到作者在构建理论框架时的那种匠心独运。它不像市面上那些试图“通俗化”控制理论的教材那样,用大量简化或模糊的概念来掩盖核心的数学本质。相反,它毫不退缩地直面了H-Infinity控制理论中最核心、最复杂的部分,例如奇异值分解在系统稳定性分析中的应用,以及如何构造Lyapunov泛函来确保闭环系统的鲁棒性。特别是关于“最小-最大化设计问题”的论述,作者似乎花了大量笔墨来剖析其背后的博弈论哲学基础,将控制工程从传统的优化问题提升到了一个更宏观的对抗性设计层面。我特别欣赏作者在推导过程中对细节的把控,即便是那些看似微不足道的近似步骤,作者也会给出清晰的合理性论证,这对于我这种希望深入理解每一个环节的学习者来说,无疑是巨大的福音。阅读过程中,时常需要停下来,反复咀嚼那些精妙的定理陈述和证明过程,感觉自己像是在攀登一座数学高峰,虽然过程艰辛,但每登高一步,视野都豁然开朗。对于那些希望在鲁棒控制领域达到精通水平的工程师或研究人员来说,这本书无疑是一份不可替代的参考宝典。

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这本书的行文风格,简直就是一场对读者的“耐力与理解力的双重考验”。我必须坦诚地说,它绝非那种可以轻松拿来“翻阅”或“速读”的书籍。它更像是一份深度研发报告的集结,每一章节都像是一个精心设计的迷宫,充满了复杂的张量运算、微分方程组的求解,以及对算子理论的深刻洞察。我花了大量时间在理解作者是如何将抽象的泛函分析工具,巧妙地嫁接到实际的动态系统模型上去的。特别是涉及到无限维系统和非线性逼近时的处理方式,那种数学上的优雅与工程上的实用性之间的平衡拿捏得恰到好处,令人拍案叫绝。作者并没有满足于给出结论,而是将推导的每一步都详尽地展示出来,这使得读者不仅知道“是什么”,更能理解“为什么是这样”。这种详尽的、近乎苛刻的论证方式,虽然极大地增加了阅读的难度和时间投入,但也为后续的创新性研究奠定了坚实的基础。这本书的价值,不在于你能在多短的时间内读完它,而在于你能在多大程度上消化和吸收其中的理论精髓。它需要的不仅仅是知识储备,更是一种沉浸式的、近乎冥想的专注力。

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从结构上看,这本书的编排布局体现了极高的逻辑性和层次感。它并没有采用那种传统的“先介绍概念,后应用实例”的线性结构。相反,它似乎是从控制系统最根本的“不确定性”来源入手,层层递进,逐步建立起H-Infinity范数的数学框架。最让我眼前一亮的是,作者在讨论“加权函数”的选择策略时,融入了大量的工程直觉和实际考量。这不是纯粹的数学推导,而是充满了工程师对物理世界限制的深刻理解。比如,如何根据传感器的带宽限制和执行器的饱和特性来设计不同的频率权重,以确保控制器在实际运行中不会产生不必要的能量消耗或振荡。书中对卡尔曼滤波与H-Infinity设计的融合点也有独到的见解,它清晰地阐释了在存在模型误差和外部扰动的情况下,最优估计与鲁棒控制如何相互作用,共同构建一个可靠的闭环系统。读完相关章节后,我感觉自己对传统PID控制的局限性有了更深刻的认识,也明白了为什么在现代高精度、高动态要求的航空航天或精密制造领域,必须依赖这种基于范数优化的设计方法。

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总的来说,这本书的阅读体验是极具挑战性但也极富回报的。它的排版非常严谨,公式的对齐和符号的定义几乎无可指摘,这对于阅读复杂的数学证明至关重要。然而,我必须提醒潜在的读者,如果你是初学者,请务必先打下扎实的线性代数、微分方程和经典控制理论的基础。这本书的起点很高,它默认读者已经对状态空间表示和拉普拉斯变换有非常熟练的掌握。书中几乎没有使用任何图示或动画来辅助解释,所有的信息都高度浓缩在文本和公式之中,这要求读者必须具备强大的空间想象能力和符号处理能力。它更像是一部“理论手册”而非“入门向导”。但对于那些已经有一定基础,渴望突破现有瓶颈、想深入理解鲁棒控制核心机理的专业人士来说,这本书绝对是不可多得的珍品。它不是一本用来“阅读”的书,而是一本需要被“攻克”的工具书,它所提供的知识深度,足以支撑未来数年的学术或工程探索。

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这本书的“语气”非常独特,它不像教科书那样温和地引导你,更像是一位资深的学术导师在跟你进行一场高水平的学术对话——对话中充满了不容置疑的专业术语和精确的数学表达,但字里行间又透露出对该领域深度问题的探索欲望。我个人认为,这本书的最大贡献在于它对“Minimax设计”哲学的高度提炼。它不仅仅是将H-Infinity控制器视为一个简单的最小化指标的问题,而是将其上升到主动防御和对抗不确定性的层面。书中关于“零极点配置”与“互质子空间”的讨论,非常深刻地揭示了系统内在的物理约束如何决定了性能的极限。我尝试将其中学到的方法论应用到我正在研究的一个复杂机械臂的振动抑制问题上,发现以往难以处理的参数漂移问题,在采用书中提出的特定结构化控制器后,性能得到了显著改善,并且理论上的裕度也得到了明确的量化。这种从抽象理论到具体工程解决方案的无缝对接能力,是这本书最宝贵的地方。它迫使读者超越了仅仅“会用公式”的层面,去思考“为什么这个公式在特定场景下是最优的”。

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