Responsive Systems for Active Vibration Control (NATO Science Series II pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Preumont, Andre; Preumont, A.;

出品人:

页数:404

译者:

出版时间:2002-11-30

价格:USD 115.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781402008986

丛书系列:

图书标签:

• vibration control
• active systems
• responsive systems
• structural dynamics
• control theory
• mechanical engineering
• NATO science series
• modal analysis
• damping
• smart materials

现代工程系统中的动态行为与控制策略：一本关于复杂系统建模、分析与优化方法的专著 本书聚焦于工程领域中一类普遍存在的、具有显著非线性和时变特性的复杂动态系统。 我们的世界充斥着需要精确管理和优化其瞬态及稳态性能的机械、电子、结构以及过程系统。这些系统往往需要在动态负载、环境扰动以及自身内部参数演化的情况下，保持高精度、高效率和高可靠性。本书旨在为研究人员、高级工程师以及研究生提供一个全面、深入且具有前瞻性的框架，用于理解这些系统的内在动态机制，并设计出鲁健且高效的控制对策。 本书的叙事结构遵循从基础理论构建到先进控制方法应用的逻辑主线，涵盖了从系统辨识、数学建模到现代鲁棒控制和优化理论的多个关键领域。我们强调将理论严谨性与实际工程应用相结合，通过详细的案例分析和数学推导，阐明每种方法的适用边界和性能潜力。 第一部分：复杂工程系统的建模与分析基础 本部分奠定了理解动态系统的数学基础，重点关注如何将物理现实转化为可操作的数学模型。 第一章：非线性动力学基础与状态空间表示 本章回顾并深化了经典线性时不变（LTI）系统的局限性，引入了描述高度非线性现象（如摩擦、间隙、饱和效应）所需的非线性微分方程组。我们详细探讨了系统在相空间中的行为，包括极限环、混沌行为的识别与分析。重点讲解了如何利用状态空间表示法对多输入多输出（MIMO）系统进行结构化描述，并引入了描述子系统间相互作用的图论方法。 第二章：系统辨识与参数估计 在实际工程中，精确的物理模型往往难以获得。本章深入探讨了基于输入-输出数据的系统辨识技术。内容覆盖经典的时间序列分析方法，如自回归移动平均（ARMA）模型，以及更先进的参数估计算法。我们详细阐述了最小二乘法（LS）、迭代加权最小二乘法（IWLS）及其在处理噪声和模型不确定性时的性能差异。引入了子空间辨识方法，该方法在处理大型、高阶系统时展现出计算效率和准确性的优势。本章对不同辨识算法的收敛性、一致性和计算复杂度进行了严格的比较分析。 第三章：不确定性建模与鲁棒性初步分析 任何实际系统都不可避免地存在模型不确定性（参数误差、结构误差）和外部扰动。本章专注于如何量化和表示这些不确定性。我们系统地介绍了区间不确定性模型、多面体模型以及更具代表性的线性分式变换（LFT）模型。在此基础上，本章介绍了描述系统鲁棒性（即在不确定性范围内保持稳定和性能）的关键指标，如$mathcal{H}_{infty}$范数和结构奇异值（$mu$分析）的初步概念，为后续的鲁棒控制设计奠定基础。 第二部分：先进控制理论与设计方法 本部分从基础控制理论出发，逐步深入到处理系统不确定性和非线性挑战的高级控制策略。 第四章：$mathcal{H}_2$与$mathcal{H}_{infty}$最优控制 本章是现代控制设计方法的核心。首先，我们详细推导了LQR（线性二次调节器）的设计过程及其与$mathcal{H}_2$范数最小化的关系，重点分析了代数黎卡提方程（ARE）的求解及其对状态反馈矩阵的确定。随后，我们将焦点转向$mathcal{H}_{infty}$控制设计，该方法侧重于抑制最坏情况下的外部扰动和模型误差。我们将分析标准的三角不等式和Bode积分引理，并详细阐述如何通过求解两个耦合的代数黎卡提方程（或采用增强系统方法）来设计满足特定性能指标的控制器和滤波器，确保闭环系统的稳定性和对高频噪声的抑制能力。 第五章：滑模控制（SMC）及其在不确定系统中的应用 滑模控制因其对模型不确定性和外部扰动的高度鲁棒性而成为处理强非线性系统（如机械伺服系统和电力电子系统）的首选方法之一。本章深入探讨了滑模控制的两个核心阶段：设计滑模面（确保系统动态的期望收敛性）和设计切换控制律（使系统轨迹快速滑向该面）。本章详细分析了“抖振”现象（Chattering）的物理根源及其对执行器寿命的影响。随后，我们引入了先进的一阶、二阶及更高阶的滑模观测器（SMO），用于估计未测量的状态变量，并讨论了如何通过边界层技术或更精细的SMC设计（如高阶滑模控制，HOSMC）来有效抑制抖振，同时保持优异的鲁棒性。 第六章：模型预测控制（MPC）与优化驱动控制 模型预测控制（MPC）代表了一种前馈-反馈结合的、以优化为核心的控制范式，特别适用于约束条件复杂和需要前瞻性规划的工业过程。本章系统地介绍了基于有限时域的优化问题构建。我们详细分析了如何将状态约束、输入约束以及输出约束整合到实时二次规划（QP）或更通用的非线性规划（NLP）问题中。重点讨论了滚动时域（Receding Horizon）的概念，以及如何通过改变预测时域和控制时域的比率来平衡计算实时性和控制性能。本章还探讨了非线性MPC（NMPC）的挑战，包括计算可行性和收敛速度的提升策略。 第三部分：面向特定工程挑战的控制策略 最后一部分将理论工具应用于解决工程实践中最为棘手的动态问题。 第七章：智能与自适应控制的融合 本章探讨了当系统参数随时间持续变化（如载荷变化、磨损）时，如何设计能够自动调整控制增益的系统。我们详细介绍了基于误差反馈的自适应律（如Lyapunov法设计的自适应律），以及如何利用参数估计技术将系统建模与控制律更新相结合。此外，本章引入了基于神经网络的在线辨识与控制的概念，特别是用于处理高度复杂的、无法用传统数学模型描述的非线性系统，强调如何利用强化学习的潜力来指导控制器的探索和优化。 第八章：多速率与网络化控制系统的时延鲁棒性 在现代分布式系统中，传感器和执行器之间的数据交换往往是异步的，并存在显著的通信延迟和丢包现象。本章专门针对这类网络化控制系统（NCS）的鲁棒性进行深入分析。我们采用离散时间系统理论来建模网络延迟，重点关注如何设计针对固定时延和随机时延的控制策略。内容涵盖基于采样和保持机制的控制器设计，以及利用先进的滤波技术（如卡尔曼滤波器的时延补偿版本）来估计延迟状态。本章强调了在资源受限和通信不稳定的环境下，如何权衡控制性能与通信带宽的需求。 附录：计算方法与仿真工具 本附录提供了一系列关键算法的伪代码和实现技巧，包括黎卡提方程的数值求解器、滑模控制的离散化技巧以及标准的MPC求解器接口介绍，旨在帮助读者将理论知识快速转化为可执行的仿真代码和实际原型。 本书的目标读者将通过深入学习这些章节，掌握从第一性原理出发对复杂工程系统进行建模、诊断不确定性、并设计出满足高标准鲁棒性和最优性能要求的控制策略的能力。 全书贯穿对工程实践中“权衡”（Trade-off）的深刻理解，即在鲁棒性、性能、计算复杂度以及执行器限制之间的合理取舍。

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这本书的名字——《响应式系统用于主动振动控制》（NATO Science Series II）——光是听起来就充满了科技感和前沿性。作为一名长期关注振动控制领域的爱好者，我对这类书籍的期待值总是非常高。这本书的出版，仿佛在我面前打开了一扇通往全新控制理论的大门。我设想，它会深入探讨如何设计和实现能够实时感知并迅速响应外部扰动的系统，从而达到前所未有的主动振动抑制效果。想象一下，那些原本需要在复杂算法和大量计算资源下才能实现的控制策略，是否能够通过“响应式”的架构变得更加高效、更加灵活？这本书应该会从理论基础出发，详尽阐述响应式系统的核心概念，比如如何构建能够快速采集振动信号的传感器网络，如何设计具有低延迟、高精度的执行器，以及如何集成智能化的决策算法，使系统能够在毫秒级甚至微秒级内做出最优的控制响应。我特别期待书中能够提供一些实际的案例分析，例如在航空航天、精密仪器制造、甚至是桥梁结构健康监测等领域，响应式系统是如何克服传统方法的局限，实现更加可靠和经济的振动控制方案的。从书名本身，我还能联想到它可能涉及到的信息论、控制论以及先进信号处理等跨学科知识的融合，这无疑增加了我对它内容丰富度和深度的好奇。

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这本书的书名——《响应式系统用于主动振动控制》（NATO Science Series II）——让我想到了“顺应”与“主动”这两个看似矛盾但实则高度契合的概念。传统的被动阻尼器或许能提供一定的减振效果，但其性能往往受限于特定频率和工况。而主动控制则需要预先精确的系统模型和强大的计算能力。那么，“响应式”又是如何连接这两者的呢？我猜测，这本书会引领读者进入一个全新的视角，即系统不再是被动地承受振动，也不仅仅是根据预设模型进行补偿，而是能够像生命体一样，对外界的细微变化做出即时、精准的反应。这可能涉及到对系统动力学特性的实时辨识，对环境扰动的预测，以及基于这些信息的高度自适应的控制律设计。我期待书中能够探讨如何利用机器学习、人工智能等技术，赋予振动控制系统“学习”和“进化”的能力。例如，系统是否能够通过历史数据不断优化其控制性能？在遇到突发性的大幅振动时，系统能否瞬间切换到更强的保护模式？这种“响应式”的设计，无疑将为解决一些长期困扰工程界的振动难题提供全新的思路和可能性。

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当我看到“响应式系统”这个词组时，脑海中立刻浮现出一种能够“呼吸”和“思考”的控制系统。它不再是僵硬的、预设的指令执行者，而是能够感知环境、理解工况、并作出最恰当反馈的智能体。这本书《响应式系统用于主动振动控制》在我看来，就像是一本关于如何赋予机械系统“生命力”的手册。我设想，它会从基础理论讲起，解释为什么要引入“响应式”的概念，它与传统控制理论有何本质区别，以及在哪些类型的应用场景下，响应式控制能够发挥出其独特的优势。我特别感兴趣的是，书中是否会探讨如何构建具有反馈回路的“智能”执行器，以及如何利用非侵入式的传感器技术来精确捕捉振动信息。此外，我非常期待书中能够提供一些关于系统鲁棒性设计和容错控制的策略，毕竟，一个真正“响应式”的系统，在面对各种意外情况时，也应该能够保持稳定和可靠。从书名所处的“NATO Science Series II”系列来看，这本书的内容无疑是具有高度学术价值和前瞻性的，它可能代表了当前振动控制领域最前沿的研究方向。

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作为一名工程实践者，我一直以来都在寻找能够切实提升产品性能、优化设计流程的理论工具。这本书的标题，尤其是“响应式系统”这几个字，瞬间抓住了我的眼球。它预示着一种更智能、更具适应性的控制理念。我个人认为，现有的许多振动控制方法，尽管在特定场景下效果显著，但在面对复杂多变的动态环境时，往往显得力不从心。而“响应式”的概念，恰恰能够解决这一痛点。我希望这本书能够深入剖析“响应式”背后的设计哲学，阐述如何构建一种能够自主学习、自主优化的控制框架，从而在面对未知或变化的扰动时，能够迅速调整控制策略，维持系统的稳定性。也许书中会介绍一些创新的传感器融合技术，以及能够处理非线性、时变振动特性的先进控制算法。我更关心的是，这本书是否会提供一套系统性的方法论，指导读者如何从零开始设计和实现一个完整的响应式振动控制系统，包括硬件选型、软件架构、仿真验证到最终的实际部署。如果书中能够分享一些在汽车悬架、精密加工机床、或者甚至是医疗器械等领域的成功应用案例，那将是对我工作非常有价值的参考，能够帮助我更好地理解和应用这些前沿技术，从而在激烈的市场竞争中脱颖而出。

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“响应式系统”这个名字，给我一种未来已来的感觉。在当今科技飞速发展的时代，我们对机械系统的要求也越来越高，不再满足于简单的稳定，而是追求极致的精度、效率和安全性。这本书，无疑是朝着这个方向迈出的重要一步。我猜测，《响应式系统用于主动振动控制》（NATO Science Series II）会深入探讨如何设计一种能够“预测”并“规避”振动的控制系统。它可能超越了传统的反馈控制，引入了更先进的前馈控制、自适应控制甚至模型预测控制的思想，使其能够预先感知潜在的振动源，并提前做出最优的响应。我希望能看到书中详细介绍如何构建一个能够实时监测系统状态、环境变化以及外部扰动的多维度感知系统，并将其与高效的计算单元相结合，从而实现近乎瞬时的控制决策。此外，我对书中可能涉及的“柔性”和“鲁棒”这两个概念之间的权衡非常感兴趣。一个响应式的系统，既需要能够快速适应变化，又要能在恶劣环境下保持稳定性。这本书，或许能为我们提供一套解决这一复杂问题的理论框架和实践指南，对于推动工程界在振动控制领域的技术革新具有里程碑式的意义。

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