狀態反饋控制及卡爾曼濾波（附MATLAB/Simulink 教程）
費紅姿,肖友洪,劉冰鑫
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本書系統介紹了基於狀態空間模型的狀態反饋及卡爾曼濾波方法，共8章，由三部分組成，第一部分（第1、2章），連續時間狀態反饋控制；第二部分（第3～6章），離散時間狀態反饋控制；第三部分（第7、8章），卡爾曼濾波。本書介紹了連續系統及離散系統的狀態空間模型建模、狀態反饋控制器、觀測器、乾擾抑制及參考信號跟蹤的設計方法，並結合工程應用中控制系統案例以及MATLAB/Simulink教程，來講解基於狀態空間模型的狀態反饋方法，包括汽包鍋爐控制、糖廠控制、風力渦輪機傳動系統控制、機械臂控制、加熱爐控制等。同時，本書介紹了卡爾曼濾波器的原理及設計方法，並解決了卡爾曼濾波應用過程中的實時計算及計算精度問題。
目錄大綱
目錄
譯者序
前言
本書梗概
致謝
符號及縮寫列表
第一部分 連續時間狀態反饋控制
第1章 狀態反饋控制器和觀測器設計 3
1.1 概述 3
1.2 超越PID控制 3
1.3 狀態反饋控制基礎 11
1.3.1 狀態反饋控制 11
1.3.2 可控性 15
1.3.3 思考題 18
1.4 極點配置控制器 18
1.4.1 設計方法 18
1.4.2 控制器設計中的相似變換 21
1.4.3 極點配置控制器的MATLAB教程 23
1.4.4 思考題 25
1.5 線性二次型調節器設計 25
1.5.1 啟示事例 25
1.5.2 線性二次型調節器推導 27
1.5.3 Q和R矩陣的選擇 29
1.5.4 具有設定穩定度的線性二次型調節器 34
1.5.5 思考題 38
1.6 觀測器設計 39
1.6.1 觀測器設計的目的 39
1.6.2 觀測器推導 41
1.6.3 可觀性 44
1.6.4 控制器和觀測器之間的對偶性 46
1.6.5 觀測器的實現 46
1.6.6 思考題 47
1.7 狀態估計反饋控制系統 48
1.7.1 狀態估計反饋控制 48
1.7.2 分離原理 49
1.7.3 思考題 50
1.8 本章小結 51
1.9 更多資料 52
習題 52
第2章 連續系統多變量控制應用 56
2.1 概述 56
2.2 實用控制器一：積分作用控制器設計 56
2.2.1 原始控制律 56
2.2.2 積分飽和情況 58
2.2.3 實用的多變量控制器 59
2.2.4 抗積分飽和實現 61
2.2.5 關於設計與實現的MATLAB教程 64
2.2.6 汽包鍋爐控制應用 70
2.2.7 思考題 75
2.3 實用控制器二：通過觀測器設計實現積分作用 75
2.3.1 基於擾動估計的積分控制 75
2.3.2 抗飽和機制 77
2.3.3 設計與實現的MATLAB/Simulink教程 78
2.3.4 在糖廠中的控制應用 83
2.3.5 狀態可測的系統設計 84
2.3.6 思考題 86
2.4 風力渦輪機傳動控制系統 87
2.4.1 風力渦輪機傳動系統的建模 87
2.4.2 控制系統的配置 89
2.4.3 設計方法一 90
2.4.4 設計方法二 93
2.4.5 設計方法二的MATLAB教程 94
2.4.6 思考題 97
2.5 本章小結 97
2.6 更多資料 98
習題 98
第二部分 離散時間狀態反饋控制
第3章 離散時間系統介紹 105
3.1 概述 105
3.2 連續時間模型的離散化 105
3.2.1 連續時間模型的採樣 106
3.2.2 離散時間系統的穩定性 108
3.2.3 通過採樣得到離散時間模型示例 108
3.2.4 思考題 114
3.3 輸入和輸出離散時間模型 115
3.3.1 輸入和輸出模型 115
3.3.2 有限脈沖響應和階躍響應模型 117
3.3.3 非最小狀態空間的實現 120
3.3.4 思考題 121
3.4 z變換 122
3.4.1 常用信號的z變換 122
3.4.2 z變換函數 125
3.4.3 思考題 126
3.5 本章小結 127
3.6 更多資料 127
習題 128
第4章 離散時間狀態反饋控制 132
4.1 概述 132
4.2 離散時間狀態反饋控制基礎 132
4.2.1 基本概念 132
4.2.2 離散時間中的可控性和穩定性 135
4.2.3 思考題 137
4.3 離散時間觀測器的設計 137
4.3.1 離散時間觀測器的基本概念 137
4.3.2 離散時間中的可觀性 140
4.3.3 思考題 142
4.4 離散時間線性二次型調節器 142
4.4.1 DLQR的目標函數 142
4.4.2 最優解 143
4.4.3 用離散時間線性二次型調節器設計觀測器 144
4.4.4 思考題 145
4.5 具有設定穩定度的離散時間線性二次型調節器 146
4.5.1 設定穩定度的基本概念 146
4.5.2 案例研究 148
4.5.3 思考題 152
4.6 本章小結 153
4.7 更多資料 154
習題 154
第5章 基於觀測器設計的乾擾抑制和參考信號跟蹤 159
5.1 概述 159
5.2 擾動模型 159
5.2.1 常見的擾動信號 159
5.2.2 帶輸入擾動的狀態空間模型 162
5.2.3 思考題 163
5.3 估計中輸入和輸出擾動的補償 163
5.3.1 示例 163
5.3.2 輸入擾動觀測器設計 165
5.3.3 增廣狀態空間模型的MATLAB教程 168
5.3.4 觀測器誤差系統 169
5.3.5 輸出擾動觀測器的設計 171
5.3.6 思考題 174
5.4 基於擾動觀測器的狀態反饋控制 175
5.4.1 控制律 175
5.4.2 控制實現的MATLAB教程 177
5.4.3 思考題 181
5.5 基於擾動觀測器的控制系統分析 182
5.5.1 控制器傳遞函數 182
5.5.2 擾動抑制 184
5.5.3 參考信號跟蹤 186
5.5.4 案例研究 187
5.5.5 思考題 190
5.6 控制律的抗飽和實現 191
5.6.1 抗飽和實現的算法 191
5.6.2 加熱爐控制 193
5.6.3 帶限乾擾示例 196
5.6.4 思考題 197
5.7 本章小結 198
5.8 更多資料 199
習題 199
第6章 通過控制設計實現擾動抑制和參考信號跟蹤 206
6.1 概述 206
6.2 在控制器設計中嵌入擾動模型 206
6.2.1 增廣狀態空間模型的建立 206
6.2.2 MATLAB教程 208
6.2.3 可控性和可觀性 210
6.2.4 思考題 211
6.3 控制器和觀測器設計 212
6.3.1 控制器設計及控制信號的計算 212
6.3.2 增加參考信號 213
6.3.3 觀測器的設計和實現 214
6.3.4 控制器實現的MATLAB教程 215
6.3.5 思考題 218
6.4 實踐問題研究 219
6.4.1 減少參考信號跟蹤中的超調量 219
6.4.2 抗飽和的實現 222
6.4.3 用非最小狀態空間實現的控制系統 225
6.4.4 思考題 229
6.5 重復控制 230
6.5.1 重復控制的基本原理 230
6.5.2 擾動模型D(z)的確定 232
6.5.3 機械臂的控制 236
6.5.4 思考題 239
6.6 本章小結 240
6.7 更多資料 241
習題 241
第三部分 卡爾曼濾波
第7章 卡爾曼濾波器 253
7.1 概述 253
7.2 卡爾曼濾波器的算法 253
7.2.1 卡爾曼濾波器的狀態空間模型 253
7.2.2 直觀的計算過程 254
7.2.3 卡爾曼濾波增益的最優化 257
7.2.4 卡爾曼濾波器示例及MATLAB教程 259
7.2.5 傳感器偏置和負載擾動的補償 264
7.2.6 思考題 268
7.3 多速率採樣環境下的卡爾曼濾波器 269
7.3.1 缺失數據場景下的卡爾曼濾波算法 269
7.3.2 案例研究與MATLAB教程 270
7.3.3 思考題 280
7.4 擴展卡爾曼濾波器 280
7.4.1 擴展卡爾曼濾波器的線性化 280
7.4.2 擴展卡爾曼濾波算法 285
7.4.3 案例研究及MATLAB教程 287
7.4.4 思考題 294
7.5 衰減記憶卡爾曼濾波器 294
7.5.1 衰減記憶卡爾曼濾波器的算法 294
7.5.2 思考題 298
7.6 卡爾曼濾波器和觀測器之間的關系 298
7.6.1 一步卡爾曼濾波算法 298
7.6.2 卡爾曼濾波器和觀測器 299
7.6.3 思考題 304
7.7 本章小結 304
7.8 更多資料 305
習題 305
第8章 解決卡爾曼濾波器中的計算問題 309
8.1 概述 309
8.2 序貫卡爾曼濾波器 309
8.2.1 序貫卡爾曼濾波器的基本概念 309
8.2.2 非對角R 313
8.2.3 序貫卡爾曼濾波器的MATLAB教程 315
8.2.4 思考題 318
8.3 使用UDUT分解的卡爾曼濾波器 318
8.3.1 格拉姆-施密特正交化過程 319
8.3.2 基本思想 321
8.3.3 用UDUT分解的序貫卡爾曼濾波器 323
8.3.4 MATLAB教程 326
8.3.5 思考題 327
8.4 本章小結 328
8.5 更多資料 328
習題 329
譯者序
前言
本書梗概
致謝
符號及縮寫列表
第一部分 連續時間狀態反饋控制
第1章 狀態反饋控制器和觀測器設計 3
1.1 概述 3
1.2 超越PID控制 3
1.3 狀態反饋控制基礎 11
1.3.1 狀態反饋控制 11
1.3.2 可控性 15
1.3.3 思考題 18
1.4 極點配置控制器 18
1.4.1 設計方法 18
1.4.2 控制器設計中的相似變換 21
1.4.3 極點配置控制器的MATLAB教程 23
1.4.4 思考題 25
1.5 線性二次型調節器設計 25
1.5.1 啟示事例 25
1.5.2 線性二次型調節器推導 27
1.5.3 Q和R矩陣的選擇 29
1.5.4 具有設定穩定度的線性二次型調節器 34
1.5.5 思考題 38
1.6 觀測器設計 39
1.6.1 觀測器設計的目的 39
1.6.2 觀測器推導 41
1.6.3 可觀性 44
1.6.4 控制器和觀測器之間的對偶性 46
1.6.5 觀測器的實現 46
1.6.6 思考題 47
1.7 狀態估計反饋控制系統 48
1.7.1 狀態估計反饋控制 48
1.7.2 分離原理 49
1.7.3 思考題 50
1.8 本章小結 51
1.9 更多資料 52
習題 52
第2章 連續系統多變量控制應用 56
2.1 概述 56
2.2 實用控制器一：積分作用控制器設計 56
2.2.1 原始控制律 56
2.2.2 積分飽和情況 58
2.2.3 實用的多變量控制器 59
2.2.4 抗積分飽和實現 61
2.2.5 關於設計與實現的MATLAB教程 64
2.2.6 汽包鍋爐控制應用 70
2.2.7 思考題 75
2.3 實用控制器二：通過觀測器設計實現積分作用 75
2.3.1 基於擾動估計的積分控制 75
2.3.2 抗飽和機制 77
2.3.3 設計與實現的MATLAB/Simulink教程 78
2.3.4 在糖廠中的控制應用 83
2.3.5 狀態可測的系統設計 84
2.3.6 思考題 86
2.4 風力渦輪機傳動控制系統 87
2.4.1 風力渦輪機傳動系統的建模 87
2.4.2 控制系統的配置 89
2.4.3 設計方法一 90
2.4.4 設計方法二 93
2.4.5 設計方法二的MATLAB教程 94
2.4.6 思考題 97
2.5 本章小結 97
2.6 更多資料 98
習題 98
第二部分 離散時間狀態反饋控制
第3章 離散時間系統介紹 105
3.1 概述 105
3.2 連續時間模型的離散化 105
3.2.1 連續時間模型的採樣 106
3.2.2 離散時間系統的穩定性 108
3.2.3 通過採樣得到離散時間模型示例 108
3.2.4 思考題 114
3.3 輸入和輸出離散時間模型 115
3.3.1 輸入和輸出模型 115
3.3.2 有限脈沖響應和階躍響應模型 117
3.3.3 非最小狀態空間的實現 120
3.3.4 思考題 121
3.4 z變換 122
3.4.1 常用信號的z變換 122
3.4.2 z變換函數 125
3.4.3 思考題 126
3.5 本章小結 127
3.6 更多資料 127
習題 128
第4章 離散時間狀態反饋控制 132
4.1 概述 132
4.2 離散時間狀態反饋控制基礎 132
4.2.1 基本概念 132
4.2.2 離散時間中的可控性和穩定性 135
4.2.3 思考題 137
4.3 離散時間觀測器的設計 137
4.3.1 離散時間觀測器的基本概念 137
4.3.2 離散時間中的可觀性 140
4.3.3 思考題 142
4.4 離散時間線性二次型調節器 142
4.4.1 DLQR的目標函數 142
4.4.2 最優解 143
4.4.3 用離散時間線性二次型調節器設計觀測器 144
4.4.4 思考題 145
4.5 具有設定穩定度的離散時間線性二次型調節器 146
4.5.1 設定穩定度的基本概念 146
4.5.2 案例研究 148
4.5.3 思考題 152
4.6 本章小結 153
4.7 更多資料 154
習題 154
第5章 基於觀測器設計的乾擾抑制和參考信號跟蹤 159
5.1 概述 159
5.2 擾動模型 159
5.2.1 常見的擾動信號 159
5.2.2 帶輸入擾動的狀態空間模型 162
5.2.3 思考題 163
5.3 估計中輸入和輸出擾動的補償 163
5.3.1 示例 163
5.3.2 輸入擾動觀測器設計 165
5.3.3 增廣狀態空間模型的MATLAB教程 168
5.3.4 觀測器誤差系統 169
5.3.5 輸出擾動觀測器的設計 171
5.3.6 思考題 174
5.4 基於擾動觀測器的狀態反饋控制 175
5.4.1 控制律 175
5.4.2 控制實現的MATLAB教程 177
5.4.3 思考題 181
5.5 基於擾動觀測器的控制系統分析 182
5.5.1 控制器傳遞函數 182
5.5.2 擾動抑制 184
5.5.3 參考信號跟蹤 186
5.5.4 案例研究 187
5.5.5 思考題 190
5.6 控制律的抗飽和實現 191
5.6.1 抗飽和實現的算法 191
5.6.2 加熱爐控制 193
5.6.3 帶限乾擾示例 196
5.6.4 思考題 197
5.7 本章小結 198
5.8 更多資料 199
習題 199
第6章 通過控制設計實現擾動抑制和參考信號跟蹤 206
6.1 概述 206
6.2 在控制器設計中嵌入擾動模型 206
6.2.1 增廣狀態空間模型的建立 206
6.2.2 MATLAB教程 208
6.2.3 可控性和可觀性 210
6.2.4 思考題 211
6.3 控制器和觀測器設計 212
6.3.1 控制器設計及控制信號的計算 212
6.3.2 增加參考信號 213
6.3.3 觀測器的設計和實現 214
6.3.4 控制器實現的MATLAB教程 215
6.3.5 思考題 218
6.4 實踐問題研究 219
6.4.1 減少參考信號跟蹤中的超調量 219
6.4.2 抗飽和的實現 222
6.4.3 用非最小狀態空間實現的控制系統 225
6.4.4 思考題 229
6.5 重復控制 230
6.5.1 重復控制的基本原理 230
6.5.2 擾動模型D(z)的確定 232
6.5.3 機械臂的控制 236
6.5.4 思考題 239
6.6 本章小結 240
6.7 更多資料 241
習題 241
第三部分 卡爾曼濾波
第7章 卡爾曼濾波器 253
7.1 概述 253
7.2 卡爾曼濾波器的算法 253
7.2.1 卡爾曼濾波器的狀態空間模型 253
7.2.2 直觀的計算過程 254
7.2.3 卡爾曼濾波增益的最優化 257
7.2.4 卡爾曼濾波器示例及MATLAB教程 259
7.2.5 傳感器偏置和負載擾動的補償 264
7.2.6 思考題 268
7.3 多速率採樣環境下的卡爾曼濾波器 269
7.3.1 缺失數據場景下的卡爾曼濾波算法 269
7.3.2 案例研究與MATLAB教程 270
7.3.3 思考題 280
7.4 擴展卡爾曼濾波器 280
7.4.1 擴展卡爾曼濾波器的線性化 280
7.4.2 擴展卡爾曼濾波算法 285
7.4.3 案例研究及MATLAB教程 287
7.4.4 思考題 294
7.5 衰減記憶卡爾曼濾波器 294
7.5.1 衰減記憶卡爾曼濾波器的算法 294
7.5.2 思考題 298
7.6 卡爾曼濾波器和觀測器之間的關系 298
7.6.1 一步卡爾曼濾波算法 298
7.6.2 卡爾曼濾波器和觀測器 299
7.6.3 思考題 304
7.7 本章小結 304
7.8 更多資料 305
習題 305
第8章 解決卡爾曼濾波器中的計算問題 309
8.1 概述 309
8.2 序貫卡爾曼濾波器 309
8.2.1 序貫卡爾曼濾波器的基本概念 309
8.2.2 非對角R 313
8.2.3 序貫卡爾曼濾波器的MATLAB教程 315
8.2.4 思考題 318
8.3 使用UDUT分解的卡爾曼濾波器 318
8.3.1 格拉姆-施密特正交化過程 319
8.3.2 基本思想 321
8.3.3 用UDUT分解的序貫卡爾曼濾波器 323
8.3.4 MATLAB教程 326
8.3.5 思考題 327
8.4 本章小結 328
8.5 更多資料 328
習題 329
