基于MATLAB/Simulink的嵌入式魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目　　錄
譯者序
前言
第1章　嵌入式控制系統(tǒng)　　1
1.1　引言　　1
1.2　嵌入式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成　　2
1.2.1　典型框圖　　2
1.2.2　A/D和D/A轉(zhuǎn)換　　3
1.2.3　傳感器　　4
1.2.4　執(zhí)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(diǎn)運(yùn)算　　9
1.4.1　定點(diǎn)數(shù)　　9
1.4.2　縮放　　11
1.4.3　范圍和精度　　14
1.4.4　定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算　　15
1.5　浮點(diǎn)運(yùn)算　　17
1.5.1　浮點(diǎn)數(shù)　　17
1.5.2　IEEE運(yùn)算　　18
1.5.3　浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算　　20
1.6　量化效應(yīng)　　20
1.6.1　截?cái)嗪蜕崛搿　?0
1.6.2　A/D轉(zhuǎn)換中的量化誤差　　22
1.7　設(shè)計(jì)階段　　23
1.7.1　控制器設(shè)計(jì)　　25
1.7.2　閉環(huán)系統(tǒng)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(gòu)　　29
1.8.2　硬件描述語(yǔ)言　　32
1.8.3　模塊級(jí)開(kāi)發(fā)　　35
1.8.4　系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)　　39
1.9　軟件配置　　42
1.9.1　板級(jí)支持包　　43
1.9.2　應(yīng)用程序接口　　44
1.9.3　代碼生成　　45
1.9.4　代碼驗(yàn)證　　47
1.10　注釋和參考文獻(xiàn)　　48
第2章　系統(tǒng)建?！　?9
2.1　被控對(duì)象建模　　49
2.2　線性化　　51
2.2.1　解析線性化　　51
2.2.2　符號(hào)線性化　　53
2.2.3　數(shù)值線性化　　55
2.3　離散化　　57
2.3.1　離散時(shí)間模型　　57
2.3.2　離散時(shí)間頻率響應(yīng)　　58
2.3.3　連續(xù)時(shí)間模型的離散化　　60
2.3.4　時(shí)滯系統(tǒng)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(jī)建?！　?6
2.4.1　隨機(jī)線性系統(tǒng)　　66
2.4.2　隨機(jī)模型的離散化　　68
2.4.3　最優(yōu)估計(jì)　　70
2.5　被控對(duì)象辨識(shí)　　73
2.5.1　黑箱模型辨識(shí)　　73
2.5.2　灰箱模型辨識(shí)　　86
2.6　不確定性建?！　?0
2.6.1　結(jié)構(gòu)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(dǎo)出不確定
性狀態(tài)空間模型　　98
2.6.4　非結(jié)構(gòu)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(guò)辨識(shí)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(jī)陀螺模型　　109
2.7.3　隨機(jī)加速計(jì)模型　　114
2.7.4　傳感器數(shù)據(jù)濾波　　116
2.8　注釋和參考文獻(xiàn)　　119
第3章　性能要求和設(shè)計(jì)限制　　121
3.1　SISO閉環(huán)系統(tǒng)　　121
3.2　SISO系統(tǒng)性能指標(biāo)　　124
3.2.1　時(shí)域指標(biāo)　　124
3.2.2　頻域指標(biāo)　　124
3.3　SISO系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的折中　　127
3.3.1　對(duì)S和T的限制　　127
3.3.2　右半平面極點(diǎn)和零點(diǎn)　　128
3.3.3　時(shí)滯引起的限制　　129
3.3.4　測(cè)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(huán)系統(tǒng)　　138
3.5　MIMO系統(tǒng)的性能指標(biāo)　　140
3.5.1　使用奇異值進(jìn)行性能
分析　　140
3.5.2　系統(tǒng)的H∞范數(shù)　　142
3.5.3　Hankel范數(shù)　　144
3.6　MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)　　147
3.8　魯棒穩(wěn)定性分析　　149
3.8.1　非結(jié)構(gòu)化不確定性　　149
3.8.2　結(jié)構(gòu)化奇異值　　150
3.8.3　使用μ進(jìn)行魯棒穩(wěn)定性
分析　　151
3.9　魯棒性能分析　　154
3.9.1　使用μ進(jìn)行魯棒性能
分析　　155
3.9.2　最壞情況下的增益　　159
3.9.3　最壞情況下的裕度　　160
3.10　魯棒性分析中的數(shù)值問(wèn)題　　161
3.11　注釋和參考文獻(xiàn)　　165
第4章　控制器設(shè)計(jì)　　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(shí)間LQG控制器　　181
4.2.2　有色測(cè)量噪聲　　183
4.2.3　帶偏置補(bǔ)償?shù)腖QG
控制器　　192
4.3　帶H∞濾波器的LQ調(diào)節(jié)器　　199
4.3.1　離散時(shí)間H∞濾波器　　199
4.3.2　帶偏置補(bǔ)償?shù)腍∞濾波器　　204
4.4　H∞設(shè)計(jì)　　209
4.4.1　H∞設(shè)計(jì)問(wèn)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(shè)計(jì)中的數(shù)值問(wèn)題　　218
4.5　μ綜合　　227
4.5.1　μ綜合問(wèn)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(shù)值問(wèn)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(xiàn)　　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(tǒng)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(duì)象辨識(shí)　　251
5.3　LQR 和 LQG 控制器設(shè)計(jì)　　258
5.4　H∞控制器設(shè)計(jì)　　262
5.5　實(shí)驗(yàn)評(píng)估　　266
5.6　注釋和參考文獻(xiàn)　　273
第6章　案例研究2：微型直升機(jī)
的魯棒控制　　274
6.1　直升機(jī)模型　　275
6.1.1　非線性直升機(jī)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(tài)控制器的μ綜合　　286
6.2.1　性能要求　　287
6.2.2　控制器設(shè)計(jì)　　289
6.2.3　頻率響應(yīng)　　293
6.2.4　線性系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)　　298
6.2.5　位置控制器設(shè)計(jì)　　299
6.3　HIL仿真　　300
6.3.1　非線性系統(tǒng)仿真　　301
6.3.2　HIL仿真設(shè)置　　302
6.3.3　HIL 仿真結(jié)果　　304
6.4　注釋和參考文獻(xiàn)　　310
第7章　案例研究3：兩輪機(jī)器人
的魯棒控制　　311
7.1　機(jī)器人描述　　311
7.2　機(jī)器人模型的閉環(huán)辨識(shí)　　313
7.2.1　從u到.?的動(dòng)態(tài)模型　　317
7.2.2　從.?到.θ的動(dòng)態(tài)模型　　320
7.2.3　偏航運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模型　　322
7.3　不確定性模型的推導(dǎo)　　326
7.3.1　基于信號(hào)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(shè)計(jì)　　329
7.5　μ控制器設(shè)計(jì)　　333
7.6　設(shè)計(jì)控制器的比較　　336
7.7　實(shí)驗(yàn)評(píng)估　　339
7.8　注釋和參考文獻(xiàn)　　344
附錄A　矩陣分析基礎(chǔ)　　346
附錄B　線性系統(tǒng)理論基礎(chǔ)　　354
附錄C　隨機(jī)過(guò)程　　361
附錄D　線性模型辨識(shí)　　372
附錄E　IMU與目標(biāo)微控制器的
接口　　393
附錄F　用霍爾編碼器測(cè)量角
速度　　399
參考文獻(xiàn)　　404