过程装备测控技术:线性与非线性控制理论及应用.pdf

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书籍描述

目录
1状态空间分析法1
11线性系统的状态空间表示1
111状态空间的基本概念1
112线性系统的状态空间表达式2
113状态空间表达式的建立3
12线性系统的状态解14
121线性定常连续系统齐次方程的解14
122线性定常连续系统的状态转移矩阵15
123线性定常连续系统非齐次状态方程的解19
13系统的能控性和能观性20
131线性连续系统的能控性20
132线性连续系统的能观性22
133能控及能观标准型24
14线性系统状态空间的结构分解35
141按能控性分解36
142按能观性分解39
15传递函数的状态空间实现43
16线性系统的稳定性51
161平衡状态51
162李雅普诺夫稳定性定义52
163李亚普诺夫第一法53
164李亚普诺夫第二法55
17基于状态空间分析法的控制系统设计59
171两类反馈结构对系统能控性、能观性的影响61
172两类反馈系统的极点配置63
173状态观测器69
174带状态观测器的状态反馈系统设计79
参考文献80
2过程系统的非线性控制81
21非线性系统的能控性与能观性81
211能控性81
212能观性85
22非线性系统的局部能控性能观性分解89
221非线性系统能控性分解95
222非线性系统的能观性分解100
23基于坐标变换的非线性系统部分线性化104
24非线性系统状态反馈的精确线性化113
25非线性系统的全维状态观测器119
26非线性广义过程的定值控制与随动控制125
261非线性定值控制125
262非线性随动控制131
参考文献136
3自适应控制138
31线性自适应控制系统138
311参数最优化设计方法138
312Lyapunov稳定性设计方法140
32非线性自适应控制153
321自适应定值控制155
322自适应随动控制163
参考文献166
4线性与非线性鲁棒控制167
41鲁棒控制的数学基础167
411距离空间167
412线性赋范空间167
413Banach空间167
414Hilbert空间169
415常用时域函数空间及其范数170
416常用频域函数空间及其范数172
417系统及其范数176
42系统不确定性描述与H∞控制标准问题181
421系统的不确定性描述181
422互质分解186
423线性分式变换194
424系统的稳定性及控制器的参数化设计197
425H∞控制的标准化205
426H∞标准化控制问题的稳定分析212
427广义被控过程的可稳定性216
428H∞标准问题与模型匹配问题219
43标准H∞控制问题的Riccati方程解法221
431Riccati方程与H∞范数221
432Lyapunov方程及Riccati不等式225
433有理函数矩阵的内外分解228
44H∞状态反馈控制230
441状态可测,干扰不可测情况231
442状态和干扰都可测情况234
45H∞输出反馈控制238
451H∞输出反馈简化情况238
452H∞输出反馈的一般情况241
46非线性鲁棒控制242
461耗散系统与能量存储函数242
462非线性状态反馈鲁棒控制248
463非线性输出反馈鲁棒控制251
参考文献253
5控制理论应用实例254
51微细通道相变传热系统状态反馈精确线性化控制254
511微槽中流动汽泡的动力学模型254
512动力模型的Lie代数结构256
513状态反馈精确线性化控制的构建256
52基于状态观测器的连续搅拌反应釜非线性温度控制257
521数学模型的建立258
522降阶观察器258
523输入输出反馈线性控制器的设计259
524输出反馈反推控制器设计261
525仿真263
526结论266
53基于非线性模型的二元蒸馏塔控制267
531精馏塔降阶模型268
532控制算法的建立268
533精馏塔模型269
534状态估计269
535控制器参数整定270
536结果分析270
54模拟五效蒸发器模型的非线性控制研究271
541MIMO GLC结构简介271
542五效蒸发器的MIMO GLC273
543蒸发模型的非线性控制274
544蒸发器模型的闭环仿真280
545结论285
55家畜建筑物温湿度非线性控制288
551非线性控制基础288
552家畜建筑物内湿热控制的数学模型289
553温湿度调节非线性鲁棒控制器设计291
554模拟研究293
56不可压缩流体的非线性控制296
561二维NavierStokes方程空间分解296
562非线性模型降阶298
563非线性控制299
564Burgers方程的非线性有限维控制301
565二维槽道非线性有限维控制304
57轴向压缩系统喘振的非线性控制307
571喘振模型307
572基于模型的观测器设计308
573输入输出反馈线性化输入的推导310
574系统喘振控制器和观测器验证方法312
575闭环系统性能评价313
576结论315
附录喘振模型方程316
参考文献318

序言
过程装备与控制工程专业覆盖过程装备设计及过程装备控制等工业领域,实行大口径、宽适应方向办学,强调学生的动手能力、创新能力的基本训练,培养从事过程装备设计、机械制造自动化、过程装备控制等领域的高级人才,本书是为该专业研究生编写的控制类教材,主要供学生在学完本科自动控制原理、过程装备控制技术等课程后继续深入学习使用,以线性控制为主的内容可供硕士研究生使用,以非线性控制为主的内容可供博士研究生使用。根据专业教学特点,并结合本专业的“一体两翼”概念,即以“化工装备”为主体,以“化工过程”及“过程控制”为两翼,所编教材更进一步丰富了专业内涵,为本专业研究生进一步深入学习高等过程控制提供了良好的素材。
过程装备控制技术广泛应用于石化、轻工、食品、冶金、电力等行业,近年来,随着过程生产的复杂化及集成化,控制策略发生了根本性变化,由原来的以经典控制理论为主的控制方法逐步演化为以现代控制理论为基础的控制方法,控制结果的自适应性、鲁棒性、最优性、智能性、被控过程的非线性等得到了更为全面的考虑。本教材最后一章选择了一些近年来发表在国际杂志上的控制示例供读者参考。
本书在编写过程中力求遵守简单易懂,重点突出,知识实用等原则,重点放在介绍现代控制理论的核心思想与控制方法的引入原理上。考虑到工科研究生的数学基础,本书不追求定理的严格证明,并对所需微分几何、泛函分析等数学知识进行了简明扼要的介绍。本书也可作为工科电类、自动化类、力学类等专业学生学习线性与非线性控制理论的参考,同时对高等学校相关专业教师、工程技术人员对非线性控制、自适应控制、鲁棒控制的应用研究具有一定的参考价值。
全书共分5章,第1章介绍了线性控制系统的基本原理及其设计方法,是后续章节的基础;第2章介绍了非线性控制系统的基本概念、分析原理与设计方法;第3章介绍了线性与非线性自适应控制的基本原理与设计方法;第4章在补充了相关的数学基础知识后重点介绍了线性与非线性鲁棒控制的分析原理与设计方法;第5章给出了上述章节的综合应用示例,52~57节的示例由研究生查阅国际文献并整理而成,研究生宁常军提供了52~54节的示例整理,研究生钟艳提供了55节的示例整理,研究生陈朗提供了56节的示例整理,研究生王维提供了57节的部分示例整理。由于书中公式较多,研究生黄大鹏、宁常军、钟艳、王维等为初稿打印付出了艰辛的努力,在此表示感谢!
本书的编写得到了华南理工大学研究生重点课程建设项目的支持,所涉及的微细通道相变传热控制研究得到了国家自然科学基金的资助(编号:21276090)。本书在编写过程中得到了众多学科前辈的大力指导及相关学科老师的热情帮助,在此表示衷心的感谢!
由于编者知识有限,书中缺点在所难免,恳请广大读者批评指正。

编者
2013年3月于广州

内容简介
本书对过程装备与控制工程专业领域的现代控制原理进行了较为详细的阐述,各章节自成体系。介绍了过程控制线性系统的状态空间分析法、能控性和能观性、状态空间的结构分解、基于状态空间分析法的控制系统设计。并在此基础上介绍了非线性系统的能控性能观性及其结构分解、基于坐标变换的非线性系统部分线性化、非线性系统状态反馈精确线性化、非线性定值控制与随动控制等,同时介绍了线性自适应控制、非线性自适应控制,并对系统的不确定性描述及H∞控制的标准问题、互质分解、线性分式变换、H∞控制的稳定分析、H∞控制标准问题的Riccati方程解法、H∞ 状态反馈控制、H∞输出反馈控制、耗散性及能量存储函数、非线性状态反馈鲁棒控制、非线性输出反馈鲁棒控制等进行了较为详细的阐述。
本书可作为高等院校过程装备与控制工程、工业自动化等相关专业的研究生教材,也可供相关工程技术人员参考。

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