Analysis and Control of Complex Nonlinear Processes in Physics, Chemistry and Biology pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Schimansky-geier, L. (EDT)/ Fiedler, B. (EDT)/ Kurths, J. (EDT)/ Scholl, E. (EDT)

出品人:

页数:452

译者:

出版时间:

价格:942.00元

装帧:

isbn号码:9789812705839

丛书系列:

图书标签:

• 非线性动力学
• 复杂系统
• 控制理论
• 物理学
• 化学
• 生物学
• 建模
• 仿真
• 混沌
• 分析

物理、化学与生物学中复杂非线性过程的分析与控制：新视角与前沿应用 图书简介 本书旨在为物理学、化学和生物学领域的研究人员、工程师及高级学生提供一个全面而深入的平台，用以探索和掌握复杂非线性系统分析与控制的前沿理论与实用技术。鉴于现代科学研究日益聚焦于由大量相互作用的组分构成的动态系统，理解和有效调控这些系统的行为已成为推动跨学科创新的关键。本书避开了传统线性控制理论的局限性，专注于处理在真实世界中普遍存在的强耦合、时滞、不确定性和涌现现象等非线性特征。 全书结构严谨，从基础概念的系统梳理开始，逐步深入到尖端控制策略的构建与应用。我们相信，一个深刻的理解需要跨越学科壁垒的视野，因此，本书内容组织上强调了不同学科背景下的共性和差异性，力求实现理论的普适性与应用的针对性相结合。 第一部分：非线性动力学基础与建模 本部分为后续分析与控制奠定坚实的数学和物理基础。我们首先回顾了非线性动力学系统的基本概念，包括相空间分析、平衡点、极限环、分岔理论及其在物理系统（如激光动力学、流体湍流的简化模型）中的体现。重点探讨了如何利用降阶模型（如范德波尔振荡器、洛伦兹吸引子）来捕捉复杂系统的核心动态特性。 在建模方面，本书详细介绍了适用于描述复杂相互作用的非线性微分方程组的构建方法。这包括从微观原理（如分子动力学、化学反应速率方程）推导出宏观动力学行为的系统性步骤。特别关注了随机过程在建模中的作用，引入了朗之万方程和福克-普朗克方程，用以描述具有热噪声和内在涨落的生物化学网络和凝聚态物理系统。对于参数不确定性或模型结构不完全清晰的系统，本书引入了基于数据驱动的非线性辨识技术，例如核方法和稀疏多项式辨识，帮助读者从实验数据中重建有效的非线性模型。 第二部分：复杂非线性系统的分析工具 理解非线性系统的关键在于对其稳定性和长期行为进行定量分析。本部分深入探讨了超越李雅普诺夫稳定性的高级分析工具。 我们详细阐述了李雅普诺夫函数的设计与应用，这是保证全局稳定性的核心工具。书中提供了针对特定系统结构（如机械系统、化学反应器）设计有效李雅普诺夫函数的具体实例和技巧。此外，本书引入了全局分析技术，如不变集理论和极限环的精确计算方法。 在处理高维和高复杂度系统时，降维分析至关重要。我们系统介绍了庞加莱截面分析，并将其应用于周期性或准周期性系统的识别。对于混沌系统的分析，我们侧重于敏感依赖性指标，如最大李雅普诺夫指数的计算及其在预测系统长期行为中的作用。此外，本部分还涵盖了鲁棒性分析，即评估系统在面对外部扰动和内部参数变化时，其核心动态行为保持不变的能力，这在生物系统和工业过程的可靠性设计中尤为重要。 第三部分：先进的非线性控制策略 控制复杂非线性系统要求设计出能够适应系统内在动态特征的反馈律。本部分是全书的重点，全面介绍了当前最先进的非线性控制理论及其在实际问题中的部署。 我们首先复习了反馈线性化和输入-输出线性化技术，展示了如何通过坐标变换和巧妙的反馈设计，将部分非线性系统转化为线性或可控的线性形式。随后，本书将焦点转向了滑模控制（SMC），详细分析了其在应对强不确定性和外部干扰时的优越性能，并探讨了如何利用更平滑的切换函数来抑制传统SMC带来的颤振现象（Chattering）。 模型预测控制（MPC）在处理约束优化问题中占据核心地位。本书深入探讨了非线性MPC（NMPC）的构建框架，包括非线性规划（NLP）的求解算法（如内点法），以及如何在计算资源受限的情况下实现其实时应用，特别是在需要快速响应的化学反应器和精确的生物分子输送系统中。 针对具有复杂结构或时滞的系统，我们引入了基于神经网络和模糊逻辑的智能控制方法。这包括自适应神经模糊推断系统（ANFIS）在系统辨识与控制中的应用，以及深度强化学习（DRL）在探索全局最优控制策略方面的潜力。我们强调了如何将传统的控制理论与现代机器学习工具相结合，形成混合控制架构，以应对当前科学前沿中出现的“黑箱”式复杂系统。 第四部分：跨学科前沿应用案例 本部分将理论与实践紧密结合，展示了分析与控制技术在解决具体科学难题中的强大能力。 在物理学方面，我们分析了如何利用非线性控制手段来抑制等离子体不稳定性，或精确控制光学腔中的孤子传播。 在化学工程中，案例集中于复杂反应网络的优化控制，例如利用先进控制策略提高选择性、抑制副反应的产生，以及实现反应过程的熄火（Quenching）与重启的精确调控。 在生物系统中，我们探讨了如何将控制理论应用于理解和调控基因调控网络（GRNs）的行为，例如通过外部刺激（如药物或光照）来诱导细胞分化路径。此外，本书还涵盖了代谢流分析中非线性模型的建立，以及如何设计反馈机制来维持生物反应器中微生物群落的稳态。 本书的目标是激发读者对复杂系统潜能的认识，并为其提供一套坚实的分析和控制工具箱，以应对未来科学与工程领域中日益增长的非线性挑战。

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