现代控制系统设计与仿真

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页数:188
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出版时间:2012-5
价格:45.00元
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isbn号码:9787030341020
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  • XXX
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具体描述

《现代控制系统设计与仿真:使用PIMCSD工具箱》内容分为上下两篇,结合自主研发的PIMCSD工具箱讲述LQG与H∞最优控制系统的基本理论,以及设计与仿真的实现。上篇讲述了基于PIMCSD工具箱的无限长时间定常控制器(调节器)/滤波器的设计与仿真,包括基于MATLAB最优控制系统设计的传统教材的大部分内容;下篇讲述了有限长时间LOG与H∞最优控制系统设计与仿真在PIMCSD工具箱中的功能和实现,包括有限长时间LQG控制系统的时变软/硬终端控制、跟踪、滤波、平滑与估计,以及有限长时间H∞控制系统的临界范数、时变H∞全状态反馈控制、H∞滤波和H∞输出反馈控制等内容。PIMCSD工具箱为相关领域有限长时间控制问题的分析与求解提供了强有力的支持,是目前MATLAB控制工具箱所木具备的,对它的介绍和使用也是《现代控制系统设计与仿真:使用PIMCSD工具箱》的主要特色。

《现代控制系统设计与仿真》 引言 在当今科技飞速发展的时代,控制系统已渗透到国民经济的各个领域,从精密的工业自动化到日常生活中触手可及的智能设备,无不体现着控制系统的重要作用。理解和掌握现代控制系统的设计原理与仿真技术,是工程师和研究人员应对复杂工程挑战、实现系统优化与创新的关键。本书旨在为读者提供一个全面而深入的学习平台,系统地阐述现代控制系统的理论基础、设计方法以及在工程实践中的应用。 第一部分:控制系统理论基础 1. 系统建模与描述 数学模型:本书将从系统的物理本质出发,引导读者理解如何建立系统的数学模型。我们将重点介绍线性定常系统(LTI)的描述方法,包括微分方程、传递函数以及状态空间方程。读者将学习如何根据实际物理过程(如机电系统、热力系统、流体系统等)推导出相应的数学模型。 时域与频域分析:理解系统的动态特性离不开时域和频域的分析。我们将详细讲解线性系统在阶跃响应、脉冲响应等时域信号作用下的行为特征,以及伯德图、奈奎斯特图等频域分析工具如何揭示系统的稳定性、频率响应和带宽。 稳定性理论:系统的稳定性是控制系统设计中最基本的要求。本书将深入探讨稳定性概念,包括李雅普诺夫稳定性、可控性与可观性等关键概念,以及判断系统稳定性的各种方法,如根轨迹法、Routh-Hurwitz判据和Nyquist判据。 2. 反馈控制原理 负反馈的优势:我们将阐述负反馈在提高系统精度、降低系统对干扰的敏感度、改善系统动态响应和扩展系统带宽等方面的核心作用。 PID 控制器:作为应用最广泛的控制器,PID(比例-积分-微分)控制器将在本书中得到详尽的介绍。读者将学习PID控制器的原理,理解比例、积分和微分环节的作用,并通过理论推导和实例分析掌握PID参数的整定方法,如Ziegler-Nichols法、手动整定法等。 前馈控制:除了反馈控制,前馈控制作为一种有效的预补偿策略,也将被详细讨论。读者将学习前馈控制如何利用测量到的扰动信号来提前调整控制输出,从而进一步提高系统的抗扰能力。 第二部分:现代控制系统设计方法 1. 状态空间法 基本概念:本书将系统地介绍状态空间描述,这是一种更为强大和通用的系统表示方法,特别适用于多输入多输出(MIMO)系统和非线性系统。我们将讲解状态变量的选择、状态方程和输出方程的建立。 可控性与可观性:可控性是指系统状态可以通过输入信号任意改变的能力,而可观性是指系统内部状态可以通过输出信号测量得到的能力。这些概念是设计状态反馈控制器和状态观测器的基础,本书将通过严谨的数学推导和丰富的示例来阐释。 状态反馈控制:我们将重点介绍如何设计状态反馈控制器,以实现期望的系统动态性能,如极点配置。读者将学习如何根据指定的闭环极点位置来确定状态反馈增益矩阵。 状态观测器设计:在实际系统中,并非所有状态变量都可以直接测量。状态观测器能够根据系统的输入和输出信号来估计不可测量的状态变量。本书将介绍Luenberger观测器等经典观测器设计方法,并探讨其在提高系统鲁棒性方面的作用。 2. 先进控制策略 最优控制:在许多应用中,我们不仅希望系统稳定,还希望系统在某些性能指标(如能量消耗、响应时间)上达到最优。本书将介绍线性二次型调节器(LQR)等基于优化理论的控制方法,帮助读者设计满足最优性能要求的控制器。 鲁棒控制:现实世界中的系统往往存在不确定性(如参数变化、外部干扰)。鲁棒控制旨在设计控制器,使其在一定范围内的模型不确定性下仍能保持良好的性能和稳定性。我们将介绍H∞控制等经典鲁棒控制技术。 模型预测控制(MPC):MPC是一种先进的控制策略,它利用系统的模型预测未来一段时间内的系统行为,并通过优化算法在线计算控制输入,以达到期望的控制目标。本书将介绍MPC的基本原理、滚动优化和约束处理等关键技术。 自适应控制与模糊控制:对于参数会发生变化的系统,自适应控制能够实时调整控制器参数以适应系统变化。模糊控制则是一种基于模糊逻辑的控制方法,适用于难以建立精确数学模型的系统。本书将对这些前沿控制技术进行介绍,为读者打开更广阔的视野。 第三部分:控制系统仿真技术 1. 仿真软件介绍与应用 MATLAB/Simulink:作为工程领域最常用的仿真平台,MATLAB和Simulink将在本书中得到重点介绍。我们将详细讲解如何利用MATLAB的强大计算能力进行系统建模、分析和控制器设计,并利用Simulink的可视化环境构建复杂的控制系统框图,进行动态仿真。 其他仿真工具:除了MATLAB/Simulink,本书还将简要介绍其他一些常用的仿真软件,如Python的SciPy/NumPy库,以及专门的控制系统设计工具,使读者能够根据实际需求选择合适的工具。 2. 仿真流程与技巧 模型建立与参数化:详细讲解如何在仿真环境中准确地建立系统的模型,包括导入已有的模型、手动构建模型以及模型参数的设置。 控制器实现与集成:介绍如何将设计的控制器(PID、状态反馈、MPC等)在仿真环境中实现,并将其与系统模型集成,形成闭环控制系统。 仿真实验设计与数据分析:指导读者如何设计合理的仿真实验,包括选择合适的输入信号、仿真时间、步长等。同时,将讲解如何对仿真结果进行可视化展示和数据分析,如绘制时域响应曲线、频域特性图,计算性能指标等。 参数整定与优化仿真:利用仿真平台进行控制器的参数整定和性能优化,探索不同参数组合对系统性能的影响,找到最优的参数配置。 3. 典型案例仿真分析 机器人轨迹跟踪仿真:通过仿真,展示如何设计控制系统实现机器人的精确轨迹跟踪,并分析不同控制器对跟踪精度的影响。 航空航天飞行器姿态控制仿真:以飞行器姿态控制为例,介绍如何利用状态空间法和最优控制技术设计控制器,并通过仿真验证其稳定性和性能。 化工过程温度控制仿真:展示如何为化工过程中的温度控制设计PID或MPC控制器,并分析其在应对温度扰动时的效果。 自动驾驶车辆速度与转向控制仿真:通过仿真模型,模拟自动驾驶车辆的速度和转向控制,展示先进控制策略在复杂动态环境下的应用。 第四部分:现代控制系统在工程中的应用 1. 工业自动化与过程控制:详细介绍控制系统在制造业、石化、电力等行业中的应用,如PLC控制、DCS系统、机器人协作等。 2. 航空航天与国防:阐述控制系统在飞机、导弹、卫星等平台上的作用,如导航、制导、姿态控制等。 3. 汽车工程:分析现代汽车中广泛应用的控制系统,如发动机管理系统、ABS、ESP、自适应巡航控制等。 4. 生物医学工程:介绍控制系统在医疗设备中的应用,如人工胰岛素泵、呼吸机、手术机器人等。 5. 新能源与智能电网:探讨控制系统在风力发电、太阳能发电、电网稳定性控制等领域的关键作用。 结语 本书的编写旨在为读者构建一个坚实的理论基础,并提供实用的设计与仿真工具。通过对本书的学习,读者将能够独立地分析和设计各类现代控制系统,并熟练运用仿真技术对其进行验证和优化。我们希望本书能成为您在控制工程领域探索与创新的有力伙伴。

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我花了整整一个周末的时间,沉浸在这本学术著作的海洋中,其内容的深度和广度完全超出了我的预期。作者显然在相关领域有着极其深厚的积累,他并没有满足于罗列现有的控制理论,而是深入挖掘了其背后的物理意义和工程哲学。书中对经典控制理论的梳理清晰流畅,但更令人称道的是,它对现代控制方法论的阐述达到了一个前所未有的高度。例如,在分析最优控制的收敛性时,作者引入了非线性分析的工具,使得原本晦涩的证明过程变得逻辑严密且易于跟进。更别提那些关于鲁棒性和自适应控制的章节,作者巧妙地将抽象的数学工具与实际的系统不确定性问题紧密结合,为解决现实世界中的工程难题提供了坚实的理论支撑。我发现,很多我之前在其他资料中感到困惑的细节,在这本书里都得到了圆满的解答,它迫使我跳出“套公式”的思维定势,真正开始思考“为什么”和“如何做”。

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坦白讲,这本书的阅读体验是充满挑战的,但也是极具回报的。它的难度并非那种故弄玄虚的晦涩,而是源于内容本身所固有的复杂性。对于没有扎实的线性代数和微分方程基础的读者来说,初期可能会感到吃力,尤其是前几章对状态空间表示法的深入探讨,要求读者必须保持高度的专注力。我甚至有好几次不得不停下来,翻阅其他参考书来巩固基础概念,才能继续往下走。然而,正是这种适度的“挫折感”,让我对掌握的每一个知识点都更加珍视。书中那些深入到数学本质的探讨,避免了工程学中常见的“黑箱”操作,让我对所使用的算法的局限性有了清晰的认识,避免了盲目自信。这种要求读者主动投入精力去啃硬骨头的写作风格,筛选出了真正有志于深耕此领域的读者,非常佩服作者这种不媚俗的学术态度。

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这本书的装帧和设计简直是教科书级别的典范,封面简洁大气,书脊的烫金字体在阳光下熠熠生辉,让人一看就知道这不是一本普通的教材。内页的纸张选用的是那种偏米黄色的护眼纸,长时间阅读也不会感到眼睛疲劳,这一点对于我们这些经常需要伏案钻研的工程师来说,简直是福音。排版布局也十分考究,章节标题和正文之间的留白恰到好处,使得逻辑层次一目了然。而且,很多关键公式和定理的推导过程都配上了精美的图示,那些复杂的数学表达式不再是冷冰冰的符号堆砌,而是有血有肉地呈现在读者面前,仿佛有位经验丰富的老教授在旁边耐心为你讲解。我尤其欣赏作者在细节上的匠心,比如术语的首次出现都会用粗体或斜体标注,这极大地帮助了初学者快速建立起专业词汇体系。总而言之,从拿到书的那一刻起,我就感觉到它不仅仅是一本知识的载体,更是一件精心打磨的工艺品,阅读它本身就是一种享受,这种对书籍物理形态的尊重,无疑提升了学习的愉悦感和效率。

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这本书的实战价值高到令人咋舌,完全不是那种“纸上谈兵”的理论堆砌。我特别喜欢作者在每个理论模块后面都紧跟着设计案例分析,这些案例的选择非常贴近工业界的实际需求,涵盖了从航空航天到过程控制等多个领域。这些案例的分析步骤详尽得令人印象深刻:首先是系统建模的挑战,接着是选取合适控制器的考量,最后是仿真验证和参数调优的经验总结。作者在描述仿真过程时,甚至细致到了特定软件工具包(尽管我没用那个工具)的操作习惯和注意事项,这表明作者对工程实践有着切身的体会。对于我这种刚从学校步入研发岗位的年轻人来说,这本书简直就是一本即插即用的“高级工具箱”,它教我的不仅仅是知识,更是解决实际工程问题的思维框架和操作规范,极大地缩短了我的学习曲线。

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如果说有什么不足,那可能就是这本书的参考文献的广度上可以再加强一些。虽然作者引用的经典文献已经足够权威,但对于近五到十年内,尤其是在智能优化算法与深度学习结合的控制前沿领域,似乎引用得相对保守。当然,理解作者的侧重点可能在于建立坚实的经典控制基础,这本身无可厚非,毕竟“万变不离其宗”。但对于希望将这本书作为探索最尖端动态系统控制的起点,读者可能还需要额外补充近期的期刊论文。不过话又说回来,一本优秀的教材首先要保证其理论的稳定性和长久适用的价值,在这方面,这本书无疑做到了极致。它为我们构建了一个坚不可摧的理论基石,站在这块基石上,再去眺望前沿领域,无疑会更加稳健和清晰。总而言之,这是一本值得反复研读,并终将成为我工具柜中常备工具书的力作。

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