Nonlinear Process Control

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出版者:John Wiley & Sons Inc
作者:Chidambaram, M.
出品人:
页数:140
译者:
出版时间:1995-8
价格:£ 35.95
装帧:HRD
isbn号码:9780470235522
丛书系列:
图书标签:
  • 过程控制
  • 非线性控制
  • 控制系统
  • 化工控制
  • 自动化
  • 优化
  • 建模
  • 辨识
  • 自适应控制
  • 高级控制
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具体描述

Control Systems Engineering (2/E) I.J. Nagarath and M. Gopal The book provides an integrated treatment of continuous-time and discrete-time linear and continuous-time nonlinear systems for two courses at undergraduate level or one course at undergraduate level and one course at postgraduate level. The stress is on the interdisciplinary nature of the subject and examples have been drawn from various engineering disciplines to illustrate the basic system concepts. A strong emphasis is laid on modelling of practical systems involving hardware; control components of a wide variety are comprehensively covered. Time and frequency domain techniques of analysis and design of control systems have been exhaustively treated and their interrelationship established. The concepts and criteria of stability are progressively built and interspersed at suitable locations culminating in the generalized criteria of Liapunov and Popov. A chapter on sampled-data control systems covering analysis, stability and design has been added in this edition. Modern approaches are introduced through a full chapter on state variables for both continuous-and discrete-time systems; it includes observer and pole placement design. A new chapter on optimal control gives both transfer function and time domain approaches. The optimal linear regulator problem is treated through dynamic programming. This book ends with a chapter on nonlinear control systems and their analysis via phase-plane and describing function techniques. Control Systems Naresh K. Sinha An introduction to Control Systems, this book provides the reader with the basic concepts of control theory as developed over the years in both the frequency domain and the time domain. The opening chapters of the book present a unified treatment of modelling of dynamic systems, the classical material on the performance of feedback systems based on the transfer function approach and the stability of linear systems. Further, various types of frequency response plots and the compansation of control systems have been presented. In particular, the trial-and-error approach to the design of lead compensators, as found in most textbooks, has been replaced by a direct method developed in the late 1970’s. Moreover, the design of pole-placement compensators using transfer functions, the counterpart of the combined observer and state feedback controller, has been included for the first time in a book appropriate for undergraduate and practising engineers. This book is an attempt to aid the student remove the drudgery out of numerical computations, along with numerous worked examples and drill problems with answers to help the student in mastering the subject.

动态系统行为的精妙控制:面向复杂工业过程的先进控制策略 本书简介 本书深入探讨了在非线性、时变、高耦合度的工业过程中实现精确、鲁棒控制所面临的理论挑战与工程实践。它摒弃了传统线性控制理论在面对实际复杂系统时的局限性,转而聚焦于如何利用现代系统辨识、优化理论以及智能算法,构建出能够有效处理系统内在非线性和外部不确定性的先进控制框架。全书结构严谨,从系统建模的基础出发,逐步推导至复杂的在线优化与实时决策,旨在为读者提供一套系统的、可落地的控制系统设计方法论。 第一部分:复杂系统建模与特性解析 本部分首先确立了对非线性动态系统的深刻理解是有效控制的前提。我们详细阐述了在化学、能源、冶金等典型工业流程中,如何从第一性原理出发建立精确的非线性微分代数方程组(DAE)模型,以及在数据驱动背景下,利用高维状态空间模型(如NARMAX、Hammerstein-Wiener模型)对未知非线性进行有效表征。 第1章:非线性动力学的数学基础与结构识别 重点解析了李雅普诺夫稳定性理论在非线性系统分析中的核心地位。系统性地介绍了局部线性化方法的局限性,并深入探讨了全局稳定性分析工具,如能量函数法、平面分析法(针对低阶系统)。此外,本章详细讨论了系统结构辨识的方法,包括基于高阶统计量的方法和利用核方法进行特征空间映射,以捕获隐藏的非线性依赖关系。对于时滞系统和具有不确定性的系统,我们提出了基于不确定性集(Uncertainty Sets)的鲁棒建模框架。 第2章:工业过程的非线性特征与挑战 本章聚焦于工业过程特有的非线性现象,如饱和、死区、摩擦、开关切换行为以及多稳态现象。通过对反应堆温度控制、高精度机床伺服系统的案例分析,阐明了这些特性如何导致经典PID控制性能的严重退化。我们特别强调了系统状态的不可测性与测量噪声对非线性估计的影响,并引入了扩展卡尔曼滤波(EKF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)作为非线性状态观测器的基础。 第二部分:基于模型的先进控制理论 本部分是全书的核心,致力于将精确的非线性模型转化为可执行的控制律。我们关注那些能够直接利用模型预测系统未来行为的先进技术。 第3章:精确线性化与局部最优控制 虽然本书的核心是处理非线性,但局部线性化仍是实现高频控制的基础。本章详细阐述了输入-输出线性化(I/O Linearization)的技术,包括微分平价(Differentially Flatness)的概念及其在简化控制结构中的应用。随后,我们过渡到基于局部线性模型的预测控制(MPC)的变体,例如线性二次型控制(LQR)在非线性系统工作点附近的快速应用,并讨论了线性化误差的界定。 第4章:全范围非线性模型预测控制(NMPC) NMPC是处理约束和前馈补偿的黄金标准。本章详尽解析了NMPC的数学构建过程,包括目标函数(代价函数)的定义、不等式约束和等式约束的严格处理,以及核心的在线优化求解器选择。我们深入分析了非线性优化问题的可行性与收敛性问题,探讨了内点法(Interior-Point Methods)和序列二次规划(SQP)在实时控制周期内的计算效率优化策略。特别地,本章讨论了如何利用模型降阶技术(如平衡截断)来缩短预测时域,以满足高实时性要求。 第5章:鲁棒控制与不确定性处理 在实际工程中,模型总是不完美的。本章转向如何设计对参数摄动和外部扰动具有高度鲁棒性的控制器。我们详细介绍了$H_{infty}$控制理论在非线性系统工作点附近的近似应用,并侧重于$mu$-合成理论在应对结构化不确定性时的威力。此外,我们探讨了滑模控制(SMC)在非线性系统中的应用,重点在于设计具有鲁棒性的切换函数和克服“抖振”现象的有效技术。 第三部分:智能增强与自适应控制 针对模型误差较大或系统动态随时间演化的场景,本部分引入了机器学习和自适应理论,以增强控制系统的长期性能和适应能力。 第6章:基于神经网络的自适应控制 本章介绍了如何利用神经网络作为在线辨识器或直接作为控制器本身。我们深入探讨了基于后向传播(Backpropagation)和梯度下降的自适应律的构建,重点关注自适应参数收敛性和闭环系统全局稳定性(Lyapunov-based Adaptive Control)。讨论了在线强化学习(RL)在优化复杂控制策略中的新兴作用,特别是如何将物理约束和安全边界整合到RL的奖励函数设计中。 第7章:模糊逻辑与混合系统控制 许多工业控制问题涉及离散决策和连续变量的耦合,即混合系统。本章介绍了模糊逻辑系统(FLS)作为处理不确定性和专家经验的有效工具。我们展示了如何将FLS与PID控制相结合(如Fuzzy-PID),以及如何使用 Takagi-Sugeno (T-S) 模糊模型来进行线性矩阵不等式(LMI)的稳定性分析和控制器综合。 第四部分:工程实现与案例分析 最后一部分将理论与实践紧密结合,探讨先进控制系统在真实世界中的部署挑战与成功案例。 第8章:先进控制器的硬件实现与实时性挑战 本章关注从仿真到实际部署的“最后一英里”。详细讨论了实时操作系统(RTOS)的选择、控制算法的数值稳定性、浮点运算的精度损失,以及如何利用高性能计算平台(如FPGA或GPU)来加速NMPC的在线求解过程。我们提供了关于软件架构设计(如基于模型的设计MBD)和诊断工具的最佳实践。 第9章:工业应用实例与性能评估 本章通过深入的案例研究,展示了非线性过程控制的实际效益。包括:高选择性精馏塔的能耗优化控制、大型电力系统的频率和电压的协同控制,以及高精度半导体制造设备中的动态轨迹跟踪。评估指标不仅限于暂态响应时间,更侧重于长期运行的能效、原料利用率和安全性提升。 总结 本书的目标是为控制工程师和研究人员提供一个全面的工具箱,使他们能够自信地设计和实施针对最严峻的工业控制难题的解决方案。它强调了模型精度、计算效率和稳定性保证之间的平衡艺术。

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