現代控制工程
出版時間：2010-9 出版社：西安交通大學出版社 作者：王軍平，董霞 主編 頁數：220
前言
1948年美國數學家維納發(fā)表了著名的《控制論》，從而基本上形成了經典控制理論，使控制工程有了扎實的理論支撐?，F代科學技術的迅速發(fā)展，以及對自動控制的程度、精度、速度、范圍等要求越來越高，特別是上世紀60年代以來，電子計算機技術的迅猛發(fā)展，奠定了自動控制理論和技術的物質基礎，現代控制理論逐步形成了重要的現代科學分支?！ 〗浀淇刂评碚撘詡鬟f函數為基礎，主要研究單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)的分析和控制問題。經典控制理論是與生產過程的局部自動化相適應的，它具有明顯的依靠手工進行分析和綜合的特點，這個特點是與上世紀40～50年代生產發(fā)展的狀況，以及電子計算機技術的發(fā)展水平尚處于初期階段密切相關的。而現代控制理論主要用來解決多輸入多輸出系統(tǒng)的問題，系統(tǒng)可以是線性或非線性的、定?；驎r變的。現代控制理論的研究方法本質上是一種時域方法，即所謂狀態(tài)空間法，它的分析和綜合目標是要揭示系統(tǒng)的內在規(guī)律，實現系統(tǒng)在一定意義下的最佳化。現代控制理論是60年代人類探索空間的需要，也是電子計算機飛速發(fā)展和普及的產物?？v觀控制理論及工程應用的發(fā)展過程，有幾個非常突出的特點：重大需求驅動，堅實理論指引，眾多學科支撐，快速技術輻射?！ ‖F代化生產與科技的發(fā)展，機電裝備及過程的功能需求日趨復雜，精度、速度等要求日趨極限，載有的物理過程更趨極端，系統(tǒng)內的各種物理過程的非線性、時變特征更為突出，過程之間的耦合關系更為復雜，更好的性能控制為解決這些問題提供了可能。另一方面，學習控制理論及工程的相關知識，利用其多學科交叉、內涵豐富、外延寬廣的特點，有利于培養(yǎng)寬口徑、多面手、綜合復合型人才；掌握其突出的方法論性質的科學方法，有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才；掌握其突出系統(tǒng)與集成的思想方法，有利于培養(yǎng)“將才”與“帥才”。因此，機械工程領域的高層次人才掌握現代控制乃至智能控制的基本理論及其最新進展，無論對于解決重大科技需求，還是培養(yǎng)“將才”與“帥才”所要求的綜合理論與技術素質，都具有重大意義。
內容概要
本書主要介紹現代控制理論中的線性系統(tǒng)基本理論、最優(yōu)控制以及離散系統(tǒng)控制理論及其在機械工程中的應用。內容包括：控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、狀態(tài)空間分析(即狀態(tài)方程的解)、李亞普諾夫穩(wěn)定性分析、可控性與可測性分析；以及系統(tǒng)的狀態(tài)反饋與觀測器設計；系統(tǒng)的最優(yōu)控制；離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述及分析。 本書注重現代控制基本理論的物理內涵，著重勾勒現代控制中線性系統(tǒng)理論的整體構架，強調控制理論和機械工程應用背景的結合，以及學習者利用MATLAB等軟件進行控制系統(tǒng)的分析設計的能力。 本書適合機械類包括機電一體化工程、機械制造及自動化和機械電子工程等專業(yè)研究生和高年級本科生用作教材，也可供有關專業(yè)技術人員參考。
書籍目錄
第1章 緒論 1.1 控制理論及工程的發(fā)展 1.2 現代復雜機電控制系統(tǒng)分析 1.3 經典控制理論與現代控制理論的特點 1.4 現代控制理論的基本內容第2章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述 2.1 基本概念 2.2 系統(tǒng)狀態(tài)空間描述 2.3 由系統(tǒng)微分方程列寫狀態(tài)空間描述 2.4 由傳遞函數列寫狀態(tài)空間描述 2.5 非線性狀態(tài)方程的線性化 2.6 系統(tǒng)的傳遞函數矩陣 2.7 狀態(tài)方程的線性變換 2.8 機電液系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式的建立 2.9 基于Matlab的系統(tǒng)模型轉換 習題第3章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析——狀態(tài)方程的解 3.1 線性定常齊次狀態(tài)方程的解 3.2 矩陣指數函數 3.2.1 矩陣指數函數的性質 3.2.2 矩陣指數函數應用 3.3 狀態(tài)轉移矩陣 3.4 非齊次狀態(tài)方程的解——控制系統(tǒng)的受控運動 3.5 線性時變系統(tǒng)的運動分析 3.6 基于MATLAB的系統(tǒng)運動分析 習題第4章 控制系統(tǒng)的李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 4.1 李亞普諾夫意義下的穩(wěn)定性 4.2 判別系統(tǒng)穩(wěn)定的李亞普諾夫方法 4.2.1 Lyapunov第一法 4.2.2 Lyapunov第二法 4.3 線性系統(tǒng)的Lyapunov穩(wěn)定性分析 4.3.1 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 4.3.2 線性時變系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 習題第5章 控制系統(tǒng)的可控性與可測性——系統(tǒng)分析(定性分析) 5.1 可控性與可測性的概念 5.1.1 問題的提出 5.1.2 可控性與可觀測性的概念 5.2 可控性的判別準則 5.2.1 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的可控性及其判據 5.2.2 線性時變系統(tǒng)的可控性判據 5.3 可觀測性及其判據 5.3.1 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的可觀測性及其判據 5.3.2 線性時變系統(tǒng)的可觀測性及其判據 5.4 可控標準型與可測標準型 5.4.1 可控標準型 5.4.2 可測標準型 5.4.3 對偶系統(tǒng)與對偶原理 5.5 可控性、可測性與系統(tǒng)傳遞函數的關系 5.6 基于Matlab的系統(tǒng)可控性與可觀測性分析 習題第6章 系統(tǒng)的狀態(tài)反饋與觀測器——系統(tǒng)綜合問題 6.1 狀態(tài)反饋與輸出反饋 6.1.1 狀態(tài)反饋和輸出反饋 6.1.2 對兩種反饋形式的討論 6.2 系統(tǒng)極點(即特征值)配置 6.2.1 系統(tǒng)極點配置的方法 6.2.2 對于狀態(tài)反饋與輸出反饋的幾點說明 6.3 狀態(tài)觀測器 6.3.1 狀態(tài)觀測器模型 6.3.2 求狀態(tài)觀測器增益矩陣的方法 6.4 采用觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng) 6.5 降維觀測器 6.6 用MATLAB進行控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設計 習題第7章 最優(yōu)控制 7.1 概述 7.2 最優(yōu)控制的變分法 7.3 有約束最優(yōu)控制的極小值原理 7.4 動態(tài)規(guī)劃 7.5 線性二次型最優(yōu)控制 7.5.1 有限時間狀態(tài)調節(jié)器問題 7.5.2 無限時間輸出調節(jié)器問題 7.5.3 線性定常調節(jié)器問題 7.6 應用MATLAB解線性二次型最優(yōu)控制問題 習題第8章 離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述和分析 8.1 離散系統(tǒng)分析基礎 8.1.1 脈沖采樣與采樣定理 8.1.2 保持器 8.1.3 z變換與z反變換 8.1.4 離散系統(tǒng)的差分方程 8.1.5 線性定常離散系統(tǒng)的z傳遞函數 8.2 離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式的建立 8.2.1 系統(tǒng)連續(xù)部分狀態(tài)空間表達式的離散化 8.2.2 由差分方程求狀態(tài)空間表達式 8.2.3 由z傳遞函數求狀態(tài)空間表達式 8.3 離散系統(tǒng)的傳遞矩陣 8.4 離散系統(tǒng)的運動分析 8.5 離散系統(tǒng)的李亞普諾夫穩(wěn)定性分析 8.6 離散系統(tǒng)的可控性與可觀測性 8.7 基于MATLAB的離散系統(tǒng)分析 8.7.1 用MATLAB實現線性定常連續(xù)系統(tǒng)的離散化 8.7.2 用MATLAB求解線性定常離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程 8.7.3 用MATLAB判斷線性定常離散系統(tǒng)的可控性與可測性 習題參考文獻
章節(jié)摘錄
電動汽車使用的都是成組的電池（圖1-11）。根據電池特性，對電池組實施有效的管理對于確保電動汽車的安全，保持電池組性能，延長電池組壽命，提高電池使用效率具有重要意義。電池荷電狀態(tài)即SOC的準確估計是實現電池高效管理的關鍵因素，也是進行能量管理策略研究的基礎。電池組的內部牽扯到固、液、氣三相反應，電池老化及環(huán)境適應性等會導致參數變化，是一個復雜的時變非線性系統(tǒng)，很難建立SOC與電池外部特性參數（電流、電壓等）之間的關系模型。將SOC作為電池內部狀態(tài)之一，借助現代控制理論的卡爾曼濾波技術進行動態(tài)SOC估計是當前研究的主要及有效思路。西安交大電動汽車與系統(tǒng)控制研究所在電池組的智能非線性模型、基于自適應卡爾曼濾波的s0C估計技術及組合SOC估計方法等電源管理方面作了大量的研究并取得重要進展?！ ‰S著微機電系統(tǒng)的興起，器件集成度越來越高，芯片尺寸、引線和焊盤直徑、引線間距持續(xù)減小以及生產效率即封裝速度逐年遞增，對封裝設備與光電子器件制造裝備的工作極限提出了挑戰(zhàn)：高運行加速度（>6g），高運動精度（主要是定位精度
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