基于新型Smith预估补偿的网络控制系统 杜锋,杜文才 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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杜锋，杜文才 著

图书标签:

• 网络控制系统
• Smith预估补偿
• 自适应控制
• 鲁棒控制
• 新型控制
• 系统设计
• 控制理论
• 杜锋
• 杜文才
• 自动化

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030348647

商品编码：29659178850

包装：平装

出版时间：2012-06-01

基本信息

书名：基于新型Smith预估补偿的网络控制系统

定价：50.00元

作者：杜锋,杜文才

出版社：科学出版社

出版日期：2012-06-01

ISBN：9787030348647

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：大32开

商品重量：0.241kg

编辑推荐

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　　《基于新型Smith预估补偿的网络控制系统》从系统性、实用性、可读性和新颖性角度编写内容，并有很多仿真研究实例，力求成为既介绍原理分析，又兼顾研究方法与研究思路的网络控制系统参考书。
　　本书主要内容源于作者多年来从事网络控制系统理论研究和工程实践的积累。本书由杜锋，杜文才著。

内容提要

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《基于新型Smith预估补偿的网络控制系统》是作者多年来研究网络控制系统时延补偿方法的概括与总结。针对网络控制系统中的*、时变和不确定络时延，《基于新型Smith预估补偿的网络控制系统》以作者提出的新型Smith预估器时延补偿方法为基础，深入研究了常规PID控制、非线性PID控制、模糊自适应PID控制、模糊免疫PID控制、RBF神经网络控制、CMAC神经网络控制、广义预测控制等控制方法对网络时延的补偿效果。其研究的网络结构涉及径直结构、分层结构和网络化串级控制系统结构，涉及单回路网络控制系统和多回路复杂网络控制系统。采用的网络涉及有线与无线网络、异构网络以及有线与无线混杂的网络。后介绍网络控制系统的仿真软件TrueTime 1.5。《基于新型Smith预估补偿的网络控制系统》可作为高等院校控制理论与控制工程、系统工程、检测与自动化、通信工程、信息与计算科学、运筹学与控制论、计算机应用技术等相关专业的高年级本科生和研究生的专业参考书，也可供高等院校与科研院所从事网络控制系统研究的教师和科研人员参考。

目录

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前言
章 绪论
1.1 网络控制系统研究意义
1.2 网络控制系统基本问题
1.3 网络控制系统研究现状
1.4 本书涉及的网络拓扑结构
1.5 本书涉及的网络协议
1.6 本书使用的仿真软件
1.7 内容安排
1.8 本章小结
参考文献
第2章 网络时延及其测量
2.1 网络时延的组成与分析
2.2 测量方法
2.3 本章小结
参考文献
第3章 Smith预估补偿
3.1 引言
3.2 Smith预估补偿原理
3.3 Smith预估器研究现状
3.4 本章小结
参考文献
第4章 网络时延补偿研究思路与方法
4.1 引言
4.2 网络控制系统存在的问题
4.3 解决时延补偿问题的思路与方法
4.3.1 实现目标
4.3.2 需解决的关键科学问题
4.3.3 思路与方法
4.4 本章小结
第5章 新型Smith预估器(一)
5.1 引言
5.2 控制器端的Smith预估器
5.3 新型Smith预估器(一)技术路线
5.3.1 被控对象模型参数完全匹配
5.3.2 被控对象模型参数不完全匹配
5.4 新型Smith预估器(一)结构讨论
5.5 本章小结
参考文献
第6章 基于新型Smith预估器(一)的网络控制系统仿真
6.1 引言
6.2 PI控制的网络控制系统
6.2.1 仿真设计
6.2.2 仿真研究
6.2.3 结果分析
6.3 广义预测控制的网络控制系统
6.3.1 控制算法
6.3.2 仿真设计
6.3.3 仿真研究
6.3.4 结果分析
6.4 PI控制的无线网络控制系统
6.4.1 仿真设计
6.4.2 仿真研究
6.4.3 结果分析
6.5 模糊免疫控制的无线网络控制系统
6.5.1 控制原理
6.5.2 仿真设计
6.5.3 仿真研究
6.5.4 结果分析
6.6 本章小结
参考文献
第7章 新型Smith预估器(二)
7.1 引言
7.2 新型Smith预估器(二)技术路线
7.2.1 被控对象模型参数完全匹配
7.2.2 被控对象模型参数不完全匹配
7.3 本章小结
第8章 新型Smith预估器(三)
8.1 引言
8.2 被控对象端的Smith预估器
8.3 新型Smith预估器(三)技术路线
8.4 本章小结
参考文献
第9章 基于新型Smith预估器(三)的网络控制系统仿真
9.1 引言
9.2 PI控制的网络控制系统
9.2.1 仿真设计
9.2.2 仿真研究
9.2.3 结果分析
9.3 RBF神经网络控制的网络控制系统
9.3.1 控制原理
9.3.2 仿真设计
9.3.3 仿真研究
9.3.4 结果分析
9.4 非线性PID控制的无线网络控制系统
9.4.1 控制原理
9.4.2 仿真设计
9.4.3 仿真研究
9.4.4 结果分析
9.5 本章小结
参考文献
0章 基于新型Smith预估器的网络化串级控制系统
10.1 引言
10.2 问题描述
10.3 技术路线
10.3.1 方案Ⅰ
10.3.2 方案Ⅱ
10.3.3 方案Ⅲ
10.3.4 方案Ⅳ
10.4 方案拓展
10.4.1 方案工拓展
10.4.2 方案Ⅳ拓展
10.5 本章小结
参考文献
1章 多回路网络控制系统仿真
11.1 引言
11.2 PI控制的有线多回路网络控制系统
11.2.1 仿真设计
11.2.2 仿真研究
11.2.3 结果分析
11.3 PI控制的无线多回路网络控制系统
11.3.1 仿真设计
11.3.2 仿真研究
11.3.3 结果分析
11.4 本章小结
2章 异构网络控制系统仿真
12.1 引言
12.2 模糊控制的有线异构网络控制系统
12.2.1 控制原理
12.2.2 仿真设计
12.2.3 仿真研究
12.2.4 结果分析
12.3 CMAC控制的无线异构网络控制系统
12.3.1 控制原理
12.3.2 仿真设计
12.3.3 仿真研究
12.3.4 结果分析
12.4 本章小结
参考文献
3章 混杂网络控制系统仿真
13.1 引言
13.2 模糊免疫控制的混杂网络控制系统
13.2.1 仿真设计
13.2.2 仿真研究
13.2.3 结果分析
13.3 本章小结
4章 TrueTime 1.5仿真软件
14.1 引言
14.2 TrueTime工具箱
14.3 TrueTime 1.5安装
14.4 有线网络控制系统仿真实例
14.4.1 系统组成
14.4.2 有线网络模型
14.4.3 传感器节点
14.4.4 控制器节点
14.4.5 执行器节点
14.4.6 干扰节点
14.4.7 仿真结果
14.5 无线网络控制系统仿真实例
14.5.1 系统组成
14.5.2 无线网络模型
14.5.3 传感器／执行器节点
14.5.4 控制器节点
14.5.5 仿真结果
14.6 本章小结
参考文献

作者介绍

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无

文摘

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序言

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基于新型Smith预估补偿的网络控制系统 概述 在现代工业和自动化领域，网络控制系统（NCS）已成为不可或缺的关键技术。它们通过通信网络实现远程监控和控制，极大地提高了系统的灵活性、可扩展性和效率。然而，通信网络的引入也带来了固有的挑战，其中最显著的问题之一便是通信时延。时延的存在会显著降低系统的性能，甚至导致系统不稳定。传统的控制策略在面对时延时往往力不从心，需要更先进的补偿技术来克服其负面影响。 本书《基于新型Smith预估补偿的网络控制系统》深入探讨了网络控制系统中的时延问题，并提出了一种基于新型Smith预估补偿的解决方案。我们将首先对网络控制系统的基本原理、结构及其在不同应用场景中的重要性进行详细阐述。随后，我们将深入剖析通信时延对NCS性能产生的严峻挑战，包括但不限于系统响应迟滞、稳定性下降、控制精度降低以及鲁棒性减弱等。在此基础上，本书将系统性地介绍Smith预估器（Smith Predictor）及其在克服时延方面的基本原理与发展历程。 本书的重点在于提出并详细阐述“新型Smith预估补偿”方案。我们将对其核心思想、设计原理、数学模型以及实现方法进行全面而深入的分析。新型Smith预估补偿的关键在于其对传统Smith预估器的改进，旨在更有效地处理网络环境下的不确定性和动态变化，从而在更广泛的应用场景下实现更优异的控制性能。我们将通过详细的理论推导、算法分析和仿真实验，证明该新型补偿方案在时延补偿、系统稳定性和性能提升方面的优越性。 详细内容 第一章：网络控制系统基础 1.1 网络控制系统的定义与发展 引言：从分布式控制到网络化控制的演进。 NCS的核心构成：传感器、控制器、执行器、通信网络。 NCS的优势：灵活性、模块化、易于升级、降低布线成本、远程监控与诊断。 NCS的关键技术：采样、量化、编码、解码、通信协议、时延处理。 1.2 网络控制系统的结构与拓扑 集中式、分布式、混合式NCS架构。 常见的NCS拓扑：总线型、星型、环型、树型。 不同拓扑结构对系统性能的影响。 1.3 网络控制系统的应用领域 工业自动化：智能制造、过程控制、机器人控制。 航空航天：飞行控制、卫星通信。 交通运输：智能交通系统、自动驾驶。 医疗健康：远程手术、医学影像传输。 能源管理：智能电网。 1.4 网络控制系统面临的挑战 通信时延：固定时延、变时延、抖动。 数据丢失与误码。 有限的通信带宽。 安全性与可靠性。 控制器设计复杂度。 第二章：通信时延对网络控制系统的影响 2.1 时延的产生机制与分类 网络设备处理时延（交换机、路由器）。 信号传输时延（光纤、无线）。 排队时延。 固定时延与变时延（如TCP/IP协议下的时延）。 时延抖动（Jitter）。 2.2 时延对系统性能的影响机理 2.2.1 响应迟滞： 控制指令到达执行器的时间延迟，导致系统对外部扰动或指令变化的响应滞后，影响动态性能。 2.2.2 稳定性下降： 过大的时延可能导致系统闭环传递函数极点右移，甚至出现振荡或不稳定。特别是在高增益系统或多环耦合系统中，时延的影响更为显著。 2.2.3 控制精度降低： 由于反馈信号的延迟，控制器无法及时获得最新的系统状态信息，从而做出最优的控制决策，导致稳态误差增大或瞬态响应不佳。 2.2.4 鲁棒性减弱： 时延的变化和不确定性会使系统对模型参数变化、外部扰动等因素的容忍度降低，整体鲁棒性下降。 2.2.5 资源浪费： 在某些情况下，为了补偿时延，可能需要采用更保守的控制参数，导致控制作用被削弱，资源利用不充分。 2.3 时延对不同类型NCS的影响分析 PID控制在NCS中的性能退化。 状态反馈控制在NCS中的挑战。 模型预测控制（MPC）在NCS中的时延处理。 模糊与神经网络控制在NCS中的时延适应性。 第三章：Smith预估器原理与发展 3.1 Smith预估器的基本思想 核心理念：利用被控对象的模型来预测未来输出，从而补偿时延。 标准Smith预估器的结构：内环（无时延）与外环（带时延）。 消除时延对控制器设计的影响，使控制器设计如同在无时延系统下进行。 3.2 标准Smith预估器的数学模型与设计 被控对象传递函数 G(s)。 时延环节 e^(-Ls)。 模型 G_m(s) e^(-Ls)。 控制器 G_c(s)。 Smith预估器闭环传递函数的推导。 3.3 标准Smith预估器的局限性 对被控对象模型的精度要求极高。 当实际被控对象与模型存在较大偏差时，性能显著下降。 对于变时延和时延抖动处理能力有限。 抗干扰能力相对较弱。 3.4 Smith预估器的发展与改进 自适应Smith预估器：用于处理模型参数不确定性。 增强型Smith预估器：引入观测器或滤波环节。 基于模型预测的Smith预估器。 针对不同类型时延的Smith预估器变种。 第四章：新型Smith预估补偿方案的设计与实现 4.1 新型Smith预估补偿的核心思想 4.1.1 引入在线模型辨识： 针对实际网络环境下被控对象模型可能发生的动态变化，采用在线模型辨识技术，实时更新被控对象的模型参数。这使得预估补偿器能够更好地适应系统状态的变化，提高补偿的准确性。 4.1.2 结合预测与反馈的优势： 在传统Smith预估器基础上，进一步融合预测补偿与实时反馈信号的处理，通过设计新的反馈结构，使得补偿器在预测未来输出的同时，也能有效利用实际反馈信息来修正预测误差，从而提升系统的鲁棒性和抗干扰能力。 4.1.3 针对变时延的鲁棒性设计： 针对网络通信中普遍存在的变时延特性，设计能够自适应调整其补偿策略的机制。这可能包括引入时延估计器，以及根据时延的变化动态调整预估补偿器的增益和结构。 4.1.4 增强的抗扰动能力： 通过引入滤波、观测器或补偿环节，进一步提高补偿器对外部扰动和测量噪声的抑制能力，确保系统在复杂工况下的平稳运行。 4.2 新型Smith预估补偿器的数学模型与推导 详细介绍新型补偿器在传递函数域或状态空间域下的数学描述。 引入在线模型辨识模块的模型（如最小二乘法、递推最小二乘法等）。 设计新的预测补偿模型，考虑模型误差和时延的不确定性。 推导包含新型补偿器的整体闭环系统传递函数或状态方程。 分析补偿器如何有效抵消或减弱时延对闭环系统的影响。 4.3 新型Smith预估补偿器的具体实现算法 4.3.1 在线模型辨识算法： 介绍具体的模型辨识方法，例如： 递推最小二乘法 (RLS)：适合在线估计模型参数，计算效率高。 卡尔曼滤波 (KF)：可用于状态估计和参数估计，尤其在有噪声的情况下表现良好。 梯度下降法：一种通用的优化算法，可用于模型参数的迭代更新。 讨论算法的选择依据，如计算复杂度、对噪声的敏感度、收敛速度等。 4.3.2 时延估计与补偿策略： 介绍如何估计网络时延，例如： 基于时间戳的估计： 在发送端和接收端添加时间戳，计算往返时间（RTT）来估计单向时延。 基于序列号的估计： 利用数据包的序列号来检测丢包和评估传输延迟。 统计性时延估计： 对历史时延数据进行统计分析，预测未来时延。 阐述如何根据估计的时延动态调整补偿器的参数或结构。 4.3.3 核心补偿算法： 详细描述新型Smith预估补偿器的核心计算流程。 如何结合辨识模型、时延估计和反馈信号生成控制指令。 可能包含的预滤波、状态重构或误差反馈机制。 4.4 新型Smith预估补偿器在NCS中的应用流程 详细描述系统运行时的整体流程： 1. 传感器采集原始数据。 2. 数据通过通信网络传输至控制器。 3. 控制器接收数据，并进行时延估计。 4. 根据接收到的反馈数据和内部模型，在线辨识被控对象模型。 5. 利用辨识出的模型和估计的时延，通过新型Smith预估补偿器计算控制输出。 6. 控制输出通过通信网络传输至执行器。 7. 执行器执行控制指令。 8. 被控对象的状态发生变化，形成新的反馈。 图示说明该流程。 第五章：仿真分析与实验验证 5.1 仿真平台搭建 介绍使用的仿真软件（如MATLAB/Simulink, Python with control libraries等）。 搭建具有时延的网络通信模型。 构建不同复杂度的被控对象模型（包括线性、非线性、时变模型）。 5.2 仿真场景设计 5.2.1 不同时延条件下的性能比较： 固定时延（小、中、大）。 变时延（周期性、随机性）。 时延抖动。 数据丢失率影响。 5.2.2 被控对象模型不匹配情况下的性能评估： 当实际被控对象与控制器设计模型存在一定偏差时的表现。 模型参数随时间缓慢变化或快速变化的情况。 5.2.3 抗扰动能力测试： 在系统运行时施加外部扰动（如阶跃扰动、正弦扰动）。 评估新型补偿器对扰动的抑制效果。 5.3 性能指标评估 5.3.1 动态性能指标： 上升时间 (Rise Time)。 超调量 (Overshoot)。 调节时间 (Settling Time)。 峰值时间 (Peak Time)。 5.3.2 稳态性能指标： 稳态误差 (Steady-State Error)。 5.3.3 稳定性指标： 闭环系统的极点位置。 系统响应的收敛性。 5.3.4 鲁棒性指标： 参数变化下的性能保持度。 对模型不确定性的容忍度。 5.4 与传统控制方法的比较 将新型Smith预估补偿方案与传统PID控制、标准Smith预估器、其他先进控制策略（如基于模型预测的控制）在相同仿真条件下进行比较。 通过仿真结果图表直观展示性能提升。 5.5 实验平台搭建与验证（可选） 介绍构建的实际NCS实验平台（如基于FPGA、嵌入式系统、PLC等）。 实际物理被控对象（如电机、温控系统、机械臂等）。 通过实验验证仿真结果的有效性，并进一步评估实际系统中的性能。 第六章：结论与展望 6.1 研究成果总结 回顾本书提出的新型Smith预估补偿方案及其关键技术。 总结该方案在克服网络控制系统时延、提高系统性能方面的优势。 重申新型补偿器在模型辨识、时延估计、鲁棒性设计等方面的创新之处。 6.2 未来研究方向 6.2.1 更复杂的网络环境： 在具有更严重的丢包、更剧烈抖动、非对称时延的网络环境下，进一步优化补偿算法。 研究基于机器学习或深度学习的自适应时延估计与补偿方法。 6.2.2 更广泛的被控对象： 将新型补偿器应用于更复杂的非线性、高阶、耦合的被控对象。 研究其在分布式NCS中的应用，解决多控制器间的协同问题。 6.2.3 安全性与可靠性： 在考虑网络安全威胁（如拒绝服务攻击）的情况下，设计更具安全性的NCS控制策略。 提高系统的故障检测与容错能力。 6.2.4 实时性与计算复杂度： 进一步降低算法的计算复杂度，使其适用于资源受限的嵌入式设备。 优化算法的实时性，满足高速控制需求。 6.2.5 理论分析的完善： 对新型补偿器的稳定性、收敛性进行更严格的数学证明。 开发更系统的设计工具和分析方法。 本书为网络控制系统领域的研究者、工程师和学生提供了一个深入理解和解决时延问题的新视角和实用工具。通过对新型Smith预估补偿方案的详细阐述，旨在推动网络控制系统在各种工业和应用场景中实现更优异的性能和更高的可靠性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版风格，简直是工程类书籍中的一股清流。我尤其赞赏它在图表使用上的克制与精准。很多技术书籍为了显得内容丰富，会塞满大量的、有时甚至有些冗余的示意图，但这里不同，每一张图、每一个表格，似乎都是经过深思熟虑、不可或缺的。图注清晰明了，即使脱离正文独立来看，也能大致理解其表达的意图。更值得称道的是，书中对复杂算法步骤的描述，大量采用了编号列表和醒目的代码块格式，这使得在实际操作或复现模型时，查找和对照特定步骤变得异常高效，大大减少了阅读时的认知负荷。这种注重“可操作性”的排版哲学，体现了作者对读者时间价值的尊重。字体选择上也偏向于易于长时间阅读的宋体或类似字体，字号大小适中，行间距拿捏得恰到好处，保证了阅读的连贯性和舒适感。

评分☆☆☆☆☆

阅读过程中，我留意到作者在引用和参考文献的处理上也极为严谨。翻到书的后部，那份详尽的引用列表，显示了作者广阔的知识面和扎实的学术功底。他们似乎不仅参考了控制工程领域内的经典文献，还巧妙地融合了信号处理、优化理论甚至是某些前沿的计算数学成果。这种跨学科的视野，使得他们提出的“预估补偿”框架显得尤为坚实和全面。更让我感到惊喜的是，书中似乎附带了一些案例研究或者仿真结果的片段（虽然我只是快速浏览），这些实证性的内容，为抽象的理论提供了落地的支撑，极大地增强了理论的说服力。这种“理论建构—案例佐证”的模式，对于那些希望将知识应用于实际工程问题的工程师读者来说，无疑是最有价值的部分，因为它展现了从纸面到实际运行的转化路径。

评分☆☆☆☆☆

我花了整整一个下午来浏览这本书的目录和前言，感觉作者们在构建知识体系的逻辑性上，下足了功夫。他们似乎非常注重从基础原理的溯源开始，层层递进，而不是直接抛出高深的结论。比如，他们对传统控制理论中某些局限性的回顾，写得非常到位，不带批判的口吻，而是以一种更具建设性的视角来引出“新型”方法的必要性，这种叙述方式让初学者也能轻松跟上节奏。书中对章节间的衔接处理得极其自然，仿佛在讲述一个完整的故事，从问题的提出，到工具的准备，再到最终方案的实现与验证，每一步都有清晰的脉络。特别是他们对“预估补偿”这一核心概念的引入，似乎采用了多角度的类比和图示，试图将一个抽象的数学工具具象化，这对于理解其精髓至关重要。总的来说，这种结构安排，极大地降低了复杂技术被初次接触的读者的心理门槛。

评分☆☆☆☆☆

这本书的整体“气质”是那种沉稳、内敛但蕴含巨大能量的类型。它不像那些流行的科普读物那样试图用夸张的语言来吸引眼球，而是用严谨的逻辑和无可辩驳的数学推导来建立自己的权威。我甚至可以想象，这本书在某个高级研究室的咖啡桌上，被翻阅时散发出的那种专业气息。它更像是一本“工具书”与“教科书”的完美结合体，既有系统的理论框架，又有解决具体问题的工具箱。对于那些已经有一定控制理论基础，并渴望深入研究网络化系统在时滞、不确定性等复杂环境下如何实现高精度控制的专业人士来说，这本书无疑提供了一个极其深刻且富有启发性的新视角。它给人的感觉是，作者不是在“教”你知识，而是在“邀请”你一起探索这个复杂领域的前沿问题。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计深得我心，那种沉稳又不失科技感的蓝灰色调，让我想起深邃的星空和精密复杂的电路板。我特别欣赏那种留白的处理，既突出了书名和作者的名字，又给人一种呼吸感，而不是那种塞得满满当当的压迫感。装帧的质感也非常棒，纸张的触感细腻而坚韧，翻页时能听到轻微的、令人愉悦的摩擦声，这对于需要长时间沉浸在技术细节中的读者来说，简直是一种享受。内页的印刷清晰度简直是业界标杆，无论是公式推导还是系统框图，线条都锐利得如同激光切割，即使用放大镜观察，也找不到丝毫的模糊或套印不准的瑕疵。可以说，光是捧在手里，就能感受到出版方对这本书的重视程度，这种对细节的极致追求，让我对书的内容质量也抱有了极高的期待。封面上的那个抽象的几何图形，似乎就暗示着书中将要探讨的那些复杂系统之间微妙的平衡与动态关系，非常吸引眼球。