绪论 1
0.1 自动控制理论的发展与现状 1
0.2 现代控制理论的研究范围 3
0.3 经典控制理论与现代控制理论的联系与比较 4
0.4 MATLAB控制系统工具箱简介 5
0.5 本书综述 6
第1章 动态系统的状态空间描述 7
1.1 引言 7
1.2 动态系统的状态空间模型 7
1.2.1 状态空间的基本概念 7
1.2.2 动态系统状态空间表达式的一般形式 14
1.2.3 状态空间模型的图示 17
1.2.4 由系统机理建立状态空间模型示例 18
1.3 动态系统数学模型变换 23
1.3.1 状态向量的线性变换与状态空间表达式标准型 23
1.3.2 系统的高阶微分方程描述化为状态空间描述 30
1.3.3 系统的传递函数描述化为状态空间描述 36
1.3.4 系统的传递函数阵 46
1.4 离散系统的状态空间描述 51
1.4.1 离散系统的状态空间表达式 51
1.4.2 差分方程化为状态空间表达式 52
1.4.3 由脉冲传递函数化为状态空间表达式 54
1.4.4 由离散系统状态空间表达式求脉冲传递函数矩阵 57
1.5 MATLAB在系统数学模型变换中的应用 57
1.5.1 系统的模型 57
1.5.2 系统模型的转换 59
1.5.3 系统的线性非奇异变换与标准型状态空间表达式 62
小结 64
思考题与习题1 64
上机实验题1 68
第2章 线性系统动态分析 70
2.1 引言 70
2.2 线性定常齐次状态方程的解 70
2.3 状态转移矩阵的性质及其计算方法 72
2.3.1 线性定常系统状态转移矩阵的运算性质 72
2.3.2 线性定常系统状态转移矩阵的计算方法 73
2.4 线性定常非齐次状态方程的解 82
2.5 线性时变系统状态方程的解 84
2.5.1 线性时变系统状态转移矩阵的求解 85
2.5.2 线性时变系统状态转移矩阵的性质 87
2.5.3 线性时变非齐次状态方程的解 87
2.6 离散状态方程的解 90
2.6.1 递推法求解线性离散状态方程 90
2.6.2 Z变换法求解线性定常离散状态方程 92
2.7 连续状态方程的离散化 95
2.7.1 线性定常连续状态方程的离散化 96
2.7.2 线性时变连续状态方程的离散化 97
2.8 MATLAB在线性系统动态分析中的应用 101
2.8.1 应用MATLAB计算线性定常系统的矩阵指数（状态转移矩阵） 101
2.8.2 应用MATLAB求定常系统时间响应 103
2.8.3 应用MATLAB变连续状态空间模型为离散状态空间模型 108
小结 109
思考题与习题2 110
上机实验题2 112
第3章 线性系统的能控性和能观测性分析 114
3.1 引言 114
3.2 能控性与能观测性的概念与示例 114
3.3 能控性和能观测性定义 115
3.3.1 能控性定义 115
3.3.2 能观测性定义 116
3.4 线性连续系统能控性判据 118
3.4.1 线性定常连续系统能控性判据 118
3.4.2 线性定常连续系统输出能控性 126
3.4.3 线性时变连续系统能控性判据 127
3.5 线性连续系统能观测性判据 130
3.5.1 线性定常连续系统能观测性判据 130
3.5.2 线性时变连续系统能观测性判据 137
3.6 线性离散系统的能控性与能观测性 138
3.6.1 线性离散系统能控性定义 138
3.6.2 线性定常离散系统能控性的秩判据 138
3.6.3 线性离散系统能观测性定义 140
3.6.4 线性定常离散系统能观测性的秩判据 141
3.6.5 离散化系统能控性、能观测性与采样周期的关系 142
3.7 系统能控性和能观测性的对偶原理 143
3.7.1 线性系统的对偶关系 144
3.7.2 对偶原理 144
3.8 线性系统的结构分解 145
3.8.1 化为约当标准型的分解 145
3.8.2 按能控性和能观测性分解 147
3.9 能控性和能观测性与传递函数（阵）的关系 156
3.10 能控标准型与能观测标准型 159
3.10.1 单输入系统的能控标准型 159
3.10.2 单输出系统的能观测标准型 164
3.11 传递函数矩阵的状态空间实现 167
3.11.1 实现和最小实现概述 167
3.11.2 传递函数矩阵的能控标准型实现和能观测标准型实现 168
3.11.3 传递函数矩阵的最小实现 169
3.12 MATLAB在能控性和能观测性分析中的应用 173
3.12.1 系统能控、能观测性分析的MATLAB函数 173
3.12.2 用MATLAB进行系统能控性和能观测性分析举例 174
小结 175
思考题与习题3 176
上机实验题3 179
第4章 李亚普诺夫稳定性分析 181
4.1 引言 181
4.2 外部稳定性和内部稳定性 182
4.2.1 外部稳定性 182
4.2.2 内部稳定性 182
4.2.3 外部稳定性与内部稳定性的关系 183
4.3 李亚普诺夫稳定性的基本概念 184
4.3.1 平衡状态 184
4.3.2 范数 185
4.3.3 李亚普诺夫稳定性定义 186
4.4 李亚普诺夫稳定性定理 187
4.4.1 二次型函数及其定号性 187
4.4.2 李亚普诺夫第二法 189
4.5 线性定常系统李亚普诺夫稳定性分析 193
4.5.1 李亚普诺夫第一法（间接法） 193
4.5.2 李亚普诺夫第二法 193
4.6 线性时变系统李亚普诺夫函数的求法 197
4.6.1 线性时变连续系统 197
4.6.2 线性时变离散系统 198
4.7 非线性系统李亚普诺夫稳定性分析 198
4.7.1 李亚普诺夫第一法分析非线性系统的稳定性 198
4.7.2 李亚普诺夫第二法在非线性系统稳定性分析中的应用 199
4.8 李亚普诺夫直接法应用举例 203
4.9 MATLAB在系统稳定性分析中的应用 205
4.9.1 李亚普诺夫第一法 205
4.9.2 李亚普诺夫第二法 205
小结 206
思考题与习题4 206
上机实验题4 208
第5章 状态反馈与状态观测器 209
5.1 引言 209
5.2 状态反馈与输出反馈 209
5.2.1 状态反馈 209
5.2.2 输出反馈 210
5.3 反馈控制对能控性与能观测性的影响 211
5.4 闭环系统极点配置 213
5.4.1 采用状态反馈配置闭环系统极点 214
5.4.2 采用线性非动态输出反馈至参考输入配置闭环系统极点 217
5.4.3 镇定问题 218
5.5 状态观测器 219
5.5.1 全维观测器的构造思想 219
5.5.2 闭环观测器极点配置 221
5.5.3 降维观测器 224
5.6 采用状态观测器的状态反馈系统 229
5.7 解耦控制 233
5.7.1 前馈补偿器解耦 234
5.7.2 输入变换与状态反馈相结合实现解耦控制 234
5.8 MATLAB在闭环极点配置及状态观测器设计中的应用 236
5.8.1 用MATLAB求解闭环极点配置问题 236
5.8.2 用 MATLAB设计状态观测器 237
5.8.3 基于SIMULINK的状态反馈系统仿真研究 237
5.9 线性控制系统理论的工程应用举例 238
5.9.1 稳态精度与跟踪问题 238
5.9.2 基于状态空间综合法的单倒立摆控制系统设计实例 240
5.9.3 基于状态空间综合法的直流电动机调速控制系统设计实例 244
小结 247
思考题与习题5 248
上机实验题5 250
第6章 最优控制的基本理论及应用 252
6.1 引言 252
6.2 最优控制问题的提出及数学描述 252
6.2.1 最优控制问题实例 252
6.2.2 最优控制问题的数学描述 253
6.3 变分法 255
6.3.1 变分法的基本概念 255
6.3.2 用变分法求解无约束条件的泛函极值问题 257
6.3.3 有约束条件的泛函极值问题 260
6.4 极小值原理 264
6.5 动态规划法 267
6.5.1 最优性原理 267
6.5.2 离散系统的动态规划 269
6.5.3 连续系统的动态规划 270
6.6 线性二次型最优调节器 272
6.6.1 线性二次型最优控制问题的提法 272
6.6.2 有限时间的线性最优调节器 273
6.6.3 定常线性最优调节器 275
6.6.4 输出调节器 278
6.6.5 非零给定点调节器 280
6.6.6 最优跟踪问题 281
6.7 最小时间控制 283
6.8 应用MATLAB解线性二次型最优控制问题 287
6.9 最优控制理论的工程应用举例 289
小结 292
思考题与习题6 293
上机实验题6 295
参考文献 297