控制系统理论及应用PDF电子书下载

绪论 1

第1章 控制系统的数学模型 7

1.1控制系统的运动方程 7

1.1.1动力学系统 7

1.1.2描述运动的微分方程 8

1.1.3非线性方程的线性化 8

1.1.4离散时间运动方程 10

1.2线性微分方程的解 11

1.2.1线性微分方程的标准解 11

1.2.2线性微分方程的拉氏变换解 16

1.2.3运动的模态 17

1.3控制系统的传递函数 20

1.3.1传递函数 20

1.3.2系统结构图 22

1.3.3传递函数极点与零点的相消 24

1.4控制系统的状态空间描述 29

1.4.1状态空间的基本概念 30

1.4.2状态空间表达式 32

1.4.3由系统微分方程建立状态空间表达式 34

1.4.4系统传递函数与状态空间表达式的互换 41

1.4.5组合系统的状态空间表达式 46

1.4.6离散系统的状态空间表达式 50

1.5系统状态空间表达式的解 57

1.5.1矩阵指数函数 57

1.5.2状态转移矩阵 61

1.5.3状态方程的解 68

1.5.4系统特征值与模态的不变性 76

习题 79

第2章 线性控制系统的结构分析 83

2.1特征值标准型 84

2.1.1状态空间的等价变换 84

2.1.2系统的特征值和特征向量 86

2.1.3对角线标准型 87

2.1.4约当标准型 90

2.1.5模态标准型 99

2.2状态可控性 102

2.2.1状态可控性定义 102

2.2.2状态可控性判据 104

2.3状态可观性 111

2.3.1状态可观性定义 111

2.3.2状态可观性判据 112

2.4状态可控性与可观性的对偶原理 116

2.5状态可控标准型和可观标准型 117

2.6线性系统的结构分解 123

2.6.1按可控性分解 124

2.6.2按可观性分解 127

2.6.3按可控性和可观性分解 129

2.7状态可控性可观性与传递函数矩阵 132

2.7.1单输入单输出系统的零极相消 132

2.7.2多输入多输出系统的零极相消 135

2.7.3输出可控性 137

2.8传递函数矩阵的实现 137

2.8.1实现和最小实现 137

2.8.2标量传递函数的实现 139

习题 141

第3章 控制系统的稳定性与鲁棒性分析 145

3.1李雅普诺夫关于稳定性的定义 146

3.1.1运动稳定性及平衡状态 146

3.1.2稳定性的几个定义 147

3.2李雅普诺夫第一法 149

3.2.1线性系统的稳定性 150

3.2.2非线性系统的稳定性 150

3.3李雅普诺夫第二法 152

3.3.1预备知识 153

3.3.2几个稳定性判据 155

3.3.3对李雅普诺夫函数的讨论 159

3.4李雅普诺夫方法在线性系统中的应用 160

3.4.1线性定常连续系统渐近稳定判据 160

3.4.2线性定常离散时间系统渐近稳定判据 162

3.4.3系统响应的快速性指标 163

3.4.4参数的最优化设计 165

3.4.5状态反馈的设计 167

3.5李雅普诺夫方法在非线性系统中的应用 168

3.5.1雅可比矩阵法 168

3.5.2变量梯度法 170

3.6系统不确定性与鲁棒性 176

3.6.1不确定模型 178

3.6.2鲁棒稳定性 183

3.6.3鲁棒性能分析 186

习题 188

第4章 线性定常系统的综合 191

4.1线性反馈控制系统 191

4.1.1状态反馈 191

4.1.2输出反馈 192

4.1.3从输出到状态向量导数x反馈 193

4.1.4动态补偿器 194

4.1.5闭环系统的可控性与可观性 195

4.2闭环系统的极点配置 196

4.2.1采用状态反馈 197

4.2.2采用输出反馈 201

4.2.3系统镇定问题 202

4.3系统解耦问题 203

4.3.1前馈补偿器解耦 204

4.3.2状态反馈解耦 205

4.4多变量协调控制 211

4.5状态重构 213

4.5.1状态观测器定义 213

4.5.2状态观测器的存在性 214

4.5.3状态观测器的实现 214

4.5.4降维观测器 215

4.6带有状态观测器的反馈控制系统 221

4.6.1系统的结构与状态空间表达式 221

4.6.2闭环系统的基本特征 222

4.6.3状态反馈系统与输出反馈系统 224

4.7有外扰时控制系统的综合 225

4.7.1调节器问题 226

4.7.2闭环系统实现静态无差的判据 229

4.7.3外扰状态可直接测量时的综合 232

4.8鲁棒调节器 236

4.8.1常值扰动下的鲁棒调节器 237

4.8.2鲁棒调节器的构造 241

习题 246

第5章 最优控制与最优估计 249

5.1最优控制的数学描述 249

5.1.1最优控制问题的实例 250

5.1.2最优控制问题的基本概念 252

5.2变分法及其在最优控制中的应用 255

5.2.1泛函与变分的基本概念 255

5.2.2泛函极值条件 260

5.2.3应用变分法求解最优控制问题 265

5.3极小值原理及应用 271

5.3.1基本原理 272

5.3.2 Bang-Bang控制 274

5.3.3双积分系统的时间最优控制 276

5.4随机系统及基本估计方法 280

5.4.1随机系统的基础知识 282

5.4.2最小方差估计与线性最小方差估计 283

习题 285

第六章 MATLAB应用实例 288

6.1引言 288

6.2状态空间模型的建立与变换 288

6.3状态转移矩阵与状态方程的求解 290

6.4状态响应求解与响应曲线绘制 292

6.5可控性与可观性的判断与分解 295

6.6系统标准型的求解 297

6.7系统稳定性的分析 299

6.8闭环系统的极点配置 301

6.9状态观测器的设计 303

6.10二次最优调节器的设计 304

参考文献 306