現(xiàn)代控制工程

前言

　　1948年美國數(shù)學(xué)家維納發(fā)表了著名的《控制論》，從而基本上形成了經(jīng)典控制理論，使控制工程有了扎實(shí)的理論支撐?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及對(duì)自動(dòng)控制的程度、精度、速度、范圍等要求越來越高，特別是上世紀(jì)60年代以來，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，奠定了自動(dòng)控制理論和技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，現(xiàn)代控制理論逐步形成了重要的現(xiàn)代科學(xué)分支。　　經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，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(jīng)典控制理論是與生產(chǎn)過程的局部自動(dòng)化相適應(yīng)的，它具有明顯的依靠手工進(jìn)行分析和綜合的特點(diǎn)，這個(gè)特點(diǎn)是與上世紀(jì)40～50年代生產(chǎn)發(fā)展的狀況，以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展水平尚處于初期階段密切相關(guān)的。而現(xiàn)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、定常或時(shí)變的?，F(xiàn)代控制理論的研究方法本質(zhì)上是一種時(shí)域方法，即所謂狀態(tài)空間法，它的分析和綜合目標(biāo)是要揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在一定意義下的最佳化?，F(xiàn)代控制理論是60年代人類探索空間的需要，也是電子計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展和普及的產(chǎn)物。縱觀控制理論及工程應(yīng)用的發(fā)展過程，有幾個(gè)非常突出的特點(diǎn)：重大需求驅(qū)動(dòng)，堅(jiān)實(shí)理論指引，眾多學(xué)科支撐，快速技術(shù)輻射。　　現(xiàn)代化生產(chǎn)與科技的發(fā)展，機(jī)電裝備及過程的功能需求日趨復(fù)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(nèi)的各種物理過程的非線性、時(shí)變特征更為突出，過程之間的耦合關(guān)系更為復(fù)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(xué)習(xí)控制理論及工程的相關(guān)知識(shí)，利用其多學(xué)科交叉、內(nèi)涵豐富、外延寬廣的特點(diǎn)，有利于培養(yǎng)寬口徑、多面手、綜合復(fù)合型人才；掌握其突出的方法論性質(zhì)的科學(xué)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(jī)械工程領(lǐng)域的高層次人才掌握現(xiàn)代控制乃至智能控制的基本理論及其最新進(jìn)展，無論對(duì)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(shù)素質(zhì)，都具有重大意義。

內(nèi)容概要

本書主要介紹現(xiàn)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(jī)械工程中的應(yīng)用。內(nèi)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(shè)計(jì)；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(xiàn)代控制基本理論的物理內(nèi)涵，著重勾勒現(xiàn)代控制中線性系統(tǒng)理論的整體構(gòu)架，強(qiáng)調(diào)控制理論和機(jī)械工程應(yīng)用背景的結(jié)合，以及學(xué)習(xí)者利用MATLAB等軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)的能力。    本書適合機(jī)械類包括機(jī)電一體化工程、機(jī)械制造及自動(dòng)化和機(jī)械電子工程等專業(yè)研究生和高年級(jí)本科生用作教材，也可供有關(guān)專業(yè)技術(shù)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(xiàn)代復(fù)雜機(jī)電控制系統(tǒng)分析  1.3  經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的特點(diǎn)  1.4  現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)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(shù)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(shù)矩陣  2.7  狀態(tài)方程的線性變換  2.8  機(jī)電液系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的建立  2.9  基于Matlab的系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換  習(xí)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(shù)函數(shù)    3.2.1  矩陣指數(shù)函數(shù)的性質(zhì)    3.2.2  矩陣指數(shù)函數(shù)應(yīng)用  3.3  狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣  3.4  非齊次狀態(tài)方程的解——控制系統(tǒng)的受控運(yùn)動(dòng)  3.5  線性時(shí)變系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析  3.6  基于MATLAB的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析  習(xí)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(shí)變系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析  習(xí)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(zhǔn)則    5.2.1  線性定常連續(xù)系統(tǒng)的可控性及其判據(jù)    5.2.2  線性時(shí)變系統(tǒng)的可控性判據(jù)  5.3  可觀測性及其判據(jù)    5.3.1  線性定常連續(xù)系統(tǒng)的可觀測性及其判據(jù)    5.3.2  線性時(shí)變系統(tǒng)的可觀測性及其判據(jù)  5.4  可控標(biāo)準(zhǔn)型與可測標(biāo)準(zhǔn)型    5.4.1  可控標(biāo)準(zhǔn)型    5.4.2  可測標(biāo)準(zhǔn)型    5.4.3  對(duì)偶系統(tǒng)與對(duì)偶原理  5.5  可控性、可測性與系統(tǒng)傳遞函數(shù)的關(guān)系  5.6  基于Matlab的系統(tǒng)可控性與可觀測性分析  習(xí)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(duì)兩種反饋形式的討論  6.2  系統(tǒng)極點(diǎn)(即特征值)配置    6.2.1  系統(tǒng)極點(diǎn)配置的方法    6.2.2  對(duì)于狀態(tài)反饋與輸出反饋的幾點(diǎn)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(jìn)行控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計(jì)  習(xí)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(dòng)態(tài)規(guī)劃  7.5  線性二次型最優(yōu)控制    7.5.1  有限時(shí)間狀態(tài)調(diào)節(jié)器問題    7.5.2  無限時(shí)間輸出調(diào)節(jié)器問題    7.5.3  線性定常調(diào)節(jié)器問題  7.6  應(yīng)用MATLAB解線性二次型最優(yōu)控制問題  習(xí)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(chǔ)    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(shù)  8.2  離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式的建立    8.2.1  系統(tǒng)連續(xù)部分狀態(tài)空間表達(dá)式的離散化    8.2.2  由差分方程求狀態(tài)空間表達(dá)式    8.2.3  由z傳遞函數(shù)求狀態(tài)空間表達(dá)式  8.3  離散系統(tǒng)的傳遞矩陣  8.4  離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)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(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　電動(dòng)汽車使用的都是成組的電池（圖1-11）。根據(jù)電池特性，對(duì)電池組實(shí)施有效的管理對(duì)于確保電動(dòng)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(zhǔn)確估計(jì)是實(shí)現(xiàn)電池高效管理的關(guān)鍵因素，也是進(jìn)行能量管理策略研究的基礎(chǔ)。電池組的內(nèi)部牽扯到固、液、氣三相反應(yīng)，電池老化及環(huán)境適應(yīng)性等會(huì)導(dǎo)致參數(shù)變化，是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變非線性系統(tǒng)，很難建立SOC與電池外部特性參數(shù)（電流、電壓等）之間的關(guān)系模型。將SOC作為電池內(nèi)部狀態(tài)之一，借助現(xiàn)代控制理論的卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)SOC估計(jì)是當(dāng)前研究的主要及有效思路。西安交大電動(dòng)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(yīng)卡爾曼濾波的s0C估計(jì)技術(shù)及組合SOC估計(jì)方法等電源管理方面作了大量的研究并取得重要進(jìn)展?！　‰S著微機(jī)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(chǎn)效率即封裝速度逐年遞增，對(duì)封裝設(shè)備與光電子器件制造裝備的工作極限提出了挑戰(zhàn)：高運(yùn)行加速度（>6g），高運(yùn)動(dòng)精度（主要是定位精度

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