Nonlinear Model Predictive Control pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Magni, Lalo (EDT)/ Raimondo, Davide Martino (EDT)/ Allgower, Frank (EDT)

出品人:

页数:592

译者:

出版时间:2009-05-20

价格:USD 109.00

装帧:Paperback

isbn号码:9783642010934

丛书系列:

图书标签:

• Nonlinear Control
• Model Predictive Control
• Optimization
• Control Theory
• Robotics
• Automated Systems
• Engineering
• Applied Mathematics
• Systems & Control
• Real-Time Systems

现代控制理论与应用：从经典到前沿的系统设计实践 本书导览： 本书旨在为读者提供一个全面且深入的现代控制理论框架，着重于从经典控制原理到先进控制策略的演进与应用。我们拒绝仅仅停留在理论的抽象层面，而是致力于将复杂的数学模型转化为可操作、可验证的工程实践。全书结构紧凑，逻辑清晰，力求在严谨性与易懂性之间取得最佳平衡，使之成为控制系统工程师、高级本科生及研究生不可或缺的参考手册。 第一部分：控制系统的基石——经典理论回顾与基础建模 (Foundations of Control Systems: Classical Review and Basic Modeling) 本部分首先从控制系统的基本概念入手，回顾了经典的频率域分析方法，如波德图、奈奎斯特图等，强调了稳定裕度和暂态响应的工程意义。我们详述了线性时不变（LTI）系统的时域分析，包括状态空间表示法的引入，为后续引入更复杂的现代控制理论奠定坚实的数学基础。 1.1 系统辨识与数学建模： 详细介绍了如何将物理系统（如机电系统、热力学过程）转化为准确的数学模型。重点讨论了物理建模（基于第一性原理）的局限性，并引入了系统辨识技术，包括参数估计和模型结构选择，特别关注了高维系统的降阶处理方法，以适应实际计算资源的限制。 1.2 线性系统的现代描述： 深入探讨了状态空间表示的内在优势，包括对多输入多输出（MIMO）系统的自然处理能力。本章详细阐述了系统的可控性与可观测性分析，并教授读者如何利用这些性质来设计状态反馈控制器和观测器。卡尔曼可控性与可观测性矩阵的计算和几何意义被清晰地阐释。 1.3 性能优化与极点配置： 聚焦于如何通过状态反馈实现期望的系统动态行为。我们详细讲解了极点配置（Pole Placement）的理论和算法，并引入了李雅普诺夫稳定性理论在设计过程中的核心作用。针对观测器设计，本节详述了“分离定理”的应用，并深入分析了 Luenberger 观测器和卡尔曼滤波器的设计原理与适用场景的差异。 第二部分：最优控制与鲁棒性的追求 (Optimal Control and the Pursuit of Robustness) 在理解了基本控制结构后，本部分将视角转向如何“最优”地设计控制器，以及如何应对模型不确定性带来的挑战。 2.1 线性二次型调节器 (LQR)： LQR 作为现代控制设计的核心工具，在本章占据重要地位。我们不仅推导了代数黎卡提方程（ARE），更重要的是，探讨了如何根据不同的成本函数权重矩阵（Q 和 R）来权衡控制努力与性能表现之间的关系。案例分析侧重于如何将实际性能指标转化为可量化的二次型成本函数。 2.2 随机系统控制：卡尔曼滤波与最优估计： 针对包含过程噪声和测量噪声的实际系统，本书详细介绍了扩展卡尔曼滤波器（EKF）和无迹卡尔曼滤波器（UKF）的设计与实现。内容涵盖了如何在线估计系统状态，并利用最优估计结果来设计最优反馈控制器，强调了在线数据融合的重要性。 2.3 鲁棒性理论基础： 引入了应对模型误差和外部扰动的必要性。本章初步探讨了鲁棒控制的基本思想，包括小增益定理的直观理解，以及如何利用频率响应特性来评估系统的闭环鲁棒性裕度。我们区分了基于不确定性建模的鲁棒设计和基于性能保证的鲁棒设计思路。 第三部分：先进控制技术与非线性系统的处理 (Advanced Control Techniques and Nonlinear System Handling) 本部分是本书的重点，旨在引导读者进入更具挑战性的非线性系统控制领域，提供一套结构化的设计工具箱。 3.1 间接与直接自适应控制： 讨论了当系统参数随时间变化或模型未知时如何保持控制性能。详细介绍了基于误差反馈的间接自适应控制结构，以及利用李雅普诺夫函数保证收敛性的直接自适应策略。重点在于如何设计自适应律以确保系统稳定性和参数收敛性。 3.2 模仿与反馈线性化 (Feedback Linearization)： 对于具有特定结构的非线性系统，反馈线性化提供了一种强大的简化方法。本书详细解释了微分几何在分析非线性系统中的应用，包括可积性条件、零动态（Zero Dynamics）的稳定性分析，以及如何利用输入-输出线性化实现对系统动态的精确控制。 3.3 滑模控制 (Sliding Mode Control, SMC)： SMC 作为一种高鲁棒性的控制方法，因其对外部扰动和模型参数变化的强大抵抗力而受到广泛关注。本章系统地讲解了滑模面的设计、等效控制器的计算，以及如何处理开关项带来的“抖振”问题（Chattering）。我们提供了设计满足特定收敛速度要求的滑模控制器的详细步骤。 3.4 预测控制的工程应用概述： 本部分对预测控制的工程化思想进行了初步的介绍，强调其核心优势——前瞻视野和对约束的处理能力。内容涵盖了基础的有限时域最优控制（Finite Horizon Optimal Control）框架，并讨论了如何将其转化为实际可计算的控制序列。重点在于理解预测时域与控制时域的选择对计算负荷和性能的影响，以及如何构建一个稳定、高效的预测算法。 第四部分：系统集成与计算实现 (System Integration and Computational Implementation) 本部分关注如何将理论转化为实际的嵌入式系统或实时仿真环境中的解决方案。 4.1 约束优化求解器简介： 讨论了现代控制算法（尤其是涉及优化搜索的算法）在实际应用中对高效求解器的依赖性。简要介绍了二次规划（QP）问题的标准形式，并对主流的实时优化求解器的工作原理（如内点法、有效集法）进行了概述，强调了计算时间对闭环性能的决定性影响。 4.2 离散化技术与采样率选择： 系统地分析了连续时间系统到离散时间系统的转换过程，包括零阶保持器（ZOH）和一阶保持器（FOH）的误差分析。针对不同的控制算法，我们给出了选择合适采样周期的工程准则，避免了不必要的计算冗余或因采样过慢导致的性能下降。 4.3 仿真与硬件在环测试： 强调了在部署到物理硬件之前，进行充分仿真验证的重要性。本书提供了一套标准的仿真流程，包括模型在 Simulink/Python 环境下的构建，以及关键性能指标（如超调量、调节时间、能耗）的自动化评估方法。并引入了 HIL（Hardware-in-the-Loop）测试在验证高级控制策略鲁棒性中的关键作用。 结语： 本书的终极目标是培养读者将复杂的控制问题“系统化”和“工程化”的能力。通过对从经典到现代，从线性到非线性的系统性梳理，读者将能够掌握选择、设计、实现和验证先进控制系统的必备工具和批判性思维。本书的深度和广度确保了它不仅是一本教科书，更是一部解决实际工程挑战的实用指南。

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这本书的排版和插图设计，虽然保持了传统的学术风格，但其清晰度极高，使得复杂的拓扑结构和相平面图能够一目了然。真正让我眼前一亮的是作者对“软约束”和“硬约束”在控制性能上影响的剖析。他通过一个典型的化学过程模拟案例，生动地展示了当系统状态接近物理边界时，传统PID控制器如何迅速失效，而NMPC如何通过动态调整的预测视野和惩罚权重来优雅地穿越这些瓶颈。这种理论与实际“撞击”的场景描述，极大地增强了阅读的代入感。而且，本书在讨论高级主题时，例如引入随机变量来处理模型不确定性（Stochastic MPC的初步探讨），作者的过渡非常自然，仿佛是水到渠成，而不是生硬地插入一个新概念。这表明作者对整个知识体系的组织有着极其清晰的脉络。

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这本书的叙事节奏和深度，非常适合那些已经掌握了基础反馈控制和优化理论，但渴望迈向前沿研究的工程师或研究生。它的语言风格是那种典型的“老派学术”的严谨，每一个定义、每一个推导都经过了反复的锤炼，绝不含糊其辞。我花了相当长的时间才消化完关于“松弛变量”和“奇异摄动法”在NMPC框架下应用的章节。作者在处理大延迟系统和强耦合系统时的论证尤其精彩，他没有回避这些技术难点，而是直面它们，并通过引入巧妙的数学工具，如李雅普诺夫函数的可微逼近，来保证闭环系统的稳定性。对我来说，最令人振奋的是它在算法收敛性证明上的详尽阐述。很多控制书只是给出结论，但这里提供了每一步论证的来龙去脉，这对于希望未来从事算法改进或理论创新的读者来说，是无价之宝。它要求读者拿出纸笔，真正地去“做”数学，而不是仅仅“看”数学。

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与其他同类专著相比，这本书最突出的特点是其对“滚动时域”这一核心概念的哲学性探讨。它不仅教会你如何计算下一步的控制输入，更重要的是，它促使你思考：在一个充满不确定性的世界里，我们究竟应该如何进行最优决策。书中对“有限视界”的局限性进行了非常深入的反思，并探讨了如何通过调整采样频率、增加模型阶次或者利用历史信息来间接补偿视界不足的问题。我尤其喜欢作者在讨论稳定性保证时，那种不偏不倚的平衡感——既展示了理论上的完美收敛条件，又清楚地指出了在实际工程中达到这些条件的难度。这种诚实的态度，使得读者在吸收知识的同时，也能保持清醒的批判性思维，而不是盲目地相信任何一种控制策略都是万能的灵丹妙药。这本书，无疑是这个领域内一本值得反复研读的经典之作。

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这本书简直是打开了我对控制理论理解的新世界。作者以一种极其严谨又不失启发性的方式，剖析了传统线性控制方法在面对复杂、非线性系统时所遭遇的瓶颈。我尤其欣赏他对模型构建和约束处理的深入探讨。书中对物理系统特性的抽象和数学建模过程，展现了深厚的工程直觉和严密的逻辑推理。例如，在处理反应堆动力学或复杂机械臂运动时，如何巧妙地将实际的物理限制转化为可求解的数学不等式，这部分内容讲解得丝丝入扣，远超我之前接触过的任何教材。他并没有满足于仅仅展示算法本身，而是花了大量篇幅去讨论如何选择合适的代价函数，以及在有限计算资源下如何权衡预测精度和实时性，这种对工程实践的关怀，使得这本书的价值不仅仅停留在理论层面，更是一本实用的设计手册。读完这一部分，我开始重新审视自己过去处理的那些“近似线性”问题，意识到如果不采用更具全局视野的非线性方法，误差的累积是多么可怕。

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我必须坦诚，这本书的难度曲线相当陡峭，初学者可能会感到吃力，但对于希望在特定领域深耕的专业人士，它提供了无与伦比的深度。这本书的精妙之处在于，它不仅仅是一堆公式的堆砌，它更像是一幅宏大的蓝图，展示了如何将复杂的优化问题无缝地集成到实时的控制循环中。我特别关注了关于求解器选择和离线预处理策略的那几章。作者细致地比较了序列二次规划（SQP）和内点法在NMPC场景下的优劣，特别是针对大规模稀疏约束系统的性能差异，提供了大量的案例分析和计算复杂度对比。这种基于实际计算效率的讨论，是很多纯理论书籍所缺乏的。此外，书中对模型误差和外部扰动的鲁棒性分析部分，也体现了作者对系统不确定性问题的深刻理解，提供了量化的风险评估方法，这在工业应用中是至关重要的。

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