现代控制理论基础(第3版普通高等院校十三五规划教材)

本书是针对理工科高年级学生编写的控制系统基 础理论教科书。本书详细论述了控制系统的状态空间 分析的基本方法及状态空间综合的基本理论与方法。 包括状态空间模型的建立，状态方程的求解，线性控 制系统的能控性和能观测性及状态反馈与状态观测器 设计，控制系统的李雅普诺夫稳定性分析等基本内容 。另外，为了加强实践环节的教学，最后一章是 MATLAB仿真方法和模拟实验内容，以及倒立摆的实时 控制实验，从倒立摆的建模、MATLAB仿真及实时控制 等方面构建了一个完整的实验环节。这些精心设计的 实验有力地配合了教材的理论学习，有效地弥补了近 年来教学实验环节的不足。大大提高了教学效果。 本书编写的另一特色是实现了习题解答、学习辅 导与科教书的三者合一，引导学生省时省力地学习， 对考研的同学有重要帮助。 本书适合于高年级本科生、研究生、工程技术人 员及计算机开发人员使用。

绪论 第1章 控制系统的状态空间模型 1.1 控制系统的状态空间表达式 1.1.1 状态、状态变量和状态空间 1.1.2 控制系统的状态空间表达式 1.1.3 线性系统状态空间表达式的结构图和信号流图 1.2 建立状态空间表达式的直接方法 1.2.1 单变量系统举例 1.2.2 多变量系统举例 1.3 单变量系统线性微分方程转换为状态空间表达式 1.3.1 输入函数中不包含导数项时的变换 1.3.2 输入函数中包含导数项时的变换 1.4 单变量系统传递函数变换为状态空间表达式 1.4.1 与微分方程形式直接对应的变换法 1.4.2 基于梅逊公式的信号流图法 1.4.3 部分分式法化对角线标准型或约当标准型 1.5 结构图分解法建立状态空间表达式 1.5.1 基本环节的状态变量图 1.5.2 闭环系统结构图的状态变量实现 1.6 状态方程的线性变换 1.6.1 状态向量的线性变换 1.6.2 系统特征值的不变性 1.6.3 化系统矩阵A为对角标准型或约当标准型 1.7 多变量系统的传递函数阵 1.7.1 传递函数阵的概念 1.7.2 系统传递函数阵的直接求法和结构图求法 1.7.3 由状态空间表达式求传递函数阵 1.7.4 传递函数阵的不变性 1.7.5 子系统串并联与闭环系统传递函数阵 解题示范 学习指导与小结 习题 第2章 控制系统的状态方程求解 2.1 线性定常系统状态方程的解 2.1.1 齐次状态方程的解 2.1.2 状态转移矩阵 2.1.3 非齐次状态方程的解 2.1.4 系统的脉冲响应及脉冲响应矩阵 2.2 线性定常连续系统状态转移矩阵的几种算法 2.2.1 拉普拉斯变换法 2.2.2 幂级数法——直接计算法 2.2.3 对角形法与约当形法 2.2.4 化eAt为A的有限项法 2.2.5 最小多项式 2.3 线性离散系统的状态空间表达式及连续系统的离散化 2.3.1 线性离散系统状态空间表达式 2.3.2 线性定常连续系统状态方程的离散化 2.3.3 线性连续系统状态方程离散化的近似方法 2.4 线性定常离散系统状态方程求解 2.4.1 迭代法求解 2.4.2 z变换法求解 2.4.3 离散系统的状态转移矩阵 解题示范 学习指导与小结 习题 第3章 控制系统的状态空间分析 3.1 线性控制系统能控性和能观测性概述 3.2 线性连续系统的能控性 3.2.1 状态能控性 3.2.2 线性定常系统的状态能控性 3.2.3 线性定常系统的输出能控性 3.3 线性连续系统的能观测性 3.3.1 状态能观测性 3.3.2 线性定常连续系统的状态能观测性 3.4 线性离散系统的能控性和能观测性 3.4.1 线性定常离散系统的能控性 3.4.2 线性定常离散系统的能观测性 3.4.3 离散化系统的能控性和能观测性 3.5 对偶性原理 3.6 系统的能控性和能观测性与传递函数阵的关系 3.6.1 系统的结构分解 3.6.2 系统传递函数中零点、极点相消定理 3.7 系统的能控标准型和能观测标准型 3.7.1 系统的能控标准型 3.7.2 系统的能观测标准型 3.8 实现问题 3.8.1 定义和基本特性 3.8.2 按标准型实现 3.8.3 最小实现 解题示范 学习指导与小结 习题 第4章 控制系统的状态空间综合 4.1 状态反馈和输出反馈 4.1.1 状态反馈 4.1.2 输出反馈 4.1.3 闭环系统的能控性和能观测性 4.2 极点配置 4.2.1 状态反馈极点配置 4.2.2 具有输入变换器和串联补偿器的状态反馈极点配置 4.2.3 输出反馈极点配置 4.3 解耦控制 4.3.1 解耦的定义 4.3.2 串联解耦 4.3.3 状态反馈解耦 4.4 状态观测器设计 4.4.1 状态重构原理 4.4.2 全维状态观测器的设计 4.4.3 降维状态观测器的设计 4.5 带状态观测器的状态反馈闭环系统 4.5.1 系统的结构 4.5.2 系统的基本特性 解题示范 学习指导与小结 习题 第5章 控制系统的李雅普诺夫稳定性分析 5.1 李雅普诺夫稳定性定义 5.1.1 平衡状态 5.1.2 范数的概念 5.1.3 李雅普诺夫稳定性定义 5.2 李雅普诺夫稳定性理论 5.2.1 李雅普诺夫第一法 5.2.2 二次型函数 5.2.3 李雅普诺夫第二法 5.3 线性系统的李雅普诺夫稳定性分析 5.3.1 线性定常连续系统 5.3.2 线性时变连续系统 5.3.3 线性定常离散系统 5.3.4 线性时变离散系统 5.4 非线性系统的李雅普诺夫稳定性分析 5.4.1 克拉索夫斯基法 5.4.2 阿依捷尔曼法 5.4.3 变量一梯度法 5.5 李雅普诺夫第二法在系统设计中的应用 5.5.1 状态反馈的设计 5.5.2 用李雅普诺夫函数估算系统响应的快速性 5.5.3 参数最优化设计 解题示范 学习指导与小结 习题 第6章 现代控制理论的MATLAB