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出版者:清华大学出版社

作者:Unigraphics Solutions Inc

出品人:

页数:136

译者:

出版时间:2002-6-1

价格:22.00

装帧:平装（带盘）

isbn号码:9787900643094

丛书系列:

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《工程控制理论与应用：基于系统动力学的视角》 内容简介 本书旨在为工程领域的专业人士、研究生以及高年级本科生提供一个全面、深入且具有前瞻性的工程控制理论框架，特别是从系统动力学的独特视角切入，探讨复杂系统的建模、分析、优化与智能控制策略。我们摒弃了传统控制理论中对线性化和简化假设的过度依赖，转而聚焦于如何在高维、非线性、时滞和不确定性的真实工程环境中，构建有效且鲁棒的控制系统。 全书结构严谨，内容覆盖了经典控制、现代控制的前沿进展，并着重构建了一个以“系统思维”为核心的控制设计方法论。全书共分为六大部分，近三十章，旨在提供一个从基础理论到尖端应用的完整知识图谱。 --- 第一部分：复杂系统建模与系统动力学基础 (System Dynamics Modeling and Fundamentals) 本部分是全书的基石，重点阐述了将工程问题抽象为具有相互作用、反馈结构和时间延迟的复杂系统的建模方法。 第一章：引言：从传统控制到复杂系统挑战 探讨了当代工程面临的典型挑战，如供应链的波动性、能源系统的动态响应、大规模基础设施的韧性问题等，这些问题超出了传统PID或线性二次调节器（LQR）的有效处理范围。引入了复杂性科学、非线性动力学和系统思维在工程决策中的必要性。 第二章：系统动力学的核心概念与构建方法 详细介绍了系统动力学的基本元素：存量（Stocks）、流量（Flows）、辅助变量（Auxiliaries）和反馈回路（Feedback Loops）。重点讲解了因果关系图（Causal Loop Diagrams, CLD）的绘制规范，并将其转化为结构方程模型。强调了延迟（Delays）对系统行为的关键影响。 第三章：非线性系统的数学表征与仿真 深入探讨常微分方程（ODE）组在描述动态系统中的应用。讲解了如欧拉法、龙格-库塔法（Runge-Kutta）等数值积分方法在工程仿真中的精度与效率考量。引入了相平面分析法和庞加莱截面法等非线性系统定性分析工具。 第四章：系统结构对行为的影响：反馈回路的深层解析 详细区分了增强回路（Reinforcing Loops, R）和调节回路（Balancing Loops, B）。通过大量的工程案例（如人口增长模型、资源耗竭模型），展示了结构如何决定系统的固有行为模式，如指数增长、振荡或稳态锁定。 --- 第二部分：经典控制理论的系统动力学重构 (Revisiting Classical Control through System Dynamics) 本部分将经典控制的分析工具置于更广阔的动态系统中进行审视，加深对控制对象内在特性的理解。 第五章：线性时不变（LTI）系统的时域与频域分析 回顾了传递函数、状态空间表示法在LTI系统中的应用。重点在于如何利用频域分析（如Bode图、Nyquist图）来洞察系统对特定频率扰动的敏感性，并将这些分析结果与系统动力学中的谐振现象联系起来。 第六章：系统辨识与参数估计 针对实际工程中难以精确获取系统参数的问题，介绍了基于实验数据和历史运行记录的系统辨识技术。涵盖了最小二乘法、卡尔曼滤波的初步应用，用于建立高保真度的系统模型。 第七章：经典反馈控制器的设计与局限性 详细分析了PID控制器的工作原理及其在处理非线性、时滞或强耦合系统时的固有局限性，特别是“积分饱和”和“过调”问题。通过系统动力学仿真，直观展示了参数整定不当如何导致灾难性的系统失稳。 --- 第三部分：现代控制理论与状态空间方法 (Modern Control Theory and State Space Approach) 本部分转向现代控制理论，侧重于更强大的数学工具来处理多输入多输出（MIMO）系统。 第八章：状态空间表示法的深化 深入探讨可控性（Controllability）和可观测性（Observability）的判据，这是现代控制设计的前提。讲解了李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性判据在线性化系统稳定性分析中的应用。 第九章：极点配置与状态反馈的实现 系统阐述了利用极点配置技术来指定系统闭环动态响应的方法。重点讨论了状态反馈的实现障碍，即状态变量通常是不可直接测量的，从而自然过渡到观测器的设计。 第十章：状态观测器设计：Luenberger观测器与卡尔曼滤波 详细介绍了Luenberger观测器（用于确定性系统）和基于概率理论的卡尔曼滤波（用于包含噪声的随机系统）的设计流程和性能评估标准。展示了观测器误差系统与主系统动力学之间的耦合关系。 第十一章：最优控制理论基础：LQR与H-无穷控制 引入了性能指标函数（代价函数）的概念。详述了线性二次型调节器（LQR）的设计，旨在实现性能与控制努力之间的最佳折衷。简要介绍了H-$infty$ 控制作为处理不确定性和外部干扰的一种鲁棒方法。 --- 第四部分：鲁棒性与智能控制前沿 (Robustness and Advanced Intelligent Control Strategies) 本部分聚焦于如何设计在模型不确定性、外部扰动和结构变化面前依然保持高性能的控制系统。 第十二章：滑模控制（Sliding Mode Control, SMC） 详细介绍SMC的设计原理，包括滑模面设计和等效控制力的计算。重点分析了滑模控制的鲁棒性来源以及“抖振”现象的成因和抑制方法，适用于高动态、高不确定性的机电系统。 第十三章：自适应控制与在线参数估计 针对系统参数随时间变化的场景，介绍基于误差驱动的自适应控制结构，如“先验”和“后验”自适应律。探讨了如何将系统辨识技术嵌入到实时控制回路中。 第十四章：基于模型的预测控制（Model Predictive Control, MPC） MPC是处理约束优化问题的核心工具。本书详细阐述了MPC的滚动时域优化原理、约束处理机制（硬约束与软约束）以及模型准确性对预测性能的关键影响。 第十五章：模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control） 将工程经验知识转化为控制规则库。阐述了模糊化的过程、推理引擎的工作机制以及去模糊化方法，适用于那些难以建立精确数学模型的系统。 --- 第五部分：网络化与分布式控制系统 (Networked and Distributed Control Systems) 随着物联网和工业互联网的发展，系统的互联性对控制性能提出了新的挑战。 第十六章：时滞对系统稳定性的影响分析 专门分析了时间延迟在反馈回路中的作用，包括点时滞和分布式时滞。使用特征方程和D-分解法分析了时滞对系统稳定裕度的影响。 第十七章：网络化控制系统（NCS）的建模与挑战 将通信网络引入控制回路，重点分析数据包丢失、网络拥塞和采样时间抖动对闭环系统稳定性的影响。提出了基于事件触发和时间窗口的控制设计方法。 第十八章：分布式控制与协同控制 针对大型、空间分散的系统（如无人机集群、智能电网），介绍如何设计仅依赖局部信息的分布式控制算法。讲解了基于一致性协议（Consensus Protocols）的协调机制。 --- 第六部分：工程应用与案例深度剖析 (In-Depth Engineering Applications) 本部分将理论与实际工程问题紧密结合，展示先进控制理论的实际价值。 第十九章：智能电网的频率与电压控制 以并网型分布式电源（如风电、光伏）的随机性接入为背景，设计LQR和MPC协同控制策略，以维持电网的暂态稳定性和潮流优化。 第二十章：复杂机器人操作的轨迹规划与力控制 探讨在操作末端存在非线性接触力的环境下，如何使用自适应控制和滑模控制实现高精度的力/位移混合控制。 第二十一章：大型工业流程的优化与安全控制 应用系统动力学方法对化工流程进行全局建模，并结合MPC技术，在保证产品质量的同时，优化能耗与操作成本，并设置安全边界约束。 第二十二章：结论与展望：迈向自主学习与自适应控制的未来 总结全书核心思想，展望深度强化学习（DRL）在控制领域的潜力，以及未来控制系统如何实现真正的自适应、自修复和自组织能力。 --- 本书特色： 1. 跨学科融合： 深度融合了系统动力学、非线性控制、随机过程和优化理论，构建了一个更全面的工程控制视角。 2. 强调建模的物理意义： 每一控制策略的引入都建立在对被控对象动态结构深刻理解的基础上，避免了“黑箱”式的套用。 3. 丰富的案例驱动： 理论讲解紧密结合电力、机械、化工和交通等领域的实际工程问题，使抽象的数学概念得以具体化。 4. 详尽的数学推导与仿真验证： 书中提供了关键算法的详细数学推导步骤，并辅以MATLAB/Simulink和Vensim等工具的仿真案例，便于读者动手实践和验证。 本书是寻求提升在复杂、不确定工程环境中设计和实现高性能、高鲁棒性控制系统的工程师和研究人员的理想参考读物。

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