Applied System Identification

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出版者:Prentice Hall
作者:Jer-Nan Juang
出品人:
页数:416
译者:
出版时间:1993-11-25
价格:USD 85.00
装帧:Paperback
isbn号码:9780130792112
丛书系列:
图书标签:
  • 辨识
  • 英文书
  • 系统识别
  • 应用
  • 控制工程
  • 信号处理
  • 动态系统
  • 建模
  • 机器学习
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具体描述

System identification is the process of developing or improving a mathematical representation of a physical system using experimental data. Over the past decade, several system identification techniques have been developed within different disciplines. This text/reference brings together the significant advances over the past decade into a single unified source -- with common mathematical notation that will enable readers from a variety of engineering areas -- e.g., aerospace, electrical, civil, and mechanical engineering --to apply system identification to engineering systems. Focuses on the three types of identification in engineering structures -- modal parameter identification; structural-model parameter identification; and control-model identification.

《系统辨识:从理论到实践的深度探索》 本书是一部致力于系统辨识方法论的深度学术专著,全面而系统地梳理了系统辨识领域的理论基础、核心算法以及在工程实践中的广泛应用。其目标是为读者提供一个坚实的理论框架,并配备实用的技术工具,使其能够自信地驾驭复杂系统的建模与分析任务。 第一部分:理论基石与数学准备 本部分内容聚焦于系统辨识的理论根基,为后续的算法学习奠定坚实的数学和统计学基础。 绪论与问题定义: 详细阐述了系统辨识的内涵、重要性及其在科学与工程领域中的地位。我们将明确辨识问题的基本构成要素,包括输入信号、输出信号、系统模型以及噪声干扰,并深入探讨辨识任务的核心挑战,例如模型结构的选取、参数估计的准确性以及辨识结果的验证。 系统模型描述: 系统地介绍了描述动态系统行为的常用数学工具。这包括线性时不变(LTI)系统的状态空间方程、传递函数模型以及脉冲响应表示。此外,还将探讨非线性系统的建模方法,如泰勒级数展开、神经网络模型以及模糊逻辑模型等,为处理更广泛的系统类型提供理论支持。 信号处理基础: 深入讲解了信号处理中与系统辨识密切相关的概念,例如傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换及其在系统频率响应分析中的应用。统计学基础,特别是概率论、随机变量、统计推断等,也将被详尽阐述,为理解和处理测量噪声、评估参数不确定性提供必要工具。 统计学与参数估计: 重点介绍参数估计的统计学原理,包括最大似然估计(MLE)、最小二乘估计(LSE)、贝叶斯估计等基本方法。我们将分析这些估计量的性质,如无偏性、一致性、有效性,并讨论克拉美-罗界(Cramér-Rao bound)在评估估计精度方面的作用。 第二部分:核心辨识算法与技术 本部分是本书的重头戏,详细讲解了各种主流的系统辨识算法,并分析其适用范围和优缺点。 基于数据的模型辨识: 非参数辨识: 介绍如何从测量数据中直接估计系统的瞬态响应(如脉冲响应、阶跃响应)或频率响应。重点讨论傅里叶方法、相关函数方法以及卷积法等。 参数辨识(离线): 回归方法: 详细讲解经典最小二乘法(LSE)及其扩展,如加权最小二乘法(WLS)、广义最小二乘法(GLS),以及如何应用于参数模型的估计。 最大似然估计(MLE): 阐述在假设噪声模型下的MLE算法,以及如何将其应用于系统辨识。 子空间辨识: 介绍基于子空间分解的辨识方法,如N4SID(Numerical algorithms for Subspace State Space System IDentification)和CVA(Canonical Variate Analysis),这些方法在处理高维系统和多输出系统时展现出优势。 递归辨识算法(在线): 递归最小二乘法(RLS): 讲解RLS算法,使其能够在数据流不断涌入的情况下,实时更新系统参数估计。 递推最大似然估计(RML): 介绍如何在在线情况下应用MLE的原理。 卡尔曼滤波与扩展卡尔曼滤波(EKF)/无迹卡尔曼滤波(UKF): 深入阐述卡尔曼滤波及其非线性扩展在状态估计和参数辨识中的作用,尤其适用于状态和参数随时间变化的系统。 模型结构选择与验证: 模型阶数确定: 讨论AIC(Akaike Information Criterion)、BIC(Bayesian Information Criterion)等信息准则在模型阶数选择中的应用。 模型残差分析: 介绍如何通过分析辨识模型的残差来评估模型的拟合优度,以及检查模型是否捕捉到了系统的主要动态。 模型验证方法: 讲解使用独立数据集对辨识模型进行验证的必要性,并介绍相关指标。 第三部分:高级辨识主题与应用 本部分将进一步拓展系统辨识的视野,涵盖更复杂的问题和前沿技术,并展示其在实际工程中的应用。 非线性系统辨识: 深入探讨辨识非线性系统的挑战,包括模型结构的非线性度、参数的非线性关系等。介绍基于神经网络、高斯过程、核方法等方法的非线性辨识技术。 多变量系统辨识: 针对具有多个输入和多个输出的系统,介绍时域和频域的多变量辨识算法,以及子空间辨识在处理此类问题时的优势。 噪声与干扰处理: 讨论不同类型的噪声(白噪声、有色噪声、脉冲噪声)对辨识结果的影响,并介绍相应的鲁棒辨识技术。 模型预测控制(MPC)中的辨识: 阐述如何将辨识得到的模型直接应用于模型预测控制器的设计,实现对被控对象的优化控制。 系统辨识在不同领域的应用实例: 航空航天: 飞机和航天器的动力学建模与控制。 机器人学: 机器人动力学参数辨识、运动控制。 生物医学工程: 生理系统建模(如心血管系统、神经系统)、药物动力学/药效学建模。 经济学与金融学: 宏观经济模型、金融时间序列分析。 工业过程控制: 化工过程、电力系统、机械设备的建模与优化。 学习指导: 本书旨在为具备一定数学和工程背景的读者提供系统辨识的全面指导。每个章节都包含详细的理论推导、算法描述以及带有注解的算例,帮助读者理解抽象概念并掌握实际操作。对于初学者,建议按照章节顺序学习,重点理解基本概念和主流算法。对于有经验的读者,则可以根据自身的研究方向,选择性地深入学习特定章节。本书特别强调理论与实践的结合,鼓励读者利用本书提供的理论框架和算法,动手实践,分析真实世界的数据,从而真正掌握系统辨识这一强大的工程工具。

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读后感

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翻阅《应用系统辨识》的过程中,我最大的感受是,它在“时间序列分析”和“系统控制”这两个领域的交汇点上,试图构建一座坚固的桥梁,但这座桥梁的铺设方法偏向于控制理论的严谨性。书中对激励信号的设计理论部分阐述得非常透彻,详细解释了为什么白噪声或正弦激励在特定场景下是必需的,以及如何通过功率谱密度分析来指导激励信号的频率范围选择。这对于设计物理实验环节至关重要。然而,在处理非稳态过程时,也就是系统特性随时间变化的场景,这本书的表现略显保守。它似乎更专注于所谓的“恒定系统”辨识。我真正需要的是一套可以应对系统参数随温度、负载或其他外部因素动态漂移的迭代辨识框架。书中对非线性辨识的提及相对较少,更多是采用线性化近似的思路,这在处理现代复杂的机电耦合系统时,显然已经力不从心了。我期待看到更多关于核方法、神经网络模型或泛函基展开法在辨识中的实际应用案例,而不是仅仅停留在理论假设阶段。这本书为理解经典方法提供了无可替代的深度,但在面向未来系统挑战时,其广度略显不足。

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这本《应用系统辨识》的书籍,从书名上来看,似乎是为那些在工程、控制理论或者信号处理领域摸爬滚打了几年,已经对基础理论有了扎实把握的专业人士准备的“进阶手册”。我期待它能深入探讨现代系统辨识技术在复杂、非线性、高维系统中的实际应用案例,而不是停留在教科书上那些经典的、相对理想化的模型构建和参数估计方法。比如,它是否会详细阐述如何处理真实世界数据中常见的噪声特性、传感器漂移,以及如何选择合适的实验设计(DoE)策略来最大化信息获取效率,同时最小化实验成本?我特别关注那些关于高频段数据处理的章节,因为在许多高速动态系统中,高频噪声往往是限制辨识精度的主要瓶颈。如果书中能提供一些经过实战检验的鲁棒性辨识算法,特别是那些能有效应对模型失配(Model Mismatch)问题的工具箱,那将是极大的加分项。此外,一个真正“应用”导向的书籍,应该包含对不同辨识框架——比如基于数据的辨识(Data-Driven)与基于物理模型的辨识相结合的混合方法——的批判性比较,并给出明确的场景指导,告诉读者在何时应该偏向于哪种路径。这本书如果能真正做到这一点,它就不仅仅是一本参考书,而更像是一份资深工程师的“经验总结”。

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拿到这本《应用系统辨识》时,我首先被它厚重的篇幅和略显老旧的排版风格所吸引,这似乎暗示着内容是经过时间检验的积累。然而,深入阅读后,我发现它更像是一部体系庞大的“理论百科全书”,而非一个注重实践操作的“工具箱”。书中对各种参数估计算法的数学推导极其详尽,从最小二乘法到卡尔曼滤波的扩展版本,每一步公式的演变都清晰可见,这对于想深究算法原理的学者来说无疑是宝贵的财富。但对于我这种更关注“如何快速解决实际问题”的工程师而言,书中对实际操作细节的描述显得有些不足。例如,在讨论模型阶数选择时,书中大量引用了信息准则(如AIC、BIC),但对于如何利用残差分析来直观判断模型是否遗漏了关键动态特性的实操技巧,着墨不多。我更希望看到一些关于如何使用主流辨识软件(如MATLAB System Identification Toolbox 或更专业的商业软件)进行流程自动化和结果验证的截图或代码片段。这本书似乎更偏向于构建一个完美的理论模型,而非处理现实世界中数据质量参差不齐的“脏数据”。如果能增加一章专门讨论在线辨识的稳定性保证和计算效率优化,其应用价值会大大提升。

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说实话,我抱着极大的热情寻找一本能够真正帮助我理解“大系统”辨识的书籍,因为我们面对的工业流程动辄有上百个相互耦合的变量。然而,《应用系统辨识》这本书在处理多变量系统(MIMO)时,虽然提供了数学上的张量表示和矩阵分解方法,但其叙述的复杂性似乎瞬间将读者推回了理论的象牙塔。书中对如何有效降维、如何识别关键的相互作用项,以及如何处理辨识过程中巨大的计算资源需求,几乎没有给出实用的建议。很多章节读下来,我感觉自己更像是在阅读一本高级线性代数教程,而不是一本关于如何“应用”解决复杂工程难题的书籍。例如,在处理大型稀疏系统时,如何利用特定的迭代求解器来避免满秩矩阵的计算瓶颈,这本书完全没有提及。如果它能提供一些针对特定工业场景(如大型化工过程或电网系统)的简化辨识策略,或者介绍一些高效的子空间辨识算法在MIMO系统中的应用细节,这本书的价值会立刻飙升。目前的版本,更适合于研究人员在构建新的理论模型时作为理论参考,而不是供一线工程师快速解决规模化问题的实践指南。

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从阅读体验的角度来看,这本《应用系统辨识》无疑是一部内容扎实的作品,但它极其依赖读者的先验知识和强大的数学功底。书中使用了大量的符号和假设,如果读者在概率论、随机过程和矩阵分析方面稍有懈怠,很快就会迷失在密集的公式推导中。更让我感到困惑的是,书中对辨识结果的“可解释性”探讨不足。在工程实践中,一个辨识出的模型不仅要“准”,更要“能解释物理意义”。这本书似乎更关注于模型的预测精度(即残差的方差最小化),而较少关注如何通过模型结构来反推系统的物理机制。比如,在生物医学工程领域,我们非常关心辨识出的参数是否与已知的生理常数相匹配。如果书中能增加一个章节,专门讨论如何通过模型结构选择和参数约束(如物理可行性约束)来增强辨识结果的生物学或物理学合理性,这将极大地拓宽其应用范围。总而言之,它是一部严谨的理论基石,但距离成为一本全面的、面向跨学科应用工程师的“实战手册”还有一段距离,它需要更多的“如何做”的案例,而不是仅仅停留在“为什么”的证明。

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