本書主要介紹應(yīng)用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行系統(tǒng)分析和綜合的方法及其MATLAB編程與計(jì)算。全書共分6章，主要內(nèi)容包括：第1章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，第2章控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析，第3章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，第4章控制系統(tǒng)的能控性與能觀測(cè)性，第5章線性定常控制系統(tǒng)的綜合，第6章控制。本書配套的電子課件和習(xí)題參考答案，可登錄華信教育資源網(wǎng)www.hxedu.com.cn，注冊(cè)后免費(fèi)下載。
韓致信，男，主要研究方向：機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化，機(jī)械系統(tǒng)在線智能監(jiān)測(cè)與控制，工業(yè)和仿生機(jī)器人及其智能控制，機(jī)械振動(dòng)與噪聲及其控制，無人駕駛汽車及其智能控制、機(jī)械強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析。
第1章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型
1.1 基本概念
1.2 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型
1.2.1 根據(jù)物理模型建立狀態(tài)空間模型
1.2.2 根據(jù)微分方程建立狀態(tài)空間模型
1.2.3 根據(jù)傳遞函數(shù)建立狀態(tài)空間模型
1.2.4 根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖建立狀態(tài)空間模型
1.2.5 狀態(tài)空間模型的線性變換
1.2.6 狀態(tài)空間模型與傳遞函數(shù)矩陣之間的關(guān)系
1.3 線性時(shí)變連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型
1.4 非線性連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型
1.4.1 本質(zhì)非線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型
1.4.2 本征非線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型
1.5 線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型
1.5.1 基本概念
1.5.2 線性定常離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型
1.6 線性定常系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的MATLAB實(shí)現(xiàn)
1.6.1 數(shù)學(xué)模型的MATLAB表示法
1.6.2 實(shí)現(xiàn)能控規(guī)范型的MATLAB編程及計(jì)算
習(xí)題1
第2章 控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析
2.1 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析
2.1.1 系統(tǒng)狀態(tài)自由運(yùn)動(dòng)
2.1.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣
2.1.3 系統(tǒng)狀態(tài)受控運(yùn)動(dòng)
2.1.4 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)
2.1.5 實(shí)現(xiàn)線性定常連續(xù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析的MATLAB編程
2.2 線性時(shí)變連續(xù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析
2.2.1 系統(tǒng)狀態(tài)自由運(yùn)動(dòng)
2.2.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣
2.2.3 系統(tǒng)狀態(tài)受控運(yùn)動(dòng)
2.2.4 系統(tǒng)輸出響應(yīng)
2.2.5 實(shí)現(xiàn)線性時(shí)變連續(xù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析的MATLAB編程
2.3 線性定常離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析
2.3.1 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的離散化及其MATLAB實(shí)現(xiàn)
2.3.2 線性定常離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析
2.3.3 實(shí)現(xiàn)線性定常離散系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析的MATLAB編程
2.4 線性時(shí)變離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析
2.4.1 線性時(shí)變連續(xù)系統(tǒng)的離散化及其MATLAB實(shí)現(xiàn)
2.4.2 線性時(shí)變離散系統(tǒng)的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)分析
2.4.3 實(shí)現(xiàn)線性時(shí)變離散系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析的MATLAB編程
習(xí)題2
第3章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.1 李雅普諾夫穩(wěn)定性基本定理
3.1.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
3.1.2 李雅普諾夫穩(wěn)定性定義
3.1.3 李雅普諾夫穩(wěn)定性定理
3.2 線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.2.1 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及其MATLAB編程與計(jì)算
3.2.2 線性時(shí)變連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.3 線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.3.1 線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及其MATLAB編程與計(jì)算
3.3.2 線性時(shí)變離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.4 非線性連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
3.4.1 克拉索夫斯基(Krasovski)法及其MATLAB編程與計(jì)算
3.4.2 變量梯度法
習(xí)題3
第4章 控制系統(tǒng)的能控性與能觀測(cè)性
4.1 系統(tǒng)的能控性
4.1.1 線性時(shí)變連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)能控性
4.1.2 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)能控性及其MATLAB輔助分析
4.1.3 線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)能控性
4.1.4 系統(tǒng)的輸出能控性
4.2 系統(tǒng)的能觀測(cè)性
4.2.1 線性時(shí)變連續(xù)系統(tǒng)的能觀測(cè)性
4.2.2 線性定常連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)能觀測(cè)性及其MATLAB輔助分析
4.2.3 線性定常離散系統(tǒng)的狀態(tài)能觀測(cè)性
4.3 能控與能觀測(cè)規(guī)范型的實(shí)現(xiàn)
4.3.1 能控規(guī)范型的實(shí)現(xiàn)及其MATLAB編程與計(jì)算
4.3.2 能觀測(cè)規(guī)范型的實(shí)現(xiàn)及其MATLAB編程與計(jì)算
4.4 線性定常系統(tǒng)能控性與能觀測(cè)性在復(fù)域［s］中的判據(jù)
4.5 對(duì)偶系統(tǒng)及對(duì)偶性原理
4.5.1 線性定常對(duì)偶系統(tǒng)
4.5.2 線性時(shí)變對(duì)偶系統(tǒng)
4.6 線性定常系統(tǒng)能控與能觀測(cè)結(jié)構(gòu)分解
4.6.1 能控與不能控結(jié)構(gòu)分解及其MATLAB輔助計(jì)算
4.6.2 能觀測(cè)與不能觀測(cè)結(jié)構(gòu)分解及其MATLAB輔助計(jì)算
4.6.3 能控性與能觀測(cè)性結(jié)構(gòu)綜合分解
習(xí)題4
第5章 線性定常控制系統(tǒng)的綜合
5.1 反饋控制系統(tǒng)的基本概念
5.1.1 狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)
5.1.2 輸出反饋控制系統(tǒng)
5.2 以實(shí)現(xiàn)期望極點(diǎn)為目標(biāo)的系統(tǒng)綜合
5.2.1 單輸入狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)極點(diǎn)配置及其MATLAB輔助計(jì)算
5.2.2 多輸入狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的極點(diǎn)配置方法
5.2.3 輸出反饋控制系統(tǒng)極點(diǎn)配置及其MATLAB輔助計(jì)算
5.3 以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)鎮(zhèn)定為目標(biāo)的系統(tǒng)綜合
5.4 以實(shí)現(xiàn)解耦控制為目標(biāo)的系統(tǒng)綜合
5.4.1 補(bǔ)償器解耦
5.4.2 狀態(tài)反饋解耦
5.4.3 實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋解耦控制計(jì)算的MATLAB編程與計(jì)算
5.5 狀態(tài)重構(gòu)控制系統(tǒng)
5.5.1 全維狀態(tài)重構(gòu)器及其MATLAB輔助設(shè)計(jì)
5.5.2 帶全維狀態(tài)重構(gòu)器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)及其MATLAB輔助設(shè)計(jì)
5.5.3 降維狀態(tài)重構(gòu)器及其MATLAB輔助設(shè)計(jì)
習(xí)題5
第6章 控制
6.1 泛函及其變分法簡(jiǎn)介
6.2 控制及其變分解法
6.2.1 數(shù)學(xué)模型
6.2.2 求解控制問題的變分法――拉格朗日乘子法
6.3 線性二次型控制
6.3.1 線性二次型控制的目標(biāo)泛函
6.3.2 狀態(tài)調(diào)節(jié)器及其MATLAB輔助設(shè)計(jì)
6.3.3 輸出調(diào)節(jié)器
6.3.4 輸出跟蹤器及其MATLAB輔助設(shè)計(jì)
6.4 極小值原理
6.4.1 連續(xù)系統(tǒng)的極小值原理
6.4.2 Bang-Bang開關(guān)控制
6.5 離散系統(tǒng)的控制
6.5.1 控制約束的離散系統(tǒng)的控制
6.5.2 控制有約束的離散系統(tǒng)的控制
6.6 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法
6.6.1 多級(jí)決策過程及性原理
6.6.2 離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃
6.6.3 連續(xù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃
習(xí)題6
附錄A 習(xí)題參考答案
參考文獻(xiàn)
現(xiàn)代控制理論是控制工程學(xué)科最重要的基礎(chǔ)理論之一，前承經(jīng)典控制理論，后繼智能控制理論，成形于20世紀(jì)60年代初。其主要內(nèi)容有線性系統(tǒng)理論、非線性系統(tǒng)理論、控制理論、隨機(jī)控制理論和適應(yīng)控制理論等。
現(xiàn)代控制理論的奠基成果是美國(guó)數(shù)學(xué)家貝爾曼(R. Richard Bellman)于1954年創(chuàng)立的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家列夫龐特里亞金(Лев Семёнович Понтрягин)于1956年創(chuàng)立的極大值原理和匈牙利裔美國(guó)數(shù)學(xué)家卡爾曼(Rudolph E. Kalman)于1961創(chuàng)立的卡爾曼濾波理論。這些成果為控制理論開辟了一個(gè)新天地并獨(dú)立于經(jīng)典控制理論而成為一個(gè)新領(lǐng)域。
現(xiàn)代控制理論是伴隨著空間技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而誕生和成熟的。正是飛速發(fā)展的空間技術(shù)使該理論有了思想源泉和用武之地，也正是日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)為該理論提供了強(qiáng)有力的工具，使其如虎添翼。
雖然現(xiàn)代控制理論屬于控制工程學(xué)科的基礎(chǔ)理論，但它研究和解決的問題是系統(tǒng)問題，而系統(tǒng)問題不僅存在于控制工程學(xué)科，而且存在于大多數(shù)工程學(xué)科、自然學(xué)科和農(nóng)林學(xué)科，甚至存在于經(jīng)濟(jì)和管理學(xué)科。盡管不同學(xué)科中的系統(tǒng)問題各有不同，但畢竟存在共性。共性問題可用相同或類似的方法解決。他山之石，可以攻玉，學(xué)科交叉和滲透更能促進(jìn)學(xué)術(shù)進(jìn)步。
對(duì)于非控制工程學(xué)科，現(xiàn)代控制理論是他山之石。然而現(xiàn)代控制理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——狀態(tài)空間模型又何嘗不是控制工程學(xué)科的他山之石，因?yàn)闋顟B(tài)空間模型源于機(jī)械工程學(xué)科的分析力學(xué)。這一事實(shí)說明不同學(xué)科之間雖然存在界線，但更存在交叉與融合。
現(xiàn)代控制理論是研究控制問題的基礎(chǔ)理論，而控制是所有工程領(lǐng)域不可或缺的，無論是信息還是金融、機(jī)械還是紡織、宇航還是船舶、冶金還是化工、交通還是能源、家用電器還是儀器儀表等，哪個(gè)領(lǐng)域能離開控制？毫不夸張地說，沒有控制就沒有現(xiàn)代文明。從這個(gè)意義上講，現(xiàn)代控制理論是所有工程學(xué)科的一塊理論基石。
現(xiàn)代控制理論不僅是一門重要的學(xué)科理論，還是一門的自然辯證法，處處貫穿著系統(tǒng)的觀點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)、內(nèi)因外因的觀點(diǎn)、事物相互作用相互聯(lián)系的觀點(diǎn)、主要矛盾和次要矛盾的觀點(diǎn)等，閃爍著辯證法的光芒。這些對(duì)于啟迪思想、培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力十分有益。學(xué)習(xí)和掌握這門理論，對(duì)從事科學(xué)研究和技術(shù)工作的人無疑十分必要。
由于上述原因，現(xiàn)代控制理論不僅是高等院校電氣工程和自動(dòng)化專業(yè)本科生和碩士研究生的學(xué)位課，也是機(jī)械工程、動(dòng)力工程、儀器科學(xué)與技術(shù)、交通運(yùn)輸工程和船舶工程等專業(yè)碩士研究生的學(xué)位課。
翻開現(xiàn)代控制理論方面的著作，從頭至尾整頁(yè)整頁(yè)的數(shù)學(xué)公式，乍一看，與數(shù)學(xué)別無二致。的確，現(xiàn)代控制理論的大部分內(nèi)容不是數(shù)學(xué)論證就是數(shù)學(xué)計(jì)算，有些內(nèi)容還觸及應(yīng)用數(shù)學(xué)前沿，但這些論證和計(jì)算是關(guān)于控制系統(tǒng)具體問題的數(shù)學(xué)論證和計(jì)算，或者說是求解具體控制工程問題的數(shù)學(xué)。對(duì)于讀者來說，每一個(gè)問題的數(shù)學(xué)論證和計(jì)算或者有益于提高數(shù)學(xué)建模和分析能力，或者有益于提高分析和解決工程問題的能力，或者有益于培養(yǎng)邏輯推理和判斷能力，總而言之，有益于充實(shí)理論和技術(shù)素養(yǎng)、提高科學(xué)研究能力。這也正是非控制工程專業(yè)的研究生學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論的根本出發(fā)點(diǎn)和歸宿。
本書是為適應(yīng)機(jī)械工程和動(dòng)力工程專業(yè)碩士研究生學(xué)位課程"現(xiàn)代控制理論"的教學(xué)需要編寫的，內(nèi)容的深度和廣度也是根據(jù)這兩專業(yè)研究生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和綜合素質(zhì)要求選定的。
與同類教材相比，本書的特點(diǎn)表現(xiàn)為"三多"，即例題多，結(jié)構(gòu)圖多，MATLAB程序多。
●例題多
現(xiàn)代控制理論包含許許多多定義、定理和公式，要弄清和掌握這些定義、定理和公式，一要記憶并透徹理解其文字描述和公式，二要完成適量練習(xí)。而要讓讀者理解定義、定理和公式并完成練習(xí)，僅憑簡(jiǎn)練透徹的文字描述和條理清晰的推導(dǎo)論證是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須提供足夠多的例題，以例題為橋梁，引導(dǎo)讀者由表及里、由此及彼地在理論公式與應(yīng)用計(jì)算中徜徉，實(shí)現(xiàn)融會(huì)貫通。
本書為所有重要內(nèi)容配置了例題，特別是有些論證過程理論價(jià)值不大的定理直接用例題詮釋，舍去推導(dǎo)過程。經(jīng)對(duì)比和挑選，全書共設(shè)有63個(gè)例題，一個(gè)例題針對(duì)一個(gè)理論問題。
另外本書附錄A提供了所有習(xí)題的參考答案，難度較大的習(xí)題，其答案步驟比較完整。
●結(jié)構(gòu)圖多
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖既是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的圖形描述，反映系統(tǒng)信號(hào)傳輸過程和相互聯(lián)系，又是系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)依據(jù)。
系統(tǒng)綜合是控制理論研究的兩大命題之一。系統(tǒng)綜合的計(jì)算結(jié)果只有通過結(jié)構(gòu)圖體現(xiàn)出來，才能厘清信號(hào)傳輸過程和相互聯(lián)系，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。比如說如何配置系統(tǒng)極點(diǎn)？如何設(shè)計(jì)解耦控制系統(tǒng)？如何設(shè)計(jì)帶全維和降維狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)？如何實(shí)現(xiàn)二次型控制？凡此種種問題，僅憑計(jì)算過程和數(shù)據(jù)難以釋清，必須要有結(jié)構(gòu)圖佐證。
本書的絕大多數(shù)算例配有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，旨在使讀者一目了然地看清系統(tǒng)信號(hào)與計(jì)算數(shù)據(jù)之間的關(guān)系及物理特征，更直觀地理解理論公式及其應(yīng)用方法。
●MATLAB程序多
MATLAB是當(dāng)今世界上最的數(shù)值計(jì)算軟件之一，內(nèi)嵌的控制工程計(jì)算與仿真工具箱也是控制領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的軟件之一。
現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用計(jì)算都是矩陣運(yùn)算，而MATLAB操作矩陣就像操作數(shù)一樣簡(jiǎn)單，因此受到控制工程領(lǐng)域多數(shù)人的青睞。
為便于讀者了解和掌握運(yùn)用MATLAB求解控制問題的方法，凡是MATLAB提供了庫(kù)函數(shù)的應(yīng)用計(jì)算，本書對(duì)庫(kù)函數(shù)的用法作了說明，凡是MATLAB沒有提供庫(kù)函數(shù)的應(yīng)用計(jì)算，本書提供了編者開發(fā)的專用程序。書中共列有19套專用程序，所有程序均通過書內(nèi)例題和其他書上例題驗(yàn)證。
本書在編寫方面體現(xiàn)了編者近40年工程和教學(xué)實(shí)踐形成的工程教育理念和認(rèn)識(shí)：
(1)以學(xué)以致用、實(shí)用夠用為尺度剪裁內(nèi)容，遴選精華。
(2)對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)，濃墨重彩演繹論證，對(duì)簡(jiǎn)單內(nèi)容，輕描淡寫，以求重點(diǎn)突出、繁簡(jiǎn)適中。
(3)注重方法論證，將問題轉(zhuǎn)化、方法移植、歸納梳理等思考、分析和解決問題的方法貫穿于公式推導(dǎo)和分析過程，以求授人以漁。
(4)按照一般認(rèn)識(shí)規(guī)律進(jìn)行論證，從因到果，循序漸近，層層深入，以求條理清晰，通俗易懂。
(5)在論述方面，字斟句酌，追求透徹與精煉，即在分析透徹的前提下力求文字精煉，在文字精煉的基礎(chǔ)上力求分析透徹。
書籍是精神食糧，教材是傳道工具。是食糧就得精心制作，是工具就得精心打磨，這是編者一貫秉承的寫作原則。為把本書雕琢成一部精品，編者精耕細(xì)作，付出了艱辛勞動(dòng)，但囿于水平，書中錯(cuò)誤和筆誤在所難免，懇請(qǐng)讀者不吝賜教。
指出，現(xiàn)代控制理論的數(shù)學(xué)特征往往讓一些初學(xué)者望而生畏，有些學(xué)過的人也說難學(xué)。然而，"人之為學(xué)有難易乎？學(xué)之，則難者亦易矣；不學(xué)，則易者亦難矣。"事實(shí)上，此"數(shù)學(xué)"非彼數(shù)學(xué)，其應(yīng)用和計(jì)算是程式化的，就像太極拳套路一樣，既沒有高超的技巧性，也沒有隱藏的條件和陷阱，一點(diǎn)都不深?yuàn)W。只要緊緊扣住"問題和條件——求解方法——結(jié)論和公式"這條技術(shù)路線認(rèn)真學(xué)習(xí)并輔之以解題練習(xí)，掌握這門理論就如同探囊取物，手到擒來。
韓致信
2014年8月
