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基于MATLAB/SIMULINK的嵌入式魯棒控制系統設計 版權信息
- ISBN：9787111736752
- 條形碼：9787111736752 ; 978-7-111-73675-2
- 裝幀：平裝-膠訂
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
基于MATLAB/SIMULINK的嵌入式魯棒控制系統設計 本書特色
本書旨在提供有關基于MATLAB和Simulink實現嵌入式控制系統開發的必要知識，本書面向現代控制理論在高性能控制律（這些控制律確保閉環系統對被控對象不確定性具有良好的動態性和魯棒性）開發中的應用，將重點放在應用開發問題上，主要介紹實際中常用的線性控制器的設計。書中包含了許多重要的示例，用以說明理論結果的實際實現。隨書提供可免費下載的資料，其中包含相應章節中所有示例的MATLAB和Simulink文件。
本書可以作為在控制工程領域學習的碩士生和博士生以及在該行業工作的控制工程師的參考資料，也可供對MATLAB和Simulink在控制系統設計中的實現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設計 內容簡介
本書面向現代控制理論在高性能控制律開發中的應用，主要基于MATLAB和Simulink編程環境，介紹如何設計并實現嵌入式魯棒控制系統。書中包含許多重要的示例，用以說明理論結果的實際實現。
基于MATLAB/SIMULINK的嵌入式魯棒控制系統設計 目錄
目 錄
譯者序
前言
第1章 嵌入式控制系統 1
1.1 引言 1
1.2 嵌入式控制系統的結構和組成 2
1.2.1 典型框圖 2
1.2.2 A/D和D/A轉換 3
1.2.3 傳感器 4
1.2.4 執行器 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 9
1.4.2 縮放 11
1.4.3 范圍和精度 14
1.4.4 定點算術運算 15
1.5 浮點運算 17
1.5.1 浮點數 17
1.5.2 IEEE運算 18
1.5.3 浮點算術運算 20
1.6 量化效應 20
1.6.1 截斷和舍入 20
1.6.2 A/D轉換中的量化誤差 22
1.7 設計階段 23
1.7.1 控制器設計 25
1.7.2 閉環系統仿真 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 29
1.8.2 硬件描述語言 32
1.8.3 模塊級開發 35
1.8.4 系統級開發 39
1.9 軟件配置 42
1.9.1 板級支持包 43
1.9.2 應用程序接口 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 48
第2章 系統建模 49
2.1 被控對象建！ 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 58
2.3.3 連續時間模型的離散化 60
2.3.4 時滯系統的離散化 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！ 66
2.4.1 隨機線性系統 66
2.4.2 隨機模型的離散化 68
2.4.3 *優估計 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！ 90
2.6.1 結構化不確定性模型 91
2.6.2 LFT表示的不確定性模型 97
2.6.3 從Simulink模型導出不確定
性狀態空間模型 98
2.6.4 非結構化不確定性模型 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 傳感器數據濾波 116
2.8 注釋和參考文獻 119
第3章 性能要求和設計限制 121
3.1 SISO閉環系統 121
3.2 SISO系統性能指標 124
3.2.1 時域指標 124
3.2.2 頻域指標 124
3.3 SISO系統設計中的折中 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 閉環系統 138
3.5 MIMO系統的性能指標 140
3.5.1 使用奇異值進行性能
分析 140
3.5.2 系統的H∞范數 142
3.5.3 Hankel范數 144
3.6 MIMO系統設計中的折中 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 147
3.8 魯棒穩定性分析 149
3.8.1 非結構化不確定性 149
3.8.2 結構化奇異值 150
3.8.3 使用μ進行魯棒穩定性
分析 151
3.9 魯棒性能分析 154
3.9.1 使用μ進行魯棒性能
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 魯棒性分析中的數值問題 161
3.11 注釋和參考文獻 165
第4章 控制器設計 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 帶偏置補償的LQG
控制器 192
4.3 帶H∞濾波器的LQ調節器 199
4.3.1 離散時間H∞濾波器 199
4.3.2 帶偏置補償的H∞濾波器 204
4.4 H∞設計 209
4.4.1 H∞設計問題 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∞設計中的數值問題 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 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 控制器設計 258
5.4 H∞控制器設計 262
5.5 實驗評估 266
5.6 注釋和參考文獻 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 姿態控制器的μ綜合 286
6.2.1 性能要求 287
6.2.2 控制器設計 289
6.2.3 頻率響應 293
6.2.4 線性系統的暫態響應 298
6.2.5 位置控制器設計 299
6.3 HIL仿真 300
6.3.1 非線性系統仿真 301
6.3.2 HIL仿真設置 302
6.3.3 HIL 仿真結果 304
6.4 注釋和參考文獻 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 機器人模型的閉環辨識 313
7.2.1 從u到.?的動態模型 317
7.2.2 從.?到.θ的動態模型 320
7.2.3 偏航運動的動態模型 322
7.3 不確定性模型的推導 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控制器設計 329
7.5 μ控制器設計 333
7.6 設計控制器的比較 336
7.7 實驗評估 339
7.8 注釋和參考文獻 344
附錄A 矩陣分析基礎 346
附錄B 線性系統理論基礎 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 404
譯者序
前言
第1章 嵌入式控制系統 1
1.1 引言 1
1.2 嵌入式控制系統的結構和組成 2
1.2.1 典型框圖 2
1.2.2 A/D和D/A轉換 3
1.2.3 傳感器 4
1.2.4 執行器 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 9
1.4.2 縮放 11
1.4.3 范圍和精度 14
1.4.4 定點算術運算 15
1.5 浮點運算 17
1.5.1 浮點數 17
1.5.2 IEEE運算 18
1.5.3 浮點算術運算 20
1.6 量化效應 20
1.6.1 截斷和舍入 20
1.6.2 A/D轉換中的量化誤差 22
1.7 設計階段 23
1.7.1 控制器設計 25
1.7.2 閉環系統仿真 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 29
1.8.2 硬件描述語言 32
1.8.3 模塊級開發 35
1.8.4 系統級開發 39
1.9 軟件配置 42
1.9.1 板級支持包 43
1.9.2 應用程序接口 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 48
第2章 系統建模 49
2.1 被控對象建！ 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 58
2.3.3 連續時間模型的離散化 60
2.3.4 時滯系統的離散化 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！ 66
2.4.1 隨機線性系統 66
2.4.2 隨機模型的離散化 68
2.4.3 *優估計 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！ 90
2.6.1 結構化不確定性模型 91
2.6.2 LFT表示的不確定性模型 97
2.6.3 從Simulink模型導出不確定
性狀態空間模型 98
2.6.4 非結構化不確定性模型 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 傳感器數據濾波 116
2.8 注釋和參考文獻 119
第3章 性能要求和設計限制 121
3.1 SISO閉環系統 121
3.2 SISO系統性能指標 124
3.2.1 時域指標 124
3.2.2 頻域指標 124
3.3 SISO系統設計中的折中 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 閉環系統 138
3.5 MIMO系統的性能指標 140
3.5.1 使用奇異值進行性能
分析 140
3.5.2 系統的H∞范數 142
3.5.3 Hankel范數 144
3.6 MIMO系統設計中的折中 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 147
3.8 魯棒穩定性分析 149
3.8.1 非結構化不確定性 149
3.8.2 結構化奇異值 150
3.8.3 使用μ進行魯棒穩定性
分析 151
3.9 魯棒性能分析 154
3.9.1 使用μ進行魯棒性能
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 魯棒性分析中的數值問題 161
3.11 注釋和參考文獻 165
第4章 控制器設計 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 帶偏置補償的LQG
控制器 192
4.3 帶H∞濾波器的LQ調節器 199
4.3.1 離散時間H∞濾波器 199
4.3.2 帶偏置補償的H∞濾波器 204
4.4 H∞設計 209
4.4.1 H∞設計問題 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∞設計中的數值問題 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 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 控制器設計 258
5.4 H∞控制器設計 262
5.5 實驗評估 266
5.6 注釋和參考文獻 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 姿態控制器的μ綜合 286
6.2.1 性能要求 287
6.2.2 控制器設計 289
6.2.3 頻率響應 293
6.2.4 線性系統的暫態響應 298
6.2.5 位置控制器設計 299
6.3 HIL仿真 300
6.3.1 非線性系統仿真 301
6.3.2 HIL仿真設置 302
6.3.3 HIL 仿真結果 304
6.4 注釋和參考文獻 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 機器人模型的閉環辨識 313
7.2.1 從u到.?的動態模型 317
7.2.2 從.?到.θ的動態模型 320
7.2.3 偏航運動的動態模型 322
7.3 不確定性模型的推導 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控制器設計 329
7.5 μ控制器設計 333
7.6 設計控制器的比較 336
7.7 實驗評估 339
7.8 注釋和參考文獻 344
附錄A 矩陣分析基礎 346
附錄B 線性系統理論基礎 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 404
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