先進(jìn)控制理論

前言

　　經(jīng)典控制理論，包括傳統(tǒng)的PID控制，已經(jīng)在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但當(dāng)被控過程具有多變量、強(qiáng)耦合、不確定性、非線性、大純滯后和物理約束等特征時，經(jīng)典控制理論經(jīng)常難以勝任。之后發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論，帶來了狀態(tài)反饋、輸出反饋、解耦控制等一系列多變量控制方法；對于狀態(tài)不能直接測量的情形，也有觀測器等工具。然而，當(dāng)現(xiàn)代控制理論真正應(yīng)用于工程控制時，卻遇到了前所未有的困難，以致產(chǎn)生了它是否適用于工程控制的困惑?！　±^現(xiàn)代控制理論產(chǎn)生以后，又出現(xiàn)了多種先進(jìn)控制理論。計算機(jī)的普及，為先進(jìn)控制理論的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的硬件和軟件平臺。隨著我國經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)變，國內(nèi)眾多工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)日益感受到國際競爭所帶來的壓力和挑戰(zhàn)，迫切需要應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)，這也使科研院所、高校教師和學(xué)生對先進(jìn)控制知識有迫切的需求?！　】刂乒こ痰倪M(jìn)步在很大程度上取決于能否消化和利用已有理論方法。先進(jìn)控制理論有諸多分支，目前沒有人能通曉所有的先進(jìn)控制理論。這就需要有選擇地學(xué)習(xí)有代表性的先進(jìn)控制思想和方法。本書正是在這樣的背景下構(gòu)思完成的。

內(nèi)容概要

　　《先進(jìn)控制理論》闡述了目前在工程技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注的三種先進(jìn)控制理論。首先介紹了滑模變結(jié)構(gòu)控制，針對連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)分別講述然后介紹了估計理論，包括參數(shù)估計、狀態(tài)估計、Kalman濾波和估計融合等相關(guān)內(nèi)容；最后介紹三類基本的預(yù)測控制算法，即模型算法控制、動態(tài)矩陣控制和廣義預(yù)測控制?！断冗M(jìn)控制理論》大部分章節(jié)都給出了仿真例子，可引導(dǎo)讀者靈活應(yīng)用書中理論以實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用目標(biāo)?！　　断冗M(jìn)控制理論》適合作為控制相關(guān)領(lǐng)域的工科高年級本科生和研究生的教材，亦適合各高校及科研院所廣大控制理論研究者和從事控制相關(guān)工作的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 控制理論的發(fā)展歷史及應(yīng)用1.1.1 控制理論的發(fā)展歷史1.1.2 控制理論的應(yīng)用1.2 先進(jìn)控制基礎(chǔ)1.2.1 先進(jìn)控制的概念1.2.2 先進(jìn)控制理論的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.3 工業(yè)過程先進(jìn)控制的核心內(nèi)容1.2.4 先進(jìn)控制的工程化1.3 三種重要的先進(jìn)控制理論概述1.3.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制1.3.2 估計理論1.3 13預(yù)測控制第2章 滑模變結(jié)構(gòu)控制基礎(chǔ)2.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制簡介2.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制發(fā)展歷史2.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制基本原理2.3.1 右端不連續(xù)微分方程2.3.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制的定義2.3.3 二階滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)例2.3.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制的品質(zhì)2.3.5 滑模變結(jié)構(gòu)控制的特點(diǎn)2.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制抖振問題2.4.1 抖振問題產(chǎn)生的原因2.4.2 抖振問題的肖U弱方法2.5 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計2.6 滑模變結(jié)構(gòu)控制的應(yīng)用第3章 連續(xù)時間系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制3.1 滑動模態(tài)到達(dá)條件3.2 等效控制及滑動模態(tài)運(yùn)動方程3.2.1 等效控制3.2.2 滑動模態(tài)運(yùn)動方程13.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制匹配條件及不變性3.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計基本方法3.5 基于比例切換的滑模變結(jié)構(gòu)控制3.6 基于趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制3.6.1 基于趨近律的調(diào)節(jié)系統(tǒng)3.6.2 基于趨近律的位置跟蹤系統(tǒng)3.7 基于準(zhǔn)滑動模態(tài)的滑模變結(jié)構(gòu)控制3.7.1 準(zhǔn)滑動模態(tài)定義3.7.2 仿真實(shí)例3.8 基于上下界的滑模變結(jié)構(gòu)控制3.8.1 系統(tǒng)描述3.8.2 控制器設(shè)計3.8.3 仿真實(shí)例第4章 離散時間系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制4.1 離散時間系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制描述4.2 準(zhǔn)滑動模態(tài)特性4.3 離散時間滑動模態(tài)到達(dá)條件4.4 離散時間滑模變結(jié)構(gòu)控制的不變性4.5 基于等效控制的離散時間滑模變結(jié)構(gòu)控制4.5.1 基于等效控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)4.5.2 基于等效控制的位置跟蹤系統(tǒng)4.6 基于指數(shù)趨近律的離散時間滑模變結(jié)構(gòu)控制4.6.1 基于指數(shù)趨近律的調(diào)節(jié)系統(tǒng)4.6.2 基于指數(shù)趨近律的位置跟蹤系統(tǒng)4.7 基于組合趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制4.7.1 變速趨近律及控制4.7.2 基于組合趨近律的控制4.7.3 仿真實(shí)例4.8 自適應(yīng)離散時間滑模變結(jié)構(gòu)控制4.8.1 離散時間指數(shù)趨近律控制的抖振分析4.8.2 自適應(yīng)滑模控制器的設(shè)計4.8.3 仿真實(shí)例第5章 估計問題基礎(chǔ)5.1 估計理論的發(fā)展過程和估計問題的分類5.2 模型參數(shù)估計問題5.2.1 參數(shù)估計5.2.2 線性參數(shù)模型最小二乘估計5.3 信號、狀態(tài)估計問題5.4 信息融合估計問題5.5 自校正狀態(tài)與信號估計問題5.6 自校正狀態(tài)與信號信息融合估計問題第6章 KaIman濾波與狀態(tài)估計6.1 引言6.2 射影理論6.2.1 線性最小方差估計和射影6.2.2 新息序列6.3 Kalman濾波器和預(yù)報器6.4 Kalman平滑器6.5 白噪聲估值器6.6 信息濾波器6.7 穩(wěn)態(tài)Kalman濾波6.8 基于Kalman濾波的時域Wiener濾波6.8.1 白噪聲Wiener濾波器6.8.2 Wiener狀態(tài)濾波器6.8.3 狀態(tài)分量解耦Wiener濾波器6.8.4 觀測Wiener·預(yù)報器6.8.5 應(yīng)用于設(shè)計多通道ARMA信號Wiener濾波器6.9 基于濾波器的趨近律滑模變結(jié)構(gòu)控制6.9.1 Kalman濾波器的設(shè)計6.9.2 仿真實(shí)例第7章 估計融合7.1 引言7.2 三種加權(quán)多傳感器最優(yōu)信息融合準(zhǔn)則7.2.1 按矩陣加權(quán)線性最小方差最優(yōu)融合準(zhǔn)則和算法7.2.2 按標(biāo)量加權(quán)線性最小方差最優(yōu)信息融合準(zhǔn)則和算法7.2.3 按對角陣加權(quán)線性最小方差最優(yōu)融合估計準(zhǔn)則和算法7.3 多傳感器信息融合Kalman濾波器和預(yù)報器7.4 多傳感器信息融合穩(wěn)態(tài)Kal。man濾波器和預(yù)報器7.5 加權(quán)觀測融合Kalman濾波器7.6 帶不同觀測陣的兩種加權(quán)觀測融合Kalman濾波器的功能等價性7.6.1 集中式觀測融合Kalman濾波器7.6.2 加權(quán)觀測融合Kalman濾波算法7.6.3 加權(quán)觀測融合。Kalman濾波算法7.6.4 觀測融合Kalman濾波算法的功能等價性第8章 模型算法控制8.1 算法原理8.1.1 脈沖響應(yīng)模型8.1.2 模型預(yù)測與反饋校正8.1.3 優(yōu)化控制：單入單出情形8.1.4 優(yōu)化控制：多入多出情形8.2 約束的處理8.3 預(yù)測控制的一般實(shí)施方式第9章 動態(tài)矩陣控制9.1 階躍響應(yīng)模型及其辨識9.2 算法原理9.2.1 單入單出情形9.2.2 單入單出情形：另一種推導(dǎo)方式9.2.3 多入多出情形9.2.4.MATLAB工具箱的說明9.3 約束的處理第10章 廣義預(yù)測控制10.1 算法原理10.1.1 預(yù)測模型10.1.2 丟番圖方程的解法10.1.3 滾動優(yōu)化10.1.4 在線辨識與校正10.2 一些基本性質(zhì)10.3 多變量系統(tǒng)和約束系統(tǒng)情形10.3.1 多變量廣義預(yù)測控制10.3.2 約束的處理參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.1.1控制理論的發(fā)展歷史　　控制理論是在人類征服自然的生產(chǎn)實(shí)踐活動中孕育、產(chǎn)生，并隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展、完善起來的?！　≡诠糯瑒趧尤嗣窬蛻{借生產(chǎn)實(shí)踐中積累的豐富經(jīng)驗和對反饋概念的直觀認(rèn)識，發(fā)明了許多閃爍著控制理論智慧火花的杰作。例如，我國北宋時代蘇頌和韓公廉（公元1086-1089）利用天衡裝置制造的水運(yùn)儀象臺，就是一個按負(fù)反饋原理構(gòu)成的閉環(huán)非線性自動控制系統(tǒng)。　　1681年：Dennis Papin發(fā)明了用做安全調(diào)節(jié)裝置的鍋爐壓力調(diào)節(jié)器；1765年俄國人普爾佐諾夫（I.Polzunov）發(fā)明了蒸汽鍋爐水位調(diào)節(jié)器：1788年，英國人瓦特（James Watt）在他發(fā)明的蒸汽機(jī)上使用了離心調(diào)速器，解決了蒸汽機(jī)的速度控制問題，引起了人們對控制技術(shù)的重視。以后人們曾經(jīng)試圖改善調(diào)速器的準(zhǔn)確性，卻常常導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩?！　?shí)踐中出現(xiàn)的問題，促使科學(xué)家們從理論上進(jìn)行探索研究。1868年，英國物理學(xué)家麥克斯韋（J.C.Maxwell）通過對調(diào)速系統(tǒng)線性常微分方程的建立和分析，解釋了瓦特速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題，開辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)的途徑。此后，英國數(shù)學(xué)家勞斯（E.J.Routh）和德國數(shù)學(xué)家古爾維茨（A.Hurwitz）分別在1877年和1895年獨(dú)立地建立了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。這些方法奠定了經(jīng)典控制理論中時域分析法的基礎(chǔ)。　　1932年，美國物理學(xué)家奈奎斯特（H.Nyquist）研究了長距離電話線信號傳輸中出現(xiàn)的失真問題，運(yùn)用復(fù)變函數(shù)理論建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)，奠定了頻率響應(yīng)法的基礎(chǔ)’。隨后，伯德（H.W Bode）和尼柯爾斯（N.B.Nichols）在20世紀(jì)30年代末和40年代初進(jìn)一步將頻率響應(yīng)法加以發(fā)展，形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法。為工程技術(shù)人員提供了一個設(shè)計反饋控制系統(tǒng)的有效工具?！　?948年，美國科學(xué)家伊萬斯（W R.Evans）創(chuàng)立了根軌跡分析方法，為分析系統(tǒng)性能隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律性提供了有力工具，被廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計中。第二次世界大戰(zhàn)期間，反饋控制方法被廣泛用于設(shè)計飛機(jī)自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)及其他軍用系統(tǒng)?！　　?/pre>








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