非线性协调控制理论研究及应用 曹少中 9787030253873 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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曹少中 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030253873

商品编码：29315012651

包装：平装

出版时间：2009-08-01

基本信息

书名：非线性协调控制理论研究及应用

定价：55.00元

作者：曹少中

出版社：科学出版社

出版日期：2009-08-01

ISBN：9787030253873

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.359kg

编辑推荐

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本书以现实世界中普遍存在的非线性系统为研究对象，论述了非线性协调控制系统的理论、方法和技术。提出了非线性协调控制系统状态方程近似迭代解法和级数解法，对于不能建立数学模型的非线性控制系统，给出了广义知识模型；以六维电子束为对象，得到了非线性多变量协调控制系统的动态分析方法；应用非线性协调控制理论，分析了协调市场经济运动规律；对产品概念设计过程的协调问题进行了研究。

内容提要

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本书系统地论述了非线性协调控制系统的初步理论、方法和技术。主要内容包括：非线性多变量协调控制理论基础、非线性协调控制系统状态方程的近似迭代解法、非线性协调控制系统状态方程的近似级数解法、六维电子束非线性多变量协调控制系统的动态分析方法、非线性协调控制系统的广义知识模型、协调市场经济运动规律分析以及产品概念设计过程的协调控制理论和方法。
本书适合从事控制科学、智能科学、系统科学、计算机科学等领域研究的学者、研究生和工程技术人员阅读。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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非线性协调控制理论研究及应用 (曹少中 著, 9787030253873) 概述： 本书深入探讨了非线性协调控制理论的核心概念、关键技术及其广泛的应用前景。在当今科学技术飞速发展的时代，许多工程系统，如机器人、航空航天器、电力系统、化学反应器以及生物医学设备等，都呈现出高度的非线性特征。这些系统的性能优化和稳定运行，往往依赖于多个子系统或组件之间精妙的协调与协同。传统的线性控制理论在处理这些复杂系统时显得力不从心，因此，非线性协调控制理论应运而生，并逐渐成为控制科学研究的前沿领域。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的理论框架，帮助理解和掌握非线性协调控制的设计方法和实现策略。作者通过严谨的数学推导和清晰的逻辑阐述，系统地介绍了非线性系统动力学、稳定性分析、鲁棒控制、自适应控制以及分布式控制等关键理论。在此基础上，本书聚焦于如何利用这些理论来解决复杂的协调控制问题，包括多机器人协作、无人机集群编队、智能电网的负荷分配、复杂工艺过程的优化控制等实际工程挑战。 核心内容解析： 第一部分：非线性系统基础理论 本部分为后续章节的深入研究奠定了坚实的理论基础，详细回顾并阐述了非线性控制领域的关键概念和分析工具。 非线性系统建模与表示： 深入探讨了如何针对实际工程系统建立精确的非线性数学模型。这包括对物理规律的深刻理解，例如拉格朗日方程、哈密顿方程在描述力学系统中的应用；以及对电磁、热、流体等耦合效应的刻画。书中会详细讲解不同形式的非线性模型，如状态空间表示、输入-输出表示、微分代数方程组（DAEs）等，并分析不同模型形式的优缺点及其适用范围。例如，对于具有显著滞后或饱和特性的系统，会介绍如何使用特殊函数或分段函数来精确描述其非线性行为。 非线性系统分析工具： 涵盖了多种用于分析非线性系统稳定性和行为特性的数学工具。 李雅普诺夫稳定性理论： 这是非线性系统稳定性分析的核心工具。本书将详细介绍李雅普诺夫直接法和间接法。直接法通过构造李雅普诺夫函数来判断系统的稳定性，对于复杂非线性系统，会探讨如何选择合适的李雅普诺夫函数，以及如何利用矩阵代数和微分不等式来简化分析过程。间接法则通过线性化系统在平衡点附近的雅可比矩阵来判断稳定性，本书会深入讨论线性化方法的局限性以及在何种情况下该方法依然有效。 相平面分析： 对于二阶非线性系统，相平面分析提供了一种直观的几何方法来理解系统的动态行为，包括极限环、奇点等。书中将介绍如何绘制相平面图，识别不同类型的奇点（稳定节点、不稳定节点、鞍点、稳定中心），以及相轨迹的几何意义。 小增益定理及其扩展： 小增益定理是分析由多个子系统组成的复杂系统稳定性的有力工具，特别是在处理反馈连接的系统时。本书会介绍其基本形式，并探讨其在处理延迟、不确定性和非线性环节时的各种扩展，为理解分布式控制系统中的稳定性问题提供关键理论支撑。 庞加莱-Bendixson定理： 对于二维自治系统，该定理提供了判断吸引子（如极限环）存在的条件，是分析周期性振荡的重要理论工具。 先进的非线性控制方法： 介绍了几种主要的非线性控制策略，为设计实际的协调控制器提供思路。 反馈线性化： 这种方法试图通过精确的状态反馈和坐标变换，将非线性系统转化为等价的线性系统，从而可以使用成熟的线性控制技术进行设计。本书会详细阐述差分反馈线性化和动态反馈线性化，并讨论其在部分状态可观性以及存在未建模动态时的局限性。 滑模控制（SMC）： 滑模控制是一种鲁棒性很强的控制策略，能够有效处理系统参数不确定性和外部扰动。书中将详细介绍滑模面的设计、滑模控制器（ubc）的生成，并讨论抖振现象及其抑制方法。 模糊逻辑控制： 利用模糊逻辑控制器（FLC）进行控制，适用于那些难以建立精确数学模型的系统。本书会介绍模糊规则的获取、模糊化、模糊推理和解模糊等过程，并探讨模糊逻辑控制器在处理人机交互或专家经验融入控制系统中的优势。 神经网络控制： 利用神经网络（NN）的自学习和逼近能力来估计未知非线性动态或实现自适应控制。书中会介绍不同类型的神经网络结构（如前馈网络、循环网络），以及基于误差反向传播、Lyapunov稳定性设计等方法的神经网络控制器设计。 第二部分：非线性协调控制理论 本部分是本书的核心，将第一部分建立的非线性系统理论与“协调”这一关键概念相结合，提出和发展了一系列解决复杂系统协同工作的理论方法。 协调控制的基本概念与分类： 明确界定“协调控制”的内涵，区分其与分散控制、分布式控制、协同控制等相关概念。书中将详细讨论协调控制的目标，如共同完成任务、资源优化分配、信息共享等，并根据系统的耦合方式、信息传递机制和决策结构，将协调控制策略进行分类，例如集中式协调、去中心化协调、分布式协调以及基于通信的协调等。 基于一致性（Consensus）的协调控制： 一致性是实现群体协调的基本机制。本书将深入介绍不同类型的一致性算法，包括： 标量一致性： 针对状态变量为单一数值的系统，如温度、电压等，讨论如何设计使其趋于一致的控制律。 向量一致性： 针对状态变量为向量的系统，如位置、速度、姿态等，分析如何使其在多维空间中达到一致。 基于图论的一致性： 利用通信拓扑图来描述智能体间的连接关系，分析图的连通性、度矩阵、拉普拉斯矩阵等对一致性收敛速度和稳定性的影响。书中会介绍不同通信拓扑（如全连接、环形、随机图）下一致性协议的设计和分析。 带约束的一致性： 考虑个体智能体在状态、输入或输出上的约束，研究如何在满足约束的条件下实现群体的一致性。 基于预定义参考信号的协调控制： 在许多应用中，协调的目标是使所有智能体能够跟踪一个预先设定的、有时甚至是时变的参考轨迹或参考模式。 虚拟结构方法： 引入一个虚拟的“领导者”或“参考结构”，其他智能体通过与虚拟结构或彼此间的相对关系来协调自身行为。 主从控制（Leader-Follower）： 由一个或多个“领导者”智能体设定参考轨迹，其他“跟随者”智能体通过观测和模仿领导者来完成协调任务。书中将分析不同通信模式下（如直接通信、间接通信）的领导者-跟随者控制方法。 基于分布式优化（Distributed Optimization）的协调控制： 将协调问题转化为一个分布式优化问题，通过智能体间的通信和迭代，共同寻找最优解。 分布式梯度下降法： 智能体根据局部信息和通信信息，迭代更新其决策变量，以最小化全局目标函数。 次梯度法与ADMM（Alternating Direction Method of Multipliers）： 针对可能存在的非光滑目标函数或耦合约束，介绍这些更高级的分布式优化算法在协调控制中的应用。 分布式鲁棒与自适应协调控制： 考虑系统中存在参数不确定性、外部扰动以及通信噪声等，研究如何设计能够保持鲁棒性和自适应能力的分布式协调控制器。 分布式滑模控制： 将滑模控制的思想应用于分布式系统，提高系统的鲁棒性。 分布式自适应控制： 利用自适应算法，使控制器参数能够根据系统在线运行情况进行调整，以应对不确定性。 多智能体系统的博弈论方法： 在某些协调场景下，智能体可能具有各自独立的利益，此时博弈论成为分析和设计协调策略的有效工具。书中会介绍纳什均衡、Stackelberg均衡等概念，并讨论如何在非线性多智能体系统中求解和实现这些均衡策略。 第三部分：非线性协调控制的应用研究 本部分将理论与实践相结合，详细介绍非线性协调控制在不同领域的具体应用案例，展示其解决实际工程问题的能力。 机器人与自动化系统： 多机器人协同抓取与搬运： 多个机器人协同完成重物或复杂形状物体的抓取和搬运任务，要求精确的路径规划、力控制和协作策略。 人形机器人行走与姿态控制： 保持复杂多足机器人（如人形机器人）在不平坦地形上的稳定行走，需要各关节间的精妙协调以及与环境的动态交互。 无人机集群编队飞行： 多个无人机在空中保持预定的队形飞行，执行侦察、搜索、监控等任务，对通信、导航和姿态控制的协调性要求极高。 航空航天系统： 航天器姿态协同控制： 如空间站或大型卫星的姿态调整，需要多个推进器或控制力矩陀螺协同工作。 分布式传感器网络协同： 卫星星座或机载传感器网络协同工作，实现高精度的目标跟踪或地球观测。 能源与电力系统： 智能电网中的分布式能源管理： 协调分布式发电单元（如太阳能、风能）、储能设备和用户负荷，实现电网的稳定运行和能源的最优利用。 微电网的协调控制： 在并网或孤岛模式下，实现微电网内部发电、负荷和储能的协调，保证供电可靠性。 交通运输系统： 车联网（V2X）中的协同驾驶： 车辆之间通过通信共享信息，实现协同加减速、变道，提高道路通行效率并减少交通事故。 无人驾驶车队的协同调度： 多个无人驾驶车辆协同完成货物运输或乘客接送任务，实现最优路径规划和资源分配。 生物医学工程： 微纳米机器人集群的体内靶向输送： 设计微纳米机器人集群，使其能够协同运动，精确到达病灶区域进行药物输送或微创治疗。 假肢与外骨骼的协同控制： 协调多个驱动器，实现更自然、更符合人体运动规律的假肢或外骨骼控制。 其他应用领域： 也会简要提及非线性协调控制在工业过程控制、通信网络优化、机器人制造等领域的潜在应用。 本书特色与贡献： 本书的最大特色在于其系统性和前沿性。它不仅梳理了非线性控制领域的经典理论，更着重于将这些理论与“协调”这一概念有机结合，形成了完整的非线性协调控制理论体系。理论阐述严谨，同时注重数学推导的清晰性和可读性，并通过大量的应用案例，展示了理论的实用价值。 本书的另一显著贡献在于其对分布式和去中心化协调控制方法的深入探讨。在当今大规模、分布式智能系统的趋势下，这些方法具有尤为重要的意义。作者通过对一致性、分布式优化、博弈论等多种方法的介绍和比较，为读者提供了解决复杂协同问题的一系列工具箱。 此外，本书在处理非线性系统固有复杂性（如混沌、不确定性、时滞）方面的控制策略也做了深入的探讨，这使得其理论成果能够更有效地应用于实际工程系统。 适用读者： 本书适用于控制理论、自动化、机器人、电子工程、机械工程、航空航天工程、能源工程等相关领域的在校研究生、博士后研究人员，以及从事相关技术研发的工程师和科研人员。对于希望深入了解非线性系统和群体智能协调控制理论的读者，本书将是一份宝贵的参考资料。 结论： 《非线性协调控制理论研究及应用》一书，以其全面深入的理论分析、严谨的数学论证、丰富的应用案例，为读者勾勒出一幅非线性协调控制的宏大图景。本书不仅是学术研究的坚实基石，也是指导工程实践的有力工具，必将对该领域的进一步发展产生深远影响。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对前沿科学技术保持高度敏感的研究者，我对任何能够推动学科发展的著作都充满兴趣。特别是当一门学科的理论研究能够与实际应用紧密结合时，其价值便得到了最大程度的体现。这本书以“研究及应用”为导向，这本身就极具吸引力。我希望它能展现非线性协调控制理论在解决现实世界中的复杂问题方面的潜力和前景。例如，在航空航天领域，如何精确控制飞行器的姿态和轨迹；在机器人技术中，如何实现多自由度机器人的灵活协作；或者是在智能电网中，如何协调发电机组和负载，保证电网的稳定运行。如果书中能提供具体的案例分析，展示理论如何被转化为实际的工程解决方案，并取得显著成效，那将是一次非常令人兴奋的阅读体验。这种理论与实践的无缝对接，恰恰是我所追求的目标。

评分☆☆☆☆☆

我一直在寻找一本能够系统性地讲解复杂系统控制理论的书籍，特别是那些在实际工程中表现出非线性特性的系统。我阅读了很多相关文献，但总感觉缺乏一个清晰的脉络，很多概念的引入都显得比较突兀。我的专业背景让我对如何让多个相互关联的子系统在一定约束下协同工作，并达到最优整体性能有着浓厚的兴趣。我希望能够找到一本真正能够提供理论指导，并且能够解释其背后数学原理的书。这本书的书名恰好触及了我的痛点，它直接点明了“非线性协调控制”这一核心主题，并且强调了“理论研究及应用”的实践性，这让我对其寄予了厚望。我期待它能帮助我建立起一套完整的理论框架，理解不同控制策略在非线性系统中的适用性，以及如何克服系统耦合、不确定性等带来的挑战，最终能够指导我进行更有效的系统设计和优化。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计非常经典，封面采用了深邃的蓝色，点缀着抽象的数学曲线，给人一种严谨而又充满探索感的气息。书脊上的烫金字体清晰醒目，“非线性协调控制理论研究及应用”几个大字，预示着这是一部在复杂控制领域深耕的学术著作。拿到手里，能感受到纸张的质感，厚实而富有弹性，翻阅时有细微的沙沙声，这种触感是数字阅读无法比拟的，仿佛每一次翻页都在触碰智慧的节点。我尤其喜欢它对细节的考究，比如章节之间的过渡页设计，或是某些重要公式的排版方式，都透露出出版方的专业与用心。阅读一本精心制作的实体书，本身就是一种享受，能让人沉浸其中，不受外界干扰。这本书的外观就足够吸引我，让我迫不及待地想去揭开它内在的奥秘。它不仅是一本知识的载体，更是一件值得收藏的艺术品，摆在书架上，本身就是一种知识的象征。

评分☆☆☆☆☆

我是一名从事自动化设备研发的工程师，在实际工作中，我们经常会遇到多轴联动、多机器人协作等场景。这些系统往往存在严重的非线性耦合，例如不同关节之间的力矩干扰，或者加工过程中工件形状变化带来的不确定性。现有的基于PID的控制方法在面对这些复杂情况时，往往难以达到理想的精度和稳定性。我迫切希望能够找到一种能够有效解决非线性耦合问题的控制方法，使得各个子系统能够智能地协调，从而提升整体的运行效率和产品质量。这本书如果能够提供切实可行的解决方案，并给出相应的算法实现细节，哪怕只是一个初步的框架，对我而言都将是极其宝贵的。我期待它能带来一些全新的视角和技术，帮助我突破现有技术瓶颈，实现更高级别的自动化控制。

评分☆☆☆☆☆

从理论的高度和深度上来看，这本书的价值不言而喻。我所接触到的很多控制理论，往往集中在线性系统或者局部线性的近似处理上，但现实世界中的许多复杂系统，其内在的非线性耦合和动态特性是不可忽视的。这本书如果能够深入剖析非线性系统内在的复杂性，并提出一套行之有效的协调控制方法，那将是对现有控制理论的重大拓展。我特别关心书中是否会探讨诸如自适应控制、鲁棒控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等在非线性协调控制中的应用，以及这些方法如何相互结合、优势互补。同时，对于如何量化和评估非线性系统的协调性能，是否也有具体的度量标准和分析工具，这也是我非常关注的。这本书的理论深度，如果能够达到预期的水平，无疑将为我的研究提供强有力的支撑。