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出版者:Academic Press

作者:David L. Andrews

出品人:

页数:400

译者:

出版时间:2008-05-02

价格:USD 136.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780123740274

丛书系列:

图书标签:

矢量光学
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具体描述

New possibilities have recently emerged for producing optical beams with complex and intricate structures, and for the non-contact optical manipulation of matter. This book fully describes the electromagnetic theory, optical properties, methods and applications associated with this new technology. Detailed discussions are given of unique beam characteristics, such as optical vortices and other wavefront structures, the associated phase properties and photonic aspects, along with applications ranging from cold atom manipulation to optically driven micromachines.

Features include:

* Comprehensive and authoritative treatments of the latest research in this area of nanophotonics, written by the leading researchers

* Accounts of numerous microfluidics, nanofabrication, quantum informatics and optical manipulation applications

* Coverage that fully spans the subject area, from fundamental theory and simulations to experimental methods and results

Graduate students and established researchers in academia, national laboratories and industry will find this book an invaluable guide to the latest technologies in this rapidly developing field.

*Comprehensive and definitive source of the latest research in nanotechnology written by the leading people in the field

*From theory to applications - all is presented in detail

*Editor is Chair of the SPIE Nanotechnology Technical Group and is leading the way in generation and manipulation of complex beams

动态系统与先进控制理论基础本书旨在为读者提供一个全面、深入的动态系统分析与先进控制理论的综合性学习平台。内容涵盖了从经典控制理论的严谨数学基础到现代控制系统设计的前沿技术，特别强调了非线性、不确定性和复杂性在实际工程问题中的处理方法。第一部分：动态系统的数学描述与分析本部分致力于夯实读者理解复杂系统行为所需的数学基础。我们首先从描述函数、状态空间表示法以及传递函数模型等核心概念入手，详细阐述了线性定常（LTI）系统的基本性质，包括稳定性判据（如劳斯-赫尔维茨判据、李雅普诺夫稳定性理论的初步介绍）。随后，内容深入到系统的时域和频域分析。在时域，我们重点探讨了系统的瞬态响应和稳态误差分析，引入了典型输入信号（如阶跃、脉冲和斜坡函数）下的系统行为剖析。在频域，我们详细讲解了波德图、奈奎斯特图和根轨迹分析，这些工具对于系统性能的直观评估和控制器参数的初步设计至关重要。系统的可控性和可观测性是现代控制理论的基石。本书将详尽介绍卡尔曼（Kalman）判据，并结合具体算例，演示如何利用这些概念来确定系统结构与控制策略的可行性。此外，对于包含时滞和分布参数的系统，我们将概述偏微分方程（PDE）描述下的动态系统特性，为处理更广泛的工程问题做好铺垫。第二部分：经典控制理论的深入应用本部分侧重于经典PID（比例-积分-微分）控制器及其在工程实践中的优化与局限性分析。我们将超越教科书式的基本PID设计，探讨参数整定（如Ziegler-Nichols方法）的实际操作流程、饱和与积分抗饱和（Anti-windup）策略，以及在存在系统延迟和非线性环节时PID性能的退化现象。为了克服经典方法的局限性，本书引入了频率响应法在控制器设计中的高级应用。讨论将聚焦于如何通过设计超前-滞后补偿器（Lead-Lag Compensators）来精确地校正系统的相位裕度和增益裕度，从而达到预定的瞬态响应指标和稳态精度要求。这一部分的讲解强调了设计规范与实际物理约束之间的权衡艺术。第三部分：现代控制理论与状态反馈设计现代控制理论以状态空间方法为核心，为处理多输入多输出（MIMO）系统提供了强大的框架。本书详细阐述了基于状态反馈的极点配置（Pole Placement）技术，解释了如何通过反馈增益矩阵的计算来重构系统的动态行为。进一步地，我们探讨了状态观测器的设计。对于无法直接测量的状态变量，状态观测器（如卡尔曼滤波器和Luenberger观测器）是必不可少的工具。本书将对比不同观测器的性能特点、收敛速度，并结合分离原理（Separation Principle），展示如何独立地设计控制器和观测器，实现最优控制性能。第四部分：最优控制与性能指标最优控制理论关注在满足系统约束的前提下，最小化或最大化某个性能指标。本书将引入性能指标函数（如二次型成本函数），并详细推导解决线性二次高斯（LQG）控制问题的核心——代数黎卡提方程（Algebraic Riccati Equation, ARE）。通过LQG设计流程，读者将掌握如何系统地平衡系统动态性能与控制能量消耗。此外，我们将介绍变分法的基础，特别是欧拉-拉格朗日方程在确定最优控制轨迹中的应用，为深入研究庞特里亚金的最小原理（Pontryagin's Minimum Principle）打下坚实的基础。第五部分：非线性系统的分析与控制在现代工程领域，线性化模型往往不足以描述实际系统的全部行为。本部分专门针对非线性动态系统展开深入讨论。首先，我们将分析非线性系统的稳定性，重点介绍李雅普诺夫第二法（直接法）的强大应用，包括构造合适的李雅普诺夫函数来证明全局或局部稳定性，避免了复杂的求解过程。其次，本书介绍了处理非线性控制问题的几种关键技术： 1. 滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）：阐述了SMC的设计原理、等效控制的计算以及如何处理奇点问题和抖振现象。 2. 反馈线性化（Feedback Linearization）：介绍微分几何工具，如流（Flows）和李导数（Lie Derivatives），来识别是否可以通过坐标变换和状态反馈将非线性系统转化为线性系统。 3. 增量非线性控制（Gain Scheduling）：讨论如何根据系统工作点变化（如飞行器速度、机械臂负载）来实时调整线性控制器增益。第六部分：鲁棒性与不确定性处理工程系统总会受到模型误差、参数扰动和外部干扰的影响。本部分聚焦于构建对这些不确定性具有内在抵抗力的控制器。内容将从经典鲁棒性指标开始，例如输入/输出增益和结构奇异性。随后，本书将引入更先进的H-无穷（$H_infty$）控制理论。我们将详细解释 $H_infty$ 范数在衡量系统对外部扰动放大作用中的角色，并给出求解线性矩阵不等式（LMI）的 $H_infty$ 控制器的步骤。最后，本书将简要介绍鲁棒极点配置的概念，即如何在存在参数不确定性时，确保闭环系统极点位于复平面上预先定义的鲁棒区域内。本书特色：理论与实践的紧密结合：每章都配有大量的工程案例和计算示例，帮助读者将抽象的数学概念转化为可操作的控制设计方案。强调多方法对比：在解决具体问题时，本书倾向于对比经典法、现代法和鲁棒法的优劣，培养读者根据具体约束选择最佳工具的能力。面向高级工程应用：覆盖的知识点层次较高，非常适合控制工程、航空航天、机器人学和机电一体化领域的研究生及专业工程师作为核心参考教材。总而言之，《动态系统与先进控制理论基础》提供了一套完整的知识体系，旨在培养下一代能够设计、分析和优化复杂、高性能控制系统的专业人才。