Synthesis of Optimal Nonlinear Control Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:The MIT Press

作者:Harry L. Van Trees

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1963-3-15

价格:USD 9.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780262220040

丛书系列:

图书标签:

• 控制系统
• 非线性控制
• 最优控制
• 系统合成
• 控制理论
• 动态系统
• 数学建模
• 自适应控制
• 鲁棒控制
• Lyapunov稳定性

《最优非线性控制系统设计：方法与应用》 本书深入探讨了现代控制理论中极具挑战性但又至关重要的领域——非线性控制系统的最优化设计。本书旨在为读者提供一套全面而实用的方法论，以应对现实世界中普遍存在的非线性动态系统的复杂性，并实现其性能的最优化。 核心内容概览： 第一部分：非线性系统基础与分析 非线性系统的建模与表示： 本部分将首先回顾并拓展非线性系统的经典建模技术，包括常微分方程（ODE）、偏微分方程（PDE）以及更复杂的描述，如张量表示法和状态空间模型。重点将放在如何准确地捕捉现实世界物理现象中的非线性特征，例如饱和、间隙、滞后、摩擦等，并介绍基于数据驱动的非线性建模方法，如神经网络模型和高斯过程模型。 非线性系统的分析工具： 深入介绍用于分析非线性系统稳定性和行为的关键数学工具。这包括李雅普诺夫稳定性理论（直接法和间接法）、李雅普诺夫函数的设计技巧（例如，二次型李雅普诺夫函数以外的更通用方法）、输入-状态稳定性（ISS）框架、以及几何方法，如相平面分析、Bifurcation分析和混沌理论在理解非线性系统复杂行为中的作用。我们将详细阐述这些分析工具在实际系统中的应用，并讨论其局限性。 第二部分：最优非线性控制系统设计理论 最优控制理论基础： 本部分将回顾经典最优控制理论，特别是庞特里亚金最小值原理（Pontryagin's Minimum Principle）和动态规划（Dynamic Programming），并重点阐述如何将其推广应用于非线性系统。我们将详细讲解哈密顿-雅可比-贝尔曼（Hamilton-Jacobi-Bellman, HJB）方程的推导及其在求解非线性最优控制问题中的核心作用，包括解析解和数值逼近方法。 特定最优非线性控制设计方法： 反馈线性化（Feedback Linearization）： 详细介绍精确反馈线性化和近似反馈线性化技术，包括状态反馈和输出反馈。我们将讨论其在将非线性系统转化为线性等效系统中的优势，以及如何处理非本征（non-minimum phase）系统和输入-输出线性化中的挑战，如存在内部动态的不稳定性。 模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）： 深入研究MPC在非线性系统中的应用。重点将放在如何构建准确的非线性预测模型，以及如何解决非线性MPC的优化问题（如非凸优化），包括连续时间MPC和离散时间MPC的最新进展。还将讨论MPC中的各种约束处理技术（输入约束、状态约束）和鲁棒性保证。 滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）： 介绍滑模控制的原理，包括滑模面设计、切换律（switching law）的设计以及如何克服抖振（chattering）现象。我们将重点关注最优滑模控制的设计，例如设计性能指标最优化的滑模控制器，以及结合其他优化技术（如模型预测）来提升滑模控制的性能和鲁棒性。 其他先进设计方法： 探索近年来涌现的其他最优非线性控制设计方法，如基于学习的控制（Learning-based Control）、强化学习（Reinforcement Learning）在最优控制中的应用、以及自适应最优控制（Adaptive Optimal Control）技术，旨在处理模型不确定性或时变参数。 第三部分：算法实现与计算挑战 数值优化算法： 详细介绍求解非线性最优控制问题所需的数值优化算法，包括梯度下降法、共轭梯度法、牛顿法及其变种，以及更高效的序列二次规划（Sequential Quadratic Programming, SQP）和内点法。我们将讨论这些算法的收敛性、效率以及在处理大规模和高维度问题时的挑战。 实时实现与计算效率： 探讨将最优非线性控制器实时部署到实际硬件平台所面临的挑战，包括计算延迟、资源限制和精度要求。我们将介绍模型降阶技术、定点运算优化、以及并行计算等方法，以提高控制算法的实时执行效率。 第四部分：应用案例与实践指导 机器人控制： 演示如何将最优非线性控制技术应用于各种机器人系统，例如，多自由度机械臂的轨迹跟踪与力控制、人形机器人的步态规划与平衡控制，以及无人机/无人车的路径规划与姿态控制。 航空航天与汽车工程： 探讨最优非线性控制在飞机和航天器姿态控制、飞行路径优化、自动驾驶汽车的动力学控制、以及发动机和传动系统性能优化中的应用。 其他领域： 涵盖电力系统稳定性控制、化学过程优化、生物医学工程（如假肢控制）等多个领域的典型应用案例，展示最优非线性控制的广泛适用性。 仿真与实验验证： 提供关于如何利用仿真工具（如MATLAB/Simulink, Python SciPy/NumPy）进行控制器设计和验证的指导，以及在实际硬件上进行实验测试和参数调优的注意事项。 本书特点： 理论与实践并重： 严谨的理论推导与丰富的实际应用案例相结合，帮助读者深入理解非线性最优控制的精髓。 全面性： 覆盖了从基础理论到前沿技术的广泛主题，为读者提供一个完整的学习框架。 前沿性： 包含了最新的研究成果和发展趋势，例如基于学习的控制和强化学习在最优控制中的应用。 易于理解： 尽管主题复杂，本书力求使用清晰的语言和直观的解释，使不同背景的读者都能掌握。 《最优非线性控制系统设计：方法与应用》是控制工程、自动化、机器人学、航空航天工程以及相关领域研究生、研究人员和工程师的理想读物。它不仅能帮助读者掌握设计高性能非线性控制系统的关键技能，更能激发其在这一充满活力和挑战的领域进行进一步探索和创新的灵感。

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即使只是粗略翻阅，这本书所展现出的严谨学术态度和深厚的理论功底也足以令人敬佩。作者在构建最优非线性控制系统时所采取的系统性方法，让我看到了解决复杂工程问题的另一种可能。他并没有局限于单一的控制理论分支，而是博采众长，将多种数学工具和控制策略融会所长，形成了一套独特的理论体系。我特别留意到书中对“多目标优化”在非线性控制设计中的应用。在实际工程中，往往需要同时满足多个相互制约的性能指标，例如精度、响应速度、能耗以及鲁棒性等。如何在一个统一的框架下，有效地权衡和优化这些不同目标，是设计高性能控制系统的一大难点。这本书对此提供了一些非常精妙的解决方案，并辅以清晰的数学证明和理论分析。我正在考虑如何将书中提到的这些多目标优化技术，应用到我目前负责的某个大型工业自动化项目中，以期提升系统的整体性能。这本书为我提供了解决实际工程难题的强大理论武器。

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对于我这样一位在理论研究的道路上探索多年的学者而言，这本书无疑是一场及时雨。它为我提供了一个全新的视角来审视非线性控制领域内一些长期存在的挑战。作者在书中对“最优性”的定义及其实现路径的深入剖析，让我开始重新思考传统的一些控制设计准则。我发现，书中提出的某些方法，例如利用多尺度分析和非凸优化技术来逼近最优解，与我近期正在研究的一些课题有着潜在的联系。我特别欣赏作者在处理模型简化和降阶方面的巧妙之处，他如何在保留关键动力学特性的同时，又能使得优化问题具有可解性，这一点对于实际应用至关重要。这本书的论证逻辑严谨，数学推导清晰，尽管部分内容对我来说需要反复研读，但每一次的深入理解都让我受益匪浅。我计划在接下来的研究中，尝试将书中提出的某些优化算法集成到我现有的研究框架中，并对其在特定工业应用中的有效性进行评估。这本书为我未来的研究方向提供了重要的理论支撑和实践指导。

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在翻阅这本书的过程中，我时常被作者对复杂问题抽丝剥茧的分析能力所折服。他并没有回避非线性控制的内在复杂性，而是将其分解为一系列可管理的小模块，并为每个模块都提供了详尽的解释和深入的探讨。我尤其对其中关于“鲁棒性”和“适应性”控制的章节印象深刻。在现实世界的许多应用场景中，系统往往会受到各种不可预测的干扰和模型不确定性的影响，而如何设计出能够在这些不利条件下依然保持稳定和高性能的控制器，一直是困扰工程师们的核心难题。作者在这方面所提出的创新性思路，以及他如何将这些抽象的概念与具体的控制策略相结合，为我打开了新的视野。我开始尝试将书中的一些基本原理应用到我对一些特定非线性系统（例如机器人动力学和航空航天飞行器控制）的初步模型分析中。虽然距离真正实现最优控制还有很长的路要走，但我能够感受到，通过学习这本书，我正在逐步掌握理解和解决这些复杂控制问题的关键钥匙。这本书的价值在于它不仅教授方法，更培养一种解决问题的思维方式。

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这本书所蕴含的深邃思想和前瞻性观点，常常令我沉浸其中，久久不能自拔。作者不仅仅是在介绍一种技术，更是在引领一种对控制理论的全新理解。他对“智能”控制系统在非线性环境下的演化路径的描绘，以及对未来发展趋势的预测，极具启发性。我尤其被书中对“学习型”和“自适应”非线性控制器的探讨所吸引。在当前人工智能浪潮席卷的时代，如何将机器学习的强大能力与传统的控制理论相结合，以构建出能够自主学习、不断优化的控制系统，是摆在我面前的一个重要课题。这本书为我提供了宝贵的理论框架和算法思路，帮助我理解如何将这些新兴技术有效地应用于非线性控制领域。虽然书中关于某些前沿算法的描述，我还需要进一步深入学习和实践，但我能够感受到，这本书正在为我开启通往下一代智能控制系统设计的大门。这本书的价值在于它不仅聚焦于当下，更着眼于未来。

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这本书给我带来了极大的启示，尽管我尚未能完全消化其中的深度内容，但其引人入胜的理论框架和极具挑战性的问题设置，已经在我脑海中激起了无数的思考涟漪。作者在开篇就为我们构建了一个宏大的图景，描绘了非线性控制系统在现代工程领域中不可或缺的地位，以及实现最优控制所面临的严峻挑战。我特别欣赏作者那种不畏艰难、勇于探索未知领域的精神，他并没有简单地罗列现有的方法，而是着力于从根本上理解问题的本质，并试图提出一套全新的、更具普适性的解决方案。书中对数学工具的运用，尤其是那些高度抽象的优化理论和微分几何概念，虽然对我而言是一项艰巨的学习任务，但同时也让我感受到了理论的力量，以及如何将严谨的数学语言转化为解决实际工程难题的利器。每一次阅读，我都能从中汲取到新的灵感，仿佛在与作者进行一场深刻的学术对话。这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一扇通往更广阔的理论世界的大门，它激励我去深入研究那些看似遥不可及的数学模型，并尝试将其应用于我所关心的那些复杂系统。

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