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现代流程控制系统：理论、设计与实践 作者： [此处留空，或填写虚构作者名] 出版社： [此处留空，或填写虚构出版社名] ISBN： [此处留空，或填写虚构ISBN] --- 内容简介 《现代流程控制系统：理论、设计与实践》是一部全面、深入且具有高度实践指导意义的专业著作，旨在为工业自动化、化学工程、机械控制、航空航天等领域的工程师、研究人员和高级学生提供一套完整的现代控制系统知识体系。本书的视角超越了传统的经典控制理论，重点阐述了在复杂、非线性、时变以及存在大量不确定性因素的现代工业流程中，如何有效地应用先进的控制策略、设计鲁棒的控制结构并实现高效的系统集成。 本书的结构精心设计，从基础理论的夯实到前沿应用的探索，层层递进，确保读者在掌握核心数学工具的同时，能够将其精准地映射到实际工程问题中。 第一部分：控制系统基础与数学建模的深化（The Foundation） 本部分着重于构建现代控制理论所需的高级数学和系统分析基础，并强调了准确的系统建模对于控制设计的重要性。 第一章：动态系统的数学描述与时域分析 本章深入探讨了线性定常（LTI）系统和线性时变（LTV）系统的状态空间表示法。区别于传统的传递函数方法，状态空间模型在处理多输入多输出（MIMO）系统、系统内部耦合关系以及非零初始条件时显示出无可比拟的优势。内容涵盖状态转移矩阵的求解、能控性与能观测性的严格判据（如行列式判据和基于奇异值分解的分析），并引入了描述复杂非线性系统所需的基本微分方程组的建立方法。 第二章：频域分析的高级应用与鲁棒性初步 尽管本书侧重现代控制，但频域分析作为系统稳定性和性能评估的重要工具仍不可或缺。本章重新审视了Bode图、Nyquist图，并着重讲解了根轨迹分析在参数裕度确定中的应用。重点引入了小增益定理（Small Gain Theorem）的基本概念，为后续的鲁棒控制设计埋下伏笔。此外，对时间延迟系统（Time Delay Systems）的建模挑战与初步的稳定性分析方法进行了介绍。 第三章：过程辨识与参数估计 在实际工程中，系统的精确数学模型往往是未知的。本章详细介绍了系统辨识（System Identification）的原理与方法。内容包括数据的预处理、经典参数估计方法如最小二乘法（Least Squares）及其递归形式（RLS），以及针对过程噪声和模型失配的卡尔曼滤波（Kalman Filtering）理论基础。本章强调了辨识结果的验证和交叉验证在评估模型适用性中的关键作用。 第二部分：现代控制理论的核心方法（The Core Methodologies） 本部分是本书的核心，聚焦于状态空间框架下的现代控制设计技术，特别是针对提升系统性能和确保稳定性的策略。 第四章：最优控制：LQR与MPC的理论基石 最优控制是现代控制设计的基石。本章深入讲解了线性二次型调节器（LQR）的设计过程，推导了代数黎卡提方程（ARE）的求解，并探讨了性能指标函数（成本函数）的权重选择对控制性能（如响应速度与控制作用大小的权衡）的影响。随后，本章过渡到对模型预测控制（MPC）理论框架的介绍，强调了其在处理约束优化问题上的核心地位，包括滚动时域优化和预测模型的建立。 第五章：状态反馈与观测器设计 本章探讨了如何利用完整的状态信息进行反馈控制。详细讲解了极点配置（Pole Placement）的设计技术，包括使用Ackermann公式和基于矩阵分解的方法。鉴于实际系统中状态变量往往无法直接测量，本章花费大量篇幅介绍观测器的设计，包括经典的Luenberger观测器，并将其与LQR设计相结合，形成最优状态估计器——卡尔曼滤波器（在本书中，卡尔曼滤波器被作为状态估计的确定性最优解来深入讲解，而非仅仅是统计估计工具）。 第六章：鲁棒控制导论：H-无穷控制（$H_{infty}$ Control） 面对模型不确定性和外部扰动，控制系统必须具备鲁棒性。本章引入了$H_{infty}$控制理论，目标是最小化系统对外部干扰的敏感度。内容包括$H_{infty}$范数的定义、性能的数学表述（即闭环系统性能指标的界限），以及如何通过求解特定的代数黎卡提方程（Riccati Inequalities）来设计一个保证闭环系统稳定性和性能指标的控制器。这为处理具有明确性能保证的工业应用奠定了基础。 第三部分：先进控制与复杂系统集成（Advanced Integration） 本部分将理论与复杂的工程实践相结合，探讨了应对非线性、变参数和网络化控制系统的前沿技术。 第七章：非线性控制基础与反馈线性化 现实世界中的许多过程（如化学反应器、航空姿态控制）本质上是非线性的。本章介绍了非线性控制的基本工具，如雅可比线性化的应用及其局限性。重点阐述了微分平坦性（Differential Flatness）的概念，以及如何利用输入-输出反馈线性化（Input-Output Feedback Linearization）技术，将复杂的非线性系统转化为线性的被控对象，从而应用经典的最优控制或状态反馈方法。 第八章：模型预测控制（MPC）的深入实现与约束处理 模型预测控制是当代流程工业的主流技术。本章将MPC从理论提升到实际应用层面。详细讲解了有约束MPC（Constrained MPC）的求解过程，包括如何将其转化为一个在线求解的二次规划（QP）问题。内容涵盖了软约束与硬约束的处理、对控制作用器的饱和限制、以及如何通过引入追溯约束（Receding Horizon Control）机制来保证系统的稳定性。 第九章：多变量控制与解耦策略 针对现代大型化工装置和复杂的机械系统，多变量控制是必然选择。本章探讨了如何处理不同控制回路间的相互耦合问题。除了基于状态空间的状态反馈解耦，本章还详细介绍了非敏感矩阵设计（Non-Sensitive Matrix Design）和动态矩阵控制（DMC）在多回路系统中的应用，并讨论了如何利用奇异值分解（SVD）来评估系统的固有耦合度。 第十章：网络化控制系统（NCS）的挑战与应对 随着工业物联网（IIoT）的发展，控制信号通过通信网络传输已成常态。本章聚焦于网络化控制系统面临的独特挑战，包括采样延迟、数据丢包、时钟同步误差等。内容涵盖了基于事件触发的控制（Event-Triggered Control）的基本思路，以及如何通过引入网络感知观测器（Network-Aware Observers）来设计对网络不确定性具有一定鲁棒性的控制器。 总结与展望 本书的最终目标是培养工程师解决实际、复杂控制问题的能力。通过对理论的严谨阐述和对工程案例的充分讨论，读者将能够： 1. 熟练运用状态空间方法对复杂的工业过程进行建模和分析。 2. 设计并实施LQR、观测器、以及能够处理约束的MPC算法。 3. 理解并应用先进的鲁棒控制和非线性控制技术，以应对实际环境中的不确定性和非线性。 4. 具备评估和集成现代控制解决方案到现有工业控制架构中的专业能力。 本书适合作为高等院校过程控制、自动化、控制工程专业硕士及以上层次的教材或参考书，也是致力于提升工业控制系统设计水平的工程师的必备工具书。
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Control Engineering 的入门读物，比较精简
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