搜索
高级检索
高级搜索
书       名 :
著       者 :
出  版  社 :
I  S  B  N:
出版时间 :
现代控制理论(第二版)
0.00     定价 ¥ 69.00
罗湖图书馆
此书还可采购10本,持证读者免费借回家
  • ISBN:
    9787030481092
  • 作      者:
    夏超英
  • 出 版 社 :
    科学出版社
  • 出版日期:
    2016-06-01
收藏
畅销推荐
精彩书摘
第1章 绪论
  系统控制的理论和实践被认为是20世纪中对人类生产活动和社会生活发生重人影响的科学领域之一。在过去的半个多世纪中,自动控制技术在社会经济各部门中的广泛应用,极大地促进了化工、造纸、电力、冶金、汽车、家电等工业行业的技术进步,改善了劳动条件,提高了产品质量和劳动生产率,促进了产品的更新换代。特别是近二三十年来,随着微电子技术和计算机技术的进步,控制理论的研究成果在航空航天、军事工业、核能发电等现代科学技术领域,在生物、医学、环保、智能交通、新能源利用、经济管理等新兴领域,都起着非常重要的作用。
  1-1控制理论的形成与发展
  控制理论与一切其他技术科学一样,也是在社会发展需求的推动下,从解决社会生产和工程问题的需求中产生和发展起来的。一般认为,控制理论的发展经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”两个发展阶段。
  早在控制理论形成之前,就有蒸汽机的飞轮调速器、鱼雷的航向控制系统、航海罗经的稳定器、放大电路的镇定器等自动控制装置,这些都是人们不自觉地应用了反馈控制的概念而构成的自动控制系统的例子。20世纪二三十年代,马克斯威尔对装有调速器的蒸汽机动态特性的分析,马诺斯基对船舶驾驶控制的研究是控制理论*早期的研究成果。到20世纪40年代,以奈奎斯特的稳定判据、伯德的对数频率特性和伊万思的根轨迹法三项成果为标志,自动控制技术得到了迅速的发展,在第二次世界大战期间发挥了厅大的作用,其中雷达-火炮跟踪控制系统和V2火箭自动导航系统是其中*为突出的范例。至50年代中期,经典控制理论已经是一门十分成熟的理论,并在大量军事武器和工业过程的控制装置中得到了广泛应用。
  经典控制理论采用传递函数描述控制对象,利用根轨迹法和频率特性法解决单输入单输出反馈控制系统的分析和综合问题。随着控制工程实践的不断深入,当人们试图应用经典控制理论的分析和设计方法,解决多回路和复杂系统的控制问题时,却遇到了难以克服的困难。
  20世纪五六十年代是控制理论发展的转折期,期问,维纳将控制问题和通信问题统一考虑,发展了有噪声情况下的信号滤波、预测和平滑,华尔德的序列分析和贝尔曼的动态规划考虑了一大类动态系统的优化控制问题,特别是卡尔曼把分析力学中广泛采用的状态空间描述引入到控制理论中来,并在此基础上给出了对研究系统结构和控制具有基本意义的能控性和能观性的概念,而卡尔曼、布西递推滤波器的发现,摆脱了维纳滤波器关于平稳随机过程的假设和求解积分方程的限制。同一时期,苏联学者对包含非线性特性、饱和作用的控制系统*优控制的研究,导致了庞特罩亚金等“极大值原理”的发现,与变分法和贝尔曼的*优性原理相联系,又进一步刺激了与非线性泛函分析相关的优化问题的研究,并*终形成了*优控制理论。这些新理论加深了人们对控制系统自身规律性的认识,为60年代蓬勃兴起的航天技术的发展做出了巨大贡献,特别是在美国组织实施的载人登月工程中取得了辉煌成就。
  这一时期控制理论的发展以状态空问法为特征,以解析计算为主要手段,通过严谨的数学结构和对设计指标的明确描述为控制工程提供了新的分析和设计方法,同时,将控制系统看成因果系统,将控制作用表示成系统当前状态的函数,是控制工程在设计理念上的一次突破。现代控制理论所阐述的状态空间法既适用于线性系统,也适用于非线性系统,甚至时变系统,极大地扩展了控制理论的研究范围和解决各种复杂控制问题的能力。而就多回路线性系统而言,70年代末基于输入输出频域特性描述的系统分析与设计方法也得到了发展,在这方面主要是罗森布岁克和麦克法伦的工作,他们利用矩阵对角优势的概念进行多变量反馈系统的设计,由此得到的理论和方法可以通过计算机辅助设计方便地用于系统综合,有物理直观性强,便于综合和调整的优点。到80年代末,现代控制理论的其他分支如系统辨识理论、随机控制理论、非线性系统理论、鲁棒控制、自适应控制等相继提出并得到发展,现代控制理论的基本框架已经基本形成。
  现代控制理论以及各分支和经典控制理论之间,并非谁能够包含谁,谁可以替代谁的关系。在控制理论的实践过程中,不同设计理念和设计方法都取得了巨大的成功,但适用范围和应用对象不同,各有所长,各有所短,如图1.1所示。基点配置
  图1.1 控制系统设计方法及适用对象
  1-2现代控制理论的应用举例
  现代控制理论基于状态空间的系统分析和设计方法,阐明了状态空间模型反映的系统内部状态信息对高性能复杂控制系统设计的必要性。在经典控制理论单回路反馈控制系统设计中,随开环放人倍数的增入,会出现系统静态控制精度和动态特性、快速性和稳定性之间的矛盾,采用一阶滞后、一阶超前或二阶滞后、超前调节器,通过开环放大倍数和调节器参数的调整,只能对系统根轨迹主分支的走向、中频段幅值穿越频率和稳定裕度进行调整,控制系统达到的性能指标被限制在一定的限度以内。为提高系统的控制性能,可以采用更复杂的高阶串联调节器,除此以外,在反馈校正内环中应用输出的微分反馈,即测速反馈,这样制作用不再只是输出误差和调节器状态的函数,还增加了被控对象的状态变量,这只是现代控制理论应用状态反馈进行系统动态设计的简单例子。在现代控制理论多变量控制系统设计中,状态反馈是内环,输出反馈是外环,用状态反馈实现的极点配置、系统镇定、去耦设计是一种用定量化方法完成的定性设计。模型不确定、参数偏差会影响极点配置和去耦设计的精度,但只要输出变量被准确测量,由于输出反馈外环的存在,闭环系统的性能对极点配置和去耦设计的误差并不敏感,即使在*优控制系统中,由状态反馈实现的*优控制策略对系统建模误差也同样具有鲁棒性。控制工程近三十年来的实践说明,建立在系统状态空间模型基础之上的状态空间方法已经成为现代控制工程分析和设计的主流方法,除航空航天和军事领域以外,工程应用中理论与实际之间存在的差距正在逐渐缩小,下面是这方面的一些实例。
  在传统的电力传动领域,20世纪80年代以来,由于可关断功率器件的出现和微处理器技术的高速发展,交流传动领域一直是现代控制理论应用*为活跃和*有成效的领域之一。应用旋转变换和磁场观测,将控制算法由静止坐标系旋转到电机同步坐标系下,实现了磁场和转矩的去耦控制,使出现J:20世纪70年代的矢量控制策略得以实现。除此以外,为实现无速度传感器控制,各种转速观测器的设计方案,基于卡尔曼滤波器的设计方案,基于李雅普诺夫稳定性、超稳定性理论的设计方案在实际中得到了开发和应用。为解决电机参数随温度变化对系统控制性能带来的影响,各种参数辨识算法得到了开发应用。经过二十多年的发展,交流传动系统的理论和实践取得了厅大的成功,交流传动系统的性能不仅可以与直流传动系统相媲美,更一举成为变速传动的主流。
  在电力变换和应用领域,近三十年来电力电子技术起到了越来越重要的作用。电力电子技术涉及电力电子器件、微处理器和控制理论,其中电力电子器件是基础,而变流控制技术是核心。在电力电子变换装置中,功率器件工作在高频开关状态,引起电路拓扑结构的快速切换,不同的电路拓扑结构有不同的状态空间描述,状态空间平均模型在电力电子控制装置的分析和设计中被广泛采用。在已经普及应用的有源功率因数校正装置和谐波补偿装置中,谐波观测、去耦控制、重复控制、非线性反馈线性化等先进控制算法得到了开发与应用。近十年来,新能源的开发与利用,包括光伏发电和风能发电系统中的并网逆变技术,效率*大化控制技术,混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车中的电机控制技术和多能源优化利用,都是控制理论重要的应用领域。
  在电力行业,现代大型发电厂为妥善处理生产过程中的各个变量的关系,如压力、氧气含量、温度、速度等,以提高发电量,广泛采用了越来越多的计算机控制,并集中采用了许多现代控制工程*新和*突出的研究成果。另外,电力系统中常常发生大的扰动,这些扰动米源于负荷的突变、线路事故或切合操作。当发生诸如短路这样大的事故使系统脱离稳态工作点进入故障暂态中时,继电保护装置检测出事故并断开事故线路需要一定时问。为保证供电安全和防止大范围停电事故的发生,电力系统暂态稳定性分析所要解决的问题是,应用李雅普诺夫稳定性的分析方法对系统重新同到稳定工作点的能力、稳定域和临界清除时间做出一个估计。
  目前我国正处在社会主义现代化建设的新时期,能源短缺已经成为限制社会发展的关键因素,节能降耗,建设资源节约型环境友好新社会,是全社会将要面临的首要课题和艰巨任务。分布式智能电网是今后的一个发展方向,其优势在于可以充分开发利用各种分散存在的能源,并进行优化配置,以提高能源的利用效率,降低污染,其中涉及分散并网风电、太阳能发电技术、风光储发电互朴技术、余热余压发电技术、电热多联供技术等,将对输配电系统的安全稳定运行产生极大影响。分布式电网的稳定性分析与控制,各供电设备和储能装置间的动态优化管理与控制,都将是控制理论特别是现代控制理论的重要应用领域。
  1-3本书的内容及教学建议
  本课程主要学习现代控制理论的状态空间部分,包括线性系统分析与设计的内容,李雅普诺犬稳定性和*优控制三部分内容。
  本书各章节的内容安排如下。
  第1章包括控制理论的形成与发展,现代控制理论的应用举例等。通过对本章内容的学习,可以使学生对控制理论的知识体系,各部分问的相互关系及解决的问题,有一个整体性的了解。本章的建议学时为2学时。
  第2章主要介绍连续时间系统的状态空间描述,非线性系统在工作点处的线性化,传递函数的几种标准实现,状态变换和状态方程的解,线性系统的稳定性,系统的传递函数矩阵描述和传递函数矩阵的零、极点,系统的连接,离散时问系统等。本章的建议学时为12学时。
  第3章主要介绍系统的能控性和能观性的概念,能控和不能控、能观与不能观子空间的结构,能控性和能观性的代数判据,用约当标准型和传递函数矩阵判定系统的能控性能观性,串联和反馈连接系统的能控性能观性,能控能观结构分解和标准型等。本章的建议学时为12学时。
  第4章介绍李雅普诺夫稳定性理论,主要内容包括李雅普诺夫稳定性的概念,李雅普诺夫第二法及其基本定理,构造李雅普诺夫函数的规则化方法,李雅普诺夫第一法,线性系统的稳定性分析,绝对稳定性理论和无源性设计等。本章的建议学时为12学时。
  第5章先介绍状态反馈对系统性能的影响,极点配置、系统镇定和系统实现问题,然后介绍状态观测器、输入输出解耦和渐近跟踪调节器的设计方法。本章的建议学时为12学时。
  第6章介绍*优控制理论,包括泛函变分法的主要内容和结果及其在*优控制问题中的应用,线性系统_次型性能指标*优控制,*小值原理及其应用,动态规划和*优性原理,贝尔曼方程及其与*小值原理的一致性等。本章的建议学时为12学时。
  总之,控制工程是一个跨学科的综合性工程学科,现代控制理论是它的核心课程之一,它的理论性较强,同时又有很强的工程性和实践性。如前言中所述,任课教师可以根据本科生或研究生不同的教学要求和课时,有选择地安排教学内容。在本课程的讲授过程中,教师还应该根据专业的特点,有意识地结合实例来加深学生对知识的理解,重点讲解分析问题和解决问题的思路和方法,并由此激发学生的学习热情。
  习题
  1-1请分别简述经典控制理论和现代控制理论的内容,采用的分析、设计方法及其适用范围,它们有哪些相同和不同?
  1-2请回顾一下自动控制原理课程中所讲授的控制系统的时域和频域两种分析和设计方法,它们各自的特点和适用范嗣如何?各有什么优缺点?两者间的关系如何?
  1-3如果遇到多输入多输出控制系统设计,非线性控制系统的设计,控制量少于被控量的系统设计,等等,请回顾-卜-自动控制原理课程所讲授的内容,其中哪些是有效的,哪些会火效,可能遇到的问题是什么?
  1-4根据指令和输出的偏差来决定控制量,称为反馈控制。反馈控制根据控制效果改变控制量,这种事后诸葛亮式的控制方式,会给系统带来哪些优点和弊
展开
目录

目录
前言
第1章绪论1
1-1控制理论的形成与发展1
1-2现代控制理论的应用举例2
1-3本书的内容及教学建议4
习题4
第2章系统的状态方程描述和状态方程的解6
2-1系统的状态方程和状态空间表达式6
2-2传递函数的几种标准实现18
2-3线性变换28
2-4线性系统状态方程的解37
2-5线性系统的稳定性分析44
2-6系统的传递函数矩阵47
2-7系统的连接55
2-8线性离散时间系统61
习题65
第3章线性系统的能控性和能观性71
3-1连续时间线性系统的能控性和能观性72
3-2连续时间线性系统的能控性和能观性判据78
3-3用约当标准型判定系统的能控性和能观性85
3-4用传递函数矩阵判定系统的能控性和能观性89
3-5串联和反馈连接系统的能控性和能观性94
3-6离散时间线性系统的能控性和能观性98
3-7系统的结构分解100
3-8系统的标准型115
习题128
第4章系统的稳定性分析134
4-1李雅普诺夫稳定性134
4-2李雅普诺夫第二法(直接法)140
4-3构造李雅普诺夫函数的规则化方法148
4-4李雅普诺夫第一法(间接法)153
4-5线性系统的稳定性分析156
4-6绝对稳定性理论1 68
4-7无源性设计183
习题192
第5章控制系统状态空间设计方法197
5-1状态反馈及对系统特性的影响197
5-2极点配置问题202
5-3系统镇定问题216
5-4系统实现问题219
5-5状态观测器设计225
5-6输入输出解耦设计239
5-7渐近跟踪调节器设计251
习题258
第6章动态系统的*优控制264
6-1*优控制问题的数学描述264
6-2泛函和泛函的极值266
6-3用变分法解决*优控制问题276
6-4线性系统的二次型性能指标*优控制285
6-5*小值原理302
6-6动态规划310
6-7用动态规划法解决*优控制问题316
习题323
参考文献328
附录MATLAB函数一览表329
部分习题参考答案334
展开
加入书架成功!
收藏图书成功!
我知道了(3)
发表书评
读者登录

温馨提示:请使用罗湖图书馆的读者帐号和密码进行登录

点击获取验证码
登录