現代控制理論基礎

• 書名現代控制理論基礎（第2版）

• 書號978-7-118-10421-9

• 作者王劃一、楊西俠、林家恆

• 出版時間2015年9月

• 譯者

• 版次2版1次

• 開本16

• 裝幀平裝

• 出版基金

• 頁數433

• 字數643

• 中圖分類O231

• 叢書名普通高等院校十三五規劃教材

• 定價48.00

本書是針對理工科高年級學生編寫的控制系統領域基礎理論教科書。本書詳細地論述了控制系統的狀態空間分析的基本方法及狀態空間綜合的基本理論與方法。

包括狀態空間模型的建立，狀態方程的求解，線性控制系統的能控性和能觀測性及狀態反饋與狀態觀測器設計，控制系統的李雅普諾夫穩定性分析等基本內容。另外，為了加強實踐環節的教學，最後一章是MATLAB模擬方法和模擬實驗方法的實驗內容，以及倒立擺的實時控制實驗，從倒立擺的建模、MATLAB模擬及實時控制這樣針對實際的系統構建了一個完整的實驗環節。這些精心設計的實驗非常有力地配合了教材的理論學習，有效地彌補了近年來教學實驗環節的不足，大大提高了教學效果。

本書編寫的另一特色是實現了習題解答、學習輔導與科教書的三者合一，引導學生省時省力地進行學習，對考研的同學有重要幫助。本書適合於高年級本科生、研究生、工程技術人員及計算機開發人員使用。"

緒論1

第1章 控制系統的狀態空間模型3

1.1 控制系統的狀態空間表達式3

1.1.1 狀態、狀態變數和狀態空間3

1.1.2 控制系統的狀態空間表達式6

1.1.3 線性系統狀態空間表達式的結構圖和信號流圖11

1.2 建立狀態空間表達式的直接方法12

1.2.1 單變數系統舉例12

1.2.2 多變數系統舉例14

1.3 單變數系統線性微分方程轉換為狀態空間表達式15

1.3.1 輸入函數中不包含導數項時的變換16

1.3.2 輸入函數中包含導數項時的變換17

1.4 單變數系統傳遞函數變換為狀態空間表達式22

1.4.1 與微分方程形式直接對應的變換法23

1.4.2 基於梅遜公式的信號流圖法27

1.4.3 部分分式法化對角線標準形或約當標準形29

1.5 結構圖分解法建立狀態空間表達式36

1.5.1 基本環節的狀態變數圖36

1.5.2 閉環系統結構圖的狀態變數實現40

1.6 狀態方程的線性變換41

1.6.1 狀態向量的線性變換42

1.6.2 系統特徵值的不變性45

1.6.3 化系統矩陣A為對角標準形或約當標準形47

1.7 多變數系統的傳遞函數陣65

1.7.1 傳遞函數陣的概念65

1.7.2 系統傳遞函數陣的直接求法和結構圖求法66

1.7.3 由狀態空間表達式求傳遞函數陣68

1.7.4 傳遞函數陣的不變性69

1.7.5 子系統串並聯與閉環系統傳遞函數陣71

解題示範76

學習指導與小結91

習題97

第2章 控制系統的狀態方程求解102

2.1 線性定常系統狀態方程的解102

2.1.1 齊次狀態方程的解102

2.1.2 狀態轉移矩陣104

2.1.3 非齊次狀態方程的解107

2.1.4 系統的脈衝響應及脈衝響應矩陣109

2.2 線性定常連續系統狀態轉移矩陣的幾種演演算法110

2.2.1 拉普拉斯變換法110

2.2.2 冪級數法——直接計演演算法110

2.2.3 對角形法與約當形法111

2.2.4 化eAt為A的有限項法114

2.2.5 最小多項式118

2.3 線性離散系統的狀態空間表達式及連續系統的離散化119

2.3.1 線性離散系統狀態空間表達式119

2.3.2 線性定常連續系統狀態方程的離散化121

2.3.3 線性連續系統狀態方程離散化的近似方法123

2.4 線性定常離散系統狀態方程求解124

2.4.1 迭代法求解124

2.4.2 z變換法求解125

2.4.3 離散系統的狀態轉移矩陣127

解題示範129

學習指導與小結138

習題140

第3章 控制系統的狀態空間分析142

3.1 線性控制系統能控性和能觀測性概述142

3.2 線性連續系統的能控性142

3.2.1 狀態能控性142

3.2.2 線性定常系統的狀態能控性143

3.2.3 線性定常系統的輸出能控性148

3.3 線性連續系統的能觀測性150

3.3.1 狀態能觀測性150

3.3.2 線性定常連續系統的狀態能觀測性150

3.4 線性離散系統的能控性和能觀測性153

3.4.1 線性定常離散系統的能控性153

3.4.2 線性定常離散系統的能觀測性156

3.4.3 離散化系統的能控性和能觀測性157

3.5 對偶性原理160

3.6 系統的能控性和能觀測性與傳遞函數陣的關係161

3.6.1 系統的結構分解161

3.6.2 系統傳遞函數中零點、極點相消定理170

3.7 系統的能控標準形和能觀測標準形172

3.7.1 系統的能控標準形172

3.7.2 系統的能觀測標準形175

3.8 實現問題177

3.8.1 定義和基本特性178

3.8.2 按標準形實現178

3.8.3 最小實現183

解題示範185

學習指導與小結195

習題198

第4章 控制系統的狀態空間綜合202

4.1 狀態反饋和輸出反饋203

4.1.1 狀態反饋203

4.1.2 輸出反饋204

4.1.3 閉環系統的能控性和能觀測性205

4.2 極點配置207

4.2.1 狀態反饋極點配置207

4.2.2 具有輸入變換器和串聯補償器的狀態反饋極點配置212

4.2.3 輸出反饋極點配置215

4.3 解耦控制216

4.3.1 解耦的定義216

4.3.2 串聯解耦217

4.3.3 狀態反饋解耦219

4.4 狀態觀測器設計222

4.4.1 狀態重構原理223

4.4.2 全維狀態觀測器的設計224

4.4.3 降維狀態觀測器的設計226

4.5 帶狀態觀測器的狀態反饋閉環系統230

4.5.1 系統的結構230

4.5.2 系統的基本特性232

解題示範234

學習指導與小結244

習題245

第5章 控制系統的李雅普諾夫穩定性分析249

5.1 李雅普諾夫穩定性定義249

5.1.1 平衡狀態249

5.1.2 范數的概念250

5.1.3 李雅普諾夫穩定性定義251

5.2 李雅普諾夫穩定性理論252

5.2.1 李雅普諾夫第一法253

5.2.2 二次型函數255

5.2.3 李雅普諾夫第二法257

5.3 線性系統的李雅普諾夫穩定性分析262

5.3.1 線性定常連續系統262

5.3.2 線性時變連續系統265

5.3.3 線性定常離散系統266

5.3.4 線性時變離散系統268

5.4 非線性系統的李雅普諾夫穩定性分析269

5.4.1 克拉索夫斯基法269

5.4.2 阿依捷爾曼法273

5.4.3 變數－梯度法276

5.5 李雅普諾夫第二法在系統設計中的應用279

5.5.1 狀態反饋的設計279

5.5.2 用李雅普諾夫函數估算系統響應的快速性280

5.5.3 參數最優化設計282

解題示範284

學習指導與小結289

習題291

第6章 現代控制理論的MATLAB模擬與系統試驗

294

6.1 MATLAB簡介294

6.1.1 MATLAB的安裝294

6.1.2 MATLAB工作界面295

6.1.3 MATLAB命令窗口296

6.2 MATLAB基本操作命令297

6.2.1 簡單矩陣的輸入297

6.2.2 複數矩陣的輸入298

6.2.3 MATLAB語句和變數298

6.2.4 語句以“%”開始和以分號“；”結束的特殊效用299

6.2.5 工作空間信息的獲取、退出和保存299

6.2.6 常數與算術運算符299

6.2.7 選擇輸出格式299

6.2.8 MATLAB圖形窗口300

6.2.9 剪貼板的使用300

6.2.10 MATLAB編程指南301

6.3 MATLAB用於控制系統的計算與建模302

6.3.1 用MATLAB建立系統數學模型302

6.3.2 模型之間的轉換306

6.3.3 子系統的連接311

6.3.4 系統的零點、極點及特徵多項式316

6.3.5 狀態的線性變換與標準形320

6.3.6 LTI對象的域元素求取326

6.4 MATLAB用於控制系統的分析與設計329

6.4.1 MATLAB繪製二維圖形的基本知識329

6.4.2 用MATLAB分析控制系統性能333

6.4.3 控制系統的設計344

6.5 Simulink方法建模與模擬350

6.6 現代控制理論的模擬實驗與Simulink模擬355

實驗一 時間響應測試356

實驗二 狀態觀測器設計及帶觀測器的閉環系統響應測試363

實驗三 多變數解耦控制369

6.7 現代控制理論的倒立擺實時控制實驗379

6.7.1 倒立擺系統簡介379

6.7.2 運動控制基礎實驗382

實驗一 直線一級倒立擺建模406

實驗二 一級倒立擺狀態變數的時間響應411

實驗三 一級倒立擺狀態反饋設計及時間響應413

實驗四 直線一級倒立擺狀態反饋實時控制419

實驗五 直線一級倒立擺自動擺起控制實驗424

實驗六 直線一級順擺建模和實時控制427

實驗七 直線一級倒立擺狀態觀測器的設計430

實驗八 直線一級倒立擺帶狀態觀測器的狀態反饋實時控制430

實驗九 直線一級倒立擺系統穩定的控制器的設計及實時控制431

附錄 MATLAB常用命令432

參考文獻434"