本书内容包括现代控制理论的基本概念、方法和技术，采用模块化结构，既保证现代控制理论体系的完整性和系统性，又尝试开放、发展、理论与实践相结合的探索。增加了非线性控制系统设计中的结构化方法、混杂控制建模和控制等内容，以求引导学生走创新之路。

本书在内容安排上遵循教学的内在规律、循序渐进、启发思维，相对独立的模块化结构，有利于教师组织教学。安排了大量的例题和习题，通过自学和练习，培养学生勤于思考、自主创新的意识。本书还介绍了工程仿真与数值计算软件MATLAB在现代控制理论分析与设计中的应用，在辅助教学和自学的同时，使学生能够掌握一种仿真工具和编程语言。

本书为高等学校自动控制原理(现代部分)、现代控制理论课程教材，适用于自动化专业、电气工程及其自动化专业以及其他相关领域，例如化工、石油、机械、冶金、信息、电力、医药、轻工等。

本书也可供在工程领域从事科学研究及相关工程技术人员阅读参考。

课件新增期末考试试卷，课件更新日期2008年6月27日

本书是为自动化等专业的自动控制原理(现代部分)、研究生的现代控制理论或控制课程编写的，也可以作为其他工程技术人员的参考书。学习这门课程的学生应具备电工、机械和工程数学等方面的基础知识，这门课程的先修课程是与自动控制原理同等水平教材讲授的经典控制理论部分本科生层次的课程。学生可以结合线性时不变系统中的“传递函数极点”等概念来理解“状态变量”等概念。要学好这门课程，具备或复习好诸如微积分、微分方程、矩阵等基础数学理论十分必要。本书涉及线性控制系统、非线性控制系统、混杂控制系统3种系统模型，涵盖了除时变系统、分布参数系统外的绝大多数问题类型。

本书在编写过程中，为方便教学内容组织，采用了模块化结构，共分4大部分。

第一部分由1~4章组成。第1章是关于线性时不变控制系统状态空间描述的基础知识。这一章是区分控制理论“经典”和“现代” 部分的主要知识点，虽然主要针对线性时不变控制系统来写，但状态空间建模的思想、形式和方法可以推广到其他任何系统的建模。接下来依次是状态方程的求解、结构特征与稳定性分析、状态反馈及输出控制的综合设计方法。学完这4章，可以说，自动化专业的同学们从令人费解的经典控制“频域”分析设计过渡到了更简明直观的“现代”时域空间设计了。

第二部分是第5章。本章与运筹学中的线性规划、非线性规划等紧密相关联，数学公式虽多，但归纳起来不外乎列写一个包括目标函数和约束条件在内的最优控制问题，以及找一个能解此类最优问题(可能是线性规划(LP)、二次规划(QP)、非线性规划(NP)、半定规划(SP)、整数规划(IP)或混合整数的线性/二次规划(MILP/MIQP)等)的解题器。由于解决任何工程问题最终可能都是在各种限定条件下的折中方案或利益平衡，因此理工科学生如何能归纳出最优问题非常重要。

第三部分由第6章和第7章组成。这两章是经典控制理论中关于非线性控制系统分析内容(主要是描述函数法、相平面法等)的延伸，这里强调的是非线性控制系统的构造型方法。非线性控制系统本身就是一个相对独立、庞大、开放发展的体系，有许多未解决的问题需要探索。

第四部分是第8章。这章属于在现代控制理论教材内容安排上所做的创新型尝试，学习难度较大。期望新一代年轻控制专家能在传承“经典”、学好和把握“现代”、面向未来“混杂”发展的经历中成长。

本书由袁德成、樊立萍主编。绪论、第1章和第2章由袁德成教授编写，第6章和第7章由樊立萍教授编写，第3章和第8章由李凌副教授编写，第4章和第5章由郭小萍副教授编写。

感谢清华大学出版社的大力支持以及沈阳化工学院对国家“十一五”规划教材所提供的资助。

编者于沈阳〖〗2006年12月

绪论

0.1认识控制

0.2成熟的经典控制理论与自动化技术

0.3发展中的现代控制理论

0.4开放的控制理论体系

0.5关于本书构成

第1章线性系统的状态空间描述

1.1状态空间描述的基本概念

1.2线性系统的状态空间描述

1.2.1电路系统状态空间描述示例

1.2.2力学系统状态空间描述示例

1.2.3机电系统状态空间描述示例

1.2.4化工过程状态空间描述示例

1.3从微分方程模型推导状态空间表达式

1.3.1由微分方程求状态空间表达式

1.3.2由传递函数求状态空间表达式

1.3.3传递函数矩阵及其最小实现

1.3.4MATLAB实现

1.4由控制系统的结构图导出状态空间表达式

1.5系统状态方程的线性变换

1.5.1非奇异线性变换

1.5.2系统特征值和特征向量

1.5.3状态方程的几种标准型

1.6离散时间系统的状态空间表达式

本章小结

习题

第2章线性定常系统的状态方程求解

2.1线性定常连续系统齐次状态方程的解

2.2状态转移矩阵的性质

2.3矩阵指数函数的计算

2.3.1直接计算法

2.3.2线性变换法

2.3.3拉氏变换法

2.3.4CaleyHamilton定理法

2.4线性定常连续系统非齐次状态方程的解

2.4.1直接法(积分法)

2.4.2拉氏变换法

2.4.3两种方法的关系

2.5线性定常离散系统状态方程的解

2.5.1线性定常连续系统动态方程的离散化

2.5.2递推法(迭代法)

2.5.3变换法

本章小结

习题

第3章线性系统的可控、可观与稳定性分析

3.1线性定常连续控制系统的可控性

3.1.1可控性定义

3.1.2可控性判据

3.2线性定常连续控制系统的可观性

3.2.1可观性定义

3.2.2可观性判据

3.3可控标准型和可观标准型

3.3.1单输入系统的可控标准型

3.3.2单输出系统的可观标准型

3.4对偶原理

3.5线性定常离散控制系统的可控可观性

3.5.1离散系统可控性

3.5.2离散系统可观性

3.6线性定常控制系统的结构分解

3.6.1按可控性结构分解

3.6.2按可观性结构分解

3.6.3按可控性和可观性结构分解

3.7Lyapunov稳定性分析方法

3.7.1Lyapunov意义下的稳定性定义

3.7.2预备知识

3.7.3Lyapunov稳定性理论

3.7.4线性定常系统的Lyapunov稳定性分析

本章小结

习题

第4章线性时不变控制系统的综合与设计

4.1极点配置问题

4.1.1状态反馈与极点配置

4.1.2可配置条件

4.1.3极点配置的算法

4.1.4输出反馈与极点配置

4.2状态观测器设计

4.2.1状态观测器

4.2.2全维状态观测器

4.2.3降维观测器

4.3利用状态观测器构成状态反馈闭环系统

本章小结

习题

第5章最优控制

5.1最优控制问题的基本概念

5.1.1目标函数

5.1.2约束条件

5.2变分法

5.2.1变分法的基本概念

5.2.2变分法在最优控制中的应用

5.3极小值原理

5.3.1极小值原理在连续系统中的应用

5.3.2极小值原理在离散系统中的应用

5.4动态规划法

5.4.1动态规划法在离散系统中的应用

5.4.2动态规划法在连续系统中的应用

5.5线性二次型最优控制问题及MATLAB解法

5.6离散系统线性二次型最优控制

本章小结

习题

第6章非线性时不变控制系统分析

6.1引言

6.2非线性系统的特征

6.2.1非线性系统与线性系统的比较

6.2.2非线性系统的固有特征

6.2.3非线性系统的主要研究方法

6.3李雅普诺夫稳定性分析

6.3.1非线性系统与平衡点

6.3.2稳定性概念

6.3.3李雅普诺夫线性化方法

6.3.4李雅普诺夫直接方法

6.3.5基于李雅普诺夫直接方法的系统分析

6.3.6非自治系统的李雅普诺夫分析

6.4输入输出稳定性

6.4.1Lp稳定性

6.4.2状态模型的Lp稳定性

6.5输入状态稳定性

6.5.1定义及稳定条件

6.5.2输入状态稳定性与L∞稳定的关系

6.6控制李雅普诺夫函数

6.6.1逆李雅普诺夫定理

6.6.2控制李雅普诺夫函数

6.7非线性系统的可控性与可观性

6.7.1局部可控性

6.7.2局部可观性

6.8无源性概念

6.9小增益定理

本章小结

习题

第7章非线性时不变控制系统设计

7.1反馈线性化

7.1.1反馈线性化的直观概念

7.1.2反馈线性化的条件

7.1.3反馈线性化的局限性

7.2滑模控制

7.2.1引例

7.2.2控制器设计

7.2.3稳定性

7.3反步设计法

7.3.1基于反步法的控制器设计

7.3.2自适应反步设计法

7.3.3基于观测器的反步设计法

本章小结

习题

第8章混杂控制系统

8.1混杂系统概论

8.1.1混杂系统的基本概念及特点

8.1.2混杂系统模型分类

8.1.3混杂系统的基本结构

8.1.4混杂系统示例

8.2混杂系统模型

8.2.1混杂自动机模型

8.2.2分段仿射切换模型

8.2.3混合逻辑动态模型

8.2.4其他主要的混杂系统模型

8.2.5混杂系统模型的等价性

8.3混杂系统优化控制与稳定性分析

8.3.1混杂系统的稳定性定义

8.3.2基于混合逻辑动态的模型预测控制

8.3.3基于MLD模型预测控制的稳定性分析

8.3.4仿真示例

8.3.5切换系统模型的稳定性分析

本章小结

习题

参考文献