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基于MATLAB/SIMULINK的嵌入式魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計 版權(quán)信息
- ISBN：9787111736752
- 條形碼：9787111736752 ; 978-7-111-73675-2
- 裝幀：平裝-膠訂
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
基于MATLAB/SIMULINK的嵌入式魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計 本書特色
本書旨在提供有關(guān)基于MATLAB和Simulink實現(xiàn)嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)的必要知識，本書面向現(xiàn)代控制理論在高性能控制律（這些控制律確保閉環(huán)系統(tǒng)對被控對象不確定性具有良好的動態(tài)性和魯棒性）開發(fā)中的應(yīng)用，將重點放在應(yīng)用開發(fā)問題上，主要介紹實際中常用的線性控制器的設(shè)計。書中包含了許多重要的示例，用以說明理論結(jié)果的實際實現(xiàn)。隨書提供可免費下載的資料，其中包含相應(yīng)章節(jié)中所有示例的MATLAB和Simulink文件。
本書可以作為在控制工程領(lǐng)域?qū)W習(xí)的碩士生和博士生以及在該行業(yè)工作的控制工程師的參考資料，也可供對MATLAB和Simulink在控制系統(tǒng)設(shè)計中的實現(xiàn)感興趣的控制工程研究人員參考。
基于MATLAB/SIMULINK的嵌入式魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計 內(nèi)容簡介
本書面向現(xiàn)代控制理論在高性能控制律開發(fā)中的應(yīng)用，主要基于MATLAB和Simulink編程環(huán)境，介紹如何設(shè)計并實現(xiàn)嵌入式魯棒控制系統(tǒng)。書中包含許多重要的示例，用以說明理論結(jié)果的實際實現(xiàn)。
基于MATLAB/SIMULINK的嵌入式魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計 目錄
目 錄
譯者序
前言
第1章 嵌入式控制系統(tǒng) 1
1.1 引言 1
1.2 嵌入式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成 2
1.2.1 典型框圖 2
1.2.2 A/D和D/A轉(zhuǎn)換 3
1.2.3 傳感器 4
1.2.4 執(zhí)行器 4
1.2.5 處理器 5
1.2.6 軟件 6
1.3 采樣和混疊 7
1.4 定點運算 9
1.4.1 定點數(shù) 9
1.4.2 縮放 11
1.4.3 范圍和精度 14
1.4.4 定點算術(shù)運算 15
1.5 浮點運算 17
1.5.1 浮點數(shù) 17
1.5.2 IEEE運算 18
1.5.3 浮點算術(shù)運算 20
1.6 量化效應(yīng) 20
1.6.1 截斷和舍入 20
1.6.2 A/D轉(zhuǎn)換中的量化誤差 22
1.7 設(shè)計階段 23
1.7.1 控制器設(shè)計 25
1.7.2 閉環(huán)系統(tǒng)仿真 27
1.7.3 嵌入式代碼生成 28
1.8 硬件配置 29
1.8.1 微處理架構(gòu) 29
1.8.2 硬件描述語言 32
1.8.3 模塊級開發(fā) 35
1.8.4 系統(tǒng)級開發(fā) 39
1.9 軟件配置 42
1.9.1 板級支持包 43
1.9.2 應(yīng)用程序接口 44
1.9.3 代碼生成 45
1.9.4 代碼驗證 47
1.10 注釋和參考文獻(xiàn) 48
第2章 系統(tǒng)建模 49
2.1 被控對象建模 49
2.2 線性化 51
2.2.1 解析線性化 51
2.2.2 符號線性化 53
2.2.3 數(shù)值線性化 55
2.3 離散化 57
2.3.1 離散時間模型 57
2.3.2 離散時間頻率響應(yīng) 58
2.3.3 連續(xù)時間模型的離散化 60
2.3.4 時滯系統(tǒng)的離散化 63
2.3.5 采樣周期的選擇 64
2.3.6 非線性模型的離散化 65
2.4 隨機建模 66
2.4.1 隨機線性系統(tǒng) 66
2.4.2 隨機模型的離散化 68
2.4.3 *優(yōu)估計 70
2.5 被控對象辨識 73
2.5.1 黑箱模型辨識 73
2.5.2 灰箱模型辨識 86
2.6 不確定性建模 90
2.6.1 結(jié)構(gòu)化不確定性模型 91
2.6.2 LFT表示的不確定性模型 97
2.6.3 從Simulink模型導(dǎo)出不確定
性狀態(tài)空間模型 98
2.6.4 非結(jié)構(gòu)化不確定性模型 98
2.6.5 混合不確定性模型 102
2.6.6 不確定性模型的離散化 102
2.6.7 通過辨識得出不確定性
模型 105
2.7 傳感器建模 107
2.7.1 Allan方差 108
2.7.2 隨機陀螺模型 109
2.7.3 隨機加速計模型 114
2.7.4 傳感器數(shù)據(jù)濾波 116
2.8 注釋和參考文獻(xiàn) 119
第3章 性能要求和設(shè)計限制 121
3.1 SISO閉環(huán)系統(tǒng) 121
3.2 SISO系統(tǒng)性能指標(biāo) 124
3.2.1 時域指標(biāo) 124
3.2.2 頻域指標(biāo) 124
3.3 SISO系統(tǒng)設(shè)計中的折中 127
3.3.1 對S和T的限制 127
3.3.2 右半平面極點和零點 128
3.3.3 時滯引起的限制 129
3.3.4 測量噪聲引起的限制 130
3.3.5 干擾引起的限制 131
3.3.6 控制作用引起的限制 131
3.3.7 模型誤差引起的限制 132
3.4 MIMO 閉環(huán)系統(tǒng) 138
3.5 MIMO系統(tǒng)的性能指標(biāo) 140
3.5.1 使用奇異值進(jìn)行性能
分析 140
3.5.2 系統(tǒng)的H∞范數(shù) 142
3.5.3 Hankel范數(shù) 144
3.6 MIMO系統(tǒng)設(shè)計中的折中 145
3.6.1 干擾抑制 145
3.6.2 噪聲抑制 146
3.6.3 模型誤差 146
3.7 不確定性系統(tǒng) 147
3.8 魯棒穩(wěn)定性分析 149
3.8.1 非結(jié)構(gòu)化不確定性 149
3.8.2 結(jié)構(gòu)化奇異值 150
3.8.3 使用μ進(jìn)行魯棒穩(wěn)定性
分析 151
3.9 魯棒性能分析 154
3.9.1 使用μ進(jìn)行魯棒性能
分析 155
3.9.2 *壞情況下的增益 159
3.9.3 *壞情況下的裕度 160
3.10 魯棒性分析中的數(shù)值問題 161
3.11 注釋和參考文獻(xiàn) 165
第4章 控制器設(shè)計 166
4.1 PID控制器 167
4.2 帶積分作用的LQG控制器 180
4.2.1 離散時間LQG控制器 181
4.2.2 有色測量噪聲 183
4.2.3 帶偏置補償?shù)腖QG
控制器 192
4.3 帶H∞濾波器的LQ調(diào)節(jié)器 199
4.3.1 離散時間H∞濾波器 199
4.3.2 帶偏置補償?shù)腍∞濾波器 204
4.4 H∞設(shè)計 209
4.4.1 H∞設(shè)計問題 209
4.4.2 混合靈敏度H∞控制 214
4.4.3 二自由度控制器 217
4.4.4 H∞設(shè)計中的數(shù)值問題 218
4.5 μ綜合 227
4.5.1 μ綜合問題 227
4.5.2 用μ的上界替換μ 228
4.5.3 DK迭代 230
4.5.4 μ綜合中的數(shù)值問題 231
4.6 控制器比較 238
4.7 HIL仿真 239
4.8 注釋和參考文獻(xiàn) 245
第5章 案例研究1：水箱物理
模型的嵌入式控制 246
5.1 嵌入式控制系統(tǒng)的硬件配置 247
5.1.1 水箱 247
5.1.2 Arduino Mega 2560 248
5.1.3 分壓器 249
5.1.4 繼電器塊 249
5.2 被控對象辨識 251
5.3 LQR 和 LQG 控制器設(shè)計 258
5.4 H∞控制器設(shè)計 262
5.5 實驗評估 266
5.6 注釋和參考文獻(xiàn) 273
第6章 案例研究2：微型直升機
的魯棒控制 274
6.1 直升機模型 275
6.1.1 非線性直升機模型 275
6.1.2 線性化模型 280
6.1.3 不確定性模型 285
6.2 姿態(tài)控制器的μ綜合 286
6.2.1 性能要求 287
6.2.2 控制器設(shè)計 289
6.2.3 頻率響應(yīng) 293
6.2.4 線性系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng) 298
6.2.5 位置控制器設(shè)計 299
6.3 HIL仿真 300
6.3.1 非線性系統(tǒng)仿真 301
6.3.2 HIL仿真設(shè)置 302
6.3.3 HIL 仿真結(jié)果 304
6.4 注釋和參考文獻(xiàn) 310
第7章 案例研究3：兩輪機器人
的魯棒控制 311
7.1 機器人描述 311
7.2 機器人模型的閉環(huán)辨識 313
7.2.1 從u到.?的動態(tài)模型 317
7.2.2 從.?到.θ的動態(tài)模型 320
7.2.3 偏航運動的動態(tài)模型 322
7.3 不確定性模型的推導(dǎo) 326
7.3.1 基于信號的不確定性表示 326
7.3.2 輸入乘性不確定性表示 326
7.4 LQG控制器設(shè)計 329
7.5 μ控制器設(shè)計 333
7.6 設(shè)計控制器的比較 336
7.7 實驗評估 339
7.8 注釋和參考文獻(xiàn) 344
附錄A 矩陣分析基礎(chǔ) 346
附錄B 線性系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 354
附錄C 隨機過程 361
附錄D 線性模型辨識 372
附錄E IMU與目標(biāo)微控制器的
接口 393
附錄F 用霍爾編碼器測量角
速度 399
參考文獻(xiàn) 404
譯者序
前言
第1章 嵌入式控制系統(tǒng) 1
1.1 引言 1
1.2 嵌入式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成 2
1.2.1 典型框圖 2
1.2.2 A/D和D/A轉(zhuǎn)換 3
1.2.3 傳感器 4
1.2.4 執(zhí)行器 4
1.2.5 處理器 5
1.2.6 軟件 6
1.3 采樣和混疊 7
1.4 定點運算 9
1.4.1 定點數(shù) 9
1.4.2 縮放 11
1.4.3 范圍和精度 14
1.4.4 定點算術(shù)運算 15
1.5 浮點運算 17
1.5.1 浮點數(shù) 17
1.5.2 IEEE運算 18
1.5.3 浮點算術(shù)運算 20
1.6 量化效應(yīng) 20
1.6.1 截斷和舍入 20
1.6.2 A/D轉(zhuǎn)換中的量化誤差 22
1.7 設(shè)計階段 23
1.7.1 控制器設(shè)計 25
1.7.2 閉環(huán)系統(tǒng)仿真 27
1.7.3 嵌入式代碼生成 28
1.8 硬件配置 29
1.8.1 微處理架構(gòu) 29
1.8.2 硬件描述語言 32
1.8.3 模塊級開發(fā) 35
1.8.4 系統(tǒng)級開發(fā) 39
1.9 軟件配置 42
1.9.1 板級支持包 43
1.9.2 應(yīng)用程序接口 44
1.9.3 代碼生成 45
1.9.4 代碼驗證 47
1.10 注釋和參考文獻(xiàn) 48
第2章 系統(tǒng)建模 49
2.1 被控對象建模 49
2.2 線性化 51
2.2.1 解析線性化 51
2.2.2 符號線性化 53
2.2.3 數(shù)值線性化 55
2.3 離散化 57
2.3.1 離散時間模型 57
2.3.2 離散時間頻率響應(yīng) 58
2.3.3 連續(xù)時間模型的離散化 60
2.3.4 時滯系統(tǒng)的離散化 63
2.3.5 采樣周期的選擇 64
2.3.6 非線性模型的離散化 65
2.4 隨機建模 66
2.4.1 隨機線性系統(tǒng) 66
2.4.2 隨機模型的離散化 68
2.4.3 *優(yōu)估計 70
2.5 被控對象辨識 73
2.5.1 黑箱模型辨識 73
2.5.2 灰箱模型辨識 86
2.6 不確定性建模 90
2.6.1 結(jié)構(gòu)化不確定性模型 91
2.6.2 LFT表示的不確定性模型 97
2.6.3 從Simulink模型導(dǎo)出不確定
性狀態(tài)空間模型 98
2.6.4 非結(jié)構(gòu)化不確定性模型 98
2.6.5 混合不確定性模型 102
2.6.6 不確定性模型的離散化 102
2.6.7 通過辨識得出不確定性
模型 105
2.7 傳感器建模 107
2.7.1 Allan方差 108
2.7.2 隨機陀螺模型 109
2.7.3 隨機加速計模型 114
2.7.4 傳感器數(shù)據(jù)濾波 116
2.8 注釋和參考文獻(xiàn) 119
第3章 性能要求和設(shè)計限制 121
3.1 SISO閉環(huán)系統(tǒng) 121
3.2 SISO系統(tǒng)性能指標(biāo) 124
3.2.1 時域指標(biāo) 124
3.2.2 頻域指標(biāo) 124
3.3 SISO系統(tǒng)設(shè)計中的折中 127
3.3.1 對S和T的限制 127
3.3.2 右半平面極點和零點 128
3.3.3 時滯引起的限制 129
3.3.4 測量噪聲引起的限制 130
3.3.5 干擾引起的限制 131
3.3.6 控制作用引起的限制 131
3.3.7 模型誤差引起的限制 132
3.4 MIMO 閉環(huán)系統(tǒng) 138
3.5 MIMO系統(tǒng)的性能指標(biāo) 140
3.5.1 使用奇異值進(jìn)行性能
分析 140
3.5.2 系統(tǒng)的H∞范數(shù) 142
3.5.3 Hankel范數(shù) 144
3.6 MIMO系統(tǒng)設(shè)計中的折中 145
3.6.1 干擾抑制 145
3.6.2 噪聲抑制 146
3.6.3 模型誤差 146
3.7 不確定性系統(tǒng) 147
3.8 魯棒穩(wěn)定性分析 149
3.8.1 非結(jié)構(gòu)化不確定性 149
3.8.2 結(jié)構(gòu)化奇異值 150
3.8.3 使用μ進(jìn)行魯棒穩(wěn)定性
分析 151
3.9 魯棒性能分析 154
3.9.1 使用μ進(jìn)行魯棒性能
分析 155
3.9.2 *壞情況下的增益 159
3.9.3 *壞情況下的裕度 160
3.10 魯棒性分析中的數(shù)值問題 161
3.11 注釋和參考文獻(xiàn) 165
第4章 控制器設(shè)計 166
4.1 PID控制器 167
4.2 帶積分作用的LQG控制器 180
4.2.1 離散時間LQG控制器 181
4.2.2 有色測量噪聲 183
4.2.3 帶偏置補償?shù)腖QG
控制器 192
4.3 帶H∞濾波器的LQ調(diào)節(jié)器 199
4.3.1 離散時間H∞濾波器 199
4.3.2 帶偏置補償?shù)腍∞濾波器 204
4.4 H∞設(shè)計 209
4.4.1 H∞設(shè)計問題 209
4.4.2 混合靈敏度H∞控制 214
4.4.3 二自由度控制器 217
4.4.4 H∞設(shè)計中的數(shù)值問題 218
4.5 μ綜合 227
4.5.1 μ綜合問題 227
4.5.2 用μ的上界替換μ 228
4.5.3 DK迭代 230
4.5.4 μ綜合中的數(shù)值問題 231
4.6 控制器比較 238
4.7 HIL仿真 239
4.8 注釋和參考文獻(xiàn) 245
第5章 案例研究1：水箱物理
模型的嵌入式控制 246
5.1 嵌入式控制系統(tǒng)的硬件配置 247
5.1.1 水箱 247
5.1.2 Arduino Mega 2560 248
5.1.3 分壓器 249
5.1.4 繼電器塊 249
5.2 被控對象辨識 251
5.3 LQR 和 LQG 控制器設(shè)計 258
5.4 H∞控制器設(shè)計 262
5.5 實驗評估 266
5.6 注釋和參考文獻(xiàn) 273
第6章 案例研究2：微型直升機
的魯棒控制 274
6.1 直升機模型 275
6.1.1 非線性直升機模型 275
6.1.2 線性化模型 280
6.1.3 不確定性模型 285
6.2 姿態(tài)控制器的μ綜合 286
6.2.1 性能要求 287
6.2.2 控制器設(shè)計 289
6.2.3 頻率響應(yīng) 293
6.2.4 線性系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng) 298
6.2.5 位置控制器設(shè)計 299
6.3 HIL仿真 300
6.3.1 非線性系統(tǒng)仿真 301
6.3.2 HIL仿真設(shè)置 302
6.3.3 HIL 仿真結(jié)果 304
6.4 注釋和參考文獻(xiàn) 310
第7章 案例研究3：兩輪機器人
的魯棒控制 311
7.1 機器人描述 311
7.2 機器人模型的閉環(huán)辨識 313
7.2.1 從u到.?的動態(tài)模型 317
7.2.2 從.?到.θ的動態(tài)模型 320
7.2.3 偏航運動的動態(tài)模型 322
7.3 不確定性模型的推導(dǎo) 326
7.3.1 基于信號的不確定性表示 326
7.3.2 輸入乘性不確定性表示 326
7.4 LQG控制器設(shè)計 329
7.5 μ控制器設(shè)計 333
7.6 設(shè)計控制器的比較 336
7.7 實驗評估 339
7.8 注釋和參考文獻(xiàn) 344
附錄A 矩陣分析基礎(chǔ) 346
附錄B 線性系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 354
附錄C 隨機過程 361
附錄D 線性模型辨識 372
附錄E IMU與目標(biāo)微控制器的
接口 393
附錄F 用霍爾編碼器測量角
速度 399
參考文獻(xiàn) 404
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