电磁波基本方程组 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学出版社

作者:宋文淼

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2003-12-01

价格:30.0

装帧:平装

isbn号码:9787030113139

丛书系列:

图书标签:

• 电磁波
• 麦克斯韦方程组
• 电磁场理论
• 电动力学
• 物理学
• 高等教育
• 理工科
• 电磁学
• 场论
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现代控制理论基础：从经典到现代的系统动力学解析 作者： [此处留空，或填写一个假定的作者名] 出版社： [此处留空，或填写一个假定的出版社名] 图书分类： 自动化、控制科学、系统工程、应用数学 页码： 约 750 页 定价： [此处留空] --- 导言：理解复杂系统的通用语言 在当今高度互联和自动化的世界中，无论是航空航天、精密制造，还是生物医学工程、金融建模，对复杂动态系统的精确描述、分析和控制能力已成为核心竞争力。《现代控制理论基础：从经典到现代的系统动力学解析》并非专注于单一物理场的描述，而是致力于构建一个跨越学科边界、描述时间演化系统的通用数学框架和工程方法论。 本书的核心目标是引导读者系统地掌握从二十世纪中叶兴起的“现代控制理论”的精髓，并将其与奠定基础的“经典控制理论”进行有机结合。我们摒弃了对单一物理现象的深入探讨，转而聚焦于如何利用状态空间方法、系统辨识技术以及最优控制原理来处理具有多输入、多输出（MIMO）特性、复杂内部结构和非线性行为的工程难题。 本书结构严谨，逻辑清晰，旨在为本科高年级学生、研究生以及从事系统工程、机器人技术、过程控制和信号处理的工程师提供一本全面且深入的参考教材。 --- 第一部分：重塑基础——从时域到状态空间 本部分将读者从传统的传递函数和频率响应分析（经典控制的范畴）平稳过渡到更具通用性的状态空间表示法。这种转变是理解现代控制理论的基石。 第 1 章：动态系统的时域描述与建模 本章首先回顾了线性常系数微分方程（LTI）的物理意义，随后引入了状态变量的概念。状态变量被定义为能够完全描述系统当前状况的最小集合变量。我们将详细阐述如何将物理系统（如机械、电路或热力学过程）的一阶微分方程组转化为标准的状态空间方程： $$dot{mathbf{x}}(t) = mathbf{A}mathbf{x}(t) + mathbf{B}mathbf{u}(t)$$ $$mathbf{y}(t) = mathbf{C}mathbf{x}(t) + mathbf{D}mathbf{u}(t)$$ 其中，矩阵 $mathbf{A}$（系统矩阵）、$mathbf{B}$（输入矩阵）、$mathbf{C}$（输出矩阵）和 $mathbf{D}$（直通矩阵）的物理意义和数学构造被深入剖析。 第 2 章：系统的基本性质分析 在状态空间框架下，我们重新审视系统的固有特性。重点讨论可控性（Controllability）和可观测性（Observability）。 可控性分析： 引入卡尔曼（Kalman）可控性矩阵，判定是否存在一个输入信号序列能够将系统状态从任意初始状态转移到零状态。这直接关系到反馈控制设计的可行性。 可观测性分析： 引入卡尔曼可观测性矩阵，探讨我们能否仅通过测量系统的输出信号来唯一确定其内部状态。这对于状态估计器的设计至关重要。 第 3 章：解的结构与稳定性判据 本章侧重于系统动态行为的解析。我们推导了状态转移矩阵 $mathbf{Phi}(t)$ 的计算方法，并利用其求得系统的全态响应。 稳定性判据： 利用系统矩阵 $mathbf{A}$ 的特征值（即系统的固有频率）来判断系统的李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性。详细区分了渐近稳定、指数稳定和临界稳定等概念，并将其与经典理论中的 $s$ 平面稳定性准则进行对比。 模态分析： 解释了系统响应如何由其特征向量和特征值所定义的“模态”组合而成，为后续的解耦和极点配置打下理论基础。 --- 第二部分：现代控制的设计技术——反馈与状态估计 本部分是现代控制理论的核心，涵盖了如何利用系统内部状态信息进行设计的方法。 第 4 章：极点配置与状态反馈设计 状态反馈是现代控制中最直接的设计工具。本章详细探讨了极点配置（Pole Placement）技术，即通过设计状态反馈增益矩阵 $mathbf{K}$，使闭环系统 $dot{mathbf{x}} = (mathbf{A} - mathbf{BK})mathbf{x}$ 具有期望的动态响应。 Ackermann 公式： 针对完全可控系统，本章系统推导出用于直接计算反馈矩阵 $mathbf{K}$ 的 Ackermann 公式。 输出反馈与状态观测器： 鉴于实际中无法直接测量所有状态变量，本章引入了状态观测器的概念。重点介绍 Luenberger 观测器，它通过估计系统状态 $hat{mathbf{x}}$ 来模拟全状态反馈。我们证明了状态估计误差的动力学与系统本身的动力学是解耦的，只要系统是可观测的。 第 5 章：最优控制理论——最小化性能指标 最优控制将控制问题提升到最小化某个性能指标（Cost Function）的层面，从而使控制器的设计具有“最优性”的保证。 线性二次型调节器（LQR）： 这是最优控制的基石。我们定义了二次型的性能指标 $J = int_{0}^{infty} (mathbf{x}^T mathbf{Q} mathbf{x} + mathbf{u}^T mathbf{R} mathbf{u}) dt$，并推导出最优反馈增益 $mathbf{K}$ 的计算方法，该方法依赖于求解黎卡提（Riccati）代数方程。LQR 设计的优势在于 Q 和 R 矩阵的选择为工程师提供了直观的性能权衡工具。 随机最优控制与卡尔曼滤波： 针对存在过程噪声和测量噪声的随机系统，本章引入随机过程的数学描述（如维纳过程），并导出最优状态估计器——卡尔曼滤波器（Kalman Filter）。卡尔曼滤波器是现代信号处理和导航系统的核心算法，它在最小均方误差（MMSE）准则下，融合了系统模型和测量数据，给出最优状态估计。 --- 第三部分：系统扩展与高级主题 本部分探讨了更接近实际工程需求的系统模型和高级控制策略。 第 6 章：多输入多输出（MIMO）系统的解耦与分解 对于具有多个输入和输出的复杂系统，直接应用单输入单输出（SISO）的方法往往失效。 输入-输出解耦： 讨论如何设计预控制器，使系统表现出对角线结构，即每个输入仅影响其对应的输出。 零动态： 深入分析系统在某些状态下输出保持为零的行为，这是评估系统固有稳定性的重要指标。 第 7 章：非线性系统的初步分析 现代控制理论虽然侧重于线性化分析，但对非线性系统的研究同样不可或缺。 线性化技术： 阐述了在工作点附近对非线性系统进行泰勒级数展开，得到线性近似模型的方法，为应用 LQR 或极点配置提供可能。 李雅普诺夫稳定性理论： 作为分析非线性系统稳定性的通用工具，本章引入了李雅普诺夫第一法和第二法的基本思想，强调了构建李雅普诺夫函数在判断稳定性中的核心作用，而无需求解复杂的微分方程。 --- 结语：连接理论与实践的桥梁 《现代控制理论基础》的叙事主线围绕着“从系统结构出发，利用状态信息进行分析、估计和最优设计”展开。本书内容高度聚焦于系统动力学建模、线性系统理论的完备性以及基于优化的控制方法论。它为读者提供了一个坚实的理论框架，用以应对需要精确模型、多变量协同作用的现代工程挑战，是理解复杂反馈机制和自动化决策系统的关键入门读物。

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这本书的叙事节奏把握得极为精妙，它没有采用那种传统教科书式的、生硬的定义堆砌。相反，作者似乎更像是一位经验丰富的工程师，他更注重“如何用”而不是仅仅“是什么”。例如，在讲解坡印廷矢量（Poynting Vector）时，作者并非直接给出那个充满向量积的复杂表达式，而是通过一个精巧的、与日常生活息息相关的例子——比如一个小型射频天线是如何将能量辐射出去的——来引入概念，随后才过渡到数学表述。这种“从现象到理论”的路径，极大地降低了物理直觉的建立难度。我发现，很多我过去在其他教材中理解得模棱两可的地方，通过这种循序渐进的引导，变得豁然开朗。它教会我的不仅仅是解题的技巧，更重要的是如何用电磁场的语言去“描绘”现实世界中的能量流动与相互作用，这对于后续学习微波工程或光通信来说，无疑是打下了坚实的基础。

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这本书的习题设计，是其价值的又一体现。它们绝非是简单地重复课本例题的数字变体。我注意到，许多章节末尾的挑战性问题，往往需要将多个分散的知识点融会贯通才能着手。比如，有一道关于腔体谐振模式的计算题，它要求读者不仅要理解波动方程在特定几何结构下的分离变量法求解，还要结合史密斯圆图的概念来分析阻抗匹配问题。这种跨章节、跨领域的综合性考查，迫使读者必须建立起一个整体的知识网络，而不是孤立地掌握各个孤立的公式。我花了相当多的时间去攻克其中的几道难题，虽然过程略显煎熬，但最终解决的那一刻，那种成就感是无与伦比的，它真正检验了自己是否真正吃透了电磁场理论的精髓。

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从装帧和配套资源的丰富性来看，这本书也体现了出版方对专业读者的尊重。纸张的质量上乘，长时间翻阅也不会留下难看的指纹或反光，这在需要反复查阅公式时非常重要。更值得称赞的是，书中附带了一个在线资源链接，里面包含了许多动态模拟的可视化工具。比如，关于电磁波在理想导体、有损耗介质中传播的动画演示，那些原本抽象的相位变化和衰减过程，通过动态的色彩和波形变化，变得直观易懂。这种传统教材与现代多媒体教学手段的有机结合，极大地提升了学习的效率和趣味性，让“电磁场”这个素来被认为是晦涩难懂的学科，焕发出了一种令人惊喜的活力。它不仅是一本工具书，更像是一整套完整的自学解决方案。

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这本书的封面设计，初看之下确实带着一股浓厚的学术气息，那种深蓝与银灰的配色，仿佛直接把人拉回了大学课堂里，那些堆满了公式和图表的厚重教材之间。我尤其欣赏它在排版上所下的功夫，字体选择很经典，字号适中，即便是初学者，在阅读那些复杂的希腊字母和矢量符号时，也不会感到太过吃力。翻开扉页，前言部分简短而有力地勾勒出了电磁现象的宏大图景，它没有过多地卖弄辞藻，而是直接点明了研究这些基本方程组的深远意义，让人对接下来即将面对的知识体系充满敬畏与期待。书中对历史背景的梳理也相当到位，追溯到法拉第和麦克斯韦时代，那种将理论建立在无数次实验观察之上的严谨感，被衬托得淋漓尽致。整体而言，这本书在视觉传达和知识铺垫上，给人的感觉是非常扎实、可靠的，像一位经验丰富的老教授，带着你缓缓步入一个严谨而美妙的物理世界的大门。

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阅读这本书的过程，对我来说，更像是一场思维的“重塑”而非单纯的知识“灌输”。作者在处理边界条件和求解方法的部分，展现出了极高的洞察力。他没有满足于仅仅列出求解拉普拉斯方程或泊松方程的几种标准方法，而是深入剖析了每种方法背后的物理内涵和适用场景的局限性。比如，在处理不同介质交界面上的电磁场分布时，书中对“场在界面上连续性”的讨论，配以大量的示意图，清晰地揭示了电场和磁场分量在穿越“分界线”时所遵循的物理约束。那些证明过程，虽然逻辑严密，但作者总能穿插一些精妙的“旁注”来解释为什么要选择这种坐标系，或者为什么必须引入某个特定的势函数。这种教学风格，让人感觉自己不是在被动接受答案，而是在与一位智者共同探索真理的奥秘，每一次推导都充满了逻辑的美感和力量。

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