魯棒控製理論及應用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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• 魯棒控製
• 控製理論
• 現代控製
• 係統工程
• 自適應控製
• 優化控製
• 不確定性
• 抗乾擾
• 工程應用
• 控製係統

本書係統地介紹瞭魯棒控製的概念、理論、設計方法以及控製理論在船舶電站中的應用。內容包括：魯棒控製理論概述，控製理論的數學基礎，控製的優化設計方法，與魯棒控製有關的MATLAB工具箱介紹，控製理論在船舶電站頻率控製中的應用，控製理論在船舶電站電壓控製中的應用，控製理論在船舶電站綜閤控製中的應用。

魯棒控製理論及應用 內容簡介 本書係統地闡述瞭現代控製理論中至關重要的一個分支——魯棒控製理論（Robust Control Theory），並結閤大量工程應用實例，深入剖析瞭其核心思想、數學基礎、設計方法以及實際應用中的挑戰與對策。全書結構嚴謹，內容詳實，旨在為讀者提供一個全麵、深入且實用的魯棒控製知識體係。 第一部分：控製係統的基礎與挑戰 本書首先從經典的經典控製理論和現代控製理論的迴顧開始，重點強調瞭在實際工程係統中，模型不確定性（Model Uncertainty）和外部擾動（External Disturbances）對係統性能和穩定性的緻命影響。傳統的控製方法往往依賴於精確的係統模型，一旦實際運行環境或係統參數發生變化，性能就會急劇下降，甚至導緻係統失穩。 為應對這一挑戰，本書引入瞭魯棒控製的核心思想：設計一種控製器，使其在係統模型存在一定誤差範圍（即不確定性建模）或受到外部不可預測擾動時，依然能保持期望的穩定性和性能指標。 第二部分：不確定性的數學描述與性能指標 魯棒控製理論的基石在於如何精確地描述和量化係統的不確定性。本書詳細介紹瞭描述不確定性的主要數學工具和範式： 1. 參數不確定性（Parametric Uncertainty）：主要指係統矩陣中的某些元素存在已知的變化範圍，通常使用區間矩陣或多麵體錶示。 2. 未建模動力學（Unmodeled Dynamics）：高頻段中由於傳感器、執行器特性或係統簡化而産生的、未被精確建模的高頻動態，通常用轉移函數形式的誤差界來描述。 3. 結構化與非結構化不確定性：探討瞭如何利用範數（如$H_{infty}$範數）來量化這些不確定性對係統增益的影響。 同時，本書詳細闡述瞭魯棒控製所需滿足的關鍵性能指標： 魯棒穩定性（Robust Stability）：這是魯棒控製的首要目標，確保係統在所有允許的不確定性範圍內保持漸近穩定或指數穩定。本書引入瞭如$mu$分析中的“特徵值軌跡分析”和“小增益定理”等核心穩定性判據。 魯棒性能（Robust Performance）：在保證穩定性的前提下，係統對特定的參考輸入和擾動信號的抑製能力。這通常通過加權函數來規範化，使其能夠滿足帶寬、穩態誤差等指標的要求。 第三部分：經典魯棒控製設計方法 本書係統地介紹瞭兩種最經典且影響深遠的魯棒控製設計框架：$mathbf{H}_{infty}$ 控製和$mathbf{Mu}$（$mu$） 分析與綜閤。 1. $H_{infty}$ 控製理論： $H_{infty}$控製的設計目標是將閉環傳遞函數矩陣的$H_{infty}$範數最小化（或限製在一個預設的水平$gamma$以下）。這是一種基於頻率域的、麵嚮最優化的控製方法。 內部穩定（Internal Stability）：確保閉環係統整體穩定。 性能優化：通過設計加權函數$W_S$（靈敏度加權）和$W_T$（互補靈敏度/噪聲抑製加權），將控製問題轉化為求解保證閉環傳遞函數範數小於$gamma$的控製器設計問題。 LMI求解：詳細推導瞭適用於標準連續時間和離散時間的$H_{infty}$控製器求解過程，包括約約化Riccati方程（或Lyapunov方程）的求解方法，以及如何將求解結果轉化為實際的控製器參數。 2. $mu$ 分析與綜閤： 當係統不確定性結構化且具有交互性時，$H_{infty}$控製可能過於保守。$mu$分析提供瞭一種更為精確的工具來評估具有結構化奇異值的不確定係統的魯棒穩定性。 結構化奇異值 ($mu$)：定義瞭係統在給定不確定塊下保持穩定的最小乘數因子，其倒數代錶瞭係統抵抗不確定性的能力。 $mu$上界與下界計算：介紹瞭如何通過D-K迭代（D-scaling與K-iteration）來計算$mu$值，從而評估係統的魯棒裕度。 $mu$綜閤：基於$mu$分析的結果，設計齣能夠最大化係統魯棒裕度的控製器。本書詳細闡述瞭如何利用LMI工具箱和特定的控製結構來實現$mu$綜閤。 第四部分：基於先進方法的魯棒控製 除瞭基於傳遞函數的頻率域方法，本書還深入探討瞭基於現代控製理論和優化技術的魯棒控製設計方法： 1. 魯棒 $H_2$ 控製：雖然不如$H_{infty}$控製關注最壞情況，但$H_2$控製在性能最優和對高斯白噪聲的抑製方麵有重要地位。本書探討瞭在不確定性約束下，如何設計最優的$H_2$控製器。 2. 綫性矩陣不等式（LMI）方法：LMI已成為現代控製設計中統一和強大的數學工具。本書展示瞭如何將許多魯棒控製問題（如$H_{infty}$、Lyapunov穩定性分析、二次型控製律等）轉化為標準或半定約束的LMI問題，並利用成熟的求解器（如SeDuMi, SDPT3）進行求解。重點講解瞭關於Lyapunov函數和控製增益的LMI鬆弛技術。 3. 滑模控製（Sliding Mode Control, SMC）的魯棒性：作為一種非綫性魯棒控製方法，SMC對模型參數的變動和外部擾動具有極強的抑製能力。本書分析瞭SMC的基本原理，探討瞭“抖振”問題（Chattering），並引入瞭如SMC/$mathbf{H}_{infty}$混閤設計或基於$Sigma$函數的連續化滑模控製等先進技術來緩解抖振，同時保持優異的魯棒性能。 第五部分：工程應用與案例分析 理論必須服務於實踐。本書的最後部分提供瞭多個詳細的工程案例，以展示魯棒控製的設計流程和實際效果： 1. 航空航天係統：以飛行器姿態控製為例，討論瞭在模型參數（如翼載荷、氣動係數）隨飛行狀態變化時，如何設計魯棒控製器保證跟蹤精度和穩定性。 2. 機械與機器人係統：分析瞭伺服驅動係統中的摩擦、負載變化和傳感器誤差對控製性能的影響，並應用魯棒H-infinity控製器進行補償。 3. 電力電子係統：針對開關電源的參數漂移和負載突變問題，展示瞭魯棒控製在維持輸齣電壓穩定方麵的應用。 每個案例均包含係統建模、不確定性量化、控製器設計、仿真驗證以及對魯棒裕度的評估。 總結 本書不僅是對魯棒控製理論的全麵梳理，更是一本指導工程師將理論轉化為可靠控製係統的實踐手冊。通過深入學習本書內容，讀者將掌握在麵對真實世界中固有的不確定性和復雜性時，設計齣高性能、高可靠性控製係統的必備知識與技能。

第1章　魯棒控製理論概述1
1.1係統不確定性和魯棒性1
1.2控製理論的發展概況3
 
第2章　控製理論的數學基礎7
2.1空間和範數7
2.1.1距離空間7
2.1.2綫性賦範空間7
2.1.3Banach空間7
2.1.4Hilbert空間8
2.1.5時域函數空間8
2.1.6頻域函數空間9
2.1.7H2範數和範數10
2.2範數與Riccati方程11
2.2.1哈密頓矩陣的性質11
2.2.2範數與Riccati方程13
2.3範數與Riccati不等式15
2.4有理函數陣的分解與穩定性19
2.4.1有理函數的的分解19
2.4.2穩定性條件22
2.4.3穩定控製器的參數錶示23
2.5有理函數陣的內外分解25
2.6李雅譜諾夫方程27
2.7綫性分式變換29
2.8本章小結31
 
第3章　【STBZ】WTHX 控製的優化設計方法32
3.1優化設計的一般步驟32
3.2控製的標準問題32
3.3控製所包含的各類控製問題33
3.3.1靈敏度極小化問題33
3.3.2魯棒鎮定問題34
3.3.3混閤靈敏度優化問題35
3.3.4跟蹤問題37
3.3.5模型匹配問題38
3.4加權函數的選擇和特點39
3.5控製係統的穩定性41
3.6標準控製問題的“2－Riccati方程”的解42
3.7狀態反饋設計問題45
3.7.1D11=0,D12列滿秩的特例45
3.7.2D11= D12=0的特例46
3.7.3狀態反饋問題的完全解48
3.8輸齣反饋設計問題52
3.8.1輸齣反饋設計特例52
3.8.2輸齣反饋問題的一般解55
3.9本章小結61
 
第4章　MATLAB工具箱介紹62
4.1控製係統工具箱62
4.1.1模型建立及模型轉換函數63
4.1.2LTI對象屬性的存取和設置65
4.1.3係統建模68
4.1.4狀態空間實現73
4.1.5係統特性函數78
4.1.6係統根軌跡80
4.1.7係統頻率響應82
4.1.8係統時域響應85
4.2魯棒控製工具箱87
4.2.1控製係統模型的數據結構87
4.2.2模型建立工具88
4.2.3模型轉換工具90
4.2.4多變量波特圖92
4.2.5魯棒控製綜閤方法95
4.2.6模型降階工具99
4.3本章小結103
 
第5章　控製理論在船舶電站頻率控製中的應用104
5.1柴油發電機組機電暫態過程的數學模型104
5.2柴油機調速係統的數學模型108
5.3柴油機調速係統標準設計問題模型的建立111
5.4轉速控製器的設計113
5.5計算機模擬結果分析117
5.6優化設計方法的特點122
5.7本章小結123
 
第6章　控製理論在船舶電站電壓控製中的應用125
6.1同步發電機電磁暫態過程的數學模型125
6.1.1考慮次暫態電動勢Eq”，Ed”變化的模型127
6.1.2考慮暫態電動勢Eq′變化的模型129
6.2船舶電站負荷的數學模型129
6.2.1靜負荷的數學模型129
6.2.2動負荷的數學模型130
6.3同步發電機調壓係統的數學模型131
6.3.1相復勵勵磁係統的數學模型132
6.3.2可控矽勵磁係統的數學模型135
6.3.3交流無刷勵磁係統的數學模型138
6.4同步發電機調壓係統標準設計問題模型的建立140
6.5電壓控製器的設計142
6.6計算機模擬結果分析145
6.7關於同步發電機數學模型的討論154
6.8本章小結155
 
第7章　控製理論在船舶電站綜閤控製中的應用156
7.1針對綜閤控製器的柴油發電機組數學模型156
7.1.1柴油發電機組機電暫態過程的數學模型157
7.1.2柴油發電機組電磁暫態過程的數學模型158
7.1.3柴油發電機組統一的數學模型158
7.2柴油發電機組綜閤控製係統的數學模型159
7.3柴油發電機組綜閤控製器的設計161
7.4計算機模擬結果分析167
7.5本章小結175
 
參考文獻176

前言

　　控製理論自20世紀80年代發展至今，取得瞭豐碩的成果。控製理論是分析和設計不確定係統的一種強有力的工具，主要解決對象為建模中的誤差和在一定範圍內因模型攝動而引起控製品質惡化的控製難題。優化設計方法已成為反饋係統設計中一種有效的方法，其有效性之一體現在外部擾動不再假設為固定的，隻要求能量有界即可；其有效性之二體現在受控對象不再假設為確定的。許多控製問題均可轉化為最優控製問題，從而進一步顯示瞭優化設計方法的適用性，使它成為一種綫性多變量控製係統的新的設計方法。它的發展之迅速是令人矚目的，有人甚至將它說成是控製理論的“一場靜悄悄的革命”。

　　本書介紹瞭作者近年來在魯棒控製理論、優化設計方法等方麵的研究成果，著重討論瞭在船舶電站頻率控製、電壓控製、綜閤控製的問題，分析瞭優化設計方法的實質，對係統設計中每一步遇到的主要問題都做瞭深入的研究。結果錶明，控製理論是一種能夠抑製乾擾和保證係統魯棒穩定性的有效設計方法，它並不像人們想像的那樣難以應用。本書給齣瞭低階次的控製器，易於從物理上加以實現，為其實際應用奠定瞭堅實的基礎。本書的目的在於嚮讀者介紹魯棒控製理論的研究成果，使讀者能盡快走入該領域的前沿，為進一步從事這方麵的學習和研究打下良好的基礎。全書圍遶魯棒控製理論這一主綫逐步展開，並貫穿始終。

　　全書共分7章：第1章為魯棒控製理論概述，介紹瞭控製理論的發展概況；第2章為控製理論的數學基礎，針對工科學生的特點，介紹學習本書必須具備的數學基礎知識；第3章為控製的優化設計方法，給齣瞭標準控製問題的形式，闡明瞭控製所包含的各類控製問題，討論瞭狀態反饋設計問題和輸齣反饋設計問題；第4章為MATLAB工具箱介紹，介紹瞭與魯棒控製有關的控製係統工具箱和魯棒控製工具箱；第5章為控製理論在船舶電站頻率控製中的應用；第6章為控製理論在船舶電站電壓控製中的應用；第7章為控製理論在船舶電站綜閤控製中的應用。

　　作者的部分研究成果是在作者的博士導師李殿璞教授的悉心指導下取得的，導師嚴謹的治學態度，淵博的知識，作者將終生難忘，為此嚮辛勤培育自己的導師錶示誠摯的感謝。

　　由於作者的水準有限，書中難免會有疏漏和不足之處，敬請讀者批評指正。
 

评分☆☆☆☆☆

我一直對自動化領域充滿瞭好奇，而《魯棒控製理論及應用》這本書，讓我看到瞭控製係統背後更深層次的考量。在很多自動化設備的設計中，我們往往會假設所有參數都是已知的，並且在理想狀態下工作。但現實情況是，任何一個係統都會存在不確定性，例如傳感器的誤差、執行器的老化、環境的微小變化等等。這本書，它就直麵瞭這個問題，並且提供瞭非常係統性的解決方案。我特彆喜歡書中對於“魯棒穩定性”的講解，它不是簡單地保證係統不會失控，而是能夠保證係統在一定範圍內的性能下降，依然能夠保持其基本的功能。這種“在不確定中尋求穩定”的思路，讓我覺得非常深刻，也極具工程價值。

评分☆☆☆☆☆

《魯棒控製理論及應用》這本書，真的給瞭我一個全新的視角來看待控製係統設計。過去，我們可能更注重於係統的“最優性”，追求在理想狀態下的最佳錶現。但這本書，它拋齣瞭一個更現實的問題：當係統麵臨各種不確定性時，我們該如何保證係統的“有效性”和“安全性”？ 我印象深刻的是，書中對於“穩定性”的定義，不僅僅是時間上的穩定，還包括在參數變化下的穩定性，以及在外部乾擾下的穩定性。這種多維度的穩定性考量，正是魯棒控製的精髓所在。我特彆期待書中在“應用”部分的章節，想看看這些理論是如何落地到實際工程中的，比如在航空航天、機器人、或者能源領域，是如何通過魯棒控製來提高係統的可靠性和魯棒性的。

评分☆☆☆☆☆

坦白說，拿到《魯棒控製理論及應用》這本書的時候，我還有點擔心它會過於晦澀難懂。畢竟，“魯棒控製”這個詞本身就帶有一種高深的學術色彩。然而，當我翻開第一頁，我便被它清晰的邏輯和循序漸進的講解所吸引。作者並沒有一開始就拋齣復雜的數學公式，而是先從直觀的例子入手，比如一個簡單的彈簧阻尼係統，然後逐步引入不確定性的概念，比如彈簧剛度或者阻尼係數的變化。這種由淺入深的方式，讓我能夠慢慢理解魯棒控製的核心思想——如何讓係統在參數變化、外部乾擾等不確定因素的影響下，仍然能夠保持期望的性能。我尤其欣賞書中關於“穩定性判據”和“魯棒性度量”的章節，它們提供瞭一套嚴謹的數學工具，來量化係統的魯棒程度，並且指導我們如何設計齣具有更好魯棒性的控製器。

评分☆☆☆☆☆

這本書《魯棒控製理論及應用》的齣現，無疑為我們這些在自動化領域摸爬滾打的工程師們提供瞭一本難得的“武林秘籍”。長久以來，我們都在追求更精確的控製，但往往忽略瞭“魯棒性”的重要性。很多時候，一個模型在實驗室裏完美運行，但一旦放到實際生産綫，麵對溫度、濕度、材料批次等各種細微變化，就顯得力不從心。這本書，它不是教你如何做到“萬無一失”，而是教你如何在“並非萬無一失”的情況下，依然能夠確保係統的可靠運行。我看到瞭書中關於“模型不確定性”、“結構不確定性”等不同類型不確定性的詳細討論，以及針對這些不確定性，所提齣的各種魯棒控製方法，比如H∞控製、μ-分析等等。這些方法，聽起來就很強大，我相信它們能夠幫助我們解決很多棘手的工程問題。

评分☆☆☆☆☆

對於我這種剛接觸控製理論不久的讀者來說，《魯棒控製理論及應用》這本書，真的是一本讓人既敬畏又感到親切的教科書。雖然書名聽起來很高大上，但作者的寫作方式卻非常貼近實際，讓我能夠理解那些看似復雜的概念。我喜歡書中從基礎概念講起，比如什麼是“不確定性”，它在實際係統中是如何産生的，以及它會對係統性能造成怎樣的影響。然後，循序漸進地引入各種魯棒控製的理論和方法，比如LMI（綫性矩陣不等式）方法在魯棒控製中的應用，讓我覺得這些理論並不是高高在上的，而是有實際的求解工具的。而且，書中還包含瞭一些實際的例子，讓我能夠看到這些理論在解決實際工程問題時是如何發揮作用的。

评分☆☆☆☆☆

啊，這本書，《魯棒控製理論及應用》，光看書名就覺得好有深度，一看就是那種需要靜下心來啃的硬菜！我一直對控製理論那個領域很有興趣，尤其是在自動化和智能製造這麼熱門的當下，一個係統夠不夠“魯棒”，也就是夠不夠穩定、夠不夠有韌性，太重要瞭。想象一下，我們那些在工廠裏24小時不停運轉的機器手臂，如果遇到一點點震動、一點點參數變化就失靈，那損失可就大瞭。這本書，我猜裏麵講的應該就是如何設計一套控製係統，讓它在麵對不確定性，比如傳感器噪聲、執行器老化、甚至環境突然變化的時候，依然能夠保持良好的性能。這不僅僅是理論上的探討，書名裏的“應用”二字也讓我很期待，希望能看到一些實際的案例，比如在飛機飛行控製、自動駕駛汽車，甚至是電力係統穩定方麵，魯棒控製是如何發揮作用的。

评分☆☆☆☆☆

這本書《魯棒控製理論及應用》，對我來說，是一次關於“工程智慧”的深度探索。我們常常追求極緻的性能，但卻忽略瞭係統在復雜多變環境中的生存能力。魯棒控製，正是解決瞭這個問題。它教我們如何在設計之初，就考慮到各種可能齣現的“意外”，並且讓係統能夠“有條不紊”地應對這些意外。我尤其對書中關於“結構化不確定性”和“非結構化不確定性”的區分以及相應的控製策略分析感到印象深刻，這說明瞭魯棒控製理論的嚴謹性和實用性。而且，書中的“應用”部分，更是讓我看到瞭這些理論是如何在現實世界中轉化為實際的解決方案，比如在提升飛行器安全性，或者保障電網穩定運行等方麵。

评分☆☆☆☆☆

我最近在讀一本關於《魯棒控製理論及應用》的書，這本書的內容真的讓我大開眼界，也讓我重新思考瞭許多在工程實踐中習以為常的“穩定”。以前在學校學控製，可能更側重於理想條件下的模型推導和控製器設計，但現實世界哪有那麼多理想情況？這本書就直接點齣瞭“不確定性”這個核心問題，並且深入探討瞭如何構建能夠抵禦這些不確定性的控製策略。我特彆喜歡裏麵一些關於“最壞情況”分析的章節，它不是告訴你萬一發生什麼怎麼辦，而是告訴你，即便發生瞭最壞的、最不利於係統穩定的情況，我們的控製器也能保證係統還在可控的範圍內運行。這種思維方式，對於設計高可靠性係統來說，簡直是無價之寶。我甚至覺得，這本書的內容，不僅僅適用於工程領域的專業人士，對於那些對風險管理、係統韌性有深入研究的讀者，也具有非常重要的啓發意義。

评分☆☆☆☆☆

說真的，最近我讀的這本《魯棒控製理論及應用》，簡直是讓我對“工程韌性”有瞭全新的認識。我們常常會看到各種新聞，說某個設備因為故障導緻瞭生産中斷，或者某個係統因為安全漏洞造成瞭重大損失。而這本書，它所探討的“魯棒性”，恰恰就是對抗這些風險的基石。它不僅僅是關於如何讓一個係統“不壞”，更是關於如何讓一個係統在“壞”的環境下，或者在“壞”的因素影響下，依然能“好”地運行。我特彆喜歡書中關於“容錯控製”和“自適應控製”在魯棒性方麵的應用章節，這說明魯棒控製並非是孤立的理論，而是可以與其他先進的控製技術相結閤，形成更強大的解決方案。這本書，絕對是理論與實踐兼備，讓我受益匪淺。

评分☆☆☆☆☆

我一直認為，一個真正優秀的控製係統，不僅僅在於它能夠達到最優的性能，更在於它能夠在各種不確定因素的乾擾下，依然能夠保持穩定可靠的運行。這本書，《魯棒控製理論及應用》，正是對這一理念的深刻闡述。它讓我明白瞭，為什麼在實際工程中，僅僅依靠傳統的模型預測控製或者PID控製，往往會齣現各種問題。因為這些方法，很多時候都建立在理想化的模型之上，一旦模型與實際情況産生偏差，係統的性能就會大打摺扣。而這本書，則係統地介紹瞭如何設計能夠抵禦這些不確定性的魯棒控製器，並且提供瞭嚴謹的數學分析方法和實際的應用案例。我尤其喜歡書中對“容錯性”和“魯棒性能指標”的探討，這讓我對如何設計更高可靠性的係統有瞭更清晰的認識。