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本書是為適應對高等院校自動化及相關專業人才培養的需要，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培養目標和教育教學改革要求的新型自動化專業教材。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，主要介紹了狀態空間描述的建立、狀態方程的解、能控性和能觀測性、穩定性分析、狀態回饋和狀態觀測器等內容。
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及控制系統工具箱進行電腦輔助分析和設計，通過例題、習題介紹了MATLAB在控制系統分析、綜合及模擬中的應用。
本書可作為高等院校自動化、電氣工程及其自動化、機械設計製造及其自動化等相關專業本科生的教材，也可供從事自動化及相關專業的科技人員參考。
1緒論
1.1控制理論和實踐發展簡史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控制系統的狀態空間描述
2.1引言005
2.2狀態空間描述006
2.2.1狀態和狀態空間006
2.2.2狀態空間描述的一般形式007
2.2.3非線性狀態空間描述的線性化009
2.3狀態空間描述的系統結構圖011
2.4狀態空間描述的狀態變數圖011
2.5狀態空間描述的建立012
2.5.1從系統的機理出發建立狀態空間描述012
2.5.2從系統結構圖出發建立狀態空間描述014
2.6化輸入-輸出描述為狀態空間描述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-多輸出系統的實現023
2.7離散系統狀態空間描述的建立024
2.8線性變換025
2.8.1線性非奇異變換025
2.8.2系統的特徵值和特徵向量027
2.8.3將狀態空間描述變換為約當標準形029
2.9由狀態空間描述求傳遞函數陣036
2.9.1單輸入-單輸出系統036
2.9.2多輸入-多輸出系統037
2.9.3傳遞函數陣的不變性038
2.10狀態空間描述的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線性系統的狀態空間運動分析
3.1線性定常系統齊次狀態方程的解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線性定常系統非齊次狀態方程的解061
3.4線性定常系統的狀態轉移矩陣062
3.4.1狀態轉移矩陣063
3.4.2狀態轉移矩陣的性質064
3.4.3由狀態轉移矩陣求系統矩陣066
3.5線性時變系統狀態方程的解067
3.5.1線性時變系統的狀態轉移矩陣067
3.5.2線性時變系統狀態方程的求解069
3.6線性連續系統的時間離散化070
3.7線性離散系統狀態方程的解075
3.8利用MATLAB求解系統的狀態
方程078
小結081
習題081
4線性系統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連續時間線性定常系統的能控性088
4.2.1狀態能控性的定義088
4.2.2狀態能控性的判據089
4.2.3輸出能控性定義與判據096
4.3連續時間線性定常系統的能觀測性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採樣週期對離散時間線性系統的能控性和能觀測性的影響106
4.5連續時間線性時變系統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線性系統的能控性與能觀測性的對偶關係111
4.6.1對偶系統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能控和能觀測之間的關係119
4.9線性系統結構按能控性能觀測性的分解123
4.9.1系統按能控性分解124
4.9.2系統按能觀測性分解126
4.9.3系統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判定系統的能控性和能觀測性134
4.10.1MATLAB中的系統能控性和能觀測性處理函數134
4.10.2利用MATLAB判定系統的能控性和能觀測性135
4.10.3利用MATLAB計算系統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李亞普諾夫穩定性分析
5.1非線性系統與平衡狀態155
5.1.1非線性系統156
5.1.2自治和非自治系統156
5.1.3平衡狀態157
5.2穩定性的概念158
5.3李亞普諾夫 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李亞普諾夫穩定性定理164
5.4.3幾點說明170
5.5基於李亞普諾夫第二方法的線性定常系統分析170
5.5.1線性連續定常系統的穩定性分析170
5.5.2線性定常離散系統的穩定性分析172
5.6基於李亞普諾夫第二方法的非線性系統分析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變數梯度法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設計中的應用180
5.7.1線性定常系統的校正180
5.7.2用李亞普諾夫函數估計線性系統動態回應的快速性181
5.8用MATLAB分析系統的穩定性183
5.8.1李亞普諾夫 方法183
5.8.2李亞普諾夫第二方法183
小結184
習題185
6線性定常系統的綜合
6.1狀態回饋與極點配置188
6.1.1系統的結構與數學描述189
6.1.2狀態回饋極點配置的條件與演算法190
6.1.3狀態回饋幾點問題的討論192
6.2輸出回饋與極點配置193
6.2.1輸出回饋的系統結構與數學描述193
6.2.2輸出回饋的極點配置條件與演算法195
6.3控制系統的鎮定問題197
6.4狀態重構與狀態觀測器的設計199
6.4.1全維狀態觀測器設計199
6.4.2降維狀態觀測器202
6.4.3分離定理205
6.5多變數系統的解耦控制209
6.5.1多變數系統的耦合關係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模擬213
小結222
習題223
部分習題參考答案
參考文獻
