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出版者:

作者:贺兆民

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2009-1

价格:20.00元

装帧:

isbn号码:9787810995160

丛书系列:

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• 自动控制
• 控制系统
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《系统动力学建模与仿真：理论、方法与实践》 内容简介 《系统动力学建模与仿真：理论、方法与实践》是一部深度探讨复杂动态系统建模与仿真方法的专著。本书旨在为读者提供一套严谨、系统且实用的理论框架和技术工具，以理解、分析和预测由相互作用的反馈回路构成的复杂系统的行为。本书特别关注如何利用系统动力学这一强大的分析工具，揭示隐藏在表象之下的因果关系和反馈机制，从而为决策者提供更具洞察力的分析依据，并支持更有效的干预策略设计。 全书结构清晰，逻辑严谨，从基础概念出发，逐步深入到高级建模技术和实际应用。其核心在于强调“事物的动态性”和“反馈循环”在理解系统行为中的关键作用，这与许多侧重于静态分析或简化模型的传统方法形成了鲜明对比。本书的宗旨是赋能读者，使其能够构建能够反映真实世界复杂性的动态模型，并通过仿真手段探索不同情景下的系统演化路径。 第一部分：系统动力学基础与核心理念 本部分是全书的基石，为读者构建系统动力学思维的必要认知。 第一章：动态系统的视角 本章首先引入“系统”的概念，并强调所有系统都存在于时间和空间之中，其状态会随时间发生变化。我们将探讨静态分析的局限性，以及为何理解动态性对于解决许多现实世界问题至关重要，例如经济波动、人口增长、环境退化、组织行为变化等。 我们将深入阐述“反馈”在系统中的核心作用。反馈不仅仅是简单的因果链，而是输出影响输入的循环。本章将区分正反馈（放大效应）和负反馈（稳定效应），并通过直观的例子说明它们如何驱动系统的生长、衰退、振荡或达到平衡。 我们将引入“存量”（Stocks）和“流量”（Flows）这两个系统动力学的基本构件。存量代表在特定时刻累积或消耗的状态量（如人口、资本、库存、污染水平），而流量则代表存量变化的速率（如出生率、投资率、生产率、排放率）。本章将详细解释存量和流量之间的关系，以及它们如何构成系统中最基本的动态结构。 此外，本章还将介绍“延迟”（Delays）的概念，即从原因发生到结果显现之间的时间间隔，以及其在系统中可能引起的振荡和复杂行为。 第二章：系统动力学的基本原理与建模方法 本章正式介绍系统动力学（System Dynamics）的理论框架，它是由麻省理工学院的Jay Forrester教授创建的一种研究复杂系统的方法。我们将阐述系统动力学之所以强大的原因：它提供了一种统一的语言和方法来描述和分析非线性、反馈主导的系统。 我们将详细讲解“因果回路图”（Causal Loop Diagrams, CLDs）的绘制和解读。CLDs是一种图形化工具，用于直观地展示系统中变量之间的因果关系以及反馈回路的极性。本章将提供丰富的图示和范例，教会读者如何识别关键变量、确定因果链条，并标记反馈回路的正负。 在此基础上，本章将引入“存量-流量图”（Stock and Flow Diagrams, SFDs），这是系统动力学建模的标准表示方法。我们将详细讲解如何将CLDs中的概念转化为SFDs，精确地定义存量、流量、辅助变量（Auxiliary Variables）以及它们之间的数学关系。 本章还将讨论模型构建的迭代过程：从识别关键问题出发，构建概念模型（CLDs），再细化为结构模型（SFDs），最终转化为可执行的仿真模型。 第二部分：系统动力学建模技术与实践 本部分将深入探讨构建高质量系统动力学模型所需的具体技术和方法。 第三章：数学建模与仿真基础 本章将介绍将SFDs中的结构转化为数学方程的过程，这是进行定量分析和仿真的基础。我们将重点讲解如何定义辅助变量和参数，以及如何利用微分方程或差分方程来描述存量随时间的动态变化。 本章将涉及基本的数学概念，如积分（用于计算累积的存量）、求导（用于描述流量）、非线性关系（如阈值效应、饱和效应）以及如何将它们纳入模型方程。 我们将简要介绍仿真技术的基本原理，包括离散时间仿真和连续时间仿真，以及它们在系统动力学建模中的应用。 本章还将讨论模型验证和校准的重要性，包括如何通过与历史数据的对比以及敏感性分析来评估模型的准确性和可靠性。 第四章：延迟与循环的复杂性 本章将深入探讨“延迟”在系统动力学模型中的处理方式。我们将介绍不同类型的延迟，如简单延迟、分布式延迟，以及它们对系统行为产生的显著影响，例如导致振荡、惯性或响应滞后。 我们将讨论如何构建能够准确反映这些延迟效应的模型，并分析延迟在不同系统中的常见表现。 本章还将深入研究“反馈回路”的结构与动态行为之间的关系。我们将探讨多重反馈回路如何相互作用，产生非线性和不可预测的行为。例如，我们将分析“阿希巴效应”（Baumol’s effect）或“延迟反馈振荡”（delayed feedback oscillations）等现象，并教授如何通过模型分析来理解和预测这些复杂动态。 第五章：高级建模技巧与软件应用 本章将介绍一些更高级的建模技术，包括如何处理“离散事件”（discrete events）和“事件流”（event flows）在连续动态系统中的影响，例如产品发布、政策出台等。 我们将探讨“情景分析”（scenario analysis）和“政策模拟”（policy simulation）的方法，即如何利用模型来测试不同政策干预措施在不同外部条件下的效果，从而为决策提供支持。 本章还将介绍当前主流的系统动力学建模软件，如Vensim, Stella/iThink等。我们将通过具体示例展示如何在这些软件中实现CLDs和SFDs，定义模型方程，进行仿真运行，并分析仿真结果。读者将学会如何利用这些工具来构建和运行自己的模型。 第三部分：系统动力学在各领域的应用 本部分将展示系统动力学如何被广泛应用于分析和解决不同领域的复杂问题。 第六章：经济与金融系统的建模 本章将聚焦于经济和金融领域的系统动力学应用。我们将探讨如何构建宏观经济模型，以分析经济增长、通货膨胀、失业率、财政政策和货币政策的影响。 我们将深入研究金融市场的动态，例如资产价格波动、信贷周期、金融危机传染等，并展示如何利用系统动力学来理解这些复杂现象的成因。 通过具体的案例研究，读者将了解如何构建反映市场行为、消费者决策、企业投资以及政府监管的动态模型。 第七章：人口、资源与环境系统的分析 本章将关注人口增长、资源消耗和环境退化之间的相互作用。我们将展示如何构建反映人口动态（出生率、死亡率、迁移）、资源利用（可再生与非可再生资源）、污染排放与累积的模型。 我们将重点分析“增长极限”（Limits to Growth）等经典问题，并探讨如何利用系统动力学来预测和应对全球性环境挑战，如气候变化、生物多样性丧失、水资源短缺等。 本章将通过实际案例，如城市发展模型、生态系统恢复模型等，演示系统动力学在可持续发展规划中的作用。 第八章：组织、社会与政策系统研究 本章将把系统动力学应用于组织管理、社会发展和公共政策的分析。我们将探讨如何构建模型来理解组织内部的沟通、创新、学习、员工士气等动态，以及它们如何影响组织的长期绩效。 我们将分析社会问题，如贫困、犯罪、教育公平、健康医疗体系的运行等，并展示如何通过系统动力学来理解这些问题的根源和反馈机制。 本章还将深入研究公共政策的设计与评估，包括如何构建模型来预测政策实施后的预期效果和潜在的副作用，为政府决策提供科学依据。例如，我们将讨论传染病传播模型、城市交通拥堵模型、公共卫生政策干预模型等。 第九章：系统性思维与复杂问题解决 本章将回归系统动力学的核心价值——培养系统性思维能力。我们将总结全书所学的建模方法与理论，并强调如何将系统动力学的视角应用于日常工作和生活中。 我们将讨论如何识别复杂问题中的关键反馈回路，如何避免“短期思维”和“线性思维”，以及如何利用模型来支持更具前瞻性和整体性的决策。 本章将通过整合性的案例分析，再次强调系统动力学作为一种通用性分析工具，能够帮助我们更深刻地理解和应对当今世界面临的各种复杂挑战。 本书特点 理论与实践并重： 本书不仅提供了扎实的理论基础，还通过大量的实例和软件应用指导，确保读者能够将所学知识付诸实践。 直观易懂： 采用因果回路图等可视化工具，将抽象概念形象化，降低了学习门槛。 应用广泛： 涵盖经济、环境、社会、组织等多个领域，展示了系统动力学的普适性。 强调洞察力： 引导读者跳出表面现象，深入挖掘事物的内在动力学结构和因果关系。 面向决策者与研究者： 既适合希望提升复杂问题分析能力的管理者和决策者，也适合从事系统建模与仿真的研究人员和学生。 《系统动力学建模与仿真：理论、方法与实践》是一本不可多得的指导手册，它将帮助读者掌握理解和解决复杂动态系统问题的强大武器，为应对日益严峻的全球性挑战提供新的视角和解决方案。

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这本书的内容组织逻辑性强到令人称赞，它构建了一个坚实的理论框架，然后围绕这个框架，像搭积木一样层层递进地展开了各种经典的设计方法。初读之下，我被它清晰的章节划分和详尽的知识点梳理所折服。从基础的传递函数模型建立，到时域和频域的分析工具的熟练运用，再到更高级的现代控制理论如李雅普诺夫稳定性判据等，每一步的衔接都处理得天衣无缝，毫无生硬的跳跃感。更难能可贵的是，它并未停留在理论的阐述上，而是穿插了大量精选的、具有代表性的工程案例。这些案例的分析过程，不仅展示了理论是如何落地应用于实际问题的，更重要的是，它教会了我们如何“像工程师一样思考”——即如何根据实际系统的特点，灵活选择最合适的分析和设计工具。这种理论与实践的紧密结合，使得这本书不仅仅是一本教科书，更像是一本高级的工程师手册和实战指南。

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如果让我用一个词来概括这本书的价值，那一定是“系统性思维的构建器”。它不仅仅是教授“如何设计控制器”的方法论，更重要的是，它训练了我们对整个控制工程问题的宏观把握能力。从系统建模、性能指标设定、控制器结构选择、到参数整定和最终的稳定性验证，作者提供了一套完整的、可复用的思考框架。我发现自己在使用这本书的过程中，看待任何一个控制问题，都会不自觉地套用书中的分析流程——先确定系统的性质，再选择合适的工具箱，最后进行验证和优化。这种思维模式的转变，比掌握任何单一的控制算法都更为宝贵。对于那些渴望从理论学习者真正蜕变为工程实践者的人来说，这本书无疑是通往成熟工程师道路上不可或缺的里程碑式的参考书。

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这本书的装帧设计相当有品味，封面采用了低调而富有科技感的深蓝色调，配合简洁的白色和亮银色字体，让人一眼就能感受到其专业性和内容的深度。内页的纸张选择也很厚实，印刷清晰，图表排版布局合理，即便是复杂的控制系统示意图也能看得一清二楚，这对于需要反复查阅和钻研的读者来说，无疑是一个巨大的加分项。我尤其欣赏它在处理那些高度抽象的数学模型时所展现出的耐心和细致。作者似乎深谙初学者在面对拉普拉斯变换、状态空间表示这些概念时的困惑点，因此在引入新概念时，总是先用非常直观的物理现象或工程实例作为铺垫，然后再逐步推导出严谨的数学公式。这种“由浅入深，循序渐进”的叙事节奏，极大地降低了学习的心理门槛，让原本枯燥的理论学习过程变得相对顺畅和易于接受。我感觉作者不仅是一位深谙理论的大师，更是一位极具教学天赋的导师，总能在关键时刻点亮读者的思维火花。

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坦白说，我接触过不少控制理论的书籍，但这本书在对“鲁棒性”和“优化”这些前沿议题的处理上，展现出了超乎寻常的深度和前瞻性。很多教材在讲完经典控制后便戛然而止，留给读者一个“理想化世界”的错觉。然而，此书勇敢地揭示了真实工程系统中所固有的不确定性和误差，并系统性地介绍了如何设计出在各种干扰下仍能保持良好性能的控制器。特别是关于H_∞控制和滑模控制的章节，作者没有将它们简单地作为一个附加章节介绍，而是将其融入了整体的系统设计哲学之中。讲解时，作者非常注重数学推导背后的物理意义，而不是简单地罗列公式。例如，在解释奇异摄动法时，那种将快慢子系统分离的思想，被描述得清晰而富有启发性，让我豁然开朗，理解了为何在多时间尺度系统中，这种分解是如此的必要和有效。

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这本书的写作风格非常严谨，但绝不故作高深。作者的文字像是一把精密的刻刀，雕琢出每一个概念的精确边界，但其遣词造句却充满了人文关怀。我喜欢它在解释一些容易混淆的核心概念时所使用的类比和比喻，那些比喻往往能迅速打破读者思维中的僵局。例如，在阐述极点配置与零极点消隐的关系时，作者用了一个非常巧妙的“信号路径阻塞”的比喻，瞬间将原本抽象的代数运算转化为了清晰的物理因果关系。此外，书后的习题设计也体现了作者的匠心。这些习题不是简单的公式套用，而是精心设计的梯次难度结构，从基础验证到综合应用，再到开放式的系统辨识与设计挑战，引导读者不断拓展自己的应用边界，真正做到学以致用，而不是仅仅停留在纸面知识的记忆上。

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