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绪论1

一、控制理论的发展回顾1

二、现代控制理论的主要内容3

三、Matlab控制系统工具箱简介4

四、关于本书6

思考题6

第一章 动态系统的状态空间描述7

第一节 状态空间描述的基本概念7

一、状态和状态空间8

二、系统的状态空间表达式9

三、系统状态空间描述的图示形式11

四、稳态方程和偏差量方程12

第二节 状态空间表达式的建立13

一、从系统的运行机理出发建立状态空间表达式13

二、由经典控制理论中的系统运动方程式建立状态空间表达式17

三、由系统结构图建立状态空间表达式30

第三节 由系统状态空间表达式求系统输入输出描述32

一、单输入单输出的情况32

二、多输入多输出的情况34

三、组合系统36

第四节 状态空间的线性变换39

一、状态变量的线性变换39

二、系统特征结构的不变性40

三、将系统的一般状态空间描述变换为特征值规范型41

第五节 离散时间系统的状态空间描述54

一、离散系统的状态空间表达式54

二、由差分方程或脉冲传递函数化为状态空间表达式55

三、由状态空间表达式求脉冲传递函数矩阵56

第六节 应用Matlab的模型处理57

一、系统模型的表示57

二、传递函数模型与状态空间模型的相互转换61

三、线性变换64

四、组合系统的模型68

本章要点70

思考题71

练习题71

上机练习题75

第二章 线性动态系统的运动分析77

第一节 线性定常系统的运动分析77

一、线性定常系统齐次状态方程的解77

二、状态转移矩阵的性质78

三、状态运动模态81

四、矩阵指数eAte的计算方法85

五、线性定常系统非齐次状态方程的解89

第二节 线性时变系统的运动分析92

一、线性时变齐次状态方程的解92

二、线性时变系统状态转移矩阵的性质96

三、线性时变非齐次状态方程的解96

第三节 线性离散系统的运动分析98

一、离散系统状态方程的解98

二、线性连续系统的离散化102

第四节 应用Matlab的系统运动分析106

一、线性定常连续系统的运动分析106

二、连续系统的离散化111

三、线性定常离散系统的运动分析112

本章要点116

思考题116

练习题116

上机练习题119

第三章 动态系统的稳定性及李雅普诺夫分析方法121

第一节 稳定性基本概念121

一、外部稳定性与内部稳定性121

二、李雅普诺夫稳定性基本概念122

第二节 李雅普诺夫稳定性分析方法125

一、李雅普诺夫第一法125

二、李雅普诺夫第二法126

第三节 线性系统的李雅普诺夫稳定性分析方法131

一、定常连续系统131

二、时变连续系统134

三、定常离散系统135

四、时变离散系统137

第四节 非线性系统的李雅普诺夫稳定性分析方法138

一、克拉索夫斯基法138

二、变量梯度法141

第五节 应用Matlab的系统稳定性分析145

一、基于李雅普诺夫第一法的稳定性分析145

二、基于李雅普诺夫第二法的稳定性分析146

本章要点147

思考题148

练习题148

上机练习题150

第四章 线性系统的能控性与能观性分析152

第一节 系统能控性和能观性的直观示例152

第二节 连续系统能控性及其判据154

一、能控性定义154

二、能控性基本判据155

三、定常系统能控性判据157

四、定常系统的输出能控性164

第三节 连续系统能观性及其判据165

一、能观性定义166

二、能观性基本判据167

三、能控性与能观性的对偶关系168

四、定常系统能观性判据170

第四节 线性离散系统的能控性与能观性177

一、能控性177

二、能观性181

三、连续系统离散化后的能控性和能观性182

第五节 线性定常系统的能控规范型与能观规范型183

一、单输入单输出系统184

二、多输入多输出系统192

第六节 线性系统的结构分解205

一、系统能控性、能观性在线性变换下的属性205

二、按能控性分解206

三、按能观性分解209

四、系统结构的规范分解211

五、线性系统的结构分解与传递函数矩阵214

第七节 能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系215

一、单输入单输出系统215

二、多输入多输出系统218

三、能控、能观系统外部稳定性与内部稳定性的等价221

第八节 应用Matlab的系统能控性、能观性分析221

一、系统能控性、能观性判别221

二、线性系统的结构分解224

本章要点226

思考题227

练习题227

上机练习题231

第五章 线性反馈控制系统的综合233

第一节 状态反馈控制系统234

一、状态反馈控制系统的构成234

二、状态反馈控制系统极点任意配置的条件235

三、单输入系统极点配置算法236

四、多输入系统极点配置算法241

五、关于极点配置的几点说明250

六、状态反馈对系统能控性和能观性的影响251

第二节 输出反馈控制系统252

一、输出反馈控制系统的构成252

二、输出反馈控制系统的极点配置253

三、输出反馈对系统能控性和能观性的影响254

第三节 系统镇定问题255

一、状态反馈镇定255

二、输出反馈镇定257

第四节 跟踪控制与扰动抑制问题259

一、问题的描述259

二、具有扰动抑制的渐近跟踪控制系统260

三、具有输入变换的跟踪控制266

第五节 解耦控制问题268

一、问题的描述268

二、串联补偿解耦269

三、状态反馈动态解耦271

四、状态反馈静态解耦279

第六节 线性二次型最优控制282

一、线性二次型最优控制问题282

二、最优状态调节器284

三、最优输出调节器293

四、最优输出跟踪器296

第七节 应用Matlab的线性反馈控制系统综合301

一、状态反馈极点配置301

二、求解线性二次型最优控制302

本章要点305

思考题305

练习题306

上机练习题309

第六章 状态观测与状态最优估计311

第一节 状态重构与状态观测器311

一、状态重构问题311

二、全维状态观测器312

三、降维状态观测器317

四、扰动观测器321

第二节 引入观测器的状态反馈控制系统322

一、系统的构成322

二、系统的特性323

三、状态重构反馈与带补偿器输出反馈的等价328

第三节 状态最优估计329

一、状态估计问题的描述329

二、最小二乘估计330

三、线性最小方差估计333

四、卡尔曼滤波335

五、随机线性系统的最优控制347

第四节 应用Matlab的状态观测及状态估计350

一、状态观测器设计350

二、应用Matlab的状态估计356

本章要点360

思考题360

练习题360

上机练习题363

第七章 现代控制理论的应用举例365

第一节 现代控制理论实际应用中的一些问题365

一、系统数学模型的建立365

二、系统分析368

三、系统综合与设计368

第二节 单倒立摆控制系统370

一、系统的数学模型370

二、系统的结构特性分析373

三、状态反馈控制系统设计373

四、具有状态观测器的状态反馈控制系统设计375

五、最优状态调节器设计379

第三节 桥式吊车控制系统381

一、系统的数学模型382

二、系统的结构特性分析384

三、状态反馈跟踪控制系统设计386

四、具有状态观测器的状态反馈跟踪控制系统设计389

五、具有扰动抑制的渐近跟踪控制系统设计393

六、最优输出跟踪器设计399

七、模型的进一步简化401

本章要点401

思考题402

上机练习题402

参考文献403