現(xiàn)代控制理論

前言

隨著科學技術(shù)的不斷進步，電氣工程與自動化技術(shù)正以令人矚目的發(fā)展速度，改變著我國工業(yè)的整體面貌。同時，對社會的生產(chǎn)方式、人們的生活方式和思想觀念也產(chǎn)生了重大的影響，并在現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著與信息科學、計算機科學和能源科學等相關(guān)學科的交叉融合，它正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的方向發(fā)展。教育是培養(yǎng)人才和增強民族創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)，高等學校作為國家培養(yǎng)人才的主要基地，肩負著教書育人的神圣使命。在實際教學中，根據(jù)社會需求，構(gòu)建具有時代特征、反映最新科技成果的知識體系是每個教育工作者義不容辭的光榮任務。教書育人，教材先行。機械工業(yè)出版社幾十年來出版了大量的電氣工程與自動化類教材，有些教材十幾年、幾十年長盛不衰，有著很好的基礎(chǔ)。為了適應我國目前高等學校電氣工程與自動化類專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，配合各高等學校的教學改革進程，滿足不同類型、不同層次的學校在課程設(shè)置上的需求，由中國機械工業(yè)教育協(xié)會電氣工程及自動化學科教育委員會、中國電工技術(shù)學會高校工業(yè)自動化教育專業(yè)委員會、機械工業(yè)出版社共同發(fā)起成立了“全國高等學校電氣工程與自動化系列教材編審委員會”，組織出版新的電氣工程與自動化類系列教材。這類教材基于“加強基礎(chǔ)，削枝強干。循序漸進，力求創(chuàng)新"的原則，通過對傳統(tǒng)課程內(nèi)容的整合、交融和改革，以不同的模塊組合來滿足各類學校特色辦學的需要。并力求做到：1.適用性：結(jié)合電氣工程與自動化類專業(yè)的培養(yǎng)目標、專業(yè)定位，按技術(shù)基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課和教學實踐等環(huán)節(jié)，進行選材組稿。對有的具有特色的教材采取一綱多本的方法。注重課程之間的交叉與銜接，在滿足系統(tǒng)性的前提下，盡量減少內(nèi)容上的重復。2.示范性：力求教材中展現(xiàn)的教學理念、知識體系、知識點和實施方案在本領(lǐng)域中具有廣泛的輻射性和示范性，代表并引導教學發(fā)展的趨勢和方向。3.創(chuàng)新性：在教材編寫中強調(diào)與時俱進，對原有的知識體系進行實質(zhì)性的改革和發(fā)展，鼓勵教材涵蓋新體系、新內(nèi)容、新技術(shù)，注重教學理論創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新，以適應新形勢下的教學規(guī)律。4.權(quán)威性：本系列教材的編委由長期工作在教學第一線的知名教授和學者組成。他們知識淵博，經(jīng)驗豐富，組稿過程嚴謹細致，對書目確定、主編征集、資料申報和專家評審等都有明確的規(guī)范和要求。

內(nèi)容概要

本書介紹現(xiàn)代控制理論最基本的知識和方法，內(nèi)容以線性系統(tǒng)理論基本知識為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)狀態(tài)空間描述、線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性分析、線性定常系統(tǒng)狀態(tài)反饋綜合為重點，并適當介紹了非線性系統(tǒng)分析及最優(yōu)控制、最優(yōu)估計的初步知識。本書力求基本知識結(jié)構(gòu)的完整，注重知識內(nèi)容與物理概念的結(jié)合，并關(guān)注理論的工程應用，還融入了Matlab及Simulink的應用。    本書配有免費電子課件，歡迎選用本書作教材的老師登錄www．cmpedu．com注冊下載或發(fā)郵件到wbj@cmpbook．com索取。    本書較適用于“研究主導型”及“工程研究應用型”自動化類專業(yè)本科生，也可供其他相關(guān)專業(yè)本科生或研究生及相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員使用。

作者簡介

　　趙光宙，1946年生，1970年畢業(yè)于清華大學工業(yè)電氣自動化專業(yè)，分別于1981年、1988年獲浙江大學工業(yè)自動化專業(yè)碩士學位和電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)博士學位。現(xiàn)為浙江大學電氣工程學院教授、博士生導師，擔任電氣工程學院學術(shù)委員會主任。浙江大學寧波理工學院信息科學與工

書籍目錄

序前言緒論　　一、控制理論的發(fā)展回顧　　二、現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容　　三、Mtlb控制系統(tǒng)工具箱簡介　　四、關(guān)于本書　思考題第一章 動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述　第一節(jié) 狀態(tài)空間描述的基本概念　　一、狀態(tài)和狀態(tài)空間　　二、系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式　　三、系統(tǒng)狀態(tài)空間描述的圖示形式　　四、穩(wěn)態(tài)方程和偏差量方程　第二節(jié) 狀態(tài)空間表達式的建立　　一、從系統(tǒng)的運行機理出發(fā)建立狀態(tài)空間表達式　　二、由經(jīng)典控制理論中的系統(tǒng)運動方程式建立狀態(tài)空間表達式　　三、由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖建立狀態(tài)空間表達式　第三節(jié) 由系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式求系統(tǒng)輸入輸出描述　　一、單輸入單輸出的情況　　二、多輸入多輸出的情況　　三、組合系統(tǒng)　第四節(jié) 狀態(tài)空間的線性變換　　一、狀態(tài)變量的線性變換　　二、系統(tǒng)特征結(jié)構(gòu)的不變性　　三、將系統(tǒng)的一般狀態(tài)空間描述變換為特征值規(guī)范型　第五節(jié) 離散時間系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述　　一、離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式　　二、由差分方程或脈沖傳遞函數(shù)化為狀態(tài)空間表達式　　三、由狀態(tài)空間表達式求脈沖傳遞函數(shù)矩陣　第六節(jié) 應用Mtlb的模型處理　　一、系統(tǒng)模型的表示　　二、傳遞函數(shù)模型與狀態(tài)空間模型的相互轉(zhuǎn)換　　三、線性變換　　四、組合系統(tǒng)的模型　　本章要點　　思考題　　練習題　　上機練習題第二章 線性動態(tài)系統(tǒng)的運動分析　第一節(jié) 線性定常系統(tǒng)的運動分析　　一、線性定常系統(tǒng)齊次狀態(tài)方程的解　　二、狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)　　三、狀態(tài)運動模態(tài)　　四、矩陣指數(shù)et的計算方法　　五、線性定常系統(tǒng)非齊次狀態(tài)方程的解　第二節(jié) 線性時變系統(tǒng)的運動分析　　一、線性時變齊次狀態(tài)方程的解　　二、線性時變系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)　　三、線性時變非齊次狀態(tài)方程的解　第三節(jié) 線性離散系統(tǒng)的運動分析　　一、離散系統(tǒng)狀態(tài)方程的解　　二、線性連續(xù)系統(tǒng)的離散化　第四節(jié) 應用Mtlb的系統(tǒng)運動分析　　一、線性定常連續(xù)系統(tǒng)的運動分析　　二、連續(xù)系統(tǒng)的離散化　　三、線性定常離散系統(tǒng)的運動分析　　本章要點　　思考題　　練習題　　上機練習題第三章 動態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及李雅普諾夫分析方法　第一節(jié) 穩(wěn)定性基本概念　　一、外部穩(wěn)定性與內(nèi)部穩(wěn)定性　　二、李雅普諾夫穩(wěn)定性基本概念　第二節(jié) 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析方法　　一、李雅普諾夫第一法　　二、李雅普諾夫第二法　第三節(jié) 線性系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析方法　　一、定常連續(xù)系統(tǒng)　　二、時變連續(xù)系統(tǒng)　　三、定常離散系統(tǒng)　　四、時變離散系統(tǒng)　第四節(jié) 非線性系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析方法　　一、克拉索夫斯基法　　二、變量梯度法　第五節(jié) 應用Mtlb的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析　　一、基于李雅普諾夫第一法的穩(wěn)定性分析　　二、基于李雅普諾夫第二法的穩(wěn)定性分析　本章要點　思考題　練習題　上機練習題第四章 線性系統(tǒng)的能控性與能觀性分析　第一節(jié) 系統(tǒng)能控性和能觀性的直觀示例　第二節(jié) 連續(xù)系統(tǒng)能控性及其判據(jù)　　一、能控性定義　　二、能控性基本判據(jù)　　三、定常系統(tǒng)能控性判據(jù)　　四、定常系統(tǒng)的輸出能控性　第三節(jié) 連續(xù)系統(tǒng)能觀性及其判據(jù)　　一、能觀性定義　　二、能觀性基本判據(jù)　　三、能控性與能觀性的對偶關(guān)系　　四、定常系統(tǒng)能觀性判據(jù)　第四節(jié) 線性離散系統(tǒng)的能控性與能觀性　　一、能控性　　二、能觀性　　三、連續(xù)系統(tǒng)離散化后的能控性和能觀性　第五節(jié) 線性定常系統(tǒng)的能控規(guī)范型與能觀規(guī)范型　　一、單輸入單輸出系統(tǒng)　　二、多輸入多輸出系統(tǒng)　第六節(jié) 線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解　　一、系統(tǒng)能控性、能觀性在線性變換下的屬性　　二、按能控性分解　　三、按能觀性分解　　四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)范分解　　五、線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解與傳遞函數(shù)矩陣　第七節(jié) 能控性、能觀性與傳遞函數(shù)(矩陣)的關(guān)系　　一、單輸入單輸出系統(tǒng)　　二、多輸入多輸出系統(tǒng)　　三、能控、能觀系統(tǒng)外部穩(wěn)定性與內(nèi)部穩(wěn)定性的等價　第八節(jié) 應用Mtlb的系統(tǒng)能控性、能觀性分析　　一、系統(tǒng)能控性、能觀性判別　　二、線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解　本章要點　思考題　練習題　上機練習題第五章 線性反饋控制系統(tǒng)的綜合第六章 狀態(tài)觀測與狀態(tài)最優(yōu)估計第七章 現(xiàn)代控制理論的應用舉例參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：“自動化”是現(xiàn)代化的顯著標志之一，它可以理解為一個設(shè)備、一個系統(tǒng)或者一個過程采用一系列特定的技術(shù)，在沒有人參與或盡量少人參與的情況下實現(xiàn)預期目標的運行過程或運行狀態(tài)。其中所采用的技術(shù)就是自動控制技術(shù)，而這一技術(shù)的理論基礎(chǔ)是自動控制理論。自動控制系統(tǒng)是指能夠?qū)崿F(xiàn)“自動化”任務的設(shè)備，它是工程技術(shù)領(lǐng)域的人造系統(tǒng)。通常自動控制系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)，即系統(tǒng)的輸出不僅與同一時刻的輸入有關(guān)，還與該時刻以前的積累有關(guān)。自動控制系統(tǒng)一般由控制器和控制對象組成，為了實現(xiàn)自動控制的目的，控制器要遵循一定的控制規(guī)律，這就是自動控制理論所研究和闡述的內(nèi)容。自動控制理論從三個方面對自動控制系統(tǒng)進行研究和闡述：1.系統(tǒng)的模型系統(tǒng)是一個廣義的概念，它無處不在、無時不有，大到宇宙、小到一個原子都可以看做系統(tǒng)。系統(tǒng)物理形態(tài)的多樣性要求在研究具體系統(tǒng)時能拋開它的物理屬性，而用一種抽象化的表示，即稱為系統(tǒng)模型的形式表示出來。通常，可以把一個動態(tài)系統(tǒng)所處的狀態(tài)分為運動和靜止兩種，運動狀態(tài)是指系統(tǒng)中變化的量尚處于變化過程的狀態(tài)，而靜止狀態(tài)是指系統(tǒng)中的變量已達到某一定值并不再變化的狀態(tài)。各種系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)都會滿足一定的規(guī)律，如果這些規(guī)律可以用數(shù)學方程式的形式表示出來，就得到系統(tǒng)的數(shù)學模型。從形式化的角度來看，系統(tǒng)的數(shù)學模型只描述了系統(tǒng)中各個變量之間的相互關(guān)系，而完全不再理會它們的物理特征，如一個機械一力學系統(tǒng)和一個電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以用同一個數(shù)學方程式描述。自動控制系統(tǒng)中較受關(guān)注的是系統(tǒng)的動態(tài)，所以描述系統(tǒng)動態(tài)的動態(tài)方程是控制理論研究的主要對象。2.系統(tǒng)的分析已知一個自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，即給出了表示系統(tǒng)運動規(guī)律的數(shù)學模型，研究這個自動控制系統(tǒng)具有什么樣的特性，是自動控制理論所研究的第二方面的問題，即系統(tǒng)的分析。3.控制系統(tǒng)的綜合已知對控制系統(tǒng)性能指標的要求，確定控制系統(tǒng)應具有怎樣的結(jié)構(gòu)組成才能滿足該要求，這是系統(tǒng)分析的逆命題。因為自動控制系統(tǒng)中被控對象、測量環(huán)節(jié)等都是確定的，可變的只有控制環(huán)節(jié)，所以控制系統(tǒng)所應具有的結(jié)構(gòu)組成只能落實到控制環(huán)節(jié)中實現(xiàn)。這時也可以理解為控制器應采用什么樣的控制規(guī)律去滿足控制系統(tǒng)的性能指標要求。這就是控制器的設(shè)計問題，它是自動控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。這里要說明的是，自動控制理論所關(guān)注的是控制器應具有什么樣的形式（主要指應具有什么樣的數(shù)學描述），而不關(guān)心它的具體物理實現(xiàn)，例如采用什么樣的電路，由哪些元器件組成，這些元器件如何布排等，所以稱之為“綜合”比“設(shè)計”更合適。

編輯推薦

《現(xiàn)代控制理論》為普通高等教育電氣工程與自動化類“十一五”規(guī)劃教材

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