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绪论1

0.1　认识控制1

0.2　成熟的经典控制理论与自动化技术3

0.3　发展中的现代控制理论5

0.4　开放的控制理论体系6

0.5　关于本书构成7

第1章 线性系统的状态空间描述9

1.1　状态空间描述的基本概念9

1.2　线性系统的状态空间描述13

1.2.1 电路系统状态空间描述示例13

1.2.2　力学系统状态空间描述示例16

1.2.3　机电系统状态空间描述示例17

1.2.4　化工过程状态空间描述示例19

1.3　从微分方程模型推导状态空间表达式20

1.3.1 由微分方程求状态空间表达式20

1.3.2 由传递函数求状态空间表达式22

1.3.3　传递函数矩阵及其最小实现26

1.3.4 MATLAB实现29

1.4 由控制系统的结构图导出状态空间表达式32

1.5　系统状态方程的线性变换33

1.5.1　非奇异线性变换33

1.5.2 系统特征值和特征向量34

1.5.3　状态方程的几种标准型35

1.6　离散时间系统的状态空间表达式41

本章小结42

习题43

第2章 线性定常系统的状态方程求解45

2.1 线性定常连续系统齐次状态方程的解45

2.2　状态转移矩阵的性质46

2.3　矩阵指数函数的计算48

2.3.1　直接计算法48

2.3.2　线性变换法48

2.3.3　拉氏变换法52

2.3.4 Caley-Hamilton定理法52

2.4　线性定常连续系统非齐次状态方程的解54

2.4.1　直接法（积分法）54

2.4.2　拉氏变换法55

2.4.3　两种方法的关系55

2.5　线性定常离散系统状态方程的解57

2.5.1　线性定常连续系统动态方程的离散化57

2.5.2　递推法（迭代法）58

2.5.3　Z变换法60

本章小结61

习题61

第3章　线性系统的可控、可观与稳定性分析63

3.1　线性定常连续控制系统的可控性63

3.1.1　可控性定义63

3.1.2　可控性判据64

3.2　线性定常连续控制系统的可观性68

3.2.1　可观性定义68

3.2.2 可观性判据68

3.3　可控标准型和可观标准型72

3.3.1　单输入系统的可控标准型72

3.3.2　单输出系统的可观标准型74

3.4　对偶原理75

3.5　线性定常离散控制系统的可控可观性77

3.5.1　离散系统可控性77

3.5.2　离散系统可观性80

3.6　线性定常控制系统的结构分解81

3.6.1　按可控性结构分解81

3.6.2　按可观性结构分解84

3.6.3　按可控性和可观性结构分解85

3.7　Lyapunov稳定性分析方法86

3.7.1 Lyapunov意义下的稳定性定义86

3.7.2　预备知识88

3.7.3　Lyapunov稳定性理论89

3.7.4　线性定常系统的Lyapunov稳定性分析92

本章小结95

习题95

第4章 线性时不变控制系统的综合与设计99

4.1　极点配置问题99

4.1.1　状态反馈与极点配置99

4.1.2　可配置条件100

4.1.3　极点配置的算法101

4.1.4　输出反馈与极点配置104

4.2　状态观测器设计105

4.2.1　状态观测器105

4.2.2　全维状态观测器106

4.2.3　降维观测器112

4.3　利用状态观测器构成状态反馈闭环系统117

本章小结120

习题120

第5章　最优控制123

5.1　最优控制问题的基本概念123

5.1.1 目标函数123

5.1.2　约束条件124

5.2　变分法125

5.2.1　变分法的基本概念125

5.2.2　变分法在最优控制中的应用127

5.3　极小值原理136

5.3.1　极小值原理在连续系统中的应用136

5.3.2　极小值原理在离散系统中的应用138

5.4　动态规划法141

5.4.1　动态规划法在离散系统中的应用141

5.4.2　动态规划法在连续系统中的应用144

5.5 线性二次型最优控制问题及MATLAB解法146

5.6　离散系统线性二次型最优控制151

本章小结155

习题156

第6章 非线性时不变控制系统分析158

6.1 引言158

6.2　非线性系统的特征159

6.2.1　非线性系统与线性系统的比较159

6.2.2　非线性系统的固有特征159

6.2.3　非线性系统的主要研究方法159

6.3　李雅普诺夫稳定性分析162

6.3.1　非线性系统与平衡点163

6.3.2　稳定性概念163

6.3.3　李雅普诺夫线性化方法164

6.3.4　李雅普诺夫直接方法165

6.3.5　基于李雅普诺夫直接方法的系统分析167

6.3.6　非自治系统的李雅普诺夫分析169

6.4　输入输出稳定性170

6.4.1　Lp稳定性170

6.4.2　状态模型的Lp稳定性171

6.5　输入-状态稳定性172

6.5.1　定义及稳定条件172

6.5.2　输入状态稳定性与L∞稳定的关系173

6.6　控制李雅普诺夫函数174

6.6.1　逆李雅普诺夫定理174

6.6.2　控制李雅普诺夫函数174

6.7　非线性系统的可控性与可观性175

6.7.1　局部可控性175

6.7.2　局部可观性177

6.8　无源性概念178

6.9　小增益定理181

本章小结182

习题182

第7章 非线性时不变控制系统设计184

7.1　反馈线性化184

7.1.1　反馈线性化的直观概念184

7.1.2　反馈线性化的条件188

7.1.3　反馈线性化的局限性189

7.2　滑模控制189

7.2.1 引例189

7.2.2　控制器设计192

7.2.3　稳定性194

7.3　反步设计法196

7.3.1　基于反步法的控制器设计196

7.3.2 自适应反步设计法198

7.3.3　基于观测器的反步设计法200

本章小结201

习题202

第8章　混杂控制系统205

8.1　混杂系统概论205

8.1.1　混杂系统的基本概念及特点206

8.1.2　混杂系统模型分类207

8.1.3　混杂系统的基本结构208

8.1.4　混杂系统示例210

8.2　混杂系统模型211

8.2.1　混杂自动机模型211

8.2.2　分段仿射切换模型212

8.2.3　混合逻辑动态模型213

8.2.4　其他主要的混杂系统模型218

8.2.5　混杂系统模型的等价性219

8.3　混杂系统优化控制与稳定性分析220

8.3.1　混杂系统的稳定性定义222

8.3.2　基于混合逻辑动态的模型预测控制223

8.3.3　基于MLD模型预测控制的稳定性分析226

8.3.4　仿真示例227

8.3.5　切换系统模型的稳定性分析229

本章小结230

习题231

参考文献232