現代控制理論與方法概論
現代控制理論與方法概論
本書主要面向機械類、儀器類專業背景的高年級本科生和研究生，可作為《控制工程基礎（第二版）》（董景新等編著，清華大學出版社2003年出版）的後續教材，也可供相關領域的科技人員參考。
全書分4大部分共23章。第1部分（第1~7章）介紹現代控制理論的基礎知識，主要內容包括概述、控制系統的狀態空間法、線性控制系統狀態方程的解、線性系統的能控性和能觀測性、系統的穩定性、線性控制系統的綜合以及控制理論中需要用到的最優估計理論基礎知識。第2部分（第8~14章）介紹最優控制方面的內容，包括最優控制概述、變分法求最優控制、極大值原理、動態規劃法、時間最優控制、線性二次型最優控制、線性系統的隨機最優控制。第3部分（第15~17章）介紹自適應控制方面的內容，包括自適應控制概述、模型參考自適應控制、自校正控制。第4部分（第18~23章）介紹智能控制方面的內容，包括智能控制概述、模糊控制、神經網路控制、混沌控制、遺傳演演算法以及第23章的倒立擺控制實例。
隨著機電一體化技術的迅猛發展，面對高技術機電產品在市場上的激烈競爭，原先對控制技術涉足較少的機械類、儀器類學科對控制技術的需求空前增長。日新月異的高技術創新型機電產品翻新越來越快，經典控制技術已經難以完全勝任，最優控制、自適應控制、智能控制等現代控制技術在機械類、儀器類學科的引入是歷史的必然。本書試圖面對機械類、儀器類在本科階段已經學過經典控制理論的研究生、本科高年級學生和工程技術人員介紹現代控制理論和方法的基本內容。本教材著重於概念的建立和理解，不追求嚴格的定理理論證明，同時書中力圖引入一些例題幫助讀者理解概念和方法，側重於應用。
本書分4大部分共23章。第1部分共7章，介紹現代控制理論的基礎知識，主要內容包括概述、控制系統的狀態空間法、線性控制系統狀態方程的解、線性系統的能控性和能觀測性、系統的穩定性、線性控制系統的綜合、控制理論中需要用到的最優估計理論基礎知識。第2部分共7章，介紹最優控制方面的內容，包括最優控制概述、變分法求最優控制、極大值原理、動態規劃法、時間最優控制、線性二次型最優控制、線性系統的隨機最優控制。第3部分共3章，介紹自適應控制方面的內容，包括概述、模型參考自適應控制、自校正控制。第4部分共6章，介紹智能控制方面的內容，前5章包括概述、模糊控制、神經網路控制、混沌控制、遺傳演演算法。最後一章介紹倒立擺控制實例。為了更好地理解和掌握本書的內容，除各章正文中的例題外，在各章后均選編了有關習題，書後還有部分習題的參考答案，以便讀者自學。
現代控制理論和技術領域廣闊，內容浩瀚，並處於不斷發展中。在編寫本書的過程中，筆者深感欲寫好這類教材，不僅需要教學經驗，同時必須具備控制理論的功底，而且還需要在機械和控制技術方面豐富的實踐經驗。筆者自感缺憾很多，錯誤疏漏在所難免，懇請讀者不吝賜教。
第1部分 基 礎 知 識
1 概述3
2 控制系統的狀態空間法6
2.1 狀態變數及狀態空間表達6
2.2 狀態空間表達式的建立11
2.3 狀態矢量的線性變換30
習題41
3 線性控制系統狀態方程的解43
3.1 線性連續定常系統狀態方程的解43
3.2 線性連續時變系統狀態方程的解47
3.3 線性離散系統狀態方程的解49
3.4 瞬態響應的計算機模擬方法53
習題55
4 線性系統的能控性和能觀測性59
4.1 線性系統的能控性60
4.2 線性系統的能觀測性69
4.3 系統結構的分解74
習題97
5 系統的穩定性104
5.1 穩定性的定義104
5.2 李雅普諾夫穩定性方法105
5.3 線性定常連續系統漸近穩定的判別107
5.4 線性時變連續系統漸近穩定的判別109
5.5 線性定常離散系統漸近穩定的判別110
5.6 線性時變離散系統漸近穩定的判別110
5.7 非線性系統的穩定性分析111
5.8 波波夫超穩定性方法簡介114
習題117
6 線性控制系統的綜合120
6.1 系統構成及特性120
6.2 極點配置125
6.3 狀態重構問題126
6.4 系統鎮定問題131
6.5 系統解耦問題132
習題135
7 最優估計理論基礎140
7.1 估計問題的提法和估計準則140
7.2 估計理論的發展141
7.3 最小二乘估計143
7.4 最小方差估計147
7.5 線性最小方差估計149
7.6 卡爾曼濾波152
7.7 廣義卡爾曼濾波157
7.8 幾種最優估計的優缺點比較165
習題166
第2部分 最 優 控 制
8 最優控制概述171
9 變分法求最優控制174
9.1 基本概念174
9.2 用變分法求解最優問題176
9.3 有約束條件的泛函極值179
9.4 變分法求最優控制180
習題189
10 極大值原理191
10.1 連續系統的極大值原理192
10.2 離散系統的極大值原理195
習題197
11 動態規劃法199
11.1 離散系統的動態規劃法199
11.2 連續系統的動態規劃法203
習題207
12 時間最優控制209
習題216
13 線性二次型最優控制218
13.1 狀態調節器218
13.2 輸出調節器226
13.3 離散系統情況229
13.4 跟蹤問題（隨動問題）229
習題233
14 線性系統的隨機最優控制234
14.1 系統狀態對隨機作用的響應234
14.2 隨機狀態反饋調節器236
14.3 隨機輸出反饋調節器239
14.4 隨機跟蹤問題244
14.5 離散系統隨機最優控制250
習題255
第3部分 自適應控制
15 自適應控制概述259
習題261
16 模型參考自適應控制262
16.1 模型參考自適應控制系統的主要結構形式262
16.2 局部參數最優化設計方法264
16.3 基於穩定性理論的設計方法266
16.4 不同模型參考自適應系統設計方法的比較274
習題276
17 自校正控制278
17.1 最小方差自校正控制278
17.2 廣義最小方差自校正控制283
17.3 極點配置自校正控制291
17.4 自校正PID控制297
17.5 自適應控制系統的魯棒性298
習題299
第4部分 智 能 控 制
18 智能控制概述303
習題306
19 模糊控制307
19.1 模糊控制的產生與發展307
19.2 模糊數學基礎知識310
19.3 模糊控制系統與模糊控制器概論325
19.4 基本模糊控制器設計340
19.5 MATLAB模糊邏輯工具箱350
習題353
20 神經網路控制354
20.1 神經網路的產生和發展354
20.2 人工神經元模型357
20.3 網路結構及工作方式362
20.4 神經網路的學習方法364
20.5 BP演演算法366
20.6 基於神經網路的模糊自適應控制373
習題375
21 混沌控制376
21.1 混沌概念的形成376
21.2 混沌的特性377
21.3 混沌分析方法380
21.4 混沌控制382
21.5 混沌系統的神經網路建模辨識結構385
習題386
22 遺傳演演算法387
22.1 遺傳演演算法的產生和發展387
22.2 遺傳演演算法中的基本概念和術語389
22.3 遺傳演演算法的基本設計步驟391
22.4 遺傳演演算法的基本操作394
22.5 遺傳演演算法的有關理論399
22.6 遺傳演演算法的解題過程403
22.7 MATLAB遺傳演演算法工具箱405
22.8 模糊技術、神經網路和遺傳演演算法的結合407
習題408
23 倒立擺控制實例409
23.1 系統構成和控制方案409
23.2 倒立擺系統建模、模擬與分析412
23.3 系統軟體設計與調試443
23.4 系統調試與實驗結果446
23.5 倒立擺的模糊神經網路自適應控制448
部分習題參考答案452
主要參考文獻466
