Introduction to Dynamic Systems

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出版者:Wiley
作者:David G. Luenberger
出品人:
页数:464
译者:
出版时间:1979-5-28
价格:0
装帧:Paperback
isbn号码:9780471025948
丛书系列:
图书标签:
  • 经济学
  • Optimization
  • Modeling
  • 动态系统
  • 控制理论
  • 系统建模
  • 数学建模
  • 工程数学
  • 信号处理
  • 反馈控制
  • 状态空间
  • 线性系统
  • 非线性系统
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具体描述

Integrates the traditional approach to differential equations with the modern systems and control theoretic approach to dynamic systems, emphasizing theoretical principles and classic models in a wide variety of areas. Provides a particularly comprehensive theoretical development that includes chapters on positive dynamic systems and optimal control theory. Contains numerous problems.

深入探索:一个面向现代工程挑战的非线性与复杂系统理论基础 导言 在当今快速发展的工程和科学领域,我们面临的系统日益复杂,其内在的动态特性往往表现出高度的非线性和耦合性。传统的线性时不变(LTI)模型在描述这些现象时,往往显得力不从心。本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的理论框架,用以分析、理解和控制那些本质上是非线性和复杂的动态系统。我们超越了传统的微积分和线性代数基础,直接进入现代系统科学的核心,关注如何利用几何学、拓扑学以及先进的分析工具来揭示系统行为的深层机制。 第一部分:非线性系统的几何基础与定性分析 本部分着重于建立非线性动力学的直观理解和数学工具。我们首先从相空间分析入手,详细探讨相平面(对于二阶系统)和更高维状态空间中的基本概念,如平衡点、极限环、周期解和准周期解的拓扑结构。 一、一阶与二阶自治系统分析: 详细解析相轨迹的绘制、稳定性和不稳定性的几何意义。我们将引入柯尔曼图(Bendixson-Dulac Criterion)和庞加莱-本迪克森定理(Poincaré-Bendixson Theorem),探讨在没有解析解的情况下如何确定极限环的存在和性质。 二、稳定性理论的深化: 线性系统中的李雅普诺夫稳定性概念在非线性系统中得到了显著的扩展。本书将重点讲解李雅普诺夫直接法(构造能量函数或李雅普诺夫函数)和间接法(利用雅可比线性化),并详细区分局部渐进稳定、全局渐近稳定以及指数稳定等不同层次的稳定性概念。对于无法线性化的系统,我们将深入探讨拉萨尔不变集原理(LaSalle’s Invariance Principle),这是一个极其强大的工具,允许我们在李雅普诺夫函数不严格为零的区域内证明渐近稳定性。 三、奇异点与分岔理论初探: 非线性系统的行为会随着参数的变化而发生质变,这就是分岔现象。我们将从几何角度阐述平衡点的鞍点、节点和霍普夫环的转变,并系统介绍最基本的局部分岔类型,包括鞍点结(Saddle-Node)、超临界/亚临界霍普夫(Supercritical/Subcritical Hopf)和对称系统中的Bifurcation of Limit Cycles。 第二部分:描述函数法与稳态分析 在工程实际中,许多非线性系统包含间隙(Dead Zone)、饱和(Saturation)或继电器特性(Relay)等元件。对于这些系统,线性分析方法完全失效。 四、描述函数法(Describing Function Method): 详细讲解如何利用傅里叶级数近似的谐波失真特性,将非线性环节转化为“等效增益”。我们将探讨如何结合描述函数法与频率响应图(如Nyquist图),来预测周期解的幅值和频率,重点分析限制性振荡(Limit Cycles)的出现条件和稳定性初步判断。 第三部分:混沌、复杂性与保守系统 本部分将视角转向更具挑战性的多维、高频行为,这是现代物理、气象和电磁系统分析的焦点。 五、保守系统与哈密顿力学: 对于能量守恒的系统(如理想化的机械振动系统),我们将引入哈密顿力学的基本概念,理解相空间的泊松括号结构和正则变换。这为分析保守系统的长期行为提供了无与伦比的框架。 六、混沌现象的判据与表征: 混沌是确定性系统对初值的极端敏感性。本书将系统地介绍识别混沌的数学工具: 庞加莱截面(Poincaré Sections): 如何将高维连续流降维为离散映射,从而暴露周期轨道的结构。 李雅普诺夫指数谱(Lyapunov Exponent Spectrum): 确定系统是否为混沌系统的关键指标,以及正的指数如何量化系统的“不可预测性”。 分岔雪崩与倍周期路径(Period-Doubling Route): 探究系统如何从周期运动过渡到混沌状态的经典路径。 七、耗散系统中的吸引子: 详细区分不同类型的吸引子,特别是奇异吸引子(Strange Attractors)的几何特征,及其在描述湍流、气候模型中的应用。 第四部分:反馈控制的非线性设计 理论分析的最终目的是实现对复杂系统的有效控制。本部分将重点介绍针对非线性系统的现代控制设计技术。 八、输入-输出线性化(Input-Output Linearization): 这一强大的技术旨在通过坐标变换和反馈律,将一个复杂的非线性系统转化为等效的线性系统,从而可以应用成熟的LTI控制方法。我们将详细讨论微分平坦性(Differential Flatness)的概念,以及其在轨迹规划中的应用。 九、滑模控制(Sliding Mode Control, SMC): 针对系统模型不确定性高、外部扰动大的情况,滑模控制提供了一种鲁棒性极强的解决方案。本书将从几何角度阐释滑模面的设计,分析其快速、精确的动态响应特性,并讨论抖振(Chattering)现象及其缓解策略。 十、反馈线性化与稳定性: 当系统可以被完全反馈线性化时,我们将利用李雅普诺夫法来验证闭环系统的稳定性,并设计使系统轨迹精确跟踪期望参考信号的非线性反馈律。 总结 本书内容深度覆盖了定性分析、稳态预测到鲁棒控制设计的全过程,专为研究生和高阶本科生设计,或供希望从线性系统思维跳脱出来的工程研究人员作为进阶参考。它强调的是对结构和本质的理解,而非仅仅是数值模拟。通过严谨的数学推导和丰富的工程案例,读者将能够掌握分析和设计下一代复杂动态系统的必备技能。

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这本《动态系统导论》着实是一次思维的拓展。作者以一种极为清晰和系统的方式,将复杂的动态系统理论呈现在读者面前。他不仅仅停留在理论的推导,更注重概念的形成和直观的理解。我对于书中关于稳定性分析的多种方法,如Routh-Hurwitz判据、Nyquist判据和Bode图的应用,都有了更深入的理解。这些工具不仅能够判断系统的稳定性,更能指导我们如何设计控制器以达到所需的性能。书中还对离散时间系统进行了详尽的介绍,包括z变换的应用以及伯德图在离散时间系统分析中的作用,这使得我对不同类型的系统有了更全面的认识。阅读这本书的过程,就像是在一个庞大的知识迷宫中探索,而作者则像一个经验丰富的向导,指引我找到通往清晰理解的路径。

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坦率地说,初次接触《动态系统导论》时,我对其内容深度和广度感到一丝畏惧,但随着阅读的深入,我发现自己完全被吸引住了。作者的叙述方式非常独特,他能够将非常复杂的数学概念用一种直观易懂的方式呈现出来,这得益于他精妙的类比和深入浅出的讲解。在介绍周期性振动和稳定点时,书中通过对行星轨道、机械振子等物理系统的分析,让我们能够直观地理解这些概念的含义。我尤其对书中关于李萨如图形(Lissajous figures)的讨论印象深刻,这些图形不仅美观,更是揭示了不同频率正弦波叠加后产生的复杂运动模式,这让我对周期性系统的叠加原理有了更深刻的理解。此外,书中对某些关键算法的介绍,如欧拉法和龙格-库塔法在数值求解微分方程中的应用,也为我提供了解决实际问题的实用工具。这本书不仅仅是传授知识,更是在培养一种分析问题、解决问题的思维方式。

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阅读《动态系统导论》的过程,更像是一次思维的历险。这本书给我最深刻的印象是它处理复杂问题的能力,以及如何将看似杂乱无章的现象归纳为清晰的数学模型。作者在解释非线性动态系统时,展现出的深度和广度令人赞叹。我们讨论了混沌理论,并深入研究了诸如洛伦兹吸引子这样的经典例子,书中的数值模拟结果和理论分析相互印证,清晰地揭示了即使是确定性系统也可能产生不可预测的行为。此外,关于分岔和稳定性分析的部分,也为理解系统如何从一种状态转变为另一种状态提供了强大的工具。我反复研读了关于相平面分析的章节,那些描绘系统轨迹的图形,虽然看似简单,却蕴含着系统长期行为的丰富信息。作者还引入了诸如李雅普诺夫稳定性等关键概念,并用清晰的语言解释了它们的意义和应用。这本书记载的不仅仅是数学公式,更是对自然界和工程领域中普遍存在的动态行为的深刻洞察,它教会我如何去观察、去建模、去预测,最终去理解和控制这些系统。

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《动态系统导论》为我打开了一个全新的认知领域。它不仅仅是一本关于数学和工程的书,更像是一本关于“变化”的哲学著作。作者以一种极其引人入胜的方式,解释了事物如何随着时间而演变,以及这些演变背后隐藏的规律。书中关于稳定性理论的章节,通过对各种反馈回路的分析,让我深刻理解了为什么有些系统能够保持平衡,而有些系统则会失控。我反复阅读了关于相图(phase plane)和流(flow)的概念,这些图形化的工具极大地增强了我对系统动态行为的直观认识。作者还在书中探讨了离散时间系统的概念,并将其与连续时间系统进行了对比,让我能够从更广泛的角度理解动态系统的本质。在阅读过程中,我经常会停下来思考,作者是如何将如此抽象的数学模型与现实世界的复杂现象联系起来的,而他的答案总是充满了智慧和创造力。

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这本书为我提供了一个全新的视角来审视周遭的世界。《动态系统导论》以其严谨的逻辑和深刻的洞察力,让我能够理解那些随着时间而变化的现象背后的规律。作者在讲解非线性系统时,对于诸如极限环、周期轨道等概念的阐述,让我对系统的长期行为有了更直观的认识。书中通过对某些生物学系统(例如捕食者-猎物模型)的分析,也展现了动态系统在其他领域的广泛应用。我特别欣赏书中关于稳定性判据的讨论,无论是代数方法还是几何方法,都为我理解系统的稳定性提供了坚实的理论基础。这本书不仅仅是一本教材,更是一次智识的旅程,它引导我去思考,去探索,去发现隐藏在复杂现象背后的简单而优雅的数学模型。

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我必须承认,《动态系统导论》是我近期阅读过的最富有启发性的书籍之一。它不仅仅是关于一套数学工具的学习,更是关于理解世界运行方式的思维训练。作者在讲解控制理论时,对于开环与闭环系统的对比分析,让我对反馈机制的强大力量有了全新的认识。他深入浅出地解释了如何通过引入负反馈来稳定不稳定的系统,以及如何通过调整控制器参数来优化系统的响应。书中关于系统辨识的章节,更是让我着迷,学习如何从测量数据中提取系统的模型参数,这在实际工程应用中具有极其重要的意义。我特别欣赏作者在描述一些复杂非线性现象时,所使用的生动形象的比喻,这使得这些原本晦涩难懂的概念变得容易理解。这本书不仅拓宽了我的知识边界,更重要的是,它培养了我一种用系统性思维去分析和解决问题的能力。

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这本《动态系统导论》实在是令人着迷,它不仅是一本教科书,更像是一扇通往理解世界背后运行规律的大门。从翻开第一页的那一刻起,我就被其严谨而又富有洞察力的叙述所吸引。作者巧妙地将抽象的数学概念与生动具体的物理现象相结合,使得那些原本可能枯燥乏味的理论瞬间变得鲜活起来。例如,在介绍振动系统时,书中不仅仅给出了微分方程的推导,更通过对弹簧-质量系统、单摆等经典例子的深入剖析,让我们能够直观地感受到阻尼、共振等概念的影响。书中的图示也十分精良,清晰地展示了系统的状态空间演化,无论是线性系统还是非线性系统,其行为模式都跃然纸上。我尤其欣赏作者在讲解反馈控制理论时所采用的循序渐进的方法,从基础的稳定性分析到更高级的鲁棒控制和最优控制,每一步都铺垫得十分扎实,让我这个初学者也能逐步建立起完整的知识体系。即使是对数学不甚精通的读者,也能在作者的引导下,逐渐领悟到动态系统分析的强大力量,它不仅仅局限于工程领域,在生物学、经济学甚至社会科学中都有着广泛的应用前景,这一点也让我对这本书的价值有了更深的认识。

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《动态系统导论》是一本能够让你“看懂”动态世界的宝典。作者在书中对于数学模型构建的详尽描述,以及如何从物理原理出发推导出微分方程,给我留下了深刻的印象。书中关于系统辨识和参数估计的章节,对于想要将理论应用于实际工程的读者来说,具有极高的参考价值。我尤其喜欢书中对反馈控制的深入探讨,从早期的Nyquist稳定判据到现代的H无穷控制,作者都进行了清晰的梳理和讲解。那些关于根轨迹的分析,更是能够直观地展示出控制器参数变化对系统性能的影响。这本书不仅仅传授了知识,更重要的是,它培养了我一种运用数学工具来解决工程问题的思维方式,让我能够更自信地面对各种复杂的设计和分析任务。

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不得不说,《动态系统导论》在逻辑严谨性和知识的深度上都给我留下了深刻的印象。这本书的结构设计非常合理,从基础的线性常微分方程组开始,逐步过渡到更复杂的非线性系统和离散时间系统。作者在讲解过程中,始终注重理论与实践的结合,通过大量的例子来阐述抽象的概念,这使得学习过程更加生动有趣。我特别喜欢书中对状态空间方法的介绍,它提供了一种全新的视角来分析和理解动态系统的行为。从系统的输入、输出到其内部状态的演化,一切都被清晰地囊括在这个框架之下。关于可控性和可观测性的讨论,更是让我领略到如何判断一个系统是否能够被外部干预和内部状态是否能够被测量。即便是一些较为高深的理论,如卡尔曼滤波,在作者的笔下也变得易于理解,并且书中提供了相应的算法和应用示例,这对于想要将理论知识转化为实际应用的学习者来说,无疑是宝贵的财富。

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《动态系统导论》是一本真正能够激发读者好奇心的书。作者在介绍动态系统的基础理论时,就展现出了非凡的洞察力,他能够从最简单的模型出发,层层递进,最终构建起对复杂系统行为的深刻理解。我尤其喜欢书中关于振荡和共振的讨论,那些关于频率响应的图表,清晰地展示了系统在不同频率激励下的反应,这对于理解许多物理现象,如桥梁的摇晃、乐器的发声都有着至关重要的意义。作者还对一些经典控制问题,如PID控制器的工作原理进行了详细的阐述,并且通过实例演示了如何调整P、I、D参数来达到理想的控制效果。这本书不仅提供了丰富的理论知识,更重要的是,它教会我如何将这些理论知识应用到实际问题中,去分析、去预测、去解决。

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