本書對現(xiàn)代控制理論進(jìn)行了較全面的論述。全書共分8章。主要內(nèi)容為現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展； 按照建�！蠼狻治龇�(wěn)定性→綜合的思路，論述了線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、狀態(tài)空間表達(dá)式的建立和求解方法、線性系統(tǒng)的能控性和能觀測性及其對偶關(guān)系、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論分析、線性反饋控制系統(tǒng)的極點配置及狀態(tài)觀測器的設(shè)計； 最優(yōu)控制的基本概念和極大值原理以及線性二次型最優(yōu)控制； 線性系統(tǒng)狀態(tài)估計的基本概念和最小二乘估計、線性最小方差估計以及卡爾曼濾波器原理； 利用MATLAB進(jìn)行線性系統(tǒng)的理論分析、綜合和應(yīng)用設(shè)計。
本書可作為理工科高等學(xué)校自動化專業(yè)本科生、非自動化專業(yè)研究生的教材，也可供從事相關(guān)專業(yè)的科技人員參考。
本書是按照《全國高等學(xué)校自動化專業(yè)系列教材》編審委員會的建設(shè)計劃，由“教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會”牽頭招標(biāo)，評審后中標(biāo)的，為教學(xué)研究型和教學(xué)主導(dǎo)型高等學(xué)校自動化專業(yè)本科生、非自動化專業(yè)研究生編寫的一部教材，是自動化專業(yè)創(chuàng)新型系列教材之一。
本教材共8章。緒論著重介紹了控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展背景、現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容和本教材的結(jié)構(gòu)體系。第1章較詳細(xì)地闡述了線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、建立狀態(tài)空間表達(dá)式常用的幾種方法。第2章討論了線性連續(xù)系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的求解方法，以及線性連續(xù)時間系統(tǒng)的離散化。第3章著重講述了線性系統(tǒng)的能控性和能觀測性及其對偶關(guān)系、系統(tǒng)的能控標(biāo)準(zhǔn)型和能觀測標(biāo)準(zhǔn)型以及線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解和實現(xiàn)。第4章論述了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念、系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性理論分析。第5章講述了線性反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的極點配置以及狀態(tài)觀測器的設(shè)計。第6章對最優(yōu)控制的基本概念和基本理論進(jìn)行了論述，討論了最優(yōu)控制中的變分法、極大值原理以及線性二次型最優(yōu)控制問題。第7章簡要介紹了線性系統(tǒng)狀態(tài)估計的基本概念和基本方法，包括最小二乘估計、線性最小方差估計以及卡爾曼濾波器。為了培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代化的分析與設(shè)計能力，在每一章都安排了一節(jié)利用MATLAB進(jìn)行線性系統(tǒng)的理論分析、綜合和應(yīng)用設(shè)計。
本書由謝克明任主編，并編寫緒論、第1章和第2章； 李國勇任副主編，并編寫第3章和第6章； 謝剛編寫第4章； 杜永貴編寫第5章； 王淼編寫第7章。全書由謝克明整理定稿。清華大學(xué)鄭大鐘教授主審了全書，提出了許多寶貴的意見和建議，在此深表謝意。此外，還要感謝清華大學(xué)出版社王一玲女士，感謝她為本書的編輯和出版所做的辛勤工作。
由于作者水平有限，書中難免有遺漏與不當(dāng)之處，敬請廣大讀者批評指正。
編者
2007年1月
第0章緒論
0.1控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展
0.2現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容
0.3本書的內(nèi)容和特點
0.4學(xué)習(xí)建議
第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述
1.1狀態(tài)及狀態(tài)空間表達(dá)式
1.1.1控制系統(tǒng)中狀態(tài)的基本概念
1.1.2狀態(tài)空間表達(dá)式及一般形式
1.1.3狀態(tài)空間表達(dá)式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與模擬結(jié)構(gòu)圖
1.2根據(jù)系統(tǒng)的物理機(jī)理建立狀態(tài)空間表達(dá)式
1.3由系統(tǒng)的微分方程式建立狀態(tài)空間表達(dá)式
1.3.1微分方程式中不含輸入函數(shù)導(dǎo)數(shù)項
1.3.2微分方程式中含輸入函數(shù)導(dǎo)數(shù)項
1.4由系統(tǒng)方框圖建立狀態(tài)空間表達(dá)式
1.5由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)建立狀態(tài)空間表達(dá)式
1.5.1標(biāo)準(zhǔn)型法
1.5.2串聯(lián)法
1.5.3并聯(lián)法
1.6系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式與傳遞函數(shù)陣
1.6.1由系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式求傳遞函數(shù)陣
1.6.2組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式及傳遞函數(shù)陣
1.7系統(tǒng)狀態(tài)向量的線性變換
1.7.1線性變換
1.7.2化狀態(tài)方程式為對角線標(biāo)準(zhǔn)型
1.7.3化狀態(tài)方程式為約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型
1.8離散時間系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述
1.8.1離散時間系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式
1.8.2差分方程化為狀態(tài)空間表達(dá)式
1.8.3脈沖傳遞函數(shù)化為狀態(tài)空間表達(dá)式
1.8.4由狀態(tài)空間表達(dá)式求脈沖傳遞函數(shù)陣
1.9基于MATLAB的控制系統(tǒng)狀態(tài)空間描述
1.9.1利用MATLAB描述系統(tǒng)模型
1.9.2利用MATLAB實現(xiàn)狀態(tài)空間表達(dá)式與傳遞函數(shù)陣的
相互轉(zhuǎn)換
1.9.3利用MATLAB實現(xiàn)系統(tǒng)的線性變換
1.9.4利用MATLAB實現(xiàn)系統(tǒng)模型的連接
小結(jié)
習(xí)題
現(xiàn)代控制理論目錄第2章線性控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的求解
2.1線性定常連續(xù)系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程的解
2.2線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣
2.2.1狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣及其性質(zhì)
2.2.2矩陣指數(shù)函數(shù)的計算
2.3線性定常連續(xù)系統(tǒng)非齊次狀態(tài)方程的求解
2.4線性時變連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程式的求解
2.4.1齊次狀態(tài)方程式的解
2.4.2線性時變系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣
2.4.3線性時變系統(tǒng)非齊次狀態(tài)方程式的解
2.5線性離散時間系統(tǒng)狀態(tài)方程式的求解
2.5.1迭代法
2.5.2z變換法
2.5.3離散系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的求解
2.6線性連續(xù)時間系統(tǒng)的離散化
2.6.1線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程式的離散化
2.6.2線性時變系統(tǒng)狀態(tài)方程式的離散化
2.6.3近似離散化
2.7利用MATLAB求解系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式
2.7.1連續(xù)時間系統(tǒng)狀態(tài)方程式的解
2.7.2離散時間系統(tǒng)狀態(tài)方程式的解
2.7.3線性系統(tǒng)狀態(tài)方程式的離散化
小結(jié)
習(xí)題
第3章線性控制系統(tǒng)的能控性和能觀測性
3.1系統(tǒng)的能控性
3.1.1線性時變連續(xù)系統(tǒng)的能控性
3.1.2線性定常連續(xù)系統(tǒng)的能控性
3.1.3線性離散時間系統(tǒng)的能控性
3.2系統(tǒng)的能觀測性
3.2.1線性時變連續(xù)系統(tǒng)的能觀測性
3.2.2線性定常連續(xù)系統(tǒng)的能觀測性
3.2.3線性離散時間系統(tǒng)的能觀測性
3.3能控性和能觀測性的對偶關(guān)系
3.3.1線性系統(tǒng)的對偶原理
3.3.2能控性和能觀測性的對偶關(guān)系
3.4單輸入單輸出系統(tǒng)的能控標(biāo)準(zhǔn)型和能觀測標(biāo)準(zhǔn)型
3.4.1能控標(biāo)準(zhǔn)型
3.4.2能觀測標(biāo)準(zhǔn)型
3.5系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解
3.5.1系統(tǒng)按能控性分解
3.5.2系統(tǒng)按能觀測性分解
3.5.3系統(tǒng)按能控性和能觀測性分解
3.6系統(tǒng)的實現(xiàn)
3.6.1實現(xiàn)問題的基本概念
3.6.2單輸入單輸出系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型實現(xiàn)
*3.6.3多輸入多輸出系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型實現(xiàn)
3.6.4最小實現(xiàn)
3.6.5系統(tǒng)的約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型實現(xiàn)
3.7傳遞函數(shù)陣與能控性和能觀測性之間的關(guān)系
3.7.1單輸入單輸出系統(tǒng)
3.7.2多輸入多輸出系統(tǒng)
3.8利用MATLAB分析系統(tǒng)的能控性和能觀測性
3.8.1系統(tǒng)的能控性和能觀測性分析
3.8.2線性系統(tǒng)的能控標(biāo)準(zhǔn)型和能觀測標(biāo)準(zhǔn)型
3.8.3將系統(tǒng)按能控和不能控進(jìn)行分解
3.8.4將系統(tǒng)按能觀測和不能觀測進(jìn)行分解
小結(jié)
習(xí)題
第4章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性
4.1系統(tǒng)穩(wěn)定的基本概念
4.1.1外部穩(wěn)定性和內(nèi)部穩(wěn)定性
4.1.2李雅普諾夫穩(wěn)定性
4.2李雅普諾夫穩(wěn)定性理論
4.2.1李雅普諾夫第一法
4.2.2李雅普諾夫第二法
4.3線性系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析
4.3.1李雅普諾夫第二法在線性連續(xù)系統(tǒng)中的應(yīng)用
4.3.2李雅普諾夫第二法在線性離散系統(tǒng)中的應(yīng)用
4.4非線性系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析
4.4.1克拉索夫斯基法
4.4.2變量梯度法
4.4.3阿捷爾曼法
4.5利用MATLAB分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性
4.5.1利用特征值判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性
4.5.2利用李雅普諾夫第二法判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性
小結(jié)
習(xí)題
第5章狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器
5.1線性反饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
5.1.1狀態(tài)反饋
5.1.2輸出反饋
5.1.3從輸出到狀態(tài)向量導(dǎo)數(shù)x·反饋
5.1.4閉環(huán)系統(tǒng)的能控性和能觀測性
5.2系統(tǒng)的極點配置
5.2.1采用狀態(tài)反饋實現(xiàn)極點配置
5.2.2采用從輸出到輸入端反饋實現(xiàn)極點配置
5.2.3采用從輸出到狀態(tài)向量導(dǎo)數(shù)x·反饋實現(xiàn)極點配置
*5.2.4多輸入多輸出系統(tǒng)的極點配置
5.2.5鎮(zhèn)定問題
*5.3解耦控制
5.3.1串聯(lián)解耦
5.3.2反饋解耦
5.4狀態(tài)觀測器的設(shè)計
5.4.1狀態(tài)重構(gòu)問題
5.4.2全維觀測器的設(shè)計
5.4.3降維觀測器的設(shè)計
5.5帶狀態(tài)觀測器的閉環(huán)控制系統(tǒng)
5.5.1閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)空間表達(dá)式
5.5.2帶狀態(tài)觀測器的閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本特征
5.6利用MATLAB實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器
5.6.1系統(tǒng)的極點配置
5.6.2狀態(tài)觀測器的設(shè)計
5.6.3帶狀態(tài)觀測器的系統(tǒng)極點配置
小結(jié)
習(xí)題
第6章最優(yōu)控制
6.1最優(yōu)控制的基本概念
6.1.1最優(yōu)控制問題
6.1.2最優(yōu)控制的提法
6.2最優(yōu)控制中的變分法
6.2.1變分法
6.2.2應(yīng)用變分法求解最優(yōu)控制問題
6.3極大值原理
6.3.1連續(xù)系統(tǒng)的極大值原理
6.3.2離散系統(tǒng)的極大值原理
6.4線性二次型最優(yōu)控制問題
6.4.1線性二次型問題
6.4.2狀態(tài)調(diào)節(jié)器
6.4.3輸出調(diào)節(jié)器
6.4.4輸出跟蹤器
6.5利用MATLAB求解線性二次型最優(yōu)控制問題
小結(jié)
習(xí)題
第7章線性系統(tǒng)的狀態(tài)估計
7.1概述
7.1.1估計問題
7.1.2估計的準(zhǔn)則
7.1.3狀態(tài)估計與系統(tǒng)辨識
7.2最小二乘估計
7.2.1最小二乘法的基本概念
7.2.2最小二乘狀態(tài)估計
7.2.3線性離散系統(tǒng)的最小二乘估計
7.2.4線性離散系統(tǒng)的最小二乘遞推估計
7.3線性最小方差估計
7.3.1線性最小方差狀態(tài)估計
7.3.2線性離散系統(tǒng)的最小方差估計
7.3.3數(shù)學(xué)期望和方差的遞推計算
7.4卡爾曼濾波器
7.4.1線性離散系統(tǒng)的卡爾曼濾波方程
7.4.2濾波器的穩(wěn)定性與發(fā)散性問題
7.5利用MATLAB求解狀態(tài)估計問題
小結(jié)
習(xí)題
習(xí)題參考答案
參考文獻(xiàn)
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