Fundamentals and Applications of Modern Flow Control pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Joslin, Ronald D./ Miller, Daniel N.

出品人:

页数:523

译者:

出版时间:2009-9

价格:$ 118.59

装帧:

isbn号码:9781563479830

丛书系列:

图书标签:

• 流体控制
• 现代控制
• 工程应用
• 航空航天
• 机械工程
• 控制系统
• 优化
• 数值模拟
• 实验技术
• 流动现象

动态系统中的先进控制策略：从理论到实践的深度探索 本书深入探讨了现代控制理论在复杂动态系统中的前沿应用，旨在为研究人员、工程师以及高级学生提供一套全面而实用的控制系统设计与分析框架。 我们将超越经典的PID控制范畴，聚焦于如何利用先进的数学工具和计算技术来驾驭那些由非线性和不确定性主导的系统。 第一部分：现代控制理论的数学基础与建模 本部分奠定了理解高级控制策略所需的核心数学语言。我们从状态空间表示法的深入剖析开始，详细阐述了线性时不变（LTI）和线性时变（LTV）系统的建模、可控性与可观测性的严格检验。这不仅仅是理论回顾，更侧重于如何将实际物理系统（如机电一体化、化学过程、或航空航天平台）精确地转化为数学模型，特别是针对那些高阶、耦合性强的系统。 随后，我们将重点介绍非线性系统的建模挑战。李雅普诺夫稳定性理论作为非线性系统分析的基石，将被详尽讲解，包括直接法、间接法以及利用函数构造来评估系统全局和局部稳定性。此外，我们将引入微分几何方法在控制理论中的应用，例如李导数、流形概念，这对于理解和设计基于反馈线性化或微分平坦性的控制律至关重要。我们还将探讨奇异摄动理论在处理具有快慢动态的系统（如多速率系统或具有快速传感器反馈的系统）时的优势，帮助读者理解如何在不同时间尺度上简化和分析复杂的动力学。 第二部分：先进的线性与鲁棒控制设计 本部分专注于在存在模型不确定性或外部干扰的情况下，如何设计具有严格性能保证的控制器。 线性二次调节（LQR）的理论将被彻底阐述，重点在于如何通过巧妙地选择权重矩阵来平衡性能（控制努力与状态误差）与稳定性。我们随后将深入研究最优控制理论，包括哈密顿-雅可比-贝尔曼（HJB）方程的求解方法，即使在非线性场景下，也能指导我们寻找最优控制输入。 鲁棒控制是本部分的核心。$mathcal{H}_{infty}$ 控制设计将被详细讲解，它提供了一种在最坏情况性能下最小化系统对未建模动力学和外部干扰敏感性的方法。我们将通过对奇异值分解和交错算法（Alternating Projections）的介绍，展示如何将理论转化为可计算的控制器综合（Controller Synthesis）。 更进一步，我们探讨$μ$-综合（Structured Singular Value Synthesis），它专门用于处理具有特定结构的不确定性（如反馈回路中的传感器或执行器误差）。本书将清晰地界定何时使用$mathcal{H}_{infty}$，何时必须采用更精细的$μ$-综合方法。此外，滑模控制（SMC）作为一种对参数变化和外部扰动具有内在鲁棒性的非线性控制技术，将被深入研究。我们将分析其抖振现象并介绍SMC的二阶鲁棒性设计，如利用边界层和更平滑的切换机制来克服实际实施中的挑战。 第三部分：非线性系统的精密控制技术 本部分是本书的前沿探索区域，专注于为高度非线性和耦合的系统提供精确的轨迹跟踪和稳定的方法。 反馈线性化技术将被详细介绍，包括通过坐标变换和状态反馈来将非线性系统转化为线性系统的过程。我们不仅会分析其优点，还会严格评估其局限性，特别是当系统不完全可反馈线性化时（即存在零动态）。 基于能量函数的控制设计，特别是拉格朗日系统和哈密顿系统的控制，将作为一种强大的、结构敏感的控制设计工具被引入。通过构造恰当的李雅普诺夫函数（通常与系统的总能量相关），我们可以设计出具有稳定性和守恒特性的控制器。 模型预测控制（MPC）作为一种强大的、面向实际应用的预测控制框架，将被深度剖析。本书的MPC章节将侧重于： 1. 约束处理：如何将输入和状态约束（硬约束和软约束）集成到优化问题中。 2. 滚动优化：详细解释算法的实时执行过程和计算复杂性。 3. 非线性MPC（NMPC）：讨论使用序列二次规划（SQP）或内点法求解在线优化问题，以及如何确保NMPC的实时可行性（Real-Time Feasibility）。 第四部分：智能与自适应控制的融合 面对模型未知或随时间变化的系统，本部分介绍了如何利用数据和学习机制来实现控制。 自适应控制是处理参数不确定性的关键。我们将区分基于模型的自适应控制（如基于误差模型的间接/直接自适应控制）和基于模型参考的自适应控制（MRAC）。MRAC，特别是使用鲁棒自适应律的部分，将被强调，它能保证在存在外部扰动的情况下，跟踪误差仍能收敛到可接受的范围内。 神经网络控制作为一种新兴领域，将被引入。我们将探讨如何使用深度神经网络作为非线性控制器的逼近器（Function Approximator），以及如何将这些网络与传统的稳定性分析（如李雅普诺夫方法）相结合，形成神经网络-李雅普诺夫混合控制系统，确保闭环系统的稳定性，同时利用网络的强大泛化能力。 第五部分：系统辨识与控制的集成 最后，本书强调了系统辨识在先进控制实现中的不可或缺性。我们将介绍子空间辨识方法，它允许从输入/输出数据中直接提取出高精度的状态空间模型，而无需预先指定模型结构。我们将展示如何将这些辨识出的模型无缝地输入到第二、三、四部分介绍的LQR、$mathcal{H}_{infty}$ 或 MPC 设计流程中，形成一个完整的“辨识-控制”闭环。 本书的每一章都包含丰富的案例研究，从精确的飞行器姿态控制到柔性机械臂的振动抑制，以图示和数据驱动的方式展示理论概念是如何成功转化为解决真实工程挑战的工具。 目标读者： 本书适合控制工程、航空航天、机器人学、过程控制等领域的硕士及博士研究生，以及寻求掌握前沿控制设计工具的工业研发工程师。

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这本书的排版实在让人眼前一亮，那种深邃的蓝与简洁的白交织出的视觉冲击力，仿佛在邀请你潜入一个充满未知与挑战的领域。内页纸张的质感也恰到好处，既有阅读时的温润感，又能很好地承托住那密集的公式和精妙的图示。我尤其欣赏作者在处理复杂概念时所展现出的那种“大师级”的叙事能力——不是那种故作高深的学院派说教，而是一种循序渐进、层层递进的引导，让你在不知不觉中就掌握了那些原本看起来高不可攀的理论基石。比如，书中对非线性动力学系统的阐述，没有直接抛出繁复的拉格朗日方程，而是通过一个生动且贴近工程实践的微小湍流模型的演化，让你先建立起直观的物理图像，再自然过渡到数学建模，这种教学设计简直是教科书级别的典范。翻开书页时，我甚至能感受到作者对每一个细节的偏执：脚注的引用规范、图表的清晰度、乃至章节之间的逻辑衔接，都透露出一种“只有做到最好才值得出版”的匠人精神。它不仅仅是一本工具书，更像是一件精雕细琢的艺术品，让人忍不住想收藏，并时常摩挲把玩，从中汲取新的灵感。

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从装帧和纸质的角度来看，这本教材的耐用性是毋庸置疑的。我带着它跑了两次现场勘查，经历了温差变化和不小的颠簸，书脊依然保持着令人赞叹的韧性，内页也没有出现任何卷曲或脱胶的迹象。这种对物理载体的重视，本身就说明了出版方对内容质量的信心。更重要的是，这本书的索引系统设计得极其人性化。如果你只是想快速查找某个特定参数的定义或者某个特定实验的参数设置，那清晰的字母索引和主题交叉引用能让你在几十秒内定位目标，极大地节省了查阅时间。不像有些厚重的参考书，内容丰富却查阅困难，这本书在信息检索效率上做得堪称完美。它似乎是为那些需要在紧张的项目周期内快速获取可靠信息的专业人士量身定制的，既能提供深度理论支撑，又能保证查阅的便捷性，达到了理论深度与工程实用性的完美平衡。

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这本书最让我印象深刻的，是它跨学科的视野和宏大的结构布局。它并没有把自己局限在一个单一的流体力学分支内，而是巧妙地将热力学、控制论甚至一些初步的优化理论编织了进去。特别是关于主动流动控制的章节，作者的论述跳脱了传统的被动结构设计思维，开始探讨如何利用智能材料和反馈系统来实时干预流场。这种前瞻性的视角，让这本书的价值超越了现有的工程范式。我尤其喜欢作者在引言中对“未来十年流体力学研究的五大瓶颈”的预测，这些预测并非空穴来风，而是建立在对当前文献的全面梳理和深刻洞察之上的。阅读过程中，我常常被引导去思考：我们现在所依赖的经典模型，在面对高超音速或极端微尺度环境时，到底还适用吗？这种批判性思维的培养，远比记住某个公式重要得多。这本书更像是一位经验丰富的导师，在你身边不断发问，推动你超越教科书的边界，去探索未知的可能性。

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说实话，这本书的难度曲线设计得相当陡峭，但这种挑战性恰恰是它最吸引人的地方。我刚开始翻阅第三章时，几乎被其中对边界层分离的微扰理论分析给“劝退”了。那些细致入微的渐进展开式，以及对斯托克斯数依赖性的探讨，要求读者必须对高等数学和张量分析有扎实的背景。但正是在这种“硬碰硬”的对抗中，我体验到了一种久违的智力上的满足感。作者没有简化问题的复杂性以迎合初学者，而是勇敢地直面了工程中的“脏活累活”，并提供了最严谨的解析路径。这不像市面上很多教材那样，只停留在概念的泛泛而谈，而是深入到了方程的求解和数值验证的临界点。我记得其中一个关于射流扩散的案例分析，作者不仅推导了欧拉方程的简化形式，还详细对比了不同网格划分在有限体积法中的误差收敛性，这种对“如何做”和“为什么这么做”的双重强调，对于一个希望从“会用”迈向“精通”的工程师来说，价值无可估量。读完这一部分，我感觉自己的分析工具箱里，又多添了几把瑞士军刀，锋利且多功能。

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我必须承认，这本书的定价确实偏高，这可能会让一些预算有限的学生望而却步。然而，如果用“投资回报率”的角度来衡量，我认为它物超所值。它不是那种读完一次就可以束之高阁的书籍，而是那种需要反复研读、边实践边对照的“活的”参考资料。我发现自己每隔几个月重新翻阅同一个章节时，总能从中发现新的理解层次，这大概是真正优秀学术著作的标志。特别是在处理非定常流动的章节时，作者对时间步长选择的敏感性分析，让我深刻理解了数值稳定性和物理真实性之间的微妙权衡。这本书没有提供“一键解决”的速成方法，而是提供了一套严谨的思维框架，让你学会如何自己构建和验证解决方案。它教会的不是知识本身，而是一种处理复杂问题的科学方法论，这种方法论的价值，是任何价格标签都难以衡量的长期资产。

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