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出版者:Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K

作者:Duncan C. McFarlane

出品人:

页数:206

译者:

出版时间:1989-12

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9783540518518

丛书系列:

图书标签:

• 控制理论
• 鲁棒控制
• 控制器设计
• 现代控制
• 系统工程
• 优化算法
• 线性系统
• 非线性系统
• 自适应控制
• 最优控制

《精巧控制：原理、方法与实践》 本书深入探讨了现代控制理论的核心，着重于设计在面对系统不确定性、外部扰动以及参数变化时仍能保持稳定和高性能的鲁棒控制系统。我们将从最基础的控制系统稳定性概念入手，逐步过渡到更高级的分析和设计技术。 第一部分：控制系统基础回顾与不确定性建模 在正式进入鲁棒控制设计之前，本部分将对经典控制理论的关键概念进行梳理，确保读者对传递函数、状态空间表示、稳定性判据（如Routh-Hurwitz、Nyquist、Bode图）以及PID控制器的基本原理有扎实的理解。紧接着，我们将重点关注“不确定性”这一鲁棒控制设计的核心挑战。我们将介绍不同类型的不确定性，包括参数不确定性（例如，组件参数的偏差）、外部扰动（例如，风力、负载变化）以及模型误差（例如，高阶动态被低阶模型近似）。本书将详细阐述如何对这些不确定性进行数学建模，例如通过复数不确定性集、区间不确定性或描述不确定性的有界性约束，为后续的鲁棒设计奠定坚实基础。 第二部分：鲁棒稳定性分析 掌握了不确定性建模的方法后，本部分将聚焦于如何分析一个控制系统在存在这些不确定性时的稳定性。我们将深入研究根轨迹法在不确定性下的局限性，并引入更强大的分析工具。频率域的分析方法将占据重要地位，例如，通过对Nyquist图进行瓣图（Bode Diagram）分析，以及如何利用不确定性边界来评估系统的稳定性裕度。我们将详细介绍“广义Nyquist准则”及其在多输入多输出（MIMO）系统中的扩展应用。此外，本部分还将引入“结构奇异值（SSV）”的概念，这是一种强大的工具，能够量化系统对特定类型不确定性的敏感度，并为设计提供定量的指导。我们将通过大量的例子，展示如何使用这些工具来诊断一个设计不佳的控制器是否满足鲁棒稳定性要求。 第三部分：鲁棒控制器设计方法 这是本书的核心内容，我们将详细介绍多种先进的鲁棒控制器设计技术。 H-无穷（H-infinity）控制： H-无穷控制是鲁棒控制领域最著名和最有影响力的设计方法之一。本部分将系统地介绍H-无穷控制的理论基础，包括加权函数的设计、标准问题（Standard Problem）的构造以及通过求解线性矩阵不等式（LMIs）或Ricatti方程来获得最优H-无穷控制器。我们将详细讲解如何根据性能和鲁棒性需求选择合适的加权函数，例如，抑制噪声的低频加权函数、限制控制能量的高频加权函数，以及针对特定扰动进行抑制的加权函数。本书还将介绍H-2/H-无穷混合控制，以在满足鲁棒性要求的同时，实现更好的性能。 μ-合成（Mu-synthesis）： 当H-无穷控制的鲁棒性裕度不足以应对复杂的、结构化的不确定性时，μ-合成提供了一种更进一步的解决方案。本部分将解释μ-分析（Mu-analysis）的基本原理，即如何计算不确定性下系统的“μ值”。在此基础上，我们将介绍μ-合成的设计流程，包括迭代优化过程，通过交替优化控制器和不确定性界限来逼近最优鲁棒控制器。我们将探讨μ-合成在应对结构化不确定性（例如，某些参数同时存在不确定性）时的优势。 LMI（线性矩阵不等式）方法： LMI已成为解决许多控制问题（包括鲁棒控制）的强大工具。本部分将介绍如何将鲁棒控制问题转化为一系列LMI问题，并利用成熟的LMI求解器（例如，MATLAB的LMILAB、YALMIP）来求解控制器。我们将详细阐述如何使用LMI来设计鲁棒状态反馈控制器、鲁棒输出反馈控制器，以及在LMI框架下进行鲁棒稳定性分析。 其他鲁棒设计方法： 除了上述主流方法，本部分还将简要介绍一些其他有价值的鲁棒控制设计思想，例如，基于模型预测控制（MPC）的鲁棒模型预测控制（RMPC）的思路，以及利用自适应控制技术来处理未知或缓慢变化的系统动态。 第四部分：鲁棒控制的实践与应用 理论的掌握需要与实践相结合。本部分将通过具体的工程实例，展示如何将鲁棒控制理论应用于实际系统中。我们将选择具有代表性的应用场景，例如： 航空航天： 飞机姿态控制、导弹制导系统等，这些系统面临着剧烈的气动变化、传感器噪声和执行器故障。 机器人控制： 机械臂在未知负载或接触力下的精确操作。 过程控制： 化工厂的温度、压力等参数的稳定控制，应对原料变化和外部环境扰动。 电力系统： 电网的频率和电压稳定性控制。 在每个案例研究中，我们将详细介绍系统的模型建立过程、不确定性分析，以及如何运用前面学到的鲁棒控制设计方法来获得控制器。我们将重点讨论控制器参数的整定、仿真分析以及实际部署中可能遇到的挑战，例如，计算资源限制、传感器融合以及执行器饱和等。 第五部分：高级主题与未来展望 在本书的最后，我们将探讨一些更高级的鲁棒控制主题，以及对该领域未来发展方向的展望。这可能包括： 鲁棒滤波与估计： 例如，卡尔曼滤波器的鲁棒变种（如不可靠卡尔曼滤波器）及其在状态估计中的应用。 故障检测与诊断（FDD）中的鲁棒性： 如何设计能够抵抗正常运行期间的扰动，又能灵敏检测到故障的FDD系统。 强化学习与鲁棒控制的结合： 利用机器学习技术来辅助鲁棒控制器设计或优化。 系统辨识与鲁棒控制的协同： 如何在系统辨识过程中就考虑鲁棒性需求，并利用辨识结果来设计鲁棒控制器。 本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的鲁棒控制理论学习路径。无论是控制理论的研究者、工程师，还是希望在复杂动态系统中实现可靠控制的专业人士，都能从中获益。通过理论讲解、方法介绍、案例分析以及对前沿问题的探讨，读者将能够掌握设计和分析能够在不确定环境中表现出优异性能的控制系统的能力。

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