Fault-Tolerant Control Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Ponsart, Jean-Christophe

出品人:

页数:254

译者:

出版时间:

价格:$ 179.67

装帧:

isbn号码:9781848826526

丛书系列:

图书标签:

• 控制系统
• 容错控制
• 可靠性
• 系统工程
• 自动化
• 建模与分析
• 鲁棒控制
• 故障诊断
• 嵌入式系统
• 实时系统

《自动化控制理论及其工程应用》 内容简介 本书系统地阐述了自动化控制理论的核心概念、基本原理及其在各个工程领域中的广泛应用。从最基础的系统模型建立，到先进的控制策略设计，再到实际工程中的实现与优化，本书力求为读者提供一个全面而深入的认知框架。 第一章：控制系统基础 本章旨在建立读者对控制系统基本概念的统一认识。我们将从“何为控制”这一根本问题出发，剖析控制系统的组成要素，包括传感器、控制器、执行器以及被控对象。通过对反馈控制和前馈控制的深入比较，阐明反馈控制在提高系统鲁棒性和抑制扰动方面的关键作用。本书将详细介绍系统模型的重要性，包括其在分析、设计和仿真中的必要性。我们将探讨不同类型的系统模型，例如传递函数模型、状态空间模型以及辨识模型，并分析它们各自的适用范围和优缺点。为了定量描述系统的动态特性，我们将引入诸如阶跃响应、脉冲响应、频率响应等时域和频域分析工具，并详细讲解如何通过极点、零点、增益和相移等参数来理解系统的稳定性、响应速度和精度。 第二章：线性控制系统分析 线性控制系统是自动化控制理论的基石。本章将深入探讨线性系统的时域分析方法。我们将详细介绍如何利用微分方程来描述线性系统的动态行为，并引出拉普拉斯变换在求解和分析线性微分方程中的强大功能。在此基础上，我们将讲解传递函数矩阵的概念，以及如何通过传递函数来刻画输入输出之间的关系。稳定性分析是控制系统设计的核心任务之一。我们将详细介绍Routh-Hurwitz判据，通过分析特征方程的系数来判断系统的稳定性，无需求解特征方程本身。此外，我们还将介绍根轨迹法，通过观察系统参数变化时极点的移动轨迹，直观地分析系统的稳定性以及如何通过增益调整来改善系统性能。对于系统的稳态误差分析，我们将引入单位斜坡输入、单位阶跃输入等标准测试信号，并推导系统在不同输入下的稳态误差表达式，从而为控制器设计提供量化依据。 第三章：线性控制系统设计 在掌握了线性系统的分析方法后，本章将重点介绍各种经典线性控制器设计技术。比例-积分-微分（PID）控制器作为最广泛应用的控制器，我们将对其原理、参数整定方法（如Ziegler-Nichols法、试凑法）进行详细阐述，并分析P、I、D三个参数对系统性能的影响。补偿器设计是提升系统性能的关键手段。我们将详细介绍超前补偿器和滞后补偿器，分析它们在改善系统频率响应、提高相位裕度和减小稳态误差方面的作用。对于更复杂的系统，频率域设计方法提供了另一种有效的途径。本章将介绍Nyquist稳定性判据，通过分析开环传递函数的Nyquist图来判断闭环系统的稳定性，并进一步介绍Bode图法，通过分析幅频特性和相频特性曲线来设计超前、滞后和超前-滞后补偿器，以满足系统的稳定性、响应速度和稳态精度要求。 第四章：状态空间方法 随着系统复杂度的增加，传统的传递函数方法在处理多输入多输出（MIMO）系统时显得力不从心。本章将引入现代控制理论的核心——状态空间方法。我们将详细介绍状态向量、状态方程和输出方程，以及如何将传递函数模型转化为状态空间模型，反之亦然。可控性和可观测性是状态空间分析的重要概念。我们将深入讲解如何通过可控性矩阵和可观测性矩阵来判断系统的可控性和可观测性，并阐述这两个概念对于状态反馈控制和状态观测器设计的重要性。线性二次调节器（LQR）作为一种最优控制方法，我们将介绍其设计原理，即在最小化二次型性能指标的前提下，求解最优状态反馈增益。对于无法直接测量所有状态变量的情况，状态观测器的设计必不可少。我们将详细介绍Luenberger观测器的设计原理，如何利用系统的输入输出信息来估计不可测量的状态变量，并分析观测器增益的选择对估计精度和收敛速度的影响。 第五章：数字控制系统 随着计算机技术的飞速发展，数字控制器已成为自动化控制领域的主流。本章将重点介绍数字控制系统的原理和设计方法。我们首先从离散化技术入手，详细介绍如何将连续时间系统模型转化为离散时间模型，包括零阶保持器作用下的脉冲不变法和双线性变换法。在此基础上，我们将讲解离散时间系统的稳定性分析方法，包括离散Routh-Hurwitz判据和根轨迹法在离散系统中的应用。数字PID控制器是工程中最常见的数字控制器类型，我们将对其离散化实现以及参数整定方法进行详细介绍。对于数字控制系统的设计，我们将探讨脉冲传递函数和离散状态空间模型，并介绍基于离散模型的控制器设计方法，例如基于零极点配置的数字控制器设计。 第六章：非线性控制系统 现实世界中的许多系统都表现出非线性特性，这使得线性控制理论难以直接应用。本章将引入非线性控制系统的基本概念和分析方法。我们将介绍非线性系统的典型非线性特性，如饱和、死区、滞环等，并分析这些非线性特性对系统性能的影响。我们将探讨描述函数法，这是一种近似分析周期性稳态的方法，适用于分析具有特定非线性环节的系统。李雅普诺夫稳定性理论是分析非线性系统稳定性的强大工具，我们将深入介绍李雅普诺夫第一方法和第二方法（直接法），并讲解如何构造李雅普诺夫函数来判断系统的稳定性。在此基础上，我们将介绍一些常用的非线性控制策略，如反馈线性化、滑模控制和自适应控制，并阐述它们在处理不同类型非线性问题时的优势。 第七章：模型预测控制（MPC） 模型预测控制（MPC）作为一种先进的控制策略，近年来在工业界得到了广泛应用。本章将详细介绍MPC的原理和设计流程。我们将阐述MPC的基本思想，即利用系统的动态模型，在每个采样时刻预测未来一段时间内的系统行为，并根据预设的性能指标优化未来一段时间的控制输入序列，然后仅将第一个控制输入施加到系统中，并在下一个采样时刻重复此过程。我们将详细介绍MPC的滚动优化过程，包括预测模型、代价函数和约束条件。我们将探讨不同类型的MPC，如线性MPC、非线性MPC和多变量MPC，并分析它们在处理不同系统特性和约束条件时的适用性。 第八章：智能控制与自适应控制 本章将介绍两类重要的现代控制技术：智能控制和自适应控制。智能控制利用人工智能技术，如神经网络、模糊逻辑和进化计算，来构建能够处理复杂、未知或时变系统的控制器。我们将详细介绍模糊逻辑控制器的设计原理，如何将人的模糊知识转化为精确的控制规则，以及神经网络在系统辨识和控制器设计中的应用。自适应控制则致力于在系统模型未知或发生变化的情况下，实时调整控制器参数以维持系统性能。我们将介绍自适应控制的基本原理，包括参数辨识和控制器调整机制。我们将重点介绍两种典型的自适应控制方法：模型参考自适应控制（MRAC）和自调整增益（STR）控制。 第九章：系统辨识 准确的系统模型是控制系统设计的基础。本章将介绍系统辨识技术，旨在从实验数据中估计系统的动态模型。我们将分类介绍不同的辨识方法，包括参数辨识和模型结构辨识。我们将详细介绍基于模型方程的最小二乘法及其改进算法，如递归最小二乘法，用于估计模型参数。此外，我们还将介绍非参数辨识方法，如利用系统对激励信号的响应来估计系统的频率响应或脉冲响应。本章还将讨论辨识过程中需要注意的问题，如实验数据质量、模型结构选择和辨识结果的评估。 第十章：鲁棒控制 在实际工程应用中，系统模型往往存在不确定性，例如参数偏差、模型简化以及未建模动态。鲁棒控制的目标是设计控制器，使其在存在模型不确定性的情况下，仍能保持令人满意的性能和稳定性。本章将介绍鲁棒控制的基本概念，如不确定性描述和性能指标。我们将详细介绍H-无穷（H-infinity）控制，这是一种经典的鲁棒控制方法，通过最小化闭环系统在所有可能的不确定性下的无穷范数来保证鲁棒性。我们还将介绍μ（mu）分析和综合，这是一种更通用的不确定性描述和控制方法，能够处理更广泛的不确定性结构。 第十一章：现代控制工程实践 本章将聚焦于自动化控制系统在实际工程中的应用案例和最佳实践。我们将从一个典型的工业控制系统设计流程出发，介绍从需求分析、系统建模、控制器设计，到仿真验证、硬件实现、现场调试和系统优化等各个环节。我们将以具体的案例，如机器人控制、过程控制、航空航天控制等，来阐述书中介绍的控制理论如何应用于解决实际工程问题。本章还将讨论在工程实践中遇到的挑战，如实时性要求、资源限制、安全可靠性以及人机交互等，并提供相应的解决方案和建议。 第十二章：计算机辅助设计与仿真 在现代控制工程中，计算机辅助设计（CAD）和仿真工具扮演着至关重要的角色。本章将介绍常用的控制系统设计与仿真软件，如MATLAB/Simulink、LabVIEW等，并演示如何利用这些工具来建立系统模型、设计控制器、进行稳定性分析和性能仿真。我们将详细介绍如何搭建仿真模型，如何利用内置的分析工具进行系统评估，以及如何进行硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HIL）仿真，以更真实地模拟系统在实际运行中的表现。 本书内容涵盖了自动化控制理论的广度和深度，旨在为读者提供坚实的理论基础和丰富的工程实践指导，使其能够独立地进行自动化控制系统的分析、设计、实现和优化。

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