抛物型分布参数系统模糊边界控制

作者: 王俊伟

出版社: 电子工业出版社

出版时间: 2023-04

版次: 1

ISBN: 9787121454257

定价: 89.00

装帧: 其他

页数: 164页

分类: 工程技术

本书结合作者近年来的研究工作, 系统介绍非线性分布参数系统时空模糊建模及边界控制设计, 充分考虑系统的空间分布特征, 重点阐述时空模糊系统及其逼近性能分析. 在此基础上, 针对一类由抛物型偏微分方程描述的非线性分布参数系统, 进一步建立边界镇定和跟踪模糊控制设计方法, 并将相关理论研究成果应用于解决带钢热轧温度智能调节问题，通过数值仿真实验展示其工程应用效果. 本书反映了近年来非线性分布参数系统模糊控制理论研究的成果。王俊伟，男，博士研究生，北京科技大学智能科学与技术学院，副教授。先后于2007年和2009年在哈尔滨工程大学获理学学士学位和理学硕士学位，2013年在北京航空航天大学获工学博士学位(导师：吴淮宁教授)。主要从事分布参数系统、智能系统建模与控制、多机器人协同控制等方面的理论和应用研究。目前出版中文学术著作1部，受理发明专利4项，发表(含录用待发表)学术论文60余篇（包括《Automatica》、《IEEE Transactions on Automatic Control》、《IEEE Transactions on Fuzzy Systems》、《IEEE Transactions on Cybernetics》等国际知名学术期刊）。主持并参与包括国家自然科学基金、科技部、中国博士后科学基金、北京市自然科学基金等多项科研项目。入选2015年度香江学者计划。受邀担任美国《数学评论》评论员、国际SCI期刊《Frontiers in Artificial Intelligence》模糊系统方向编委、《Electronics》控制系统工程编委以及《工程科学学报》青年编委。 1 绪论 . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 研究背景与意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 边界控制发展概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 抛物型分布参数系统发展概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 模糊控制发展概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5 跟踪控制发展概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.6 本书主要内容与结构安排. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 基础数学知识12

2.1 偏微分方程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 稳定性理论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 基于观测器的输出反馈控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 庞加莱?D温格尔不等式的变种形式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5 本章小结与文献说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 时空模糊系统21

3.1 时空模糊集合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2 逻辑运算法则. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3 时空模糊关系、模糊规则与模糊推理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.4 Mamdani型时空模糊系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.5 Takagi-Sugeno型时空模糊系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.5.1 T-S模糊PDE模型的形式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5.2 T-S模糊PDE模型的构建. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.6 时空模糊系统一致逼近性能分析及误差量化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.7 本章小结与文献说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4 模糊边界镇定控制37

4.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2 系统描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.3 时空T-S模糊模型与问题描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.4 模糊边界镇定控制设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.4.1 静态模糊边界补偿器设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.4.2 基于观测器的动态边界模糊补偿器设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.5 数值仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.5.1 空间连续分布测量与同位边界测量仿真结果. . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.5.2 非同位空间离散测量仿真结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.5.3 非同位边界测量仿真结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.6 本章小结及文献说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5 模糊边界输出跟踪控制83

5.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.2 系统描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.3 时空T-S模糊模型与问题描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.4 模糊边界输出跟踪控制设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5.4.1 静态模糊PID边界同位输出跟踪控制设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5.4.2 动态模糊边界非同位输出跟踪控制设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.5 数值仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.5.1 模糊边界同位输出跟踪控制仿真结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.5.2 模糊边界非同位输出跟踪控制仿真结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.6 本章小结与文献说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6 热轧带钢温度场模糊边界调节122

6.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.2 带钢热连轧生产钢坯再加热模糊PID温度调节. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.2.1 钢坯再加热过程非线性温度时空演化动态模型. . . . . . . . . . . . . . . 123

6.2.2 基于观测器的模糊PID温度测量输出调节控制设计. . . . . . . . . . . . 125

6.2.3 数值仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

6.3 热轧带钢轧后层流冷却模糊温度调节. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

6.3.1 热轧带钢轧后层流冷却过程模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

6.3.2 基于观测器的模糊温度输出跟踪控制设计. . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.3.3 数值仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

6.4 本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
内容简介:
本书结合作者近年来的研究工作, 系统介绍非线性分布参数系统时空模糊建模及边界控制设计, 充分考虑系统的空间分布特征, 重点阐述时空模糊系统及其逼近性能分析. 在此基础上, 针对一类由抛物型偏微分方程描述的非线性分布参数系统, 进一步建立边界镇定和跟踪模糊控制设计方法, 并将相关理论研究成果应用于解决带钢热轧温度智能调节问题，通过数值仿真实验展示其工程应用效果. 本书反映了近年来非线性分布参数系统模糊控制理论研究的成果。
作者简介:
王俊伟，男，博士研究生，北京科技大学智能科学与技术学院，副教授。先后于2007年和2009年在哈尔滨工程大学获理学学士学位和理学硕士学位，2013年在北京航空航天大学获工学博士学位(导师：吴淮宁教授)。主要从事分布参数系统、智能系统建模与控制、多机器人协同控制等方面的理论和应用研究。目前出版中文学术著作1部，受理发明专利4项，发表(含录用待发表)学术论文60余篇（包括《Automatica》、《IEEE Transactions on Automatic Control》、《IEEE Transactions on Fuzzy Systems》、《IEEE Transactions on Cybernetics》等国际知名学术期刊）。主持并参与包括国家自然科学基金、科技部、中国博士后科学基金、北京市自然科学基金等多项科研项目。入选2015年度香江学者计划。受邀担任美国《数学评论》评论员、国际SCI期刊《Frontiers in Artificial Intelligence》模糊系统方向编委、《Electronics》控制系统工程编委以及《工程科学学报》青年编委。
目录:
1 绪论 . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 研究背景与意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 边界控制发展概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 抛物型分布参数系统发展概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 模糊控制发展概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5 跟踪控制发展概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.6 本书主要内容与结构安排. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 基础数学知识12

2.1 偏微分方程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 稳定性理论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 基于观测器的输出反馈控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 庞加莱?D温格尔不等式的变种形式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5 本章小结与文献说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 时空模糊系统21

3.1 时空模糊集合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2 逻辑运算法则. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3 时空模糊关系、模糊规则与模糊推理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.4 Mamdani型时空模糊系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.5 Takagi-Sugeno型时空模糊系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.5.1 T-S模糊PDE模型的形式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5.2 T-S模糊PDE模型的构建. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.6 时空模糊系统一致逼近性能分析及误差量化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.7 本章小结与文献说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4 模糊边界镇定控制37

4.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2 系统描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.3 时空T-S模糊模型与问题描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.4 模糊边界镇定控制设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.4.1 静态模糊边界补偿器设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.4.2 基于观测器的动态边界模糊补偿器设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.5 数值仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.5.1 空间连续分布测量与同位边界测量仿真结果. . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.5.2 非同位空间离散测量仿真结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.5.3 非同位边界测量仿真结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.6 本章小结及文献说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5 模糊边界输出跟踪控制83

5.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.2 系统描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.3 时空T-S模糊模型与问题描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.4 模糊边界输出跟踪控制设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5.4.1 静态模糊PID边界同位输出跟踪控制设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5.4.2 动态模糊边界非同位输出跟踪控制设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.5 数值仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.5.1 模糊边界同位输出跟踪控制仿真结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.5.2 模糊边界非同位输出跟踪控制仿真结果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.6 本章小结与文献说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6 热轧带钢温度场模糊边界调节122

6.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.2 带钢热连轧生产钢坯再加热模糊PID温度调节. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.2.1 钢坯再加热过程非线性温度时空演化动态模型. . . . . . . . . . . . . . . 123

6.2.2 基于观测器的模糊PID温度测量输出调节控制设计. . . . . . . . . . . . 125

6.2.3 数值仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

6.3 热轧带钢轧后层流冷却模糊温度调节. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

6.3.1 热轧带钢轧后层流冷却过程模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

6.3.2 基于观测器的模糊温度输出跟踪控制设计. . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.3.3 数值仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

6.4 本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

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