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現代控制理論是建立在狀態空間法基礎上的一種控制理論，是自動控制理論的一個重要組成部分。本書反映當前技術發展的主流和趨勢，以加強基礎、突出處理問題的思維方法、培養學生分析問題和解決問題的能力為原則，詳細介紹了基于狀態空間模型的線性系統分析和綜合方法，包括狀態空間模型的建立、系統的動態分析、系統的能控性和能觀性、極點配置、狀態觀測器設計、穩定性理論和李雅普諾夫方法，簡單介紹了狀態估計與卡爾曼濾波、系統辨識和自適應控制的基本理論與內容。在介紹系統分析和控制系統設計方法的同時，適當地給出了相應的MATLAB函數和工程應用舉例，便于讀者利用MATLAB軟件來求解控制系統的一些計算和仿真問題。

高等學校自動化及其相關專業師生

前言


緒論


01控制理論的發展回顧


02現代控制理論的研究范圍及分支


03經典控制理論與現代控制理論的研究與比較


04設計一個控制系統的基本步驟


05MATLAB仿真平臺


06本書的內容和特點


第1章控制系統的狀態空間描述


11狀態空間的基本概念


111系統的基本概念


112系統數學描述的基本概念


113系統狀態描述的基本概念


12控制系統的狀態空間表達式


121狀態空間表達式


122狀態空間表達式的一般形式


123狀態空間表達式的矢量結構圖


124狀態空間表達式的模擬結構圖


13控制系統狀態空間表達式的建立


131由系統框圖建立狀態空間表達式


132由機理法建立狀態空間表達式


133由傳遞函數或微分方程建立狀態空間表達式


14線性系統的傳遞函數陣


141由狀態空間表達式求傳遞函數陣


142組合系統的傳遞函數陣


15線性系統的數學模型變換


151狀態向量的線性變換


152系統特征值與特征向量


153通過線性變換將狀態空間表達式化為標準型


154傳遞函數的并聯型實現


16離散系統的狀態空間描述


161離散系統的狀態空間表達式


162由差分方程建立狀態空間表達式


163脈沖傳遞函數的并聯型實現


164由離散系統狀態空間表達式求脈沖傳遞函數陣


17非線性系統局部線性化后的狀態空間表達式


18MATLAB在系統數學模型中的應用


181線性系統的數學模型


182傳遞函數模型與狀態空間模型的相互轉換


183線性系統的線性變換


習題


上機練習題


第2章線性系統狀態方程的解


21線性定常系統狀態方程的解


211線性定常系統齊次狀態方程的解


212線性定常系統狀態轉移矩陣的運算性質


213線性定常系統狀態轉移矩陣的計算方法


214線性定常系統非齊次狀態方程的解


22線性時變系統狀態方程的解


221線性時變系統齊次狀態方程的解


222線性時變系統狀態轉移矩陣的運算性質


223線性時變系統狀態轉移矩陣的計算方法


224線性時變系統非齊次狀態方程的解


23離散時間系統狀態方程的解


231迭代法求解線性離散狀態方程


232Z反變換法求解線性定常離散狀態方程


24連續狀態方程的離散化


241線性定常連續狀態方程的離散化


242線性時變連續狀態方程的離散化


243近似離散化


25MATLAB在線性系統動態分析中的應用


251MATLAB求解線性定常系統的狀態轉移矩陣


252MATLAB求解定常系統時間響應


253MATLAB變換連續狀態空間模型為離散狀態空間模型


習題


上機練習題


第3章線性系統的能控性和能觀性


31線性連續系統的能控性


311能控性定義


312線性定常連續系統的能控性判據


313線性時變連續系統的能控性判據


32線性連續系統的能觀性


321能觀性定義


322線性定常連續系統的能觀性判據


323線性時變連續系統的能觀性判據


33線性離散系統的能控性和能觀性


331線性離散系統能控性定義


332線性定常離散系統能控性判據


333線性離散系統能觀性定義


334線性定常離散系統能觀性判據


34線性系統能控性和能觀性的對偶關系


341對偶系統


342對偶原理


35能控標準型和能觀標準型


351單輸入系統的能控標準型


352單輸出系統的能觀標準型


36線性系統的結構分解


361按約當標準型分解


362按能控性分解


363按能觀性分解


364按能控能觀性分解


37傳遞函數矩陣的實現問題


371實現問題的基本概念


372系統的標準型實現


373傳遞函數矩陣的小實現


374傳遞函數矩陣與能控性和能觀性的關系


38MATLAB在能控性和能觀性分析中的應用


習題


上機練習題


第4章穩定性理論與李雅普諾夫方法


41穩定性基本概念


411外部穩定性


412內部穩定性


413外部穩定性與內部穩定性間的關系


42李雅普諾夫穩定性的基本概念


421平衡狀態


422范數


423李雅普諾夫穩定性的定義


43李雅普諾夫間接法


431線性系統的穩定判據


432非線性系統的穩定判據


44李雅普諾夫直接法


441李雅普諾夫直接法的基本思想


442二次型函數及其定號性


443李雅普諾夫穩定性定理


45李雅普諾夫直接法在線性時不變系統中的應用


451連續系統的李雅普諾夫穩定性分析


452離散系統的李雅普諾夫穩定性分析


46李雅普諾夫直接法在線性時變系統中的應用


461連續系統的李雅普諾夫穩定性分析


462離散系統的李雅普諾夫穩定性分析


47李雅普諾夫直接法在非線性系統中的應用


471雅可比矩陣法


472變量梯度法


48MATLAB在系統穩定性分析中的應用


習題


上機練習題


第5章線性時不變系統的綜合


51線性時不變系統反饋控制的結構及特性


511狀態反饋


512輸出反饋


513從輸出到狀態向量導數x·的反饋


514動態補償器


515反饋控制對系統能控性和能觀性的影響


52閉環極點配置


521采用狀態反饋


522采用輸出反饋


523采用從輸出到狀態向量導數x·的反饋


53系統鎮定問題


54系統解耦問題


541前饋補償器解耦


542串聯補償器解耦


543狀態反饋解耦


55狀態觀測器


551狀態觀測器定義


552狀態觀測器存在條件


553全維觀測器設計


554降維狀態觀測器設計


56帶狀態觀測器的狀態反饋系統


561閉環控制系統的結構與狀態空間表達式


562閉環控制系統的基本特性


563帶觀測器的狀態反饋系統與帶補償器的輸出反饋系統的等價性


57利用MATLAB實現系統的綜合


571利用MATLAB進行閉環系統極點配置


572利用MATLAB設計全維狀態觀測器


573利用MATLAB設計降維狀態觀測器


574帶狀態觀測器的系統極點配置


58工程應用舉例


581穩態精度與跟蹤問題


582車載倒立擺控制系統設計


583Truck-Trailer控制系統設計


習題


上機練習題


第6章現代控制理論其他專題


61優控制


611優控制概述


612泛函及其極值——變分法


613變分法在優控制中的應用


614極小值原理及其應用


615線性二次型優控制問題


616MATLAB在優控制中的應用


62狀態估計與卡爾曼濾波


621狀態估計與卡爾曼濾波概述


622小二乘估計法


623小方差估計法


624線性小方差估計法


625卡爾曼濾波算法


626MATLAB在狀態估計與卡爾曼濾波中的應用


63系統辨識


631系統辨識概述


632系統參數辨識


633模型階次的辨識


634MATLAB在系統辨識中的應用


64自適應控制


641自適應控制概述


642模型參考自適應控制


643自校正控制器


644MATLAB在自適應控制中的應用


習題


上機練習題