Control and Estimation of Systems with Input/Output Delays pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

出版者:Springer Verlag

作者:Zhang, Huanshui/ Xie, Lihua

出品人:

頁數:213

译者:

出版時間:

價格:1462.64元

裝幀:Pap

isbn號碼:9783540711186

叢書系列:

圖書標籤:

• Control Theory
• Estimation Theory
• Time Delay Systems
• Robust Control
• Observer Design
• Filtering
• Adaptive Control
• System Identification
• Mathematical Control
• Engineering

控製與估計係統中的時間延遲：理論、應用與挑戰 本書深入探討瞭在存在輸入輸齣時間延遲的復雜係統中，實現精確控製與可靠估計所麵臨的理論難題與實用技術。時間延遲，無論是由於物理傳輸、信號處理還是係統固有特性所緻，都是工程實踐中普遍存在且極具挑戰性的因素。它不僅可能削弱係統的穩定性，還可能嚴重影響控製器的性能和狀態估計的準確性。本書旨在為研究人員、工程師和高級學生提供一個全麵、深入的框架，以理解、建模和解決這類具有時間延遲的係統的動態行為。 第一部分：時間延遲係統的建模與分析基礎 本書首先構建瞭分析時間延遲係統的數學基礎。傳統的微分方程模型在處理延遲時需要擴展為延遲微分方程（DDEs）或使用狀態空間方法結閤延遲項。 1.1 延遲係統的數學描述與類型 我們詳細闡述瞭單輸入單輸齣（SISO）和多輸入多輸齣（MIMO）係統中延遲的建模方式。重點區分瞭純時間延遲（Pure Time Delay）、分布延遲（Distributed Delay）和狀態依賴型延遲（State-Dependent Delay）。對於綫性時不變（LTI）係統，引入瞭基於轉移矩陣和無窮維狀態空間（如無限維嚮量空間）的分析工具。對於非綫性係統，則探討瞭如何利用幾何方法或局部綫性化來處理延遲項的影響。 1.2 穩定性分析的復雜性 時間延遲的引入使得傳統的李雅普諾夫穩定性判據不再直接適用。本書深入研究瞭幾種關鍵的穩定性分析方法： 特徵方程分析： 對於LTI係統，我們分析瞭包含延遲參數的超越方程的根的分布。這需要藉助如準根法（Kharitonov’s method的推廣）來確定穩定性邊界。 李雅普諾夫-遲延泛函方法： 這是分析非綫性延遲係統的核心工具。本書詳細介紹瞭如何構造閤適的延遲泛函，並結閤瞭經典的李雅普諾夫函數，特彆是那些考慮瞭延遲狀態導數信息的變體，以確保漸近穩定性和指數穩定性。 無窮維空間分析： 對於包含純延遲的係統，其行為類似於無窮維係統。我們引入瞭半群理論（Semigroup Theory）來分析係統的解的存在性、唯一性和長期行為，特彆是對於綫性常微分延遲方程（DDEs）。 1.3 觀測性與可控性在延遲係統中的重新定義 在存在延遲的情況下，係統的可控性和可觀測性概念需要重新審視。對於離散時間延遲係統，我們探討瞭基於矩陣秩的標準判據如何被修正。對於連續時間係統，我們展示瞭如何使用無窮維的觀測矩陣和控製輸入矩陣來判斷係統的精確可控性與可觀測性。特彆地，討論瞭在存在傳感器或執行器延遲時，如何區分“局部可觀測性”與“全局可觀測性”的差異。 第二部分：基於延遲係統的精確控製策略 本部分側重於設計能夠有效補償時間延遲影響的控製算法，確保係統在存在不確定性下的性能和魯棒性。 2.1 預測控製：前瞻性控製的核心 模型預測控製（MPC）是處理時間延遲係統的理想選擇，因為它天然地利用瞭係統模型對未來的預測能力。 基於滯後模型的MPC（MPC with Lagged Models）： 我們詳細推導瞭如何將具有輸入延遲的係統轉化為具有擴展狀態的等效係統，從而可以直接應用標準的MPC優化框架。重點討論瞭在延遲較大或模型不確定性較高時，優化問題的求解效率和可行性。 精確前饋與延遲補償： 針對純輸入延遲，我們提齣瞭基於Smith預估器原理的精確前饋控製結構。本書從最優控製的角度重新審視瞭Smith預估器，並將其推廣到多變量、非綫性係統，重點討論瞭預估器模型誤差對整體控製性能的敏感性。 2.2 魯棒控製與延遲不確定性 時間延遲本身通常是係統模型中的不確定性來源。本書緻力於開發對延遲波動具有良好魯棒性的控製器。 $mathcal{H}_{infty}$ 控製設計： 針對係統存在模型不確定性和參數不確定性，我們使用$mathcal{H}_{infty}$範數最小化方法來設計控製器。關鍵在於如何將延遲項嵌入到加權函數的設計中，以確保在延遲變化範圍內閉環係統的性能指標得到滿足。 $D$-穩定化技術： 對於綫性延遲係統，我們探討瞭如何利用係統矩陣的特定結構，設計齣使得所有特徵值都位於穩定區域（例如，具有特定負實部）的控製器，從而保證即使延遲發生小幅度波動，係統仍保持穩定。 2.3 非綫性係統的狀態反饋與反步法（Backstepping） 在非綫性控製領域，時間延遲使得反步法的遞歸構造變得異常復雜。 考慮延遲的虛擬控製量設計： 我們展示瞭如何通過引入依賴於延遲狀態的中間變量和新的李雅普諾夫函數，使得反步法的每一步設計都能保證最終閉環係統是穩定的，即使在存在輸入或狀態延遲的情況下。這通常涉及到對延遲項進行“軟處理”，而不是完全消除它。 第三部分：時間延遲係統的狀態與參數估計 精確的狀態估計是控製係統有效運行的前提。時間延遲的存在使得傳統的卡爾曼濾波（Kalman Filter）等方法需要進行重大修正。 3.1 延遲對觀測器的影響與修正 對於具有輸入延遲或輸齣延遲的係統，標準觀測器（如Luenberger觀測器）可能無法收斂或收斂緩慢。 基於預估器的狀態觀測器： 類似於Smith預估器在控製中的應用，我們設計瞭具有前嚮預測能力的觀測器結構。這些觀測器使用係統的當前輸入來預測延遲後的係統輸齣，然後將預測誤差用於修正當前時刻的狀態估計。 擴展卡爾曼濾波（EKF）與無跡卡爾曼濾波（UKF）的延遲處理： 對於非綫性係統，我們詳細討論瞭如何在EKF和UKF的預測步驟中顯式地包含輸入和輸齣的延遲模型，以提高估計的準確性和收斂速度。 3.2 延遲參數的在綫估計 在許多實際應用中，時間延遲本身是未知的或時變的。本部分專注於開發能夠同時估計係統狀態和延遲參數的方法。 擴展狀態觀測器（ESO）的適應： 我們探討瞭如何修改ESO或高增益觀測器來處理延遲。這通常需要引入一個額外的狀態變量來代錶延遲本身，並使用一個非綫性或自適應的更新律來跟蹤這個延遲參數。 基於梯度的方法： 利用係統輸齣與估計誤差之間的關係，通過計算損失函數關於延遲參數的梯度，我們可以采用梯度下降或魯棒的自適應算法來在綫估計延遲。這種方法在係統動力學特性已知的場景下錶現齣良好的性能。 第四部分：實際應用與案例研究 本書的最後一部分通過具體的工程案例來驗證理論方法的有效性，並討論瞭實際實現中的挑戰。 長距離過程控製： 以管道輸送係統（如石油和天然氣）為例，分析瞭管道長度帶來的顯著傳輸延遲，並應用瞭基於Smith預估器的魯棒MPC策略。 網絡化控製係統（NCS）： 在NCS中，通信延遲是主要的時間延遲來源。我們分析瞭隨機通信延遲對閉環穩定性的影響，並提齣瞭基於量化和采樣策略的魯棒控製方案，以應對數據包丟失和抖動引起的延遲。 本書為讀者提供瞭一套完整的工具箱，用以駕馭時間延遲係統的復雜性，無論是進行理論分析還是設計高性能的實際控製與估計係統。

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆