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出版者:

作者:Esposito, Anthony

出品人:

页数:672

译者:

出版时间:2008-5

价格:1135.00 元

装帧:

isbn号码:9780135136904

丛书系列:

图书标签:

• 流体动力学
• 液压
• 气动
• 工程应用
• 机械工程
• 流体力学
• 控制系统
• 液压系统
• 气动系统
• 工程技术

智能控制系统设计与实现 本书旨在为读者提供一套全面、深入的智能控制系统设计与实现方法论。内容涵盖从基础理论到前沿技术的广泛领域，重点关注现代控制理论在实际工程问题中的应用。全书结构严谨，内容翔实，力求使读者不仅掌握理论知识，更能具备独立进行复杂智能控制系统开发的能力。 第一部分：现代控制理论基础与系统建模 本部分奠定智能控制系统的理论基石，重点介绍描述系统动态行为的数学工具和建模技术。 第一章：线性系统的状态空间表示与分析 本章详细阐述了连续时间与离散时间线性时不变（LTI）系统的状态空间描述方法。深入探讨了系统的能控性、可观测性及其对状态反馈与状态观测器设计的影响。引入了李雅普诺夫稳定性理论，用于分析系统的渐近稳定性、指数稳定性以及有限时间稳定性。此外，还涵盖了模态分析技术，用以理解系统内部动力学行为和对外部激励的响应特性。 第二章：非线性系统的基本分析与稳定性 针对现实世界中普遍存在的非线性现象，本章引入了描述非线性系统的关键概念，如平衡点、极限环、奇异摄动等。重点讲解了应用最为广泛的李雅普诺夫第二法（直接法）在非线性系统稳定性分析中的严格应用。对比分析了输入-输出线性化、反馈线性化等经典反馈设计方法，并讨论了这些方法在实际系统中的局限性与适用范围。 第三章：系统辨识与参数估计 智能控制系统的性能高度依赖于准确的系统模型。本章聚焦于从实验数据中辨识系统参数和结构的方法。详细介绍了回归分析、最小二乘法（LS）、递归最小二乘法（RLS）等参数估计算法。对于时变系统，引入了卡尔曼滤波（Kalman Filtering）及其扩展版本（如扩展卡尔曼滤波 EKF），用作状态估计与在线参数跟踪的强大工具。本章还探讨了基于模型结构选择的挑战与策略。 第二部分：经典控制与先进反馈技术 本部分侧重于如何利用线性化和线性控制技术构建可靠的基线控制器，并进一步发展到更具鲁棒性和适应性的先进反馈设计。 第四章：经典频率域分析与控制器设计 回顾了传递函数、伯德图、奈奎斯特图等经典工具，强调其在分析系统稳定裕度和补偿器设计中的直观性。详细推导了PID控制器的设计步骤，并特别关注了抗饱和、抗积分锁死等实际工程改进措施。引入了根轨迹法，用于分析控制器参数变化对系统闭环极点位置的影响。 第五章：鲁棒控制基础：$mathcal{H}_2$ 与 $mathcal{H}_{infty}$ 控制 针对模型不确定性，本章介绍了鲁棒控制的基本思想。系统讲解了$mathcal{H}_2$最优控制（LQR/LQG）的设计过程，侧重于性能与控制努力之间的权衡。随后，深入探讨了$mathcal{H}_{infty}$控制理论，重点在于保证闭环系统在所有外部扰动下的稳定性与性能边界。通过求解特定的Riccati方程，设计出能够有效抑制未建模动态和外部干扰的控制器。 第六章：滑模控制（SMC）的设计与抖振抑制 滑模控制作为一种强大的非线性鲁棒控制方法，在本章得到详尽阐述。解释了滑模控制的核心机制——利用高频切换项来强制系统轨迹收敛到预设的滑模面。详细分析了滑模控制对参数变化和外部扰动的内在鲁棒性。着重讨论了“抖振”（Chattering）现象的产生原因，并介绍了低通滤波、边界层技术、高阶滑模控制（Higher-Order SMC, HOSMC）等先进的抑制策略。 第三部分：智能控制核心算法与应用 本部分是本书的重点，详细介绍了融入智能元素的控制策略，包括自适应、学习和优化方法。 第七章：自适应控制理论与实践 自适应控制允许控制器参数随时间在线调整，以应对系统动态特性的变化。本章首先介绍了间接自适应控制与直接自适应控制的架构。详细推导了基于“基于模型的参考自适应控制”（MRAC）的设计步骤，特别是使用误差平方函数进行参数更新的规则。随后，引入了基于李雅普诺夫稳定性保证的自适应律设计方法，确保闭环系统的稳定性。 第八章：神经网络控制（NNC） 神经网络作为强大的函数逼近器，被广泛应用于控制领域。本章讲解了前馈神经网络和循环神经网络在系统辨识和控制器结构中的应用。重点分析了“反向传播”（Backpropagation）算法在控制系统中的应用，并详细介绍了将神经网络嵌入到反馈回路中，实现对未知非线性函数的在线逼近，从而设计出补偿性控制器（如神经动力学逆控制）。 第九章：模糊逻辑控制（FLC） 模糊控制提供了一种将专家经验和人类直觉转化为数学控制规则的方法。本章从模糊集理论、模糊化、模糊推理和解模糊等基本步骤入手。详细讲解了Mamdani和Sugeno型模糊推理系统的构建。重点在于如何利用遗传算法或粒子群优化算法对模糊规则库和隶属度函数进行优化，以提高控制性能。 第十章：强化学习与最优控制 本章将控制理论与现代决策理论相结合，聚焦于基于强化学习（RL）的控制方法。详细介绍马尔可夫决策过程（MDP）和贝尔曼方程。深入讲解了无模型强化学习算法，如Q-Learning和SARSA。对于连续状态/动作空间，重点介绍基于价值函数近似的深度Q网络（DQN）和策略梯度方法，如Actor-Critic框架（A2C/A3C），并讨论了其在复杂机器人控制任务中的前沿应用。 第四部分：智能控制系统的集成与高级议题 最后一部分讨论如何将上述理论应用于实际工程，并探讨当前研究的热点方向。 第十一章：多智能体系统与分布式控制 随着分布式、网络化系统的普及，多智能体系统（MAS）的协同控制成为关键。本章探讨了系统一致性（Consensus）问题的理论基础，特别是基于拉普拉斯矩阵的图论方法。详细阐述了分布式状态估计和分布式优化算法，确保各个智能体在不完全信息共享的情况下实现全局目标。 第十二章：故障诊断与容错控制（FD/FTC） 本章关注系统在发生故障时的健康监测和安全运行。系统地介绍了基于模型的（如残差生成、判别分析）和基于数据的（如机器学习分类器）故障诊断方法。在此基础上，介绍了容错控制器的设计策略，包括重构控制、切换控制以及基于观测器的故障补偿技术，以在故障发生后维持系统的基本性能。 附录 A：MATLAB/Simulink 仿真环境使用指南 提供关键算法（如LQR、EKF、SMC、HOSMC）在Simulink环境下实现的详细步骤和代码片段，便于读者进行仿真验证和参数调整。 附录 B：常用矩阵分析工具 回顾了矩阵求逆、特征值分解、奇异值分解（SVD）等在控制系统分析中频繁使用的线性代数工具。

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