控制系統(tǒng)理論及應(yīng)用

前言

　　控制系統(tǒng)理論的產(chǎn)生源于自動(dòng)化工程實(shí)踐的需要，并在機(jī)械、交通、武器、飛行器等各種系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的作用。20世紀(jì)中葉以來(lái)，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，隨著物質(zhì)經(jīng)濟(jì)向信息經(jīng)濟(jì)的迅速轉(zhuǎn)型，隨著信息化的進(jìn)程不斷深化，信息網(wǎng)絡(luò)正在成為現(xiàn)代社會(huì)最為重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，成為信息時(shí)代人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的命脈源泉。這就要求自動(dòng)控制專業(yè)和信息類專業(yè)人才必須掌握控制系統(tǒng)理論與技術(shù)?！　”窘滩氖亲詣?dòng)控制等專業(yè)本科生和研究生學(xué)習(xí)《現(xiàn)代控制理論》課程時(shí)的教科書(shū)，參考教學(xué)時(shí)數(shù)為40～60學(xué)時(shí)。本著加強(qiáng)基礎(chǔ)、突出重點(diǎn)、注重應(yīng)用的原則，本書(shū)以線性系統(tǒng)理論和最優(yōu)控制與估計(jì)為主要內(nèi)容。線性系統(tǒng)部分介紹了狀態(tài)空間表達(dá)式的建立與求解、標(biāo)準(zhǔn)型、可控性與可觀測(cè)性分析、穩(wěn)定性與魯棒性分析、結(jié)構(gòu)分解、狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)、解耦控制、協(xié)調(diào)控制；最優(yōu)控制與最優(yōu)估計(jì)部分介紹了經(jīng)典變分法求解最優(yōu)控制問(wèn)題、最小值原理及應(yīng)用、隨機(jī)系統(tǒng)及基本估計(jì)方法的基本方程等。　　大規(guī)模信息網(wǎng)絡(luò)是一類典型的“開(kāi)放的復(fù)雜的大系統(tǒng)”。而且，隨著技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，信息網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)將更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)也必將越來(lái)越多樣。為了保證大規(guī)模信息網(wǎng)絡(luò)高效可靠地運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)的管理與控制就成為頭等重要的任務(wù)。大規(guī)模信息網(wǎng)絡(luò)的管理與控制，需要大系統(tǒng)控制理論和智能控制理論的支持，控制系統(tǒng)理論是今后深入學(xué)習(xí)這些理論的基礎(chǔ)。此外，信息系統(tǒng)的其他方面自動(dòng)控制、智能控制與管理的需求也越來(lái)越迫切。因此，社會(huì)的發(fā)展對(duì)控制系統(tǒng)理論與技術(shù)人才提出了越來(lái)越迫切的需求，為自動(dòng)控制的人才提供了廣闊的馳騁天地?！　¤b于控制系統(tǒng)理論數(shù)學(xué)推證多，概念抽象，有些內(nèi)容學(xué)生不易理解，本教材在介紹有關(guān)基本概念時(shí)，力求在保證理論嚴(yán)密性的前提下，盡可能從概念上加以闡述，注意與經(jīng)典控制理論的銜接與對(duì)照，并配有合適的例題與習(xí)題。使學(xué)生能較快地掌握控制系統(tǒng)理論中的最基本內(nèi)容。另外，本書(shū)對(duì)某些較難的非基本內(nèi)容以模塊形式出現(xiàn)作為選學(xué)內(nèi)容，有利于教師根據(jù)實(shí)際情況，在不打亂全書(shū)系統(tǒng)性的情況下，靈活處理。

內(nèi)容概要

控制系統(tǒng)理論內(nèi)容豐富，本書(shū)以加強(qiáng)基礎(chǔ)、突出重點(diǎn)、注重應(yīng)用為原則，主要介紹線性系統(tǒng)的基本理論及其應(yīng)用、控制系統(tǒng)的不確定性與魯棒性分析、多變量協(xié)調(diào)控制、最優(yōu)控制與隨機(jī)最優(yōu)估計(jì)等內(nèi)容。在介紹有關(guān)基本概念時(shí)，力求在保持理論嚴(yán)密性的前提下，盡可能從工程實(shí)例來(lái)引入重要的概念和方法，使讀者能較快地掌握控制系統(tǒng)理論的基本內(nèi)容，為今后深入學(xué)習(xí)本學(xué)科的其他分支學(xué)科打好基礎(chǔ)。    本書(shū)可作為控制理論與控制工程專業(yè)本科生或研究生的教材或教學(xué)參考書(shū)，亦可供相關(guān)領(lǐng)域科技人員使用。

書(shū)籍目錄

緒論第1章  控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型  1.1  控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程    1.1.1  動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)    1.1.2 描述運(yùn)動(dòng)的微分方程    1.1.3  非線性方程的線性化    1.1.4  離散時(shí)間運(yùn)動(dòng)方程  1.2  線性微分方程的解    1.2.1  線性微分方程的標(biāo)準(zhǔn)解    1.2.2  線性微分方程的拉氏變換解    1.2.3  運(yùn)動(dòng)的模態(tài)  1.3  控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)    1.3.1  傳遞函數(shù)    1.3.2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖    1.3.3  傳遞函數(shù)極點(diǎn)與零點(diǎn)的相消  1.4  控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述    1.4.1  狀態(tài)空間的基本概念    1.4.2  狀態(tài)空間表達(dá)式    1.4.3  由系統(tǒng)微分方程建立狀態(tài)空間表達(dá)式    1.4.4  系統(tǒng)傳遞函數(shù)與狀態(tài)空間表達(dá)式的互換    1.4.5  組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式    1.4.6  離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式  1.5  系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的解    1.5.1  矩陣指數(shù)函數(shù)    1.5.2  狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣    1.5.3  狀態(tài)方程的解    1.5.4  系統(tǒng)特征值與模態(tài)的不變性  習(xí)題第2章  線性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析  2.1  特征值標(biāo)準(zhǔn)型    2.1.1  狀態(tài)空間的等價(jià)變換    2.1.2  系統(tǒng)的特征值和特征向量    2.1.3  對(duì)角線標(biāo)準(zhǔn)型    2.1.4  約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型    2.1.5  模態(tài)標(biāo)準(zhǔn)型  2.2  狀態(tài)可控性    2.2.1  狀態(tài)可控性定義    2.2.2  狀態(tài)可控性判據(jù)  2.3  狀態(tài)可觀性    2.3.1  狀態(tài)可觀性定義    2.3.2  狀態(tài)可觀性判據(jù)  2.4  狀態(tài)可控性與可觀性的對(duì)偶原理  2.5  狀態(tài)可控標(biāo)準(zhǔn)型和可觀標(biāo)準(zhǔn)型  2.6  線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解    2.6.1  按可控性分解    2.6.2  按可觀性分解    2.6.3  按可控性和可觀性分解  2.7  狀態(tài)可控性可觀性與傳遞函數(shù)矩陣    2.7.1  單輸入單輸出系統(tǒng)的零極相消    2.7.2  多輸入多輸出系統(tǒng)的零極相消    2.7.3  輸出可控性  2.8  傳遞函數(shù)矩陣的實(shí)現(xiàn)    2.8.1  實(shí)現(xiàn)和最小實(shí)現(xiàn)    2.8.2  標(biāo)量傳遞函數(shù)的實(shí)現(xiàn)  習(xí)題第3章  控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性分析  3.1  李雅普諾夫關(guān)于穩(wěn)定性的定義    3.1.1  運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及平衡狀態(tài)    3.1.2 穩(wěn)定性的幾個(gè)定義  3.2  李雅普諾夫第一法    3.2.1  線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性    3.2.2  非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性  3.3  李雅普諾夫第二法    3.3.1  預(yù)備知識(shí)    3.3.2  幾個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)    3.3.3  對(duì)李雅普諾夫函數(shù)的討論  3.4  李雅普諾夫方法在線性系統(tǒng)中的應(yīng)用    3.4.1  線性定常連續(xù)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定判據(jù)    3.4.2  線性定常離散時(shí)間系統(tǒng)漸近穩(wěn)定判據(jù)    3.4.3  系統(tǒng)響應(yīng)的快速性指標(biāo)    3.4.4  參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)    3.4.5  狀態(tài)反饋的設(shè)計(jì)  3.5  李雅普諾夫方法在非線性系統(tǒng)中的應(yīng)用    3.5.1  雅可比矩陣法    3.5.2  變量梯度法  3.6  系統(tǒng)不確定性與魯棒性    3.6.1  不確定模型    3.6.2  魯棒穩(wěn)定性    3.6.3  魯棒性能分析  習(xí)題第4章  線性定常系統(tǒng)的綜合  4.1  線性反饋控制系統(tǒng)    4.1.1  狀態(tài)反饋    4.1.2  輸出反饋    4.1.3  從輸出到狀態(tài)向量導(dǎo)數(shù)王反饋    4.1.4  動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器    4.1.5  閉環(huán)系統(tǒng)的可控性與可觀性  4.2  閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)配置    4.2.1  采用狀態(tài)反饋    4.2.2  采用輸出反饋    4.2.3  系統(tǒng)鎮(zhèn)定問(wèn)題  4.3  系統(tǒng)解耦問(wèn)題    4.3.1  前饋補(bǔ)償器解耦    4.3.2  狀態(tài)反饋解耦  4.4  多變量協(xié)調(diào)控制  4.5  狀態(tài)重構(gòu)    4.5.1  狀態(tài)觀測(cè)器定義    4.5.2 狀態(tài)觀測(cè)器的存在性    4.5.3  狀態(tài)觀測(cè)器的實(shí)現(xiàn)    4.5.4  降維觀測(cè)器  4.6  帶有狀態(tài)觀測(cè)器的反饋控制系統(tǒng)    4.6.1  系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)空間表達(dá)式    4.6.2  閉環(huán)系統(tǒng)的基本特征    4.6.3  狀態(tài)反饋系統(tǒng)與輸出反饋系統(tǒng)  4.7  有外擾時(shí)控制系統(tǒng)的綜合    4.7.1  調(diào)節(jié)器問(wèn)題    4.7.2  閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)無(wú)差的判據(jù)    4.7.3  外擾狀態(tài)可直接測(cè)量時(shí)的綜合  4.8  魯棒調(diào)節(jié)器    4.8.1  常值擾動(dòng)下的魯棒調(diào)節(jié)器    4.8.2  魯棒調(diào)節(jié)器的構(gòu)造  習(xí)題第5章  最優(yōu)控制與最優(yōu)估計(jì)  5.1  最優(yōu)控制的數(shù)學(xué)描述    5.1.1  最優(yōu)控制問(wèn)題的實(shí)例    5.1.2  最優(yōu)控制問(wèn)題的基本概念  5.2  變分法及其在最優(yōu)控制中的應(yīng)用    5.2.1  泛函與變分的基本概念    5.2.2  泛函極值條件    5.2.3  應(yīng)用變分法求解最優(yōu)控制問(wèn)題  5.3  極小值原理及應(yīng)用    5.3.1  基本原理    5.3.2  Bang—Bang控制    5.3.3  雙積分系統(tǒng)的時(shí)間最優(yōu)控制  5.4  隨機(jī)系統(tǒng)及基本估計(jì)方法    5.4.1  隨機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)    5.4.2  最小方差估計(jì)與線性最小方差估計(jì)  習(xí)題第六章  MATLAB應(yīng)用實(shí)例  6.1  引言  6.2  狀態(tài)空間模型的建立與變換  6.3  狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣與狀態(tài)方程的求解  6.4  狀態(tài)響應(yīng)求解與響應(yīng)曲線繪制  6.5  可控性與可觀性的判斷與分解  6.6  系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)型的求解  6.7  系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析  6.8  閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)配置  6.9  狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)  6.10  二次最優(yōu)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)

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