現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用

前言

　　現(xiàn)代控制理論自從20世紀(jì)50年代末、60年代初開始建立，經(jīng)過五十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了具有豐富內(nèi)容、涉及面廣的學(xué)科。所涉及的數(shù)學(xué)概念與方法之多、之深、之新，且又緊密結(jié)合工程應(yīng)用，具有非常廣泛的實(shí)際背景，這在其他工科專業(yè)的理論與方法體系中是不多見的。通常將“線性系統(tǒng)理論”、“最優(yōu)控制與最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)”與“系統(tǒng)辨識(shí)”作為現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容，要求教學(xué)中既要講清這些現(xiàn)代數(shù)學(xué)與控制理論的基本概念和方法，建立控制理論的獨(dú)特的思維方式，又要在控制理論與控制工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用中架橋鋪路，這給現(xiàn)代控制理論課的教學(xué)帶來極大的困難與挑戰(zhàn)。本書編著者近十年為工程碩士研究生講授《現(xiàn)代控制理論》課程，在教材內(nèi)容的選取和教學(xué)方法上都曾付諸心血，力圖講授好現(xiàn)代控制理論課?！　」こ檀T士研究生與工學(xué)碩士研究生有較大的區(qū)別。工程碩士研究生絕大多數(shù)是企業(yè)單位的骨干，畢業(yè)時(shí)間較長，進(jìn)校不離崗，單位的工作任務(wù)繁重。因此不能采用工學(xué)碩士研究生的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法來從事工程碩士研究生的專業(yè)課程教學(xué)，必須針對工程碩士研究生的特點(diǎn)，精選教學(xué)內(nèi)容，精心準(zhǔn)備教案，改革課堂教學(xué)方法，才能取得良好的教學(xué)效果。本人多年來從事控制工程領(lǐng)域的專業(yè)學(xué)位課程《現(xiàn)代控制理論》的教學(xué)工作，在教學(xué)中有一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，本書即是精選的教學(xué)內(nèi)容?！　【帉懕緯哪康氖鞘箤W(xué)生能獲得基本的現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)知識(shí)，掌握控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法、最優(yōu)控制方法和系統(tǒng)辨識(shí)方法，了解現(xiàn)代控制理論的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，結(jié)合具體的工程實(shí)際，了解現(xiàn)代控制理論在實(shí)際工程中的應(yīng)用。全書覆蓋“線性系統(tǒng)理論”、“最優(yōu)控制與最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)”和“系統(tǒng)辨識(shí)”三個(gè)現(xiàn)代控制理論基本的分支，簡略講述先進(jìn)控制技術(shù)，并輔以實(shí)際案例，這有別于目前已有的現(xiàn)代控制理論教材。

內(nèi)容概要

　　《現(xiàn)代控制理論及應(yīng)用》系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容，包括線性多變量系統(tǒng)的描述方法、系統(tǒng)的可控性與可觀性分析、狀態(tài)反饋與觀測器設(shè)計(jì)、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論、最優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)概念、經(jīng)典系統(tǒng)辨識(shí)方法、最小二乘類系統(tǒng)辨識(shí)方法、預(yù)測控制基本原理、魯棒控制基本原理等。并且，根據(jù)工程碩士研究生教學(xué)的特點(diǎn)，設(shè)置乙烯裂解爐解耦控制案例、反應(yīng)釜自適應(yīng)控制案例、聚酯生產(chǎn)過程卡爾曼濾波器應(yīng)用案例、精餾塔多變量預(yù)測控制案例、換熱器系統(tǒng)辨識(shí)案例、城市交通控制案例等?！　　冬F(xiàn)代控制理論及應(yīng)用》可作為控制工程領(lǐng)域工程碩士研究生、相關(guān)學(xué)科的碩士研究生和高年級本科生的教材，也可作為相關(guān)工廠企業(yè)的科技人員參考書。

書籍目錄

第1章　緒論1.1　自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷史1.2　現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容1.3　本書的內(nèi)容和特點(diǎn)第2章　線性多變量系統(tǒng)的描述2.1　線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述2.1.1　基本概念2.1.2　線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式2.1.3　線性連續(xù)定常系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程的解2.1.4　狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣及其性質(zhì)2.1.5　狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的求解方法2.1.6　非齊次狀態(tài)方程的解2.1.7　開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)2.2　線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣描述2.3　Rosenbrock系統(tǒng)矩陣描述2.3.1　Rosenbrock系統(tǒng)矩陣2.3.2　閉環(huán)系統(tǒng)及極點(diǎn)2.4　狀態(tài)空間描述與傳遞函數(shù)矩陣之間的轉(zhuǎn)換2.4.1　由系統(tǒng)的狀態(tài)方程求傳遞函數(shù)矩陣2.4.2　開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)2.4.3　線性變換后系統(tǒng)傳遞矩陣的不變性2.4.4　解耦系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2.4.5　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問題2.5　線性離散系統(tǒng)的描述第3章　線性系統(tǒng)的可控性、可觀性和標(biāo)準(zhǔn)形3.1　線性連續(xù)系統(tǒng)的可控性和可觀性3.1.1　狀態(tài)可控性3.1.2　輸出可控性3.1.3　可觀性3.1.4　可鎮(zhèn)定性與可檢測性3.2　線性系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形3.2.1　譜分解標(biāo)準(zhǔn)形3.2.2　可控標(biāo)準(zhǔn)形和可觀標(biāo)準(zhǔn)形的分解3.2.3　可控標(biāo)準(zhǔn)形3.2.4　可觀標(biāo)準(zhǔn)形3.2.5　傳遞函數(shù)陣標(biāo)準(zhǔn)形3.3　線性系統(tǒng)的零極點(diǎn)3.3.1　傳遞函數(shù)陣G（5）的零點(diǎn)和極點(diǎn)3.3.2　解耦零點(diǎn)3.4　線性離散系統(tǒng)的可控性與可觀性3.4.1　線性離散系統(tǒng)的可控性3.4.2　線性離散系統(tǒng)的可觀性第4章　線性系統(tǒng)狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)4.1　線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)反饋與極點(diǎn)配置4.1.1　狀態(tài)反饋4.1.2　極點(diǎn)配置4.1.3　并矢設(shè)計(jì)法4.1.4　滿秩設(shè)計(jì)方法4.2　狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)4.2.1　n維開環(huán)觀測器4.2.2　n維漸近觀測器4.2.3　Luenberger降維觀測器4.3　分離定理第5章　控制系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析5.1　穩(wěn)定性的基本概念5.1.1　李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性5.1.2　標(biāo)量函數(shù)V（x）的正定性5.2　李雅普諾夫穩(wěn)定性定理5.2.1　李雅普諾夫第一法5.2.2　李雅普諾夫第二法5.3　李雅普諾夫穩(wěn)定性理論在線性系統(tǒng)分析中的應(yīng)用5.3.1　線性連續(xù)定常系統(tǒng)穩(wěn)定性分析5.3.2　線性時(shí)變系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析5.3.3　線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析第6章　變分法及其在最優(yōu)控制中的應(yīng)用6.1　最優(yōu)控制的基本概念6.2　變分法的基本概念6.3　連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)最優(yōu)化問題的變分求解法6.3.1　無約束動(dòng)態(tài)最優(yōu)化6.3.2　橫截條件6.3.3　弱極值的充分條件6.3.4　非固定末端時(shí)刻動(dòng)態(tài)最優(yōu)化問題6.3.5　Euler—Lagrange方程和橫截條件的向量表示法6.3.6　具有等式約束的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化——拉格朗日乘子法6.4　連續(xù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制6.4.1　固定初始時(shí)刻與末端時(shí)刻的連續(xù)最優(yōu)控制問題6.4.2　初始時(shí)刻固定而末端時(shí)刻不固定的連續(xù)最優(yōu)控制問題第7章　極小值原理和典型最優(yōu)控制7.1　極小值原理7.2　典型最優(yōu)控制7.2.1　線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）問題7.2.2　線性伺服機(jī)構(gòu)7.2.3　Bang—Bang控制7.3　離散系統(tǒng)最優(yōu)控制第8章　動(dòng)態(tài)規(guī)劃及其在最優(yōu)控制中的應(yīng)用8.1　動(dòng)態(tài)規(guī)劃的基本思想8.1.1　最優(yōu)路徑問題8.1.2　多級決策問題的一般提法8.2　離散動(dòng)態(tài)規(guī)劃在離散系統(tǒng)最優(yōu)控制中的應(yīng)用　8.2.1　最優(yōu)性原理　8.2.2　離散系統(tǒng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃8.3　連續(xù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃及其在連續(xù)系統(tǒng)最優(yōu)控制中的應(yīng)用第9章　最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)9.1　隨機(jī)過程的基本理論9.1.1　引言9.1.2　隨機(jī)過程的概念9.1.3　隨機(jī)過程的數(shù)值特征9.1.4　平穩(wěn)過程和非平穩(wěn)過程9.1.5　平穩(wěn)隨機(jī)過程的遍歷性（各態(tài)歷經(jīng)性）9.2　典型隨機(jī)過程9.2.1　二階矩過程　 9.2.2　高斯（正態(tài)）過程　 9.2.3　馬爾可夫過程9.2.4　獨(dú)立增量過程9.2.5　維納過程（布朗運(yùn)動(dòng)）9.2.6　白噪聲過程9.3　隨機(jī)線性系統(tǒng)9.4　線性連續(xù)系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)9.5　線性離散系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)第10章　系統(tǒng)辨識(shí)的基本概念10.1　系統(tǒng)和模型10.1.1　系統(tǒng)10.1.2　模型10.2　辨識(shí)的定義10.3　辨識(shí)算法的基本原理10.4　辨識(shí)的內(nèi)容和步驟10.4.1　辨識(shí)目的和先驗(yàn)知識(shí)10.4.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)10.4.3　數(shù)據(jù)預(yù)處理10.4.4　模型結(jié)構(gòu)辨識(shí)10.4.5　模型參數(shù)辨識(shí)10.4.6　模型驗(yàn)證第11章　經(jīng)典辨識(shí)方法11.1　階躍響應(yīng)法11.1.1　近似法11.1.2　兩點(diǎn)法11.1.3　面積法11.1.4　拉氏變換法11.2　脈沖響應(yīng)法11.2.1　一階過程11.2.2　二階過程11.2.3　差分方程法11.2.4　Hankel矩陣法11.3　頻率響應(yīng)法第12章　現(xiàn)代辨識(shí)方法12.1　最小二乘辨識(shí)算法12.1.1　基本概念12.1.2　最小二乘問題的提法12.1.3　最小二乘問題的解12.1.4　最小二乘參數(shù)估計(jì)值的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)12.1.5　最小二乘參數(shù)估計(jì)的遞推算法12.2　自適應(yīng)辨識(shí)算法12.2.1　遺忘因子法12.2.2　限定記憶法12.3　偏差補(bǔ)償最小二乘法12.4　增廣最小二乘法12.5　廣義最小二乘法12.6　輔助變量法12.7　梯度校正方法12.8　隨機(jī)逼近法12.9　極大似然法第13章　先進(jìn)控制技術(shù)13.1　自適應(yīng)控制13.1.1　自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理與分類13.1.2　模型參考自適應(yīng)控制13.1.3　自校正控制13.2　模型預(yù)測控制13.2.1　預(yù)測控制原理13.2.2　動(dòng)態(tài)矩陣控制13.2.3　模型算法控制13.2.4　廣義預(yù)測控制13.3　魯棒控制13.3.1　對象的不確定性和系統(tǒng)的魯棒性13.3.2　H控制第14章　現(xiàn)代控制理論應(yīng)用若干案例14.1　乙烯裝置裂解爐爐管出口溫度解耦控制14.2　循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)自適應(yīng)控制14.3　基于卡爾曼濾波器的聚酯生產(chǎn)過程質(zhì)量指標(biāo)在線估計(jì)14.4　精餾過程多變量預(yù)測控制14.5　常壓蒸餾加熱爐的系統(tǒng)辨識(shí)14.6　城市交通系統(tǒng)動(dòng)態(tài)最優(yōu)分配模型參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒論　　現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展對自動(dòng)控制的程度、精度、速度及其適應(yīng)能力的要求越來越高，從而推動(dòng)了自動(dòng)控制理論和技術(shù)的迅速發(fā)展。特別是20世紀(jì)60年代以來，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為自動(dòng)控制理論及其應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，于是，現(xiàn)代控制理論逐步形成了一門融合系統(tǒng)論、控制論、信息論、數(shù)學(xué)以及其他各門學(xué)科的綜合性現(xiàn)代科學(xué)分支?！　?.1　自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷史　　自動(dòng)控制理論的萌芽在古代就開始，我國古人發(fā)明的指南車就應(yīng)用了反饋的原理。1788年J.Watt在發(fā)明蒸汽機(jī)的同時(shí)，應(yīng)用反饋的思想設(shè)計(jì)了離心式飛擺調(diào)速器——這是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)的方案。大工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際促進(jìn)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。1868年J.C.Maxwell發(fā)表的《論調(diào)速器》，論述了調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性；1876年俄國學(xué)者H，A維什涅格拉茨基發(fā)表著作《論調(diào)速器的一般理論》；1875年E.J.Routh和A.Hurwitz提出了根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判斷線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性方法；1927年H.S.Black發(fā)現(xiàn)采用負(fù)反饋線路的放大器，引入負(fù)反饋后，放大器系統(tǒng)對擾動(dòng)和放大器增益變化的敏感性大為降低。由于電子學(xué)、通信技術(shù)發(fā)展的需要，1932年H—NyqLlest采用頻率特性表示系統(tǒng)，提出了頻域穩(wěn)定性判據(jù)，很好地解決了Black放大器的穩(wěn)定性問題，而且可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，奠定了頻域法分析與綜合的基礎(chǔ)；1934.年H.L.Htazen發(fā)表《關(guān)于伺服機(jī)構(gòu)理論》；到了1938年，A.B.維哈伊洛夫發(fā)表《頻域法》，這標(biāo)志著經(jīng)典控制理論的誕生。為了更好地開展自動(dòng)控制理論的研究，蘇聯(lián)科學(xué)院于1939年設(shè)立了自動(dòng)學(xué)和遠(yuǎn)動(dòng)學(xué)研究所；同年，美國麻省理工學(xué)院建立了伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，開展自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)研究工作。1945年，H.w.Bode發(fā)表專著《網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計(jì)》，完善了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的頻域方法；1948年w.R.Evans提出了系統(tǒng)的根軌跡方法，進(jìn)一步完善了頻域分析方法。1954年，錢學(xué)森出版了《工程控制論》，全面總結(jié)了經(jīng)典控制理論，標(biāo)志著經(jīng)典控制理論的成熟。而維納(N.Weiner）于1948年發(fā)表了《控制論》，這部具有深遠(yuǎn)影響的著作標(biāo)志著控制論的誕生。

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