Variable Structure Systems, Sliding Mode and Nonlinear Control pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Young, K-K. David (EDT)/ Ozguner, U. (EDT)/ IEEE International Workshop on Variable Structure System

出品人:

页数:386

译者:

出版时间:

价格:$ 134.47

装帧:Pap

isbn号码:9781852331979

丛书系列:

图书标签:

• 控制理论
• 滑模控制
• 非线性控制
• 可变结构系统
• 自适应控制
• 鲁棒控制
• 系统工程
• 控制系统
• 优化算法
• 工程数学

现代控制理论与先进控制方法导论：系统动态学、优化与鲁棒性 本书旨在为读者提供一个全面而深入的现代控制理论框架，重点关注复杂非线性系统的建模、分析、设计与实施。 本书内容涵盖了从经典的系统辨识到前沿的智能控制技术，旨在为工程师、研究人员和高年级学生提供坚实的理论基础和丰富的实践指导。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在帮助读者掌握应对高动态、强耦合、存在不确定性和外部扰动等挑战性工程问题的核心工具。 --- 第一部分：系统建模与状态空间方法基础 本部分奠定了现代控制理论的基石，重点讨论了如何将物理系统抽象为数学模型，并利用先进的数学工具进行分析。 第一章：物理系统的建模与描述 本章首先回顾了经典控制理论中传递函数方法的局限性，并引入了状态空间表示法作为描述多输入多输出（MIMO）系统的标准工具。详细阐述了连续时间和离散时间系统的状态空间模型构建过程，包括状态变量的选择、物理方程的转化（如牛顿定律、基尔霍夫定律）以及模态分析的基础。重点讨论了线性定常（LTI）系统的结构特性，如能控性（Controllability）和可观测性（Observability）的判定标准，并引入了 Jordan 标准形和其实际工程意义。 第二章：非线性系统的基础分析 进入非线性领域，本章详细探讨了描述非线性系统行为的关键技术。首先，介绍平衡点分析、相平面法（针对二阶系统）以及极限环分析。随后，深入探讨了李雅普诺夫稳定性理论，详细阐述了一阶、二阶李雅普诺夫函数的构造方法（如能量函数法），并引入了 LaSalle 不变集原理，用于分析全局渐近稳定性和有限时间收敛性。此外，本章还涉及对特定非线性现象的定性分析，如奇异摄动（Singular Perturbation）系统的多时间尺度行为。 第三章：系统辨识与参数估计 一个准确的模型是有效控制器的前提。本章聚焦于从实验数据中提取系统参数和辨识模型结构的过程。详细介绍了经典参数估计方法，如最小二乘法（Least Squares, LS）及其递归形式（Recursive Least Squares, RLS），并分析了其收敛性和渐近性质。此外，探讨了基于子空间辨识（Subspace Identification）的系统辨识技术，特别适用于模态分析和高阶系统的辨识。本章还简要介绍了卡尔曼滤波作为状态估计器的基础，为后续的观测器设计做铺垫。 --- 第二部分：经典与现代反馈控制设计 本部分将理论分析转化为具体的控制器设计方案，涵盖了从线性化设计到现代最优控制的广阔领域。 第四章：线性系统极点配置与状态反馈 本章是现代控制设计的基础。详细讲解了基于状态反馈的极点配置（Pole Placement）技术，并阐述了 Ackermann 公式在确定反馈增益矩阵 $K$ 中的应用。重点讨论了系统的能控性如何决定可配置的极点范围。紧接着，引入了状态观测器的设计，详细分析了 Luenberger 观测器和卡尔曼滤波器的原理与实现，确保即使状态不可直接测量，也能获得可靠的状态估计，从而实现完整的状态反馈控制律。 第五章：最优控制理论：LQR 设计 最优控制的目标是找到在给定性能指标（代价函数）下最优的控制输入。本章集中于线性二次型调节器（Linear Quadratic Regulator, LQR）的设计。详细推导了代数黎卡提方程（Algebraic Riccati Equation, ARE）及其解，并阐述了如何通过调整权重矩阵 $Q$ 和 $R$ 来平衡系统性能（如暂态响应速度）和控制能量消耗。本章还将 LQR 扩展到有限时间最优控制问题，并讨论了线性二次积分（LQI）控制器在消除稳态误差中的作用。 第六章：先进的线性控制器设计：环路整形与 $H_{infty}$ 控制 面对模型不确定性和外部有界扰动，本章引入了更具鲁棒性的控制设计方法。首先，复习了经典的根轨迹和波德图分析，并引申出环路整形（Loop Shaping）技术，用于在频域上对系统的开环传递函数进行调整，以满足特定的相位裕度和增益裕度要求。随后，深入探讨了 $H_{infty}$ 控制理论，目标是最小化系统对已知范数干扰输入的输出响应的 $mathcal{H}_{infty}$ 范数。详细阐述了求解保证稳定性和性能指标的 LMI（线性矩阵不等式）方法，及其在鲁棒控制器综合中的应用。 --- 第三部分：非线性控制的专门技术 本部分聚焦于直接处理非线性动力学的先进控制技术，为复杂工程系统提供有效的解决方案。 第七章：反馈线性化与微分平坦性 反馈线性化是一种强大的非线性控制技术，旨在通过坐标变换和状态反馈，将复杂的非线性系统转化为等效的线性系统，从而利用成熟的 LQR 或极点配置技术进行控制。本章详细介绍了微分同胚（Diffeomorphism）的概念，并阐述了可反馈性（Feedback Linearizability）的判据（通过李括号检验）。随后，引出微分平坦性（Differential Flatness）的概念，这是一种更通用的设计工具，允许直接构造零动态稳定的线性化输入和输出。 第八章：模型参考自适应控制（MRAC） 当系统参数随时间变化或模型未知时，MRAC 提供了一种使被控系统输出跟踪预设参考模型的方法。本章详细讲解了基于误差学习规则（Error Learning Rules）的自适应控制（如 MIT 规则）。随后，深入分析了基于李雅普诺夫理论的间接和直接自适应控制器的设计，重点讨论了如何通过构造合适的李雅普诺夫函数来保证自适应律的稳定性，避免“参数漂移”等问题。 第九章：非线性系统的鲁棒性设计：增量式和基于传递性的方法 本章介绍了几种专门用于提高非线性系统鲁棒性的设计范式。首先，探讨了基于能量函数的鲁棒控制设计，如鲁棒耗散系统理论。其次，详细介绍了高增益反馈（High-Gain Feedback）的设计原理及其在严格反馈（Strictly Feedback）形式系统中的应用，并分析了其固有的颤振（Chattering）问题。最后，引入了基于传递函数（Passivity）的控制设计，利用系统输入输出的能量关系来保证稳定性和鲁棒性，这在机械手和电子系统中有广泛应用。 --- 第四部分：智能与混合系统控制 本部分展望了控制理论的前沿发展，特别是如何将人工智能和离散逻辑融入连续控制系统。 第十章：模糊逻辑与神经网络控制 本章关注如何利用人工智能技术处理难以精确建模的知识和关系。首先，系统地介绍了模糊集合论、模糊推理机（Fuzzy Inference Systems）以及 Mamdani 和 Sugeno 模型的构建。随后，探讨了基于人工神经网络（ANN）的控制方法，特别是前馈网络在函数逼近中的应用，以及如何将神经网络与自适应控制（Neuro-Adaptive Control）相结合以提高在线学习能力。 第十一章：混合系统与事件驱动控制 许多实际工程系统（如交通控制、自动化生产线）本质上是连续动力学与离散事件的结合，即混合系统（Hybrid Systems）。本章介绍了混合系统的数学描述（如混合自动机），并讨论了在保证局部稳定性的前提下，如何设计切换律（Switching Logic）。最后，引出了事件驱动控制（Event-Triggered Control）的概念，探讨了如何通过只在状态偏离预设阈值时才更新控制信号，实现对带宽和计算资源的有效节省，同时保持控制性能。 --- 总结与展望： 本书通过对线性控制、最优控制、非线性控制以及智能与混合系统控制的深入剖析，为读者构建了一个完整的现代控制理论知识体系。每一个设计方法都配有严格的数学推导和明确的工程适用性分析，确保读者不仅理解“如何做”，更能理解“为何如此做”。本书的深度和广度，使其成为深入研究和实际工程应用中不可或缺的参考资料。

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