本書是為適應國家對高等院校自動化及相關專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，配合高校教育教學改革的進程，編寫的一本符合自動化專業(yè)培養(yǎng)目標和教育教學改革要求的新型自動化專業(yè)教材。本書比較全面地闡述了現代控制理論的基本概念、分析方法及其應用，主要介紹了狀態(tài)空間描述的建立、狀態(tài)方程的解、能控性和能觀測性、穩(wěn)定性分析、狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器等內容。本書結合現代控制理論的基本概念和分析方法的講解，應用MATLAB及控制系統(tǒng)工具箱進行計算機輔助分析和設計，通過例題、習題介紹了MATLAB在控制系統(tǒng)分析、綜合及仿真中的應用。
本書可作為高等院校自動化、電氣工程及其自動化、機械設計制造及其自動化等相關專業(yè)本科生的教材，也可供從事自動化及相關專業(yè)的科技人員參考。
孫希明，大連理工大學控制學院教授、博士生導師、國家杰出青年基金獲得者、教育部長江學者特聘教授，2015年入選科技部“中青年科技創(chuàng)新領軍人才”推進計劃，2016年入選國家“萬人計劃”領軍人才。主要研究方向為混雜系統(tǒng)控制理論與應用、航空發(fā)動機控制、人工智能控制理論、網絡化控制等，控制理論基礎扎實，2011年被Automatica授予“Automatica Most Cited Article 2006-2010”，2012年獲遼寧省自然科學類二等獎。
1緒論
1.1控制理論和實踐發(fā)展簡史001
1.2現代控制理論的主要內容002
1.3現代控制理論的應用003
2控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述
2.1引言005
2.2狀態(tài)空間描述006
2.2.1狀態(tài)和狀態(tài)空間006
2.2.2狀態(tài)空間描述的一般形式007
2.2.3非線性狀態(tài)空間描述的線性化009
2.3狀態(tài)空間描述的系統(tǒng)結構圖011
2.4狀態(tài)空間描述的狀態(tài)變量圖011
2.5狀態(tài)空間描述的建立012
2.5.1從系統(tǒng)的機理出發(fā)建立狀態(tài)空間描述012
2.5.2從系統(tǒng)結構圖出發(fā)建立狀態(tài)空間描述014
2.6化輸入-輸出描述為狀態(tài)空間描述015
2.6.1能控標準形實現016
2.6.2能觀測標準形實現019
2.6.3約當標準形實現020
2.6.4多輸入-多輸出系統(tǒng)的實現023
2.7離散系統(tǒng)狀態(tài)空間描述的建立024
2.8線性變換025
2.8.1線性非奇異變換025
2.8.2系統(tǒng)的特征值和特征向量027
2.8.3將狀態(tài)空間描述變換為約當標準形029
2.9由狀態(tài)空間描述求傳遞函數陣036
2.9.1單輸入-單輸出系統(tǒng)036
2.9.2多輸入-多輸出系統(tǒng)037
2.9.3傳遞函數陣的不變性038
2.10狀態(tài)空間描述的MATLAB實現039
2.10.1傳遞函數的輸入039
2.10.2狀態(tài)空間模型的輸入040
2.10.3兩種模型的互相轉換042
小結045
習題045
3線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間運動分析
3.1線性定常系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程的解049
3.2矩陣指數函數051
3.2.1矩陣指數函數的定義051
3.2.2矩陣指數函數的性質051
3.2.3矩陣指數函數的計算054
3.3線性定常系統(tǒng)非齊次狀態(tài)方程的解061
3.4線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)轉移矩陣062
3.4.1狀態(tài)轉移矩陣063
3.4.2狀態(tài)轉移矩陣的性質064
3.4.3由狀態(tài)轉移矩陣求系統(tǒng)矩陣066
3.5線性時變系統(tǒng)狀態(tài)方程的解067
3.5.1線性時變系統(tǒng)的狀態(tài)轉移矩陣067
3.5.2線性時變系統(tǒng)狀態(tài)方程的求解069
3.6線性連續(xù)系統(tǒng)的時間離散化070
3.7線性離散系統(tǒng)狀態(tài)方程的解075
3.8利用MATLAB求解系統(tǒng)的狀態(tài)
方程078
小結081
習題081
4線性系統(tǒng)的能控性和能觀測性
4.1能控性和能觀測性的概念085
4.2連續(xù)時間線性定常系統(tǒng)的能控性088
4.2.1狀態(tài)能控性的定義088
4.2.2狀態(tài)能控性的判據089
4.2.3輸出能控性定義與判據096
4.3連續(xù)時間線性定常系統(tǒng)的能觀測性097
4.3.1能觀測性的定義097
4.3.2能觀測性的判據098
4.4離散時間線性定常系統(tǒng)的能控性和能觀測性103
4.4.1能控性的定義與判據103
4.4.2能觀測性的定義與判據105
4.4.3采樣周期對離散時間線性系統(tǒng)的能控性和能觀測性的影響106
4.5連續(xù)時間線性時變系統(tǒng)的能控性與能觀測性107
4.5.1能控性的定義與判據108
4.5.2能觀測性的定義與判據109
4.6線性系統(tǒng)的能控性與能觀測性的對偶關系111
4.6.1對偶系統(tǒng)111
4.6.2對偶定理112
4.7能控標準形和能觀測標準形113
4.7.1問題的提法113
4.7.2能控標準形114
4.7.3能觀測標準形117
4.8傳遞函數中零極點對消與狀態(tài)能控和能觀測之間的關系119
4.9線性系統(tǒng)結構按能控性能觀測性的分解123
4.9.1系統(tǒng)按能控性分解124
4.9.2系統(tǒng)按能觀測性分解126
4.9.3系統(tǒng)按能控性和能觀測性分解128
4.9.4結構分解的另一種方法133
4.10利用 MATLAB判定系統(tǒng)的能控性和能觀測性134
4.10.1MATLAB中的系統(tǒng)能控性和能觀測性處理函數134
4.10.2利用MATLAB判定系統(tǒng)的能控性和能觀測性135
4.10.3利用MATLAB計算系統(tǒng)的能控標準形和能觀測標準形140
4.11工程中的實例分析144
小結149
習題149
5李亞普諾夫穩(wěn)定性分析
5.1非線性系統(tǒng)與平衡狀態(tài)155
5.1.1非線性系統(tǒng)156
5.1.2自治和非自治系統(tǒng)156
5.1.3平衡狀態(tài)157
5.2穩(wěn)定性的概念158
5.3李亞普諾夫第一方法160
5.4李亞普諾夫第二方法162
5.4.1預備知識163
5.4.2李亞普諾夫穩(wěn)定性定理164
5.4.3幾點說明170
5.5基于李亞普諾夫第二方法的線性定常系統(tǒng)分析170
5.5.1線性連續(xù)定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析170
5.5.2線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析172
5.6基于李亞普諾夫第二方法的非線性系統(tǒng)分析173
5.6.1李亞普諾夫函數的存在性173
5.6.2克拉索夫斯基方法173
5.6.3變量梯度法175
5.6.4根據物理意義誘導產生李亞普諾夫函數178
5.7李亞普諾夫第二方法在線性系統(tǒng)設計中的應用180
5.7.1線性定常系統(tǒng)的校正180
5.7.2用李亞普諾夫函數估計線性系統(tǒng)動態(tài)響應的快速性181
5.8用MATLAB分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性183
5.8.1李亞普諾夫第一方法183
5.8.2李亞普諾夫第二方法183
小結184
習題185
6線性定常系統(tǒng)的綜合
6.1狀態(tài)反饋與極點配置188
6.1.1系統(tǒng)的結構與數學描述189
6.1.2狀態(tài)反饋極點配置的條件與算法190
6.1.3狀態(tài)反饋幾點問題的討論192
6.2輸出反饋與極點配置193
6.2.1輸出反饋的系統(tǒng)結構與數學描述193
6.2.2輸出反饋的極點配置條件與算法195
6.3控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題197
6.4狀態(tài)重構與狀態(tài)觀測器的設計199
6.4.1全維狀態(tài)觀測器設計199
6.4.2降維狀態(tài)觀測器202
6.4.3分離定理205
6.5多變量系統(tǒng)的解耦控制209
6.5.1多變量系統(tǒng)的耦合關系209
6.5.2解耦控制的基本思想209
6.5.3兩種常用的解耦控制方法210
6.6極點配置及觀測器設計的MATLAB仿真213
小結222
習題223
部分習題參考答案
參考文獻
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