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出版者:国防工业出版社（图书发行部）（新时代出版社）

作者:朱仁璋

出品人:

页数:273

译者:

出版时间:2007-1

价格:62.00元

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isbn号码:9787118053111

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动力学与控制：先进导航、制导与控制系统的理论与实践 本书聚焦于复杂动力学系统在导航、制导与控制（GNC）领域的尖端理论与工程应用，旨在为研究人员、高级工程师和研究生提供一套全面、深入的理论框架与实践指导。 本书严格围绕飞行器动力学建模、先进状态估计、最优控制算法设计以及高精度轨迹规划与跟踪展开，内容力求覆盖从基础数学原理到前沿工程实现的完整链条。 --- 第一部分：复杂系统的动力学建模与分析 本部分深入探讨了多体系统、柔性结构系统以及受外部干扰环境影响的飞行器（如高超声速飞行器、无人机群等）的精确动力学建模方法。 第一章：非线性系统的基础与进阶建模 刚体动力学回顾与推广： 从牛顿-欧拉方程出发，详细阐述了高维空间中刚体姿态运动学的欧拉角、四元数、旋转矢量等表示法的数学特性、奇异性问题及其在数值积分中的稳定性考量。重点分析了在非惯性系下运动方程的精确推导，特别是对非线性和耦合项的处理。 柔性动力学建模： 针对现代大型空间结构或具有弹性气动面的飞行器，本书引入模态分析方法（如欧拉-伯努利梁理论、克兰斯-汤普森法）来描述结构变形。详细讨论了如何将结构模态与刚体运动耦合，建立精确的气动弹性耦合（Aeroelastic Coupling） 模型，并分析了模态截断对系统稳定性的潜在影响。 环境模型与扰动分析： 详尽描述了复杂环境因素（如大气湍流、重力场微小摄动、太阳辐射压力、电磁力矩等）对系统动力学的影响。采用随机过程理论，对不可测量或高频扰动进行精确建模，为后续的鲁棒控制设计奠定基础。 第二章：状态空间描述与系统辨识 线性化与局部模型： 阐述了如何围绕工作点对高阶非线性系统进行线性化处理，并讨论了雅可比线性化在不同操作包线下的适用范围和局限性。 系统辨识与参数估计： 重点介绍基于最小二乘法（LSM）、扩展卡尔曼滤波（EKF）以及子空间辨识（Subspace Identification）等方法，从实际飞行测试数据中精确估计系统参数（如气动系数、惯量矩阵、阻尼因子）。书中通过实际案例展示了参数不确定性对控制性能的敏感度分析。 --- 第二部分：先进状态估计与滤波理论 准确的状态估计是实现高精度导航和制导的前提。本部分专注于现代滤波理论在复杂、非线性、高维状态空间中的应用。 第三章：概率论基础与卡尔曼滤波族 线性卡尔曼滤波（LKF）的理论推导： 从最小均方误差（MMSE）估计的角度，详细推导了LKF的递推公式，并分析了其对模型精确性和初始条件的依赖性。 扩展卡尔曼滤波（EKF）与无迹卡尔曼滤波（UKF）： 深入剖析了EKF通过一阶泰勒展开处理非线性的原理及其误差源。随后，重点阐述了UKF基于Sigma点采样理论，如何在不进行显式线性化的前提下，更精确地近似后验概率分布的均值和协方差，尤其适用于强非线性系统。 容积卡尔曼滤波（CKF）与粒子滤波（PF）： 对CKF的容积规则进行了数学阐述，并与UKF进行性能对比。粒子滤波部分则侧重于其在处理非高斯噪声和多模态估计问题时的强大能力，并讨论了退化问题和高效采样策略。 第四章：惯性导航系统与传感器融合 惯性测量单元（IMU）误差模型： 详细分析了陀螺仪和加速度计的内禀误差（偏置、比例因子误差、随机游走噪声）的Allan方差分析方法，并构建了高精度的误差状态方程。 高精度传感器融合： 本章将导航信息（如GPS/GNSS、星敏感器、地面雷达等）与IMU数据进行高效融合。重点讲解了基于扩展卡尔曼滤波（EKF）和因子图（Factor Graph）优化方法的状态约束融合框架，以实现高频、高鲁棒性的导航解算。 --- 第三部分：最优控制与性能优化 本部分深入探讨了在系统约束下，设计最优控制律以最小化性能指标的理论与算法。 第五章：经典最优控制理论 变分法与庞特里亚金最大值原理（PMP）： 从泛函微分的角度推导了最优控制的必要条件。详细分析了协态变量的物理意义，并结合哈密顿函数，导出了两点边值问题（Two-Point Boundary Value Problem, TPBVP）的求解框架。 线性二次型调节器（LQR）： 对LQR问题进行了完整的求解，包括代数Riccati方程（ARE）的推导与求解。书中详细分析了权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 对控制能量与性能指标之间的权衡关系。 第六章：动态规划与实时优化 贝尔曼方程与动态规划（DP）： 阐述了DP原理在离散时间系统中的应用，包括向前和向后递归求解方法，并讨论了DP在处理高维状态空间时的“维度灾难”问题。 模型预测控制（MPC）的构建： 本章是先进控制的核心。详细介绍了MPC的在线优化、滚动时域（Receding Horizon）策略。重点讲解了如何将系统状态约束（如饱和、碰撞避免）和控制输入约束精确地嵌入到二次规划（QP）求解器中，实现对复杂非线性系统的实时、约束下的最优控制。书中提供了针对特定动力学模型的MPC实现流程和求解器选择指南。 --- 第四部分：鲁棒性与自适应控制设计 本部分关注系统在模型不确定性、外部扰动和参数变化情况下的性能保证和学习能力。 第七章：鲁棒控制理论 $mathcal{H}_{infty}$ 控制设计： 从频域角度分析系统对外部输入（扰动和参考输入）的敏感度。详细推导了如何通过求解加权Bode积分不等式（或求解相应的Riccati方程），设计出在保证闭环稳定性的同时，将最坏情况下的性能指标限制在可接受范围内的控制器。 滑模控制（SMC）： 针对系统存在较大不确定性或非线性环节时，SMC通过设计一个具有“滑模面”的切换律来实现对状态的快速收敛和对扰动的强抑制。书中详细分析了抖振现象的产生机理，并介绍了积分滑模、高阶滑模（HOSM）等先进技术来抑制抖振。 第八章：自适应与学习控制 基于误差的模型参考自适应控制（MRAC）： 介绍了如何设计一个可调参数的控制器，使其能够在系统参数未知或缓慢变化的情况下，使闭环系统的性能渐近地跟踪一个参考模型。重点分析了稳定性分析工具——李雅普诺夫第二法在自适应律设计中的应用。 基于观测器的自适应控制： 探讨了如何结合Luenberger观测器或EKF与自适应机制，实现对未知系统参数的在线估计与控制律的同步修正，特别适用于传感器失效或环境突变场景。 --- 总结与展望： 本书提供的理论框架和工程方法，是理解和设计任何先进动力学控制系统（如高精度卫星姿态控制、无人机集群编队控制、复杂机构的精确运动控制等）的基石。全书贯穿了严格的数学推导和工程化实现思路，旨在培养读者解决实际工程难题的能力。

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这本书的宏观视角构建得极其出色，它没有将交会对接技术局限在单一的航天器系统内部，而是将其置于整个未来空间基础设施的大背景下进行审视。作者用一个章节的篇幅，探讨了未来大规模星座部署、在轨服务与维护（OSAM）对现有对接标准提出的新要求。这部分内容极具前瞻性，它不仅仅是描述现有技术，更是在引导读者思考未来十到二十年行业可能的发展方向。比如，书中对柔性对接机构（Soft Docking）和非接触式捕获技术（如磁力或激光诱导）的未来潜力进行了深入的展望和风险评估。这种将技术细节与产业战略深度结合的写作方式，使得这本书的价值超越了一般的工具书范畴，它更像是一份为行业决策者和下一代工程师准备的“战略地图”，指导我们如何从技术创新层面去迎接未来太空探索的宏伟蓝图。

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这本书的排版设计真是让人眼前一亮，封面那种深邃的蓝色调，配上一些简洁的、充满未来感的线条元素，一下子就抓住了我的眼球。内页的纸张质感也相当不错，拿在手里沉甸甸的，感觉很舒服，不像有些技术书籍为了节省成本，用那种容易反光的纸张，读起来眼睛很容易疲劳。更值得称赞的是，作者在文字和图表的排布上花了不少心思。那些复杂的系统结构图，不是简单地堆砌在一起，而是通过清晰的色彩区分和恰当的留白，把信息层层递进地呈现出来。比如，在讲解某一关键算法的流程时，作者特意用了一种三维的透视图来展示，比起传统的二维流程图，理解起来直观多了，让人感觉仿佛能触摸到那些精密的计算过程。即便是对于初次接触这个领域的读者来说，这种视觉上的友好度也极大地降低了阅读门槛。总的来说，这本书从外在到内在的细节处理，都体现出一种对知识的尊重和对读者的关怀，让人在阅读技术内容的同时，也能享受到一种阅读的愉悦感，这在专业书籍中是难能可贵的体验。

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我发现这本书在理论推导的深度上把握得非常到位，它没有满足于仅仅罗列出已有的公式，而是深入到了这些公式背后的物理意义和工程背景。我特别留意了关于轨道动力学的章节，很多教材往往直接给出拉格朗日点附近的扰动方程，然后就让读者自己去推导。然而，这本书的作者却花了大量的篇幅，用非常细致的笔触，从牛顿的万有引力定律出发，一步步引入了非惯性系的概念，解释了为什么我们需要引入某些特定的坐标变换，以及这些变换背后隐藏的能量守恒和角动量守恒的精髓。这种“刨根问底”的叙述方式，让那些原本抽象的数学表达式变得鲜活起来，它们不再是冷冰冰的符号，而是特定物理现象的精确描述。读完这一部分，我感觉自己对高轨道力学的理解上升到了一个新的台阶，不再是死记硬背公式，而是真正理解了“为什么是这样”。对于有志于从事前沿航天研究的人来说，这种基础的、扎实的推导过程，是构建自己知识体系的基石。

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这本书的语言风格，初看起来略显古朴，但细品之下，却透露出一种老一辈工程师特有的严谨与沉稳。作者似乎有一种将所有不确定性都量化的执念，很少使用诸如“可能”、“大约”这样的模糊词汇，而是倾向于使用精确的误差范围和置信区间来描述系统的性能边界。这种文字上的“斤斤计较”，在处理高精度导航和控制问题时显得尤为重要。我特别欣赏作者在定义各种误差源时所使用的措辞，那种对系统误差预算分配的逻辑清晰度，让人仿佛置身于一个高度受控的实验室环境中。它要求读者必须保持高度的专注力，因为任何一个被忽略的脚注或一闪而过的符号定义，都可能影响到后续章节对整个控制回路稳定性的理解。这绝对不是一本可以“随便翻翻”的书，它更像是一份需要全神贯注去“啃读”的工程手册，需要读者拿出足够的耐心和敬畏心去对待。

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这本书的案例分析部分简直是一部浓缩的航天史诗，它选取了几个具有里程碑意义的交汇任务作为切入点，但分析角度极其精妙。作者没有简单地复述任务目标和最终结果，而是聚焦于任务执行过程中遇到的那些“卡脖子”的技术难题，并详细剖析了当时采用的解决策略。例如，在回顾某次无人货运飞船与空间站的对接尝试时，重点分析了传感器数据融合策略在面对突发环境干扰时所展现出的鲁棒性。作者甚至引入了当时使用的滤波器的性能衰减曲线图，并与后续改进后的算法进行了横向对比，这种“失败中学习”的叙事手法，比一帆风顺的成功案例更具启发性。它让我们看到，技术的发展并非一蹴而就，而是在一次次的迭代、试错和精密计算中打磨出来的。通过这些真实的案例，读者能真切感受到工程实践的复杂性，以及理论知识在真实世界中落地的艰难与不易。

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