控制系统的智能设计

第1章　从常规计算机辅助设计到智能设计 1

1.1　先进的设计理论与落后的设计实践 1

1.2　设计控制系统的难点 4

1.3　问题的症结 7

1.4　控制系统的智能设计 11

1.4.1　新一代的CACSD 11

1.4.2　不同于专家系统方法 13

1.4.3　研究现状和前景 14

第2章 多变量鲁棒控制系统频率域理论的基本知识 18

2.1　控制系统的系统矩阵描述 18

2.2　控制系统的频率域描述 24

2.3　多变量控制系统的稳定条件 27

2.3.1　特征多项式与系统的稳定性 28

2.3.2　系统矩阵、特征多项式与传递函数矩阵 29

2.3.3　根据开环系统参数判断闭环系统的稳定性 30

2.4　多变量系统的Nyquist稳定判据 35

2.5　矩阵的特征函数和特征轨迹 39

2.6　基于特征轨迹的多变量系统Nyquist稳定判据 46

2.7　设计多变量控制系统的特征轨迹方法 51

2.8　控制系统的鲁棒性与传递函数矩阵 53

2.9　设计鲁棒控制系统的正规矩阵方法 60

2.9.1　基于正规传递函数矩阵设计鲁棒控制系统 60

2.9.2　正规矩阵与最优H∞范数 61

2.10　矩阵的正规性指标 64

第3章　控制系统的专家设计知识 68

3.1　控制系统的设计参数 68

3.2　典型系统应有的基本特征 70

3.2.1　截止角频率 71

3.2.2　对数幅频特性在中频段的斜率 73

3.2.3　低频段的增益 74

3.2.4　中频段与低频段的衔接 75

3.2.5　中频段与高频段的衔接 77

3.2.6　典型系统基本特征小结 79

3.3　两种适用于设计的典型系统 79

3.3.1　典型4阶最小相位系统 79

3.3.2　典型5阶非最小相位系统 81

3.4　典型系统的稳定性和动态品质指标 83

3.4.1　典型系统的稳定性 83

3.4.2　动态品质的误差积分指标 84

3.4.3　误差及其各阶导数的初值 86

3.4.4　关于误差积分指标的代数方程组 87

3.4.5　典型4阶最小相位系统的误差积分指标 91

3.4.6　典型5阶非最小相位系统的误差积分指标 93

3.4.7　误差积分指标与截止角频率的关系 95

3.5　典型系统的专家设计知识库 97

3.5.1　品质指标类型的选取 98

3.5.2　品质指标中的权系数的选取 101

3.5.3　设计参数值的选取和组合 102

3.5.4　典型系统动态品质指标的数据库 104

3.5.5　控制系统动态性能的等级化 106

3.5.6　动态性能等级区域 110

3.6　系统的动态品质受到的约束 113

第4章　控制系统的几种智能设计方法 116

4.1　抽取对象响应特征设计方法 116

4.1.1　普通对象及其闭环临界角频率 118

4.1.2　超前校正的智能设计 121

4.1.3　滞后校正的智能设计 123

4.1.4　抽取对象响应特征方法的智能设计流程 124

4.2　鲁棒的逆Nyquist阵列(RINA)设计方法 127

4.2.1　常规的INA设计方法 128

4.2.2　对角优势矩阵的鲁棒性 132

4.2.3　RINA设计方法的原理 137

4.2.4　鲁棒的逆Nyquist阵列方法的智能设计流程 140

4.3.1　正规矩阵参数优化设计方法的基本思路 142

4.3　正规矩阵参数优化(OPNORM)设计方法 142

4.3.2　特征函数矩阵的参数化 143

4.3.3　特征向量矩阵的参数化 145

4.3.4　控制器的简化 147

4.3.5　正规矩阵参数优化方法的智能设计流程 149

4.3.6　论增益平衡技术 151

第5章　控制系统的智能设计软件IntelDes 153

5.1　IntelDes的概貌 153

5.2　IntelDes 3.0的功能及界面简述 154

5.3　矩阵文件及维护功能 159

5.3.1　矩阵列表 159

5.3.2　矩阵的创建和编辑 159

5.3.3　矩阵的删除和更名 160

5.4.1　传递函数矩阵分析 161

5.4　传递函数矩阵的分析及运算功能 161

5.3.5　矩阵的其他维护功能 161

5.3.4　矩阵的打印和索引打印 161

5.4.2　传递函数矩阵的运算 165

5.5　控制系统设计功能 166

5.5.1　IntelDes 3.0中的智能INA设计方法 166

5.5.2　正规矩阵参数优化(OPNORM)设计方法 173

5.5.3　其他几种设计方法 177

5.6　控制系统仿真功能 183

5.6.1　几种仿真算法的比较与评述 183

5.6.2　IntelDes 3.0的仿真功能 185

5.7　系统运行参数的设定功能 194

5.7.1　数据输出格式的设定 194

5.7.2　频率范围的设定 194

5.7.3　要求的设计指标的设定 196

5.7.4　仿真参数的设定 196

5.8.1　智能数据管理机制 197

5.8　工具/帮助功能的使用 197

5.8.2　表达式计算平台 199

5.8.3　帮助系统 200

第6章　控制系统的智能设计实例 202

6.1　抽取对象响应特征设计方法实例 202

6.2　鲁棒的逆Nyquist阵列(RINA)设计方法实例 204

6.3　正规矩阵参数优化(OPNORM)设计方法实例之一：汽轮发电机组转速和端电压控制器设计 210

6.4　正规矩阵参数优化(OPNORM)设计方法实例之二：导弹自动驾驶仪设计 217

第7章　控制系统智能设计的发展前景 229

附录　关于控制系统鲁棒性的一些数学准备知识 234

A.1　酉空间 234

A.2　酉矩阵 237

A.3　正规矩阵 238

A.4　奇异值分解 242

A.4.1　奇异值分解的存在性 242

A.4.2　奇异值分解的惟一性问题 248

A.4.3　正规矩阵的奇异值 249

A.4.4　奇异值分解的一些用途 250

A.5　线性方程组的最小二乘解问题 256

A.5.1　最小二乘解与法方程 256

A.5.2　用广义逆矩阵求最小二乘解 257

A.6　向量的范数 258

A.6.1　定义向量范数的条件 259

A.6.2　几种常用的向量范数 259

A.7　矩阵的范数 260

A.7.1　定义矩阵范数的条件 261

A.7.2　定义矩阵范数的一种方法 261

A.7.3　矩阵的谱范数 262

A.7.4　矩阵的Frobenius范数 262

A.7.5　矩阵范数的一些性质 263

A.8　矩阵的和与积的特征值和奇异值 264

参考文献 267