線性控制系統(tǒng)理論與方法

前言

控制科學(xué)與技術(shù)在20世紀(jì)的人類科技進(jìn)步中起到了舉足輕重的作用。它對(duì)解決當(dāng)今社會(huì)的許多挑戰(zhàn)性問題產(chǎn)生了積極的影響，也提供了科學(xué)的思想方法論。它為許多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化奠定了理論基礎(chǔ)，提供了先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和先進(jìn)的控制儀器及裝備。特別是數(shù)字計(jì)算機(jī)的廣泛使用，為控制科學(xué)與技術(shù)開辟了更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。回顧近百年工程技術(shù)的發(fā)展，我們看到，20世紀(jì)的控制科學(xué)與技術(shù)是在實(shí)踐的重大需求驅(qū)動(dòng)下快速發(fā)展的，它經(jīng)歷了若干重要的發(fā)展時(shí)期：20世紀(jì)初的Lyapunov穩(wěn)定理論和PID控制律概念，20年代的反饋放大器，30年代的Nyquist圖與Bode圖，40年代維納的控制論，50年代的貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論和龐特里亞金極大值原理，60年代的卡爾曼濾波器、系統(tǒng)狀態(tài)空間法、系統(tǒng)能控性和能觀測(cè)性，70年代的自校正控制和自適應(yīng)控制，80年代針對(duì)系統(tǒng)不確定狀況的魯棒控制，90年代基于智能信息處理的智能控制理論。如今，控制論已經(jīng)成為一門理論嚴(yán)謹(jǐn)、內(nèi)容豐富、分支眾多、發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的學(xué)科領(lǐng)域。線性控制系統(tǒng)理論是系統(tǒng)與控制科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，它主要以線性系統(tǒng)為研究對(duì)象，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，線性系統(tǒng)理論的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟與完善。線性系統(tǒng)理論的重要性在于它的基礎(chǔ)性，其中的概念、方法、處理問題的思路和所獲得的結(jié)論，對(duì)于系統(tǒng)和控制理論的許多學(xué)科分支，諸如最優(yōu)控制、魯棒控制、非線性控制、隨機(jī)控制、分布參數(shù)系統(tǒng)和離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)等，都具有重要的作用，因而成為學(xué)習(xí)和研究這些學(xué)科必不可少的基礎(chǔ)知識(shí)。目前，線性系統(tǒng)理論已成為國內(nèi)外大學(xué)系統(tǒng)與控制科學(xué)方向各個(gè)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程。

內(nèi)容概要

本書闡述了系統(tǒng)與控制科學(xué)領(lǐng)域中最基礎(chǔ)的線性控制系統(tǒng)理論與方法，主要講述線性控制系統(tǒng)的時(shí)域理論與方法，并從動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模、分析與綜合三個(gè)方面系統(tǒng)地介紹了控制理論的基本概念和方法。全書共8章，內(nèi)容包括：動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸入／輸出模型、狀態(tài)空間模型；線性系統(tǒng)的定量分析法（包括經(jīng)典控制理論）和線性系統(tǒng)的定性分析法（包括穩(wěn)定性、能控性和能觀測(cè)性）；線性系統(tǒng)的綜合和控制方法（包括穩(wěn)定化法、極點(diǎn)配置法、解耦法、跟蹤問題及觀測(cè)器的理論和方法以及魯棒控制）等。    本書既可作為應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)、信息與計(jì)算專業(yè)及自動(dòng)化專業(yè)本科和研究生教材，也可作為控制工程、系統(tǒng)工程專業(yè)研究生和科技工作者的參考用書。

書籍目錄

第1章 緒論  1.1 控制科學(xué)的歷史與現(xiàn)狀  1.2 控制問題的分類  1.3 線性控制系統(tǒng)理論的主要內(nèi)容  1.4 與控制論相關(guān)的國際國內(nèi)雜志和國內(nèi)外會(huì)議名稱第2章 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)介紹  2.1 常數(shù)矩陣的幾個(gè)基本概念和結(jié)論  2.2 多項(xiàng)式矩陣  2.3 矩陣分式  2.4 線性矩陣方程  2.5 拉普拉斯變換  習(xí)題第3章 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型  3.1 系統(tǒng)模型的建立  3.2 單變量系統(tǒng)輸入／輸出模型與狀態(tài)空間模型的關(guān)系  3.3 多變量系統(tǒng)輸入／輸出模型與狀態(tài)空間模型的關(guān)系  3.4 線性系統(tǒng)規(guī)范型狀態(tài)方程  3.5 代數(shù)等價(jià)線性系統(tǒng)的不變特性  3.6 組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型和傳遞函數(shù)矩陣  習(xí)題第4章 線性系統(tǒng)的定量分析法  4.1 單變量系統(tǒng)時(shí)域分析法  4.2 頻率響應(yīng)分析法  4.3 線性系統(tǒng)狀態(tài)方程解的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)  4.4 線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和脈沖響應(yīng)矩陣  4.5 線性時(shí)變系統(tǒng)的時(shí)域分析  4.6 線性連續(xù)系統(tǒng)的離散化及線性離散系統(tǒng)分析  習(xí)題第5章 線性系統(tǒng)的能控性和能觀測(cè)性  5.1 能控性定義及其判據(jù)  5.2 能觀測(cè)性定義及其判據(jù)  5.3 對(duì)偶性原理  5.4 線性離散時(shí)間系統(tǒng)能控性和能觀測(cè)性  5.5 能控規(guī)范型和能觀測(cè)規(guī)范型  5.6 線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解  習(xí)題第6章 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性  6.1 外部穩(wěn)定性和內(nèi)部穩(wěn)定性  6.2 Lyapunov穩(wěn)定性  6.3 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)  6.4 離散時(shí)間系統(tǒng)的穩(wěn)定性和判據(jù)  習(xí)題第7章 線性反饋系統(tǒng)的時(shí)間域綜合  7.1 綜合問題的提法及類型和性質(zhì)  7.2 極點(diǎn)配置問題  7.3 輸入／輸出解耦控制問題  7.4 跟蹤問題：無靜差性和魯棒控制  7.5 狀態(tài)重構(gòu)問題及狀態(tài)觀測(cè)器  7.6 含有狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)  習(xí)題第8章 不確定線性系統(tǒng)的魯棒控制  8.1 引言  8.2 系統(tǒng)描述和問題的定義  8.3 不確定線性系統(tǒng)的二次穩(wěn)定條件  8.4 不確定線性系統(tǒng)的魯棒控制  8.5 不確定線性時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒非脆弱控制  習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：控制概念的關(guān)鍵是反饋，它的工程概念是指用一個(gè)機(jī)器或過程偏離所期望的運(yùn)行狀態(tài)的偏差來推動(dòng)一個(gè)裝置，使機(jī)器或過程回到期望的狀態(tài)?？刂聘拍畹囊话愣x為：對(duì)于某個(gè)確定對(duì)象或過程，根據(jù)給定的目標(biāo)或任務(wù)所采取的行為或決策。控制系統(tǒng)是由相互關(guān)聯(lián)和相互作用的若干組成部分按一定規(guī)律組合而成的具有特定功能的整體。系統(tǒng)可具有完全不同的屬性，如工程系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)等。但是，在系統(tǒng)理論中，常常抽去具體系統(tǒng)的物理或社會(huì)含義而把它抽象化為一個(gè)一般意義下的系統(tǒng)加以研究，這種處理方法有助于揭示系統(tǒng)的一般特性。系統(tǒng)的概念具有相對(duì)性。系統(tǒng)最基本的每個(gè)組成部分也可以是一個(gè)系統(tǒng)，而系統(tǒng)自身又可以是一個(gè)更大系統(tǒng)的組成部分。系統(tǒng)最基本的特征是它的整體性，它的行為和性能是由其整體所決定的，系統(tǒng)可以具有其組成部分所沒有的功能，有著相同組成部分但它們的關(guān)聯(lián)和作用關(guān)系不同的兩個(gè)系統(tǒng)可呈現(xiàn)出很不相同的行為和功能。自然界有許多控制系統(tǒng)，如人體溫度的調(diào)節(jié)是由于代謝發(fā)熱和蒸發(fā)冷卻的作用，血糖量的自動(dòng)控制是由于對(duì)抗的激素胰島素和高血糖素的作用，人體運(yùn)動(dòng)的光學(xué)反饋等。這些都是人體生理方面的例子。還有許多工程控制系統(tǒng)，如自動(dòng)化生產(chǎn)線、導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)、人口控制系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等?？梢哉f控制系統(tǒng)無處不在，遍布社會(huì)的方方面面。在系統(tǒng)與控制理論中，我們將主要研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通常也稱其為動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可用一組微分或差分方程來描述，并且可對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和各種性質(zhì)給出嚴(yán)格的和定量的數(shù)學(xué)描述。當(dāng)描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程具有線性屬性時(shí)，稱相應(yīng)的系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)是一類最簡單且研究得最多的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，眾所周知，線性系統(tǒng)滿足疊加原理，使得它在數(shù)學(xué)處理上非常簡便，可以采用比較成熟的數(shù)學(xué)工具，如數(shù)學(xué)變換和線性代數(shù)來研究它的規(guī)律。

編輯推薦

《線性控制系統(tǒng)理論與方法》為西安電子科技大學(xué)出版社出版。

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