鲁棒控制——LMI处理方法
俞立老师的经典书籍——《鲁棒控制——基于线性矩阵不等式的处理方法》振动论坛鲁棒控制—线性矩阵不等式处理方法俞著清华大学出版社振动论坛(京)新登字158号内容简介木书结合作者的研究工作,详细介绍了基于线性矩阵不等式的不确定系统食棒控制的概念、理论及设计方法。主要为謇括日前应用广泛的线性矩阵不等式的概念、理论、算法及相关软件:基于线性矩阵不等式处理方法的线性时不变系统性能分析和缤合方法:重点介绍了不确定系统的模型、曹棒性能分妡、鲁棒砂以H控制、LM区域及相应的区域极点配置方法,绪合二次型性能指标的保性能控制、鲁榨方差控制对将系统的分析与鲁棒控制器设计、不确定系统的鲁滤波问题及鲁棒滤波器设计本书反映了近年来鲁棒控制领域中的最新研究成果,系统介纲了线性矩阵不等式这一有效工具,它在应用中的典型处理方法及 MATLAB软件中的LMI具箱,本书可作为从事自动控制工作的科研员、工技术人员以及高等院校自动化及其他相关专业教师高年级学生和研究生的参老用书版权所有,翻印必究本书封面貼有清华大学出版杜激光防伪标签,无标签者不得销售。书名:鲁棒控制—线性矩阵不等式处理方法作者:俞立著出版者:清华大学出版社(北京清华大学学研大厦,的编100084)http://www.lup,lsingt:ua.educn费任编辑:朱英彪印刷者:北京通州区大中印刷发行者:新华书店总店北京发行所开本;787×10921:16即张;17.75字数:403千字版次:202年12月第1版20年12月第1次印刷书号:ISEN730245854-7/O·269印数:0001~400定价:26.00元振动论坛前言在实际工业控制牛,各种工业牛产过程、生产设备以及其他众多的被控对象,其动态牿性一般鄱难以用精确的数学模型来描述。有时即使能获得被控对象的精确数学模型,但白于过于短杂,使得难以对其进行有效的掉制性能分析和综合,因此必须进行适当的简化。另一方面,难着生产过程中主作条件和环境的变化,控制系统中元器件的老化或损坏,被控对象本身的特性也会随之发生变化。所有这些因素使得描述被控对象的数学模型和实际对象之间不可避免地具有误差。因此,在工程实践中,釆用基于精确数学模型的现代控制理论方法所设计的控制系统往往难以具有所期望的性能,甚至连系统的稳定性都难以得到保证。鲁棒控制理论结合系统模型参数不确定性和外部找动不确定性的考虑,研究系统的鲁棒性能分析和综合问题,弥衤了现代控制理论需要对象精确数学模型的缺陷,使得系统的分析和综合方法加有效、实用棒挖制自提出以来,很快受到了人们的广泛重视和研究,取得了一系列的研究结果和方法,并在一些工程领域中获得了成功的应用。特别地,随着线性短阵不等式及求解凸优化问题的内点法的提出,为许多控制问题的分析和求解提供了有效工具。 MATLAB软件中线性矩阵不等式工具箱的推出使得各种线性矩阵不等式问题的求解旻加方便、直接从而,进一步推动了线性矩阵不等式处理方法在系统和控制领域中的应用。本书系统介绍了线性矩阵不等式的概念、性质、求解线性矩阵不等式相关问题的算法以及 MATLAB软件中的线性矩阵不等式工具箱。结合作者的研究工作,介绍了基丁线性矩阵不等式的鲁棒控制性能分析和综合方法,并指出了一些在系统和控制中有广泛应用价值的线性矩阵不等式典型处理方法。作者努力将售棒控制的最新研究成果和方法反映存本书中,但限于篇幅,书中所包含的内容仅仅是鲁棒控制研究成果的很少-部分。振于作者的水平,书中不妥和错误之处在所难免,恳请广大读者批评指正本书中介绍的作者研究工作及本书的撰写得到了国家然科学基金和教育部高校优秀青年教帅教学科研奖励计划的资助,在此表示衷心的感谢。作者02年5月杭州振动论坛目录第1章引言…第2章线性矩阵不等式……621线性矩阵不等式的表示式口·■■■甲↓郾■■.■看■■bL■2Ll1线性矩阵不等式的般表示2l2可转化成线性矩阵不等式表小的问题213复线性矩阵不等式的处理…10214非严格线性矩阵不等式22一堂标准的线性矩阵不等式间题23求解线性矩阵不等式问题的算法23.1椭球法…Isn15232内点法↓乐24关于矩阵不等式的一些结论1824.1矩阵变量的消去法1T·平P1t幽山I82.4.2 S-procedureP甲■20第3章系统性能分析.连续时间系纷…2331.1系统增益指标∴233,12H性能甲日唱·■唱日4自·日血即141■4b1293.13H性能3132离散时间系统1鲁日日司即■命b命即■■■■■着■■■着L=,341第4章控制系统综合.4.1F控制4.l.1状态反馈H控制…d?■■424.],2输出反馈Hx控制■p即42H2控制43H2H控制平1■十■昏■b■m■■■4■qp6144设计示例64第5章不确定系统的分析与综合685]不确定模型68振动论坛會棒控制——一线性矩阵不等式处理方法511不确定状态空闻模型68512不确定线性分式模型■p■b血d卩■b■52鲁棒稳定性分忻P‘■■日音牛114a日4521二次稳定性522仿射二次稳定性I"P}4Pbb4b4}·53鲁棒性能分析.…■■昏■昏1山■d■晶t■■p聊8354鲁棒F2H控制■■■山昏晉昏晋■+口■口■口6541问题的描述和准备…86542H2H整制器设计91第6章区域极点配置1亠山品品61LMI区域9761.】LM区域的描述…,-11111976,2D-稳定性分析…〓P■■■■■■■■■■10062具有闭坏k域极点约束状态反馈控制器设计0463鲁棒D-稳定性分析日日日语■山■,1763无结构不确定性1963.2结构不确定性111464输出反馈控制器设计,第7章保性能控制1227】连续系统的保性能控制…··■■晶■上h香≠p甲日目甲日唱黑L聊■12272离散系统的保性能掉制.12了73其有闭环极点约束的保性能挡制131731鲁棒性能分析…132732二次D保性能控制器设计看自;血自自血即血日昏■是■如4135第B章鲁棒方差控制1418I连续系统的鲁棒方差控制.■d昏【山■血晶b14181.Ⅰ系统性能分析1418L.2状态反馈控制器设计14813输出反愤控制器设计14682离散系统的鲁棒方差控制152第9章时滞系统的分析和综合15891时滞系统的稳定性…15891.1时滞独立的稳定性条件……,1599.1.2时滞依赖的稳定性条件,+--114141609.1.3 Lurie时滞系统的稳定性分析T宁宁·自血日甲自自要振动论坛自录92时滞系统的鲁棒稳定性分析16992.!时滞独立的鲁棒稳定性条件P·q甲,甲■15992.2时滞依赖的鲁棒稳定性条件17493不确定滞系统的保性能控制.■■■■793.1鲁棒性能分析I789.32状态反馈俣性能控制器设计,4.4.418393.3输出反馈俣性能控制器设计1869.34不确定离散时滞系统的保性能控制I9394时滞系统的玨控制941时滞系统的性能分析,…199942H控制器设计943不确定离散时滞系统的鲁棒H控制207第10章寯波器设计213101B滤波器设计2I310.2FH滤波器设计2l9第11章大系统射分散控制22311时滞系统的分散稳定化控制22311,2离散关联系统的分散保性能控制229l1,21保性能分析■■■山■↓山 -r.E= PPE+■▲画2291121分散保性能控制器设计234附录ALM工具箱介绍■L■■■an·■■甲口■看■■口■山241A.F线性矩阵不等式及相关术语……24LA.2线性矩阵不等式的确定■■■■昏昏斷■+d山夏旷aaa■_画d■242A.3信息提取2499A4绒性矩阵不等式求解器■■■■■■日■司罾■严早■■■吾-■山■山m矿画maaa250A.5结果验证…258A6修改一个线性矩阵不等式系统A.7一些进一步的功能261A.8系统棋型描述…,267参考文献270振动论坛第1章引言自20世纪5年代末现代控制理论誕生以米,控制理论得到了飞速的发展,并在20世纪60年代然航天领域中得到成功的应用。但是,现代控制理论在随后的工业应用中却遇到了很大的困难。我们知道,现代控制理论的许多结果都是基于对象的一个数学模型,根据系统的性能要求,通过刈被控对象的数学模型进行分析来设计系统的控制律,进而将所得到的控制律应用于被控对象来保证闭环系统貝有所期望的性能。显然,当对象模型不能精地描述被控对象或在系统运行过程中模型和实际对象产生侃离时,基于这栟的模型设计的控制系统很难保证具有所期望的性能要求实际上,对于复杂物理系统的模型,存在以下两个问题描述物理系统的解析模型很难,甚至不可能精确地刻画,因此为了便于处理,不得不筒化模刑:2.一个模型,无论多么详细,都不可能是物理系统的一个濤确表示。因此,模型存在本质的不精确性。建模中的以上两个方面称为模型的不确定性。对于一个复杂系统,为了得到一个较为简单的模型,一种处珄方法是将其分解线性部分和非线性部分的组合,进而用一个更空易处理和分析的对象来替代这个非线性邺分,达到简化原文复杂系统棋型的目的考虑由以下非线性微分方程描述的复杂动态系统x=f(x, m)H(x, u)初始条件是x(0),x()、y()和()是向量值函数,∫和h是光滑的向量值函数。在特殊的运行点附近,可以将系统(1.)分解成一个线性部分和一个线性部分的组合特别地,可以在原点x,)=(0,0处进行这样的分解。定义系统Ax t Bu+gtr, Wv=Cx+IH+rx, uj其中:A、B、C和D是系统(11)的一个线性化近似g(x,叫)=f(x,)-Ax-Br(, u)-hr, u)-Cx-Du显然,这样定义的系统(1.2)和系统(1:)是等价的。因此,它们之间存在-—对应的关系。得到这样的等价系统的一种方式是将函数∫和h在原点处线性化,可得Cl(x.)=(0.0)x,)=(0,Q)0.0Ca(x,)=()振动论坛鲁棒控制——线性矩阵不等式处理方浊进一步可以将方程(12)受成以下等价的形式:x= Ar I Bu I wL1.3y=cx+Da+脚2(14)(w1,w2}=(g(x,L),r(x,)(1.5设G是宙(1.3)~(1.4)式确定的映射;对给定的初始条作x(0),門2,)以(x环,y)。Ω是由(1.5)式确定的映射:(x,n)卜(1,2)。因此,〈1.3(1〕式描述的系统可以用图11来表示图11系统分解容易看到,G是系统的线性部分,Q是静杰的非线性映射。这样就将系统的非线性部分分离出来,归入到映射g中,非线性部分和线性部分通过反馈关联联系起来更一般地,我们用这样的方法不仅可以处理系统的非线性特性,而且也可以处理系统的某些动态特性。考虑由以下方程组描述的系练f2(x1,x2(1y=H(x1,x2,采用前面系统分解思想,对系统(16)中的方程x=f(x1,x2,4)卩=(x,x2进行分解,并得到:=团x+B+8(x2f2(x1,x2,a)(1.)卩=C1x+D4+r(x,x2,a)进步,系统(17)中的方程等价于以下的线性方程:x=A1x1+BM+即8y=C,+Du+M其中,w2}=(g1(x,x2,),P(x,x2,Bm)x2=f1(x,x2,x)(1,9)设G是由方程(18)描述的线性系统;(w3,2,(x,,y),是由(9)式描述的系统:(x1,4)"(m,m2)。对这样定义的G和Q,图1也同样描述了系统(1.6)。
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自适应信号处理（沈福民）.pdf
研究生自适应信号处理课程用书 信号与信息处理专业研究生系列教材自适应信号处理沈福民编著西安电子科技大学出版社2001内容简介木书主要介绍自适应信号处理的基本理论、基本电路与系统的性能和应用以及近年来的新进展。全书共分10章,在第三、四、五、六章中,着重分析和讨论自适应基本准则和自适应主要算法;为了便于理解和掌握自适应的基本理论,在本书的第一、二章中介绍了有关自适应及自适应信号处理的基本概念,发展概况和有关的基础知识;自第七章后,特别增加了关于自适应信号处理基本电路与系统的性能和应用方面的内容。本书可作为通信、电子信息工程专业及其他相关专业大学高年级学生和研究生的教科书,也可以作为从事自适应信号处理研究领域工程技术人员的自学用书。图书在版编目CIP)数据自适应信号处理/沈福民编著.一西安:西安电子科技大学出版社,2001.3研究生系列教材ISBN7-5606-0979-11.自…Ⅱ.沈…Ⅱ.自适应通信系统一信号处理一研究生一教材Ⅳ,TN914中国版本图书馆CIP数据核字(2000第82675号责任编辑夏大平出版发行西安电子科技大学出版社(西安市太白南路2号)电话(029)8227828邮编710071http://www.xduph.comE-mail: xdupfxb@ pub. xaonline com经销新华书店印刷西安市第三印刷厂版次2001年3月第1版2001年3月第1次印刷开本787毫米×1092毫米1/16印张14.625字数341千字印数1~4000册定价16.00元ISBN7-5606-0979-1/TN·0170*如有印装问题可调换**本书封面贴有西安电子科技大学出版社的激光防你标志,无标志者不得锵售。前言随着信号处理学科领域理论与技术的迅速发展,自适应信号处理作为一门新的学科分支应运而生,并在诸如通信、雷达、工业控制、地震勘探及生物医学电子学等领戎获得愈来愈广泛的应用。近儿十年来,在自适应信号处理的理论、方法与应用技术方面的研究己取得了丰硕成果,与之相关的研究文献及论著也不断问世。然而,作为适合该学科领域研究生教学与培养专业技术人才的教科书数量甚少,特别在我国还未见到。这就很难满足实际教学及科研工作的迫切需要。本书的编写旨在弥补在自适应信号处理理论、方法与应用技术的学习及研究之中教材的不足。全书以“自适应性能测度”、“自适应算法”等基本現论的介绍分析及应用方面的讨论贯穿前后各章内容。全书共分10章,其主要内容可概括如下:1.随机信号与信号矩阵理论(第一、二章):为便于初学者入门,在本书前面增加了有关自适应信号处理理论学习必备知识方面的内容。2.性能测度与性能表面搜索(第三、四章):这是自适应信号处理全部理论的核心思想与基本出发点,由此可推导出冬种形式的自适应基本算法和相应的改进算法。3.基本自适应算法与适于不同应用情况下的自适应改进算法(第五、六章):这是本书最重要的内容,它体现了自适应信号处理理论与技术发展的方向与水平。本书除介绍较早期的研究成果和基本理论外,同玗关注近年来取得的新成果。4.自适应模拟与逆模拟,自适应于扰对消与自逅应预测滤波电路〔第七、八章):主要分析了它们的基本原理和有针对性地介绍了它们的实际应用。5.自适应阵列与自适应波束形成(第九章):较详细地介绍了阵列波束形成的一般原理、旁瓣对消器和各种自适应波束形成器及它们的应用。6.自适应控制(第十章):这涉及到一个专门的学科领域,但本书主要想使读者了解和掌握自适应信号处理理论与技术在该领域的应用情况,并不想全面深入地研究整个领域。读者应当从以下几个方面把握本书的主要特色:1.较全面地集中介绍了自适应信号处理的基本理论与方法。2.为了不使学生的学习仅仅停留在比绞抽象的理论之上,在本书中特别用较多的篇幅介绍了各种自适应算法在多个学科领域内的应用(其中包括对各种不同自适应电路与系统的分析),但主要侧重于通信、雷达及阵列信号处理等方面的实际应用。3.基于对复随机信号(或复确知信号)的自适应信号处理理论,从而使研究更具普遍性,本书的研究内容不仅针对复信号,而且也同样包含了(适合)实信号。本书是在作者参加科研工作及承担本课程的多年研究生教学工作基础上编写完成的,因而较多地考虑到了教学工作中的实际要求和一般有关专业人员的自学需要。但是,由于本学科的发展十分迅速,本书对有些近年来才获得的新成果还不能满意地介绍给大家,加之作者水平所限,书肀难免有错误与不当之处,敬请广大读者谅解并不吝赐教。淸华大学张贤达教授在百忙之中对书稿进行了认真审阅,并对书稿提出了十分宝贵的修改意见,在此深表感谢。本书的编写与出版工作得到了西安电子科技大学教材建设基金和研究生教材建设基金的专项资助,在此也特表感谢。沈福民2000年9月于西安电子科技大学目录第一章概论1.1主要研究领域1.2发展和应用………自。·鲁音◆◆◆··鲁···4●音●·●鲁命鲁鲁·鲁非●●命21.3章节内容安排第二章信号矩阵理论2.1信号、信号向量与权向量…2.2输入信号的相关矩阵……2.3信号子空间和噪声子空间…457◆··●●鲁鲁●●●。●●鲁鲁·啁●·晋●··番·。鲁自·鲁●。。·●·●●曹春鲁鲁●·鲁布·自。。●垂●·●b曹2.4梯度运算··鲁音自·普p·自自●非●·看自鲁。鲁自●●●鲁·非奇自·晋带●··●鲁自4音●●·q●非ψ●●鲁●●·音●·●●山◆。鲁鲁●鲁●·第三章性能测量方法3.1均方误差(MSE)性能测度……………………………………………………113.2最大信噪比(MSN)性能测度……………●·●●·●●···普●命●垂●●命·自曹鲁●·鲁●音备3.3最大似然(ML)性能测度…183.4最小噪声方差(MV)性能测度19习题…………………………………………………………………21第四章性能表面的搜索4.1最速下降法梯度搜索……………………………………224.2牛顿法梯度搜索·音音鲁●。◆.鲁●···●●···命命……264,3梯度估值及其对自适应过程的影响●带●P。鲁●30习题……………ss46第五章基本自适应算法5.1LMS算法485.2序贯回归(SER)算法……………………………………563RLS算法………………625.4随机搜索算法…665.5直接矩阵求逆(DMI法…………………………………………7习题···鲁鲁鲁看··非●··甲垂●电●75第六章自适应算法的改进形式6.1约束LMS算法………………………………776.2自适应递归滤波器…………………………………816.3自适应格型滤波器…866.4用正交信号的自适应滤波…986.5解相关LMS算法…鲁●·●·自曹D曹看垂备春●咖↓◆事●4l046.6一种新的拟牛顿自适应滤波算法……………………………………106习题…………………………108第七章自适应模拟与逆模拟7.1概述………………………………………………………………………1117.2多径通信信道的自适应模拟……ss…ss1147.3FIR滤波器综合的自适应模拟……………………………………118电话信道的自适应均衡…………………………………………………1217.5雪达信道的自适应均衡………1247.6IR滤波器自适应综合125习题………130第八章自适应干扰对消8.1概述………13682单信道噪声对消器…………………………………1378.3用作陷波滤波器的自适应干扰对消器1448.4自适应预测器的几种应用…147具有多参考输入的噪声对消……………………153习题…………………………辛鲁垂●垂鲁·。·●154第九章自适应阵列与自适应波束形成9.1阵列波束形成的基本原理……………………1579.2自适应天线旁瓣对消……………………………1619.3采用引导信号的波束形成…………1689.4格里菲思LMS波束形成器………………………………………1769.5弗罗斯特自适应波束形成器…………:1789.6具有零点和极点的自适应波束形成器………1829.7杜瓦尔自适应波束形成器……………………………………1849.8跳频扩谱技术…●香●鲁鲁●鲁命p●鲁垂…ss1879.9超分辨波束形成…89习题195第十章自适应控制系统10.1白适应控制的基本概念…………………………………19910.2自适应模型控制(AMC)……………………………………,20210.3自适应逆控制…………………20410.4被控系统噪声及过滤后ⅹ-LMS算法………●●·◆····哥··。··音非自··。·。●;·●·●20710.5模型参考自适应控制●●◆鲁·◆··昏··自曹●辛●香●非●音··●●。自。鲁音非·●D●◆自····昏·番209习题…●鲁。鲁211附录附录A信号复包络表示◆…·214附录B有用的矩阵关系和施瓦茨不等式……………216附录C多变量的高斯分析………………………………….217C.1实高斯随机向量…………218C.2复高斯随机向量···●···P··。●·········:·;s··s;s·s.saa219参考文献鲁·●···章……………………………222第一章概论自适应信号处理( Adaptive Signal Processing)是近40年来发展起来的信号处理领域一个新的分支。随着人们在该领域研究的不断深入,自适应信号处理的理论和技术日趋完善,其应用的范围也愈来愈广泛通过信号和信号的传送,人们可以获取(有用)信息,而经对信号进行处理使蕴含于信号中的(有用)信息提取出来。由于信号形式及信号传送方式和传送环境的复杂性(例如信号在传送过程中受到噪声和干扰的污染等),促使信号处理理论和技术不断发展,从而使人们更有效地、最大可能地获取信息。1.1主要研究领域自适应信号处理是研究一类结构可变或可以调整的系统,它可以通过自身与外界环境的接触来改善自身对信号处理的性能。通常这类系统是时变的非线性系统,可以自动适应(即“自适应”)信号传送变化的环境和要求,无须详细知道信号的结构和信号的实际知识无须精确设计信号处理系统本身。自适应系统( Adaptive System)的非线性特性主要是由系统对不同信号环境实现自身调整确定的。假如一个自适应滤波器( Adaptive Filter)的输入仅为有用信号,那么,它可以是个全通滤波器,但若输入为有用信号加噪声(或干扰),则可成为一个带通或带阻滤波器。自适应系统的时变特性主要是由其自适应响应(自适应“学习”)过程确定的。当自适应过程结束,系统调整不再进行时,有一类自适应系统可成为线性系统,并称为“线性自适应系统”( Linear Adaptive system)。因便于设计并易于作数学处理,这类自适应系统特别有用。自适应系统和一般系统类似,可以分为开环自适应和闭环自适应两种类型。开环自适应系统的工作主要为:对输入信号或信号环境进行测量,并用测量得到的信息形成公式或算法( Algorithm),用以调整自适应系统自身;而闭环自适应系统还利用系统调整所得纬果的有关知识去优化系统某种性能,即该类系统是一种带“性能反馈”的自适应系统。图1.1(a)表示一个开环自适应系统,控制该系统的自适应算法仅由输入确定。图1.1(b)则表示一个闭环自适应系统,控制该系统相应的自适应算法除取决于输入外,同时还依赖于系统输出的结果自适应信号处理所研究的信号既可以是随机平稳信号,也可以是局部平稳的随机信号。在大量的工程应用和研究中,又将信号在频率域分成窄带和宽带两种,在两种情况下研究或处理的方法及自适应系统的结构也不同。信号的统计量极其重要。人们最常用的统
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