基于MATLAB/Simulink的嵌人式鲁棒控制系统设计

本书旨在提供有关基于MATLAB和Simulink实现嵌入式控制系统开发的必要知识，本书面向现代控制理论在高性能控制律（这些控制律确保闭环系统对被控对象不确定性具有良好的动态性和鲁棒性）开发中的应用，将重点放在应用开发问题上，主要介绍实际中常用的线性控制器的设计。书中包含了许多重要的示例，用以说明理论结果的实际实现。随书提供可免费下载的资料，其中包含相应章节中所有示例的MATLAB和Simulink文件。 本书可以作为在控制工程领域学习的硕士生和博士生以及在该行业工作的控制工程师的参考资料，也可供对MATLAB和Simulink在控制系统设计中的实现感兴趣的控制工程研究人员参考。

鲁棒控制理论可以在系统发生变化时保持系统的稳定性和性能。这种技术的应用对于可靠的嵌入式系统非常重要，并使无人机和其他具有复杂嵌入式控制器的自治系统变得相对普遍。
本书的目的是借助MATLAB和Simulink,从理论和实践两方面介绍嵌入式鲁棒控制系统的设计和实现，涵盖适用于实际实施的方法，并结合控制系统设计和计算机工程方面的知识来描述整个设计过程。
书中在介绍完嵌入式控制系统、系统建模、性能要求和设计，以及控制器设计等必要的基础知识后，深入探讨3个延伸案例研究：两水箱作为被控对象的嵌入式控制、微型直升机的鲁棒控制和两轮机器人的鲁棒控制。虽然这些案例都来自运动控制领域，但本书也可用于其他领域。阅读这本书需要具备一定的线性控制理论知识，并且需要了解C程序设计。但为了使初学者能够阅读本书，作者避免了复杂的数学证明和大量的计算机架构技术细节。书中所示示例和案例研究中涉及的程序都可以从机工新阅读网站免费下载，以帮助你理解嵌入式控制系统分析和设计中出现的不同问题。

译者序
前言
第1章 嵌入式控制系统 1
1.1 引言 1
1.2 嵌入式控制系统的结构和组成 2
1.2.1 典型框图 2
1.2.2 A/D和D/A转换 3
1.2.3 传感器 4
1.2.4 执行器 4
1.2.5 处理器 5
1.2.6 软件 6
1.3 采样和混叠 7
1.4 定点运算 9
1.4.1 定点数 9
1.4.2 缩放 11
1.4.3 范围和精度 14
1.4.4 定点算术运算 15
1.5 浮点运算 17
1.5.1 浮点数 17
1.5.2 IEEE运算 18
1.5.3 浮点算术运算 20
1.6 量化效应 20
1.6.1 截断和舍入 20
1.6.2 A/D转换中的量化误差 22
1.7 设计阶段 23
1.7.1 控制器设计 25
1.7.2 闭环系统仿真 27
1.7.3 嵌入式代码生成 28
1.8 硬件配置 29
1.8.1 微处理架构 29
1.8.2 硬件描述语言 32
1.8.3 模块级开发 35
1.8.4 系统级开发 39
1.9 软件配置 42
1.9.1 板级支持包 43
1.9.2 应用程序接口 44
1.9.3 代码生成 45
1.9.4 代码验证 47
1.10 注释和参考文献 48
第2章 系统建模 49
2.1 被控对象建模 49
2.2 线性化 51
2.2.1 解析线性化 51
2.2.2 符号线性化 53
2.2.3 数值线性化 55
2.3 离散化 57
2.3.1 离散时间模型 57
2.3.2 离散时间频率响应 58
2.3.3 连续时间模型的离散化 60
2.3.4 时滞系统的离散化 63
2.3.5 采样周期的选择 64
2.3.6 非线性模型的离散化 65
2.4 随机建模 66
2.4.1 随机线性系统 66
2.4.2 随机模型的离散化 68
2.4.3 很优估计 70
2.5 被控对象辨识 73
2.5.1 黑箱模型辨识 73
2.5.2 灰箱模型辨识 86
2.6 不确定性建模 90
2.6.1 结构化不确定性模型 91
2.6.2 LFT表示的不确定性模型 97
2.6.3 从Simulink模型导出不确定性状态空间模型 98
2.6.4 非结构化不确定性模型 98
2.6.5 混合不确定性模型 102
2.6.6 不确定性模型的离散化 102
2.6.7 通过辨识得出不确定性模型 105
2.7 传感器建模 107
2.7.1 Allan方差 108
2.7.2 随机陀螺模型 109
2.7.3 随机加速计模型 114
2.7.4 传感器数据滤波 116
2.8 注释和参考文献 119
第3章 性能要求和设计 121
3.1 SISO闭环系统 121
3.2 SISO系统性能指标 124
3.2.1 时域指标 124
3.2.2 频域指标 124
3.3 SISO系统设计中的折中 127
3.3.1 对S和T的 127
3.3.2 右半平面极点和零点 128
3.3.3 时滞引起的 129
3.3.4 测量噪声引起的 130
3.3.5 干扰引起的 131
3.3.6 控制作用引起的 131
3.3.7 模型误差引起的 132
3.4 MIMO 闭环系统 138
3.5 MIMO系统的性能指标 140
3.5.1 使用奇异值进行性能分析 140
3.5.2 系统的H∞范数 142
3.5.3 Hankel范数 144
3.6 MIMO系统设计中的折中 145
3.6.1 干扰抑制 145
3.6.2 噪声抑制 146
3.6.3 模型误差 146
3.7 不确定性系统 147
3.8 鲁棒稳定性分析 149
3.8.1 非结构化不确定性 149
3.8.2 结构化奇异值 150
3.8.3 使用μ进行鲁棒稳定性分析 151
3.9 鲁棒性能分析 154
3.9.1 使用μ进行鲁棒性能分析 155
3.9.2 最坏情况下的增益 159
3.9.3 最坏情况下的裕度 160
3.10 鲁棒性分析中的数值问题 161
3.11 注释和参考文献 165
第4章 控制器设计 166
4.1 PID控制器 167
4.2 带积分作用的LQG控制器 180
4.2.1 离散时间LQG控制器 181
4.2.2 有色测量噪声 183
4.2.3 带偏置补偿的LQG控制器 192
4.3 带H∞滤波器的LQ调节器 199
4.3.1 离散时间H∞滤波器 199
4.3.2 带偏置补偿的H∞滤波器 204
4.4 H∞设计 209
4.4.1 H∞设计问题 209
4.4.2 混合灵敏度H∞控制 214
4.4.3 二自由度控制器 217
4.4.4 H∞设计中的数值问题 218
4.5 μ综合 227
4.5.1 μ综合问题 227
4.5.2 用μ的上界替换μ 228
4.5.3 DK迭代 230
4.5.4 μ综合中的数值问题 231
4.6 控制器比较 238
4.7 HIL仿真 239
4.8 注释和参考文献 245
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