量子系统控制理论与方法/“十二五”国家重点图书出版规划项目·中国科学技术大学精品教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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丛爽，匡森 著

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• 现代控制
• 物理学
• 数学物理
• 中国科学技术大学
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• 十二五规划
• 系统工程

出版社： 中国科学技术大学出版社

ISBN：9787312031984

版次：1

商品编码：11315844

包装：平装

开本：16开

出版时间：2013-08-01

用纸：胶版纸

页数：481

字数：774000

正文语种：中文

内容简介

　　《量子系统控制理论与方法/“十二五”国家重点图书出版规划项目·中国科学技术大学精品教材》从量子系统状态与Bloch球的几何关系以及二阶含时量子系统状态演化的一种求解方法人手，分别对封闭和开放量子系统的控制理论与方法的原理、性能分析、控制律设计、系统仿真实验及其结果分析进行了系统深入的介绍，在封闭量子系统的控制理论与方法中，主要内容包括：基于Krotov法的量子最优控制、改进的量子最优控制方法、基于最优搜索步长的量子控制、平均最优控制在量子系统中的应用、自旋1／2粒子系统的相位相干控制、高维自旋1／2系统布居数转移的控制等；在基于李雅普诺夫稳定定理的量子系统控制理论中，分别介绍了基于距离、偏差和虚拟力学量均值的李雅普诺夫控制方法，并且分别针对本征态制备和一般态转移的控制方法进行了专门的介绍；在基于李雅普诺夫量子系统控制理论的收敛性分析方面，分别就理想条件与退化情况进行了收敛的李雅普诺夫控制的具体设计与收敛性证明；在开放量子系统的控制理论与方法中，分别给出了纠缠态的探测与制备、布居数转移、纯度保持、耗散补偿的理论与方法，有关开放量子系统控制理论与方法的主要内容包括：无消相干子空间中量子态的控制与保持和动力学解耦量子控制方法。
　　《量子系统控制理论与方法/“十二五”国家重点图书出版规划项目·中国科学技术大学精品教材》还对量子系统的跟踪控制理论进行了专门的讨论。
　　《量子系统控制理论与方法/“十二五”国家重点图书出版规划项目·中国科学技术大学精品教材》可以作为控制科学与工程领域中有关量子控制理论与方法的研究生教材，也可以作为量子物理化学、量子信息与通信以及对量子系统控制感兴趣的电子、力学工程、应用数学、计算科学等领域中的研究生和科研人员的参考书籍。

内页插图

目录

总序
前言

第1章 概论
1.1 量子系统控制的发展状况
1.2 量子分子动力学中的操纵技术及其系统控制理论
1.2.1 量子分子动力学的操纵技术
1.2.2 激光脉冲成型操纵技术
1.2.3 波包泵浦一当浦方案
1.2.4 量子分子动力学的控制理论
1.2.5 系统幺正演化矩阵的控制
1.2.6 几何控制
1.2.7 量子最优控制理论
1.2.8 基于李雅普诺夫稳定性理论的量子控制方法
1.3 量子系统中状态估计方法
1.3.1 量子系统状态估计的背景
1.3.2 基于测量全同复本系统的量子状态估计方法
1.3.3 基于系统论观点的量子状态重构方法
1.4 开放量子系统消相干控制研究进展
1.4.1 量子系统中的消相干现象
1.4.2 抑制消相干的控制策略
1.5 开放量子系统量子态相干保持的控制策略
1.5.1 编码方法
1.5.2 量子动力学解耦
1.5.3 最优控制法
1.5.4 相干控制法
1.5.5 反馈控制法
1.5.6 复合控制
1.6 本书内容安排

第2章 量子系统模型的求解与分析
2.1 量子系统状态与Bloch球的几何关系
2.1.1 纯态与Bloch矢量的对应关系
2.1.2 混合态的Bloch球几何表示
2.1.3 小结
2.2 纯态与混合态的几何代数分析
2.2.1 纯态的几何代数表示方法
2.2.2 混合态的几何代数表示方法
2.2.3 几何代数表示方法与Bloch矢量的对应关系
2.3 二阶含时量子系统状态演化的一种求解方法
2.3.1 时变系统矩阵的一般分析
2.3.2 时变系统矩阵的变换
2.3.3 基于系统矩阵本征值和本征态的简化运算
2.3.4 应用举例
2.4 基于Bloch球的量子系统轨迹控制
2.4.1 单量子比特的Bloch球表示
2.4.2 单自旋1／2粒子的控制
2.4.3 数值仿真实验及其结果分析

第3章 封闭量子系统的控制方法
3.1 基于Krotov法的量子最优控制
3.1.1 量子系统中的最优控制方法
3.1.2 改进的量子最优控制方法
3.1.3 Krotov最优控制设计方法
3.1.4 数值仿真实验及其性能分析
3.2 基于最优搜索步长的量子控制
3.2.1 最优控制律的求解
3.2.2 自旋1／2粒子系统的应用实例
3.3 平均最优控制在量子系统中的应用
3.3.1 利用平均方法进行最优控制
3.3.2 控制器的设计
3.3.3 数值仿真实验及其结果分析
3.3.4 小结
3.4 自旋1／2粒子系统的相位相干控制
3.4.1 相干态的制备
3.4.2 数值仿真实验及其结果分析
3.4.3 小结
3.5 高维自旋1／2系统布居数转移的控制
3.5.1 控制脉冲与系统哈密顿量的关系
……

第4章 基于李雅普诺夫的量子系统控制理论：本征态制备
第5章 基于李雅普诺夫的量子系统控制理论：一般态转移
第6章 基于李雅普诺夫量子系统控制理论：收敛性分析
第7章 退化情况下的李雅普诺夫控制方法
第8章 纠缠态的探测与制备
第9章 开放量子系统的模型
第10章 开放量子系统状态调控
第11章 无消相干子空间中量子态的控制与保持
第12章 动力学解耦量子控制方法
第13章 量子系统的跟踪控制
第14章 量子系统控制的应用

前言/序言

现代控制理论基础与前沿：复杂系统动态行为的精准驾驭 本书聚焦于现代控制理论在处理复杂系统时所面临的挑战与前沿解决方案，涵盖了从经典控制理论的深入理解到非线性、自适应、鲁棒控制等先进技术，旨在为读者提供一套全面而系统的控制科学知识体系。 第一部分：控制系统的基础理论与建模 本部分将系统地回顾和深化控制理论的基石，为后续复杂系统的分析打下坚实的基础。 第一章：线性系统理论的再审视与拓展 本章从状态空间方法的角度重新审视线性定常（LTI）和线性时变（LTV）系统的基本性质。重点探讨系统的能控性、可观测性及其在状态反馈与观测器设计中的核心作用。此外，将深入分析多输入多输出（MIMO）系统的解耦控制、零极点分配技术，并引入奇异值分解（SVD）在分析系统带宽和控制性能极限方面的应用。对于时滞系统（Time-Delay Systems），将介绍基于无穷维状态空间的分析方法，以及如保最大范数（H-infinity）方法在处理时滞鲁棒性问题中的初步应用。 第二章：非线性系统的建模与分析 面对工程实践中普遍存在的非线性现象，本章系统阐述了对非线性系统进行精确建模的必要性。内容包括基于物理规律的建模方法（如欧拉-拉格朗日方程、哈密顿系统），以及实验数据驱动的建模技术（如泰勒级数展开、Volterra级数）。在定性分析方面，本章详细讲解了相平面法（Phase Plane Analysis）在二阶系统中的应用，并深入探讨李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性理论在非线性系统全局和局部稳定性判据确定中的核心地位，包括直接法和间接法的具体实施步骤。对于周期性非线性系统，将引入小幅度扰动下的平均场理论（Averaging Method）和泛函微分方程的稳定性分析。 第三章：系统辨识与参数估计 本部分侧重于如何从实验数据中获取系统的精确数学模型。内容涵盖参数化模型（如ARX、ARMAX、BJ模型）的结构选择与辨识算法。重点讲解最小二乘（Least Squares）估计及其在迭代形式下的应用。随后，引入更具鲁棒性的最大似然（Maximum Likelihood, ML）估计方法，并对比其在噪声环境下的估计精度和效率。对于模型的结构辨识问题，将讨论基于信息准则（如AIC、BIC）的选择策略。最后，介绍子空间辨识（Subspace Identification）方法，该方法尤其适用于高维、多输入多输出系统的辨识，有效避免了传统方法中参数冗余和模型结构设定的困难。 第二部分：先进控制策略的设计与实现 本部分将重点介绍用于应对不确定性、外部扰动和系统结构变化的现代控制设计技术。 第四章：鲁棒控制理论：H∞与滑模控制 鲁棒性是现代工程系统的核心要求。本章首先深入剖析H∞控制理论，从描述符系统（Descriptor Systems）出发，推导出黎卡提方程（Riccati Equations）求解最优加权范数控制器的方法。重点讨论如何通过选择合适的权重函数来平衡性能与鲁棒性。随后，本章转向非线性控制中应用广泛的滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）。详细阐述了SMC的设计原理，包括如何构造滑模面（Switching Surface）以保证系统动态行为的期望特性。同时，深入分析SMC固有的抖振（Chattering）现象，并介绍如边界层方法、高阶滑模（Higher-Order SMC, HOSM）等削弱抖振的技术。 第五章：自适应控制：在线学习与参数跟踪 当系统的参数或动态特性随时间变化时，自适应控制成为必需。本章从间接自适应控制（Indirect Adaptive Control）和直接自适应控制（Direct Adaptive Control）两大类出发，系统介绍基于模型的自适应方案。重点讲解基于误差模型的参数估计（如基于梯度下降的自适应律）和基于输出跟踪的自适应律。对于参数辨识不精确的系统，将介绍基于模型的参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control, MRAC）的构架，特别是Sliding Mode Adaptive Control（SMAC）在保证稳定性和收敛性方面的优势。本章还将探讨具有外部扰动抑制能力的鲁棒自适应控制。 第六章：优化控制与模型预测控制（MPC） 优化控制关注在满足系统约束条件下实现性能指标的最优化。本章从变分法和庞特里亚金最小原理（Pontryagin's Minimum Principle）出发，推导最优控制的必要条件。随后，重点转向计算效率更高的模型预测控制（MPC）。详细讲解MPC的滚动优化原理、约束处理机制（如不等式约束的处理）以及线性/非线性MPC（LMPC/NMPC）的求解流程。本章将通过算例展示如何利用MPC实现对输入和状态约束的实时管理，尤其在能源系统和过程控制中的应用潜力。 第三部分：复杂系统的先进控制范式 本部分面向前沿和交叉学科应用，探讨处理高度复杂、大规模系统的最新方法。 第七章：网络化控制系统（NCS）的理论挑战 随着物联网和分布式计算的发展，控制系统正逐渐向网络化演进。本章分析网络延迟、丢包和带宽限制对闭环系统稳定性和性能的影响。重点探讨基于离散时间模型的网络化控制设计，如采样控制的设计准则。对于有限通信带宽下的系统，本章将介绍事件触发控制（Event-Triggered Control）的设计，旨在最小化通信频率，节省带宽，同时保持性能。系统稳定性分析将侧重于Lyapunov-Krasovskii泛函在处理网络不确定性下的应用。 第八章：模糊逻辑与神经网络在控制中的集成 本章探讨如何利用人工智能的优势来处理那些难以建立精确数学模型的复杂系统。模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control, FLC）部分将详细介绍模糊化的过程、模糊推理机和去模糊化的方法，尤其关注如何利用专家经验构建高效的模糊规则库。神经网络控制部分将侧重于反向传播（Backpropagation）算法的应用，包括使用神经网络作为在线辨识器、非线性控制器或作为Lyapunov函数替代品进行稳定性分析。本章将通过混合控制系统（Hybrid Control Systems）的案例，展示模糊/神经网络方法如何与传统控制方法有机结合。 第九章：分布式与多智能体系统控制 对于大规模、空间分布式的系统（如无人机集群、智能电网），分布式控制是必然选择。本章基于图论（Graph Theory）分析多智能体系统的通信拓扑结构。重点介绍基于一致性（Consensus）协议的设计，使智能体能够收敛到某个共同的值（如位置、速度或状态估计）。本章还将探讨分布式优化算法（Distributed Optimization）在多智能体系统协同任务规划中的应用，以及在存在通信受限情况下的分布式状态估计问题。 --- 本书通过对上述九个核心领域的深入剖析，旨在为控制科学领域的研究生和高年级本科生，以及从事复杂系统设计与优化的工程技术人员，提供一套既具有深厚理论基础，又紧跟工程前沿的综合性知识框架。每一章节都力求理论的严谨性与工程实现的可操作性相结合。

评分☆☆☆☆☆

评价五 这本《量子系统控制理论与方法》给我留下了极其深刻的印象。它不仅仅是一本教科书，更像是一扇通往未知世界的窗口。书中的内容深入浅出，尽管涉及大量前沿的量子物理和控制论知识，但编著者们巧妙地将抽象的概念具象化，并通过清晰的图例和示例进行辅助说明，使得即使是初学者也能从中领略到量子控制的魅力。我特别欣赏书中对于量子态制备和量子信息传输的控制策略的介绍，这部分内容让我对如何精确操控微观粒子有了全新的认识。书中的语言既严谨又不失生动，让我能够沉浸在知识的海洋中，不知不觉地吸收和理解。这本书的出版，是中国科学技术大学在量子科学领域贡献的又一力作，它为国内量子信息科学的教育和研究注入了新的活力，也为培养下一代量子科技人才提供了重要的资源。我非常期待未来能够将书中的理论知识应用到实际的实验研究中，去探索更多未知的量子现象。

评分☆☆☆☆☆

评价一 拿到这本《量子系统控制理论与方法》的时候，我就被它厚重的质感和严谨的封面设计所吸引。作为一名初入量子计算领域的学生，我深知掌握扎实的理论基础是多么重要。虽然我还没有深入研读，但仅从目录和前言的浏览，就能感受到编著者们的良苦用心。那些密密麻麻的公式和符号，虽然一开始有些令人生畏，但也预示着本书将带领我进入一个充满挑战和机遇的知识殿堂。我特别期待其中关于量子态操控和量子纠缠控制的章节，这正是我目前学习和研究的重点。书中引用的“十二五”国家重点图书出版规划项目的标志，更是让我对本书的学术价值和权威性充满了信心，相信它一定会成为我学习道路上的重要指引。这本书的出版，对于国内量子信息科学的发展无疑是一剂强心针，它填补了相关领域教材的空白，也为广大师生提供了一个系统学习量子控制的优质平台。我迫不及待地想在接下来的日子里，逐字逐句地啃下这本书，将理论知识内化为自己的理解，为未来的科研工作打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

评价四 我是一名有一定量子力学基础的研究生，在导师的推荐下购入此书，目的是想系统性地学习量子系统的控制理论。这本书的编排结构非常合理，从基础概念的引入，到复杂算法的推演，再到实际应用的探讨，层层递进，逻辑清晰。书中对量子态演化、量子操控技术、量子反馈控制等核心内容的阐述十分详尽，引用了大量最新的研究成果和经典的理论模型。我尤其喜欢书中对一些关键算法的详细推导过程，这有助于我深入理解其背后的数学原理和物理意义。此外，书中包含的丰富的参考文献，也为我进一步查阅相关文献提供了极大的便利。作为“十二五”国家重点图书出版规划项目的一部分，这本书的学术严谨性和前沿性毋庸置疑。它不仅是学习量子控制理论的优秀教材，也是研究人员进行学术交流和成果发表的重要参考。我已经将其中几个章节的学习列入了我近期的研究计划，相信这本书将为我的研究提供坚实的理论支撑。

评分☆☆☆☆☆

评价三 作为一个对量子物理充满好奇的爱好者，我购买了这本《量子系统控制理论与方法》。虽然我并非专业研究人员，但我被书名所吸引，希望借此机会深入了解量子世界的奥秘。这本书的语言风格非常学术化，充满着专业的术语和复杂的数学公式。阅读过程对我来说是一项不小的挑战，许多概念我都需要借助其他资料进行补充学习。然而，正是这种深入的探索让我对量子系统有了更深刻的认识，也对控制理论在量子领域的应用产生了浓厚的兴趣。我尤其对书中关于量子态的测量和纠正方法的部分感到着迷，这些技术仿佛是现实世界中的“魔法”，能够精确地操控微观粒子。这本书的出版，我认为对于推动我国在量子科技领域的教育和研究具有里程碑式的意义。它为有志于投身量子科学的学生和研究者提供了一套系统的学习路径，相信未来会有更多的年轻人因此而爱上量子科学，并为之贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

评价二 这是一本让我又爱又恨的书。说它“爱”，是因为它所涵盖的内容之深邃、之前沿，让我看到了量子世界的无限可能。特别是关于量子态演化方程和最优控制算法的论述，堪称经典。我曾尝试着去理解其中一些复杂的推导过程，虽然耗费了我大量的时间和精力，但当豁然开朗的那一刻，那种智识上的满足感是无与伦比的。书中的图示清晰明了，有助于可视化抽象的量子现象，这是我非常欣赏的一点。然而，说它“恨”，是因为它对初学者的友好度确实还有提升的空间。某些概念的引入略显突兀，如果能有更详尽的背景介绍和循序渐进的铺垫，相信会更容易被接受。但话又说回来，也许正是这种挑战性，才能真正激发学习者的潜力。这本书无疑是量子控制领域的力作，它系统地梳理了该领域的理论框架和研究方法，为科研人员提供了宝贵的参考。作为一名研究人员，我深知掌握这些先进的控制技术对于实现更复杂的量子计算和量子通信任务至关重要，而这本书正是满足了这一需求。