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出版者:Kogan Page Ltd

作者:Takeda, Hitoshi

出品人:

页数:263

译者:

出版时间:2006-9

价格:719.00元

装帧:HRD

isbn号码:9780749447656

丛书系列:

图书标签:

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《时滞系统控制理论与应用》 内容简介 《时滞系统控制理论与应用》深入探讨了在实际工程应用中普遍存在的时滞现象，并系统地阐述了如何针对具有时滞的动力学系统进行有效的控制设计与分析。本书旨在为读者提供一套全面、严谨且实用的时滞系统控制理论框架，并结合大量工程实例，展示这些理论在解决实际问题中的强大能力。 第一部分：时滞系统的基本概念与建模 本书开篇从对时滞系统基本概念的梳理开始。我们将首先明确什么是时滞，它为何会在物理系统、生物系统、经济系统以及信息系统中广泛存在。通过历史回顾，我们会了解到时滞并非一个新颖的现象，但其复杂性使得传统的控制理论在处理时滞系统时显得捉襟见肘。 接着，本书将重点介绍时滞系统的数学建模。我们知道，一个系统的动力学行为可以通过数学模型来描述，而时滞的引入，使得系统的微分方程（或差分方程）的右侧包含了过去的状态或输入。常见的时滞模型包括： 常时滞系统 (Constant Delay Systems)：这是最简单也是最常见的一种模型，其时滞值在系统运行过程中保持不变。我们将介绍其标准形式，如延迟微分方程 (DDEs)。 分布式时滞系统 (Distributed Delay Systems)：在这种模型中，时滞并不是一个单一的值，而是由一个在时间上分布的函数来描述，这意味着系统对过去一段时间内的状态或输入都存在依赖。我们将讨论如何建立这类系统的模型，以及其数学上的特性。 比例时滞系统 (Proportional Delay Systems)：这类系统中的时滞与当前系统状态成比例，例如在某些生物生长模型中，生长时间可能与当前种群数量有关。 时变时滞系统 (Time-Varying Delay Systems)：时滞本身也可能随时间变化，这使得系统的动力学行为更加复杂，也对控制器的设计提出了更高的要求。我们将分析时变时滞系统的建模难点以及常用的建模方法。 此外，本书还将探讨如何从实际系统中提取时滞参数。这可能涉及到实验数据的采集、分析和辨识技术。我们不回避实际建模中的不确定性，并将讨论如何处理模型中的参数不确定性，为后续的鲁棒控制设计打下基础。 第二部分：时滞系统的稳定性分析 理解一个系统是否稳定是控制设计的前提。对于时滞系统而言，其稳定性分析比无时滞系统更为复杂。本书将系统地介绍各种稳定性分析方法： 代数稳定性判据 (Algebraic Stability Criteria)：我们将从经典的Lyapunov-Krasovskii泛函方法出发，介绍如何构造合适的Lyapunov泛函来证明系统的稳定性。这部分会涉及一些数学上的技巧，但我们会力求讲解清晰，并提供一些通用的构造思路。 频率域方法 (Frequency Domain Methods)：对于线性时滞系统，频率域方法是分析稳定性的有力工具。我们将介绍Nyquist判据、Bode图等在时滞系统中的推广应用，例如如何分析特征方程的根分布，以及如何利用根轨迹来评估时滞的影响。 数值稳定性判据 (Numerical Stability Criteria)：在很多情况下，解析解不易获得，或者需要快速评估稳定性，数值方法就显得尤为重要。我们将介绍基于特征值分析、数值积分方法以及区间分析等技术来判断系统的稳定性，并讨论其适用范围和局限性。 不确定时滞系统的稳定性 (Stability of Uncertain Delay Systems)：考虑到实际系统中时滞参数可能不完全已知，本书将重点关注如何分析含有不确定时滞的系统的稳定性，例如使用线性矩阵不等式 (LMIs) 等先进的数学工具来处理这类问题。 第三部分：时滞系统的控制器设计 有了对时滞系统及其稳定性的深刻理解，本书将进入核心内容——控制器设计。我们将介绍多种针对时滞系统的控制策略，并分析其优缺点。 基于状态反馈的控制器设计 (State Feedback Control Design)：我们将从最基础的状态反馈控制器开始，介绍如何利用极点配置技术来设计时滞系统的状态反馈控制器。然而，由于时滞的存在，直接的状态反馈往往无法完全消除时滞的影响。因此，我们将深入探讨具有前馈项的状态反馈，以及如何利用预测状态来补偿时滞。 观测器设计 (Observer Design)：在许多实际系统中，并非所有状态变量都可以直接测量。因此，观测器的设计至关重要。本书将介绍如何为时滞系统设计状态观测器，包括纯状态观测器、延迟状态观测器以及预测状态观测器，并分析其性能。 PID控制器及其改进 (PID Control and its Improvements)：PID控制器是工业界应用最广泛的控制器之一。我们将讨论如何将PID控制器应用于时滞系统，并重点介绍一些针对时滞系统特点的改进方法，例如引入预测机制的PID控制器，以及如何优化PID参数以更好地应对时滞。 模型预测控制 (Model Predictive Control, MPC)：MPC是一种先进的控制策略，它能够直接处理约束条件，并且在时滞系统控制中展现出强大的优势。本书将详细介绍MPC的基本原理，并重点阐述如何将MPC应用于时滞系统，包括滚动优化、预测模型构建以及约束处理等关键环节。 鲁棒控制 (Robust Control)：考虑到系统中存在的模型不确定性和外部干扰，鲁棒控制在时滞系统中的应用也至关重要。我们将介绍基于H∞范数、LMI等技术的鲁棒控制器设计方法，以确保控制器在不确定性和干扰下仍然能够保持良好的性能。 自适应控制 (Adaptive Control)：当系统的参数或时滞随时间变化时，自适应控制策略能够发挥作用。本书将介绍自适应控制器的基本原理，并探讨其在时滞系统中的应用，例如如何设计能够在线辨识和跟踪时滞变化的自适应控制器。 第四部分：时滞系统的实际应用案例 理论的生命在于应用。本书的第四部分将通过大量具体的工程案例，生动地展示时滞系统控制理论的实际价值。这些案例将涵盖： 机器人与自动化系统 (Robotics and Automation Systems)：例如，远程操作的机器人手臂、多关节机器人的运动控制，其通信延迟或关节摩擦引起的惯性都会引入时滞。 过程控制 (Process Control)：化工、冶金等行业中的反应器、管道输送等系统，其物料或能量的传输需要时间，必然存在时滞。例如，控制大型化工厂中的温度、压力等参数。 航空航天与航海 (Aerospace and Navigation)：飞机的飞行控制、卫星的轨道控制、无人机的导航系统，其传感器信号的传输、执行机构的响应都可能引入显著的时滞。 生物医学工程 (Biomedical Engineering)：例如，人工胰腺系统对血糖的实时监测和胰岛素的注射，存在血糖测量和药物释放的时滞；以及脑起搏器等医疗设备的参数调节。 网络控制系统 (Networked Control Systems)：随着物联网和工业互联网的发展，越来越多的系统通过网络进行通信和控制。网络的带宽、延迟等特性都会引入时滞，使得这类系统成为时滞控制研究的重要前沿。 交通系统 (Traffic Systems)：例如，交通信号灯的协调控制、高速公路上的车辆队列控制，其信息的传递和车辆的响应都存在时滞。 在每个案例中，我们都将遵循“问题描述——模型建立——稳定性分析——控制器设计——仿真验证——实际效果评估”的流程，力求让读者能够清晰地理解理论如何指导实践，以及不同控制策略在具体场景下的适用性。 第五部分：前沿研究与未来展望 最后，本书将对时滞系统控制领域的最新研究进展进行梳理，并对未来的发展方向进行展望。这包括： 混合时滞系统 (Hybrid Delay Systems)：即同时存在连续时滞和离散时滞的系统。 模糊与神经网络在时滞系统中的应用 (Fuzzy and Neural Network Applications)：利用模糊逻辑和神经网络的强大非线性逼近能力来处理复杂时滞系统。 分布式参数时滞系统 (Distributed Parameter Delay Systems)：时滞存在于分布式参数系统中，例如受PDE控制的系统。 基于机器学习的时滞系统建模与控制 (Machine Learning-based Delay System Modeling and Control)：利用机器学习技术来自动辨识时滞系统的模型，并设计控制器。 通过对这些前沿问题的探讨，本书旨在激发读者对时滞系统控制领域更深入的研究兴趣，并为相关领域的学者和工程师提供宝贵的参考。 《时滞系统控制理论与应用》力求在理论的严谨性与应用的实践性之间取得平衡，内容丰富，覆盖面广。本书适合从事控制理论研究的研究生、博士生，以及在自动化、机器人、过程控制、航空航天等领域工作的工程师和技术人员阅读。通过学习本书，读者将能够深刻理解时滞对系统行为的影响，掌握针对时滞系统进行建模、分析和控制的先进方法，并将其成功应用于实际工程问题中，从而提升系统的性能和可靠性。

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