鲁棒控制理论及应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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本书系统地介绍了鲁棒控制的概念、理论、设计方法以及控制理论在船舶电站中的应用。内容包括：鲁棒控制理论概述，控制理论的数学基础，控制的优化设计方法，与鲁棒控制有关的MATLAB工具箱介绍，控制理论在船舶电站频率控制中的应用，控制理论在船舶电站电压控制中的应用，控制理论在船舶电站综合控制中的应用。

鲁棒控制理论及应用 内容简介 本书系统地阐述了现代控制理论中至关重要的一个分支——鲁棒控制理论（Robust Control Theory），并结合大量工程应用实例，深入剖析了其核心思想、数学基础、设计方法以及实际应用中的挑战与对策。全书结构严谨，内容详实，旨在为读者提供一个全面、深入且实用的鲁棒控制知识体系。 第一部分：控制系统的基础与挑战 本书首先从经典的经典控制理论和现代控制理论的回顾开始，重点强调了在实际工程系统中，模型不确定性（Model Uncertainty）和外部扰动（External Disturbances）对系统性能和稳定性的致命影响。传统的控制方法往往依赖于精确的系统模型，一旦实际运行环境或系统参数发生变化，性能就会急剧下降，甚至导致系统失稳。 为应对这一挑战，本书引入了鲁棒控制的核心思想：设计一种控制器，使其在系统模型存在一定误差范围（即不确定性建模）或受到外部不可预测扰动时，依然能保持期望的稳定性和性能指标。 第二部分：不确定性的数学描述与性能指标 鲁棒控制理论的基石在于如何精确地描述和量化系统的不确定性。本书详细介绍了描述不确定性的主要数学工具和范式： 1. 参数不确定性（Parametric Uncertainty）：主要指系统矩阵中的某些元素存在已知的变化范围，通常使用区间矩阵或多面体表示。 2. 未建模动力学（Unmodeled Dynamics）：高频段中由于传感器、执行器特性或系统简化而产生的、未被精确建模的高频动态，通常用转移函数形式的误差界来描述。 3. 结构化与非结构化不确定性：探讨了如何利用范数（如$H_{infty}$范数）来量化这些不确定性对系统增益的影响。 同时，本书详细阐述了鲁棒控制所需满足的关键性能指标： 鲁棒稳定性（Robust Stability）：这是鲁棒控制的首要目标，确保系统在所有允许的不确定性范围内保持渐近稳定或指数稳定。本书引入了如$mu$分析中的“特征值轨迹分析”和“小增益定理”等核心稳定性判据。 鲁棒性能（Robust Performance）：在保证稳定性的前提下，系统对特定的参考输入和扰动信号的抑制能力。这通常通过加权函数来规范化，使其能够满足带宽、稳态误差等指标的要求。 第三部分：经典鲁棒控制设计方法 本书系统地介绍了两种最经典且影响深远的鲁棒控制设计框架：$mathbf{H}_{infty}$ 控制和$mathbf{Mu}$（$mu$） 分析与综合。 1. $H_{infty}$ 控制理论： $H_{infty}$控制的设计目标是将闭环传递函数矩阵的$H_{infty}$范数最小化（或限制在一个预设的水平$gamma$以下）。这是一种基于频率域的、面向最优化的控制方法。 内部稳定（Internal Stability）：确保闭环系统整体稳定。 性能优化：通过设计加权函数$W_S$（灵敏度加权）和$W_T$（互补灵敏度/噪声抑制加权），将控制问题转化为求解保证闭环传递函数范数小于$gamma$的控制器设计问题。 LMI求解：详细推导了适用于标准连续时间和离散时间的$H_{infty}$控制器求解过程，包括约约化Riccati方程（或Lyapunov方程）的求解方法，以及如何将求解结果转化为实际的控制器参数。 2. $mu$ 分析与综合： 当系统不确定性结构化且具有交互性时，$H_{infty}$控制可能过于保守。$mu$分析提供了一种更为精确的工具来评估具有结构化奇异值的不确定系统的鲁棒稳定性。 结构化奇异值 ($mu$)：定义了系统在给定不确定块下保持稳定的最小乘数因子，其倒数代表了系统抵抗不确定性的能力。 $mu$上界与下界计算：介绍了如何通过D-K迭代（D-scaling与K-iteration）来计算$mu$值，从而评估系统的鲁棒裕度。 $mu$综合：基于$mu$分析的结果，设计出能够最大化系统鲁棒裕度的控制器。本书详细阐述了如何利用LMI工具箱和特定的控制结构来实现$mu$综合。 第四部分：基于先进方法的鲁棒控制 除了基于传递函数的频率域方法，本书还深入探讨了基于现代控制理论和优化技术的鲁棒控制设计方法： 1. 鲁棒 $H_2$ 控制：虽然不如$H_{infty}$控制关注最坏情况，但$H_2$控制在性能最优和对高斯白噪声的抑制方面有重要地位。本书探讨了在不确定性约束下，如何设计最优的$H_2$控制器。 2. 线性矩阵不等式（LMI）方法：LMI已成为现代控制设计中统一和强大的数学工具。本书展示了如何将许多鲁棒控制问题（如$H_{infty}$、Lyapunov稳定性分析、二次型控制律等）转化为标准或半定约束的LMI问题，并利用成熟的求解器（如SeDuMi, SDPT3）进行求解。重点讲解了关于Lyapunov函数和控制增益的LMI松弛技术。 3. 滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）的鲁棒性：作为一种非线性鲁棒控制方法，SMC对模型参数的变动和外部扰动具有极强的抑制能力。本书分析了SMC的基本原理，探讨了“抖振”问题（Chattering），并引入了如SMC/$mathbf{H}_{infty}$混合设计或基于$Sigma$函数的连续化滑模控制等先进技术来缓解抖振，同时保持优异的鲁棒性能。 第五部分：工程应用与案例分析 理论必须服务于实践。本书的最后部分提供了多个详细的工程案例，以展示鲁棒控制的设计流程和实际效果： 1. 航空航天系统：以飞行器姿态控制为例，讨论了在模型参数（如翼载荷、气动系数）随飞行状态变化时，如何设计鲁棒控制器保证跟踪精度和稳定性。 2. 机械与机器人系统：分析了伺服驱动系统中的摩擦、负载变化和传感器误差对控制性能的影响，并应用鲁棒H-infinity控制器进行补偿。 3. 电力电子系统：针对开关电源的参数漂移和负载突变问题，展示了鲁棒控制在维持输出电压稳定方面的应用。 每个案例均包含系统建模、不确定性量化、控制器设计、仿真验证以及对鲁棒裕度的评估。 总结 本书不仅是对鲁棒控制理论的全面梳理，更是一本指导工程师将理论转化为可靠控制系统的实践手册。通过深入学习本书内容，读者将掌握在面对真实世界中固有的不确定性和复杂性时，设计出高性能、高可靠性控制系统的必备知识与技能。

第1章　鲁棒控制理论概述1
1.1系统不确定性和鲁棒性1
1.2控制理论的发展概况3
 
第2章　控制理论的数学基础7
2.1空间和范数7
2.1.1距离空间7
2.1.2线性赋范空间7
2.1.3Banach空间7
2.1.4Hilbert空间8
2.1.5时域函数空间8
2.1.6频域函数空间9
2.1.7H2范数和范数10
2.2范数与Riccati方程11
2.2.1哈密顿矩阵的性质11
2.2.2范数与Riccati方程13
2.3范数与Riccati不等式15
2.4有理函数阵的分解与稳定性19
2.4.1有理函数的的分解19
2.4.2稳定性条件22
2.4.3稳定控制器的参数表示23
2.5有理函数阵的内外分解25
2.6李雅谱诺夫方程27
2.7线性分式变换29
2.8本章小结31
 
第3章　【STBZ】WTHX 控制的优化设计方法32
3.1优化设计的一般步骤32
3.2控制的标准问题32
3.3控制所包含的各类控制问题33
3.3.1灵敏度极小化问题33
3.3.2鲁棒镇定问题34
3.3.3混合灵敏度优化问题35
3.3.4跟踪问题37
3.3.5模型匹配问题38
3.4加权函数的选择和特点39
3.5控制系统的稳定性41
3.6标准控制问题的“2－Riccati方程”的解42
3.7状态反馈设计问题45
3.7.1D11=0,D12列满秩的特例45
3.7.2D11= D12=0的特例46
3.7.3状态反馈问题的完全解48
3.8输出反馈设计问题52
3.8.1输出反馈设计特例52
3.8.2输出反馈问题的一般解55
3.9本章小结61
 
第4章　MATLAB工具箱介绍62
4.1控制系统工具箱62
4.1.1模型建立及模型转换函数63
4.1.2LTI对象属性的存取和设置65
4.1.3系统建模68
4.1.4状态空间实现73
4.1.5系统特性函数78
4.1.6系统根轨迹80
4.1.7系统频率响应82
4.1.8系统时域响应85
4.2鲁棒控制工具箱87
4.2.1控制系统模型的数据结构87
4.2.2模型建立工具88
4.2.3模型转换工具90
4.2.4多变量波特图92
4.2.5鲁棒控制综合方法95
4.2.6模型降阶工具99
4.3本章小结103
 
第5章　控制理论在船舶电站频率控制中的应用104
5.1柴油发电机组机电暂态过程的数学模型104
5.2柴油机调速系统的数学模型108
5.3柴油机调速系统标准设计问题模型的建立111
5.4转速控制器的设计113
5.5计算机模拟结果分析117
5.6优化设计方法的特点122
5.7本章小结123
 
第6章　控制理论在船舶电站电压控制中的应用125
6.1同步发电机电磁暂态过程的数学模型125
6.1.1考虑次暂态电动势Eq”，Ed”变化的模型127
6.1.2考虑暂态电动势Eq′变化的模型129
6.2船舶电站负荷的数学模型129
6.2.1静负荷的数学模型129
6.2.2动负荷的数学模型130
6.3同步发电机调压系统的数学模型131
6.3.1相复励励磁系统的数学模型132
6.3.2可控硅励磁系统的数学模型135
6.3.3交流无刷励磁系统的数学模型138
6.4同步发电机调压系统标准设计问题模型的建立140
6.5电压控制器的设计142
6.6计算机模拟结果分析145
6.7关于同步发电机数学模型的讨论154
6.8本章小结155
 
第7章　控制理论在船舶电站综合控制中的应用156
7.1针对综合控制器的柴油发电机组数学模型156
7.1.1柴油发电机组机电暂态过程的数学模型157
7.1.2柴油发电机组电磁暂态过程的数学模型158
7.1.3柴油发电机组统一的数学模型158
7.2柴油发电机组综合控制系统的数学模型159
7.3柴油发电机组综合控制器的设计161
7.4计算机模拟结果分析167
7.5本章小结175
 
参考文献176

前言

　　控制理论自20世纪80年代发展至今，取得了丰硕的成果。控制理论是分析和设计不确定系统的一种强有力的工具，主要解决对象为建模中的误差和在一定范围内因模型摄动而引起控制品质恶化的控制难题。优化设计方法已成为反馈系统设计中一种有效的方法，其有效性之一体现在外部扰动不再假设为固定的，只要求能量有界即可；其有效性之二体现在受控对象不再假设为确定的。许多控制问题均可转化为最优控制问题，从而进一步显示了优化设计方法的适用性，使它成为一种线性多变量控制系统的新的设计方法。它的发展之迅速是令人瞩目的，有人甚至将它说成是控制理论的“一场静悄悄的革命”。

　　本书介绍了作者近年来在鲁棒控制理论、优化设计方法等方面的研究成果，着重讨论了在船舶电站频率控制、电压控制、综合控制的问题，分析了优化设计方法的实质，对系统设计中每一步遇到的主要问题都做了深入的研究。结果表明，控制理论是一种能够抑制干扰和保证系统鲁棒稳定性的有效设计方法，它并不像人们想像的那样难以应用。本书给出了低阶次的控制器，易于从物理上加以实现，为其实际应用奠定了坚实的基础。本书的目的在于向读者介绍鲁棒控制理论的研究成果，使读者能尽快走入该领域的前沿，为进一步从事这方面的学习和研究打下良好的基础。全书围遶鲁棒控制理论这一主线逐步展开，并贯穿始终。

　　全书共分7章：第1章为鲁棒控制理论概述，介绍了控制理论的发展概况；第2章为控制理论的数学基础，针对工科学生的特点，介绍学习本书必须具备的数学基础知识；第3章为控制的优化设计方法，给出了标准控制问题的形式，阐明了控制所包含的各类控制问题，讨论了状态反馈设计问题和输出反馈设计问题；第4章为MATLAB工具箱介绍，介绍了与鲁棒控制有关的控制系统工具箱和鲁棒控制工具箱；第5章为控制理论在船舶电站频率控制中的应用；第6章为控制理论在船舶电站电压控制中的应用；第7章为控制理论在船舶电站综合控制中的应用。

　　作者的部分研究成果是在作者的博士导师李殿璞教授的悉心指导下取得的，导师严谨的治学态度，渊博的知识，作者将终生难忘，为此向辛勤培育自己的导师表示诚挚的感谢。

　　由于作者的水准有限，书中难免会有疏漏和不足之处，敬请读者批评指正。
 

评分☆☆☆☆☆

我一直认为，一个真正优秀的控制系统，不仅仅在于它能够达到最优的性能，更在于它能够在各种不确定因素的干扰下，依然能够保持稳定可靠的运行。这本书，《鲁棒控制理论及应用》，正是对这一理念的深刻阐述。它让我明白了，为什么在实际工程中，仅仅依靠传统的模型预测控制或者PID控制，往往会出现各种问题。因为这些方法，很多时候都建立在理想化的模型之上，一旦模型与实际情况产生偏差，系统的性能就会大打折扣。而这本书，则系统地介绍了如何设计能够抵御这些不确定性的鲁棒控制器，并且提供了严谨的数学分析方法和实际的应用案例。我尤其喜欢书中对“容错性”和“鲁棒性能指标”的探讨，这让我对如何设计更高可靠性的系统有了更清晰的认识。

评分☆☆☆☆☆

说真的，最近我读的这本《鲁棒控制理论及应用》，简直是让我对“工程韧性”有了全新的认识。我们常常会看到各种新闻，说某个设备因为故障导致了生产中断，或者某个系统因为安全漏洞造成了重大损失。而这本书，它所探讨的“鲁棒性”，恰恰就是对抗这些风险的基石。它不仅仅是关于如何让一个系统“不坏”，更是关于如何让一个系统在“坏”的环境下，或者在“坏”的因素影响下，依然能“好”地运行。我特别喜欢书中关于“容错控制”和“自适应控制”在鲁棒性方面的应用章节，这说明鲁棒控制并非是孤立的理论，而是可以与其他先进的控制技术相结合，形成更强大的解决方案。这本书，绝对是理论与实践兼备，让我受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

啊，这本书，《鲁棒控制理论及应用》，光看书名就觉得好有深度，一看就是那种需要静下心来啃的硬菜！我一直对控制理论那个领域很有兴趣，尤其是在自动化和智能制造这么热门的当下，一个系统够不够“鲁棒”，也就是够不够稳定、够不够有韧性，太重要了。想象一下，我们那些在工厂里24小时不停运转的机器手臂，如果遇到一点点震动、一点点参数变化就失灵，那损失可就大了。这本书，我猜里面讲的应该就是如何设计一套控制系统，让它在面对不确定性，比如传感器噪声、执行器老化、甚至环境突然变化的时候，依然能够保持良好的性能。这不仅仅是理论上的探讨，书名里的“应用”二字也让我很期待，希望能看到一些实际的案例，比如在飞机飞行控制、自动驾驶汽车，甚至是电力系统稳定方面，鲁棒控制是如何发挥作用的。

评分☆☆☆☆☆

《鲁棒控制理论及应用》这本书，真的给了我一个全新的视角来看待控制系统设计。过去，我们可能更注重于系统的“最优性”，追求在理想状态下的最佳表现。但这本书，它抛出了一个更现实的问题：当系统面临各种不确定性时，我们该如何保证系统的“有效性”和“安全性”？ 我印象深刻的是，书中对于“稳定性”的定义，不仅仅是时间上的稳定，还包括在参数变化下的稳定性，以及在外部干扰下的稳定性。这种多维度的稳定性考量，正是鲁棒控制的精髓所在。我特别期待书中在“应用”部分的章节，想看看这些理论是如何落地到实际工程中的，比如在航空航天、机器人、或者能源领域，是如何通过鲁棒控制来提高系统的可靠性和鲁棒性的。

评分☆☆☆☆☆

我最近在读一本关于《鲁棒控制理论及应用》的书，这本书的内容真的让我大开眼界，也让我重新思考了许多在工程实践中习以为常的“稳定”。以前在学校学控制，可能更侧重于理想条件下的模型推导和控制器设计，但现实世界哪有那么多理想情况？这本书就直接点出了“不确定性”这个核心问题，并且深入探讨了如何构建能够抵御这些不确定性的控制策略。我特别喜欢里面一些关于“最坏情况”分析的章节，它不是告诉你万一发生什么怎么办，而是告诉你，即便发生了最坏的、最不利于系统稳定的情况，我们的控制器也能保证系统还在可控的范围内运行。这种思维方式，对于设计高可靠性系统来说，简直是无价之宝。我甚至觉得，这本书的内容，不仅仅适用于工程领域的专业人士，对于那些对风险管理、系统韧性有深入研究的读者，也具有非常重要的启发意义。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，拿到《鲁棒控制理论及应用》这本书的时候，我还有点担心它会过于晦涩难懂。毕竟，“鲁棒控制”这个词本身就带有一种高深的学术色彩。然而，当我翻开第一页，我便被它清晰的逻辑和循序渐进的讲解所吸引。作者并没有一开始就抛出复杂的数学公式，而是先从直观的例子入手，比如一个简单的弹簧阻尼系统，然后逐步引入不确定性的概念，比如弹簧刚度或者阻尼系数的变化。这种由浅入深的方式，让我能够慢慢理解鲁棒控制的核心思想——如何让系统在参数变化、外部干扰等不确定因素的影响下，仍然能够保持期望的性能。我尤其欣赏书中关于“稳定性判据”和“鲁棒性度量”的章节，它们提供了一套严谨的数学工具，来量化系统的鲁棒程度，并且指导我们如何设计出具有更好鲁棒性的控制器。

评分☆☆☆☆☆

这本书《鲁棒控制理论及应用》，对我来说，是一次关于“工程智慧”的深度探索。我们常常追求极致的性能，但却忽略了系统在复杂多变环境中的生存能力。鲁棒控制，正是解决了这个问题。它教我们如何在设计之初，就考虑到各种可能出现的“意外”，并且让系统能够“有条不紊”地应对这些意外。我尤其对书中关于“结构化不确定性”和“非结构化不确定性”的区分以及相应的控制策略分析感到印象深刻，这说明了鲁棒控制理论的严谨性和实用性。而且，书中的“应用”部分，更是让我看到了这些理论是如何在现实世界中转化为实际的解决方案，比如在提升飞行器安全性，或者保障电网稳定运行等方面。

评分☆☆☆☆☆

对于我这种刚接触控制理论不久的读者来说，《鲁棒控制理论及应用》这本书，真的是一本让人既敬畏又感到亲切的教科书。虽然书名听起来很高大上，但作者的写作方式却非常贴近实际，让我能够理解那些看似复杂的概念。我喜欢书中从基础概念讲起，比如什么是“不确定性”，它在实际系统中是如何产生的，以及它会对系统性能造成怎样的影响。然后，循序渐进地引入各种鲁棒控制的理论和方法，比如LMI（线性矩阵不等式）方法在鲁棒控制中的应用，让我觉得这些理论并不是高高在上的，而是有实际的求解工具的。而且，书中还包含了一些实际的例子，让我能够看到这些理论在解决实际工程问题时是如何发挥作用的。

评分☆☆☆☆☆

我一直对自动化领域充满了好奇，而《鲁棒控制理论及应用》这本书，让我看到了控制系统背后更深层次的考量。在很多自动化设备的设计中，我们往往会假设所有参数都是已知的，并且在理想状态下工作。但现实情况是，任何一个系统都会存在不确定性，例如传感器的误差、执行器的老化、环境的微小变化等等。这本书，它就直面了这个问题，并且提供了非常系统性的解决方案。我特别喜欢书中对于“鲁棒稳定性”的讲解，它不是简单地保证系统不会失控，而是能够保证系统在一定范围内的性能下降，依然能够保持其基本的功能。这种“在不确定中寻求稳定”的思路，让我觉得非常深刻，也极具工程价值。

评分☆☆☆☆☆

这本书《鲁棒控制理论及应用》的出现，无疑为我们这些在自动化领域摸爬滚打的工程师们提供了一本难得的“武林秘籍”。长久以来，我们都在追求更精确的控制，但往往忽略了“鲁棒性”的重要性。很多时候，一个模型在实验室里完美运行，但一旦放到实际生产线，面对温度、湿度、材料批次等各种细微变化，就显得力不从心。这本书，它不是教你如何做到“万无一失”，而是教你如何在“并非万无一失”的情况下，依然能够确保系统的可靠运行。我看到了书中关于“模型不确定性”、“结构不确定性”等不同类型不确定性的详细讨论，以及针对这些不确定性，所提出的各种鲁棒控制方法，比如H∞控制、μ-分析等等。这些方法，听起来就很强大，我相信它们能够帮助我们解决很多棘手的工程问题。