Nonlinear Optimization with Engineering Applications pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Bartholomew-Biggs, Michael

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:2008-8

价格:$ 79.04

装帧:

isbn号码:9780387787220

丛书系列:

图书标签:

非线性优化
工程应用
优化算法
数值方法
数学建模
工程优化
凸优化
约束优化
最优化理论
应用数学

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具体描述

This textbook examines a broad range of problems in science and engineering, describing key numerical methods applied to real life. The case studies presented are in such areas as data fitting, vehicle route planning and optimal control, scheduling and resource allocation, sensitivity calculations and worst-case analysis. Chapters are self-contained with exercises provided at the end of most sections. Nonlinear Optimization with Engineering Applications is ideal for self-study and classroom use in engineering courses at the senior undergraduate or graduate level. The book will also appeal to postdocs and advanced researchers interested in the development and use of optimization algorithms.

《现代控制理论与系统设计》内容提要本书系统深入地探讨了现代控制理论的基石、核心概念及其在复杂工程系统设计中的实际应用。全书结构严谨，内容涵盖了从经典的频域分析到前沿的鲁棒控制与非线性控制的广泛领域，旨在为读者提供一个全面、深入且具有高度实践指导意义的控制工程知识体系。第一部分：线性系统理论基础本书伊始，详细梳理了线性时不变（LTI）系统的基本描述，包括状态空间表示法和传递函数模型。在状态空间部分，深入剖析了系统的可控性与可观测性判据，阐述了如何通过相似变换实现系统的规范形（如约旦标准形、能控/能观标准形），为后续的控制器和观测器设计奠定了数学基础。在线性系统的时域分析方面，重点讲解了系统的模态分析、特征值与特征向量对系统动态行为的影响，以及如何利用李雅普诺夫稳定性判据对系统的长期行为进行评估。频域分析部分，本书回归了经典控制理论的精髓，详细分析了系统的频率响应特性，包括波德图、奈奎斯特图的绘制与解读。通过这些图示工具，读者将掌握如何直观地评估系统的稳定裕度和动态性能，并引入了根轨迹分析法，用于探究控制器参数变化对系统闭环极点位置的影响。第二部分：反馈控制器的设计与实现本章聚焦于如何根据性能指标（如快速性、超调量、稳态精度）设计具体的反馈控制器。极点配置与状态反馈：详细阐述了利用全状态反馈（State Feedback）实现期望极点配置的技术。这包括 Ackermann 公式在确定性系统中的应用，以及如何处理系统不可控或难以测量的状态变量问题。观测器设计：鉴于实际工程中往往无法直接测量所有状态，本书系统介绍了状态观测器的设计，特别是 Luenberger 观测器的构造原理及其稳定性保证。结合状态反馈与观测器，形成了完整的状态估计与控制框架（即分离原理）。经典PID控制器优化：虽然侧重现代控制，但本书并未忽视工业界的主流工具。这里对 PID 控制器进行了深入分析，不仅限于传统的增益整定，还引入了基于系统辨识和现代控制原理的先进 PID 优化方法，讨论了其在存在时间延迟或模型不确定性时的局限性及改进策略。第三部分：先进控制方法本部分是本书的重点与特色，旨在引导读者跨越经典控制的范畴，进入处理复杂、不确定性系统的前沿领域。鲁棒控制理论（$H_{infty}$ 控制）：针对模型参数的摄动和外部干扰，本书引入了 $ ext{H}_{infty}$ 控制理论。从控制输入的加权、性能指标的数学描述（$ ext{H}_{infty}$ 范数）出发，系统地推导了状态反馈 $ ext{H}_{infty}$ 控制器的设计方法，强调了其在保证系统稳定裕度和抑制外部扰动方面的优势。最优控制与 LQR：本章详述了线性二次型最优控制（LQR）。通过最小化一个二次性能指标函数（包含状态误差和控制输入的加权），推导了代数黎卡提方程（ARE），并展示了求解该方程以获得最优反馈律的步骤。这为处理资源受限下的最优决策问题提供了坚实的理论工具。非线性系统的基础分析：为应对大量实际工程系统（如飞行器、机器人、化学反应器）的非线性本质，本书提供了非线性控制的入门框架。重点讲解了李雅普诺夫稳定性理论在非线性系统中的推广应用，特别是构造李雅普诺夫函数来证明全局或局部稳定性。此外，介绍了反步法（Backstepping）的基本思想，用于设计能够稳定特定形式非线性系统的反馈控制器，尽管此处侧重概念引入而非复杂实例推导。第四部分：系统辨识与模型不确定性现代控制设计依赖于准确的模型。本部分探讨了如何从实验数据中提取系统模型。参数估计方法：介绍了最小二乘法（Least Squares）及其扩展，用于估计线性模型的参数。讨论了数据采集的策略和对估计结果准确性的评估。系统辨识的挑战：讨论了模型选择的重要性（如选择合适的模型结构）、噪声的影响以及系统辨识在闭环系统设计中的反馈作用。第五部分：工程应用案例与仿真本书的最后一部分强调理论与实践的结合。通过详细的案例分析，展示如何将所学理论应用于实际工程问题。案例涵盖： 1. 航空航天：侧重于刚体姿态控制系统（如卫星或无人机）的状态估计与鲁棒性设计。 2. 过程控制：针对化工过程中的温度或浓度控制，应用 LQR 或 $ ext{H}_{infty}$ 控制器进行性能优化。本书的配套资源中包含丰富的 MATLAB/Simulink 仿真实例，读者可以通过编程实现和验证书中所述的各种控制器和观测器的性能，从而加深对理论的理解和工程实践能力的培养。目标读者本书适合于控制工程、电子信息工程、航空航天工程、机械工程等专业的本科高年级学生、研究生，以及从事系统设计、建模与仿真、自动化控制领域的工程师和研究人员。读者需具备微积分、线性代数和经典控制理论的基础知识。