了得網計算機/網絡_現代控制理論及其MATLAB實現

內容簡介

本書主要介紹應用現代控制理論進行繫統分析和綜合的方法及其MATLAB編程與計算。全書共分6章，主要內容包括：第1章控制繫統的狀態空間數學模型，第2章控制繫統的運動分析，第3章控制繫統的穩定性分析，第4章控制繫統的能控性與能觀測性，第5章線性定常控制繫統的綜合，第6章*控制。本書配套的電子課件和習題參考答案，可登錄華信教育資源網www.hxedu.com.cn，注冊後免費下載。

作者簡介

韓致信，男，主要研究方向：機械設備自動化，機械繫統在線智能監測與控制，工業和仿生機器人及其智能控制，機械振動與噪聲及其控制，無人駕駛汽車及其智能控制、機械強度及動態測試與分析。

第1章控制繫統的狀態空間數學模型
1.1 基本概念
1.2 線性定常連續繫統的狀態空間數學模型
1.2.1 根據物理模型建立狀態空間模型
1.2.2 根據微分方程建立狀態空間模型
1.2.3 根據傳遞函數建立狀態空間模型
1.2.4 根據繫統的傳遞函數結構圖建立狀態空間模型
1.2.5 狀態空間模型的線性變換
1.2.6 狀態空間模型與傳遞函數矩陣之間的關繫
1.3 線性時變連續繫統的狀態空間數學模型
1.4 非線性連續繫統的狀態空間數學模型
1.4.1 本質非線性繫統的狀態空間模型
1.4.2 本征非線性繫統的狀態空間模型
1.5 線性離散繫統的狀態空間數學模型第1章控制繫統的狀態空間數學模型

1.1 基本概念

1.2 線性定常連續繫統的狀態空間數學模型

1.2.1 根據物理模型建立狀態空間模型

1.2.2 根據微分方程建立狀態空間模型

1.2.3 根據傳遞函數建立狀態空間模型

1.2.4 根據繫統的傳遞函數結構圖建立狀態空間模型

1.2.5 狀態空間模型的線性變換

1.2.6 狀態空間模型與傳遞函數矩陣之間的關繫

1.3 線性時變連續繫統的狀態空間數學模型

1.4 非線性連續繫統的狀態空間數學模型

1.4.1 本質非線性繫統的狀態空間模型

1.4.2 本征非線性繫統的狀態空間模型

1.5 線性離散繫統的狀態空間數學模型

1.5.1 基本概念

1.5.2 線性定常離散繫統的狀態空間模型

1.6 線性定常繫統狀態空間模型的MATLAB實現

1.6.1 數學模型的MATLAB表示法

1.6.2 實現能控規範型的MATLAB編程及計算

習題1

第2章控制繫統的運動分析

2.1 線性定常連續繫統的運動分析

2.1.1 繫統狀態自由運動

2.1.2 狀態轉移矩陣

2.1.3 繫統狀態受控運動

2.1.4 繫統的輸出響應

2.1.5 實現線性定常連續繫統運動分析的MATLAB編程

2.2 線性時變連續繫統的運動分析

2.2.1 繫統狀態自由運動

2.2.2 狀態轉移矩陣

2.2.3 繫統狀態受控運動

2.2.4 繫統輸出響應

2.2.5 實現線性時變連續繫統運動分析的MATLAB編程

2.3 線性定常離散繫統的運動分析

2.3.1 線性定常連續繫統的離散化及其MATLAB實現

2.3.2 線性定常離散繫統的運動分析

2.3.3 實現線性定常離散繫統運動分析的MATLAB編程

2.4 線性時變離散繫統的運動分析

2.4.1 線性時變連續繫統的離散化及其MATLAB實現

2.4.2 線性時變離散繫統的狀態運動分析

2.4.3 實現線性時變離散繫統運動分析的MATLAB編程

習題2

第3章控制繫統的穩定性分析

3.1 李雅普諾夫穩定性基本定理

3.1.1 數學基礎

3.1.2 李雅普諾夫穩定性定義

3.1.3 李雅普諾夫穩定性定理

3.2 線性連續繫統的穩定性分析

3.2.1 線性定常連續繫統的穩定性分析及其MATLAB編程與計算

3.2.2 線性時變連續繫統的穩定性分析

3.3 線性離散繫統的穩定性分析

3.3.1 線性定常離散繫統的穩定性分析及其MATLAB編程與計算

3.3.2 線性時變離散繫統的穩定性分析

3.4 非線性連續繫統的穩定性分析

3.4.1 克拉索夫斯基（Krasovski）法及其MATLAB編程與計算

3.4.2 變量梯度法

習題3

第4章控制繫統的能控性與能觀測性

4.1 繫統的能控性

4.1.1 線性時變連續繫統的狀態能控性

4.1.2 線性定常連續繫統的狀態能控性及其MATLAB輔助分析

4.1.3 線性離散繫統的狀態能控性

4.1.4 繫統的輸出能控性

4.2 繫統的能觀測性

4.2.1 線性時變連續繫統的能觀測性

4.2.2 線性定常連續繫統的狀態能觀測性及其MATLAB輔助分析

4.2.3 線性定常離散繫統的狀態能觀測性

4.3 能控與能觀測規範型的實現

4.3.1 能控規範型的實現及其MATLAB編程與計算

4.3.2 能觀測規範型的實現及其MATLAB編程與計算

4.4 線性定常繫統能控性與能觀測性在復域［s］中的判據

4.5 對偶繫統及對偶性原理

4.5.1 線性定常對偶繫統

4.5.2 線性時變對偶繫統

4.6 線性定常繫統能控與能觀測結構分解

4.6.1 能控與不能控結構分解及其MATLAB輔助計算

4.6.2 能觀測與不能觀測結構分解及其MATLAB輔助計算

4.6.3 能控性與能觀測性結構綜合分解

習題4

第5章線性定常控制繫統的綜合

5.1 反饋控制繫統的基本概念

5.1.1 狀態反饋控制繫統

5.1.2 輸出反饋控制繫統

5.2 以實現期望極點為目標的繫統綜合

5.2.1 單輸入狀態反饋控制繫統極點配置及其MATLAB輔助計算

5.2.2 多輸入狀態反饋控制繫統的極點配置方法

5.2.3 輸出反饋控制繫統極點配置及其MATLAB輔助計算

5.3 以實現繫統鎮定為目標的繫統綜合

5.4 以實現解耦控制為目標的繫統綜合

5.4.1 補償器解耦

5.4.2 狀態反饋解耦

5.4.3 實現狀態反饋解耦控制計算的MATLAB編程與計算

5.5 狀態重構控制繫統

5.5.1 全維狀態重構器及其MATLAB輔助設計

5.5.2 帶全維狀態重構器的狀態反饋繫統及其MATLAB輔助設計

5.5.3 降維狀態重構器及其MATLAB輔助設計

習題5

第6章最優控制

6.1 泛函及其變分法簡介

6.2 最優控制及其變分解法

6.2.1 數學模型

6.2.2 求解最優控制問題的變分法――拉格朗日乘子法

6.3 線性二次型最優控制

6.3.1 線性二次型最優控制的目標泛函

6.3.2 狀態調節器及其MATLAB輔助設計

6.3.3 輸出調節器

6.3.4 輸出跟蹤器及其MATLAB輔助設計

6.4 極小值原理

6.4.1 連續繫統的極小值原理

6.4.2 Bang-Bang開關控制

6.5 離散繫統的最優控制

6.5.1 控制約束的離散繫統的最優控制

6.5.2 控制有約束的離散繫統的最優控制

6.6 動態規劃法

6.6.1 多級決策過程及最優性原理

6.6.2 離散繫統的動態規劃

6.6.3 連續繫統的動態規劃

習題6

附錄A 習題參考答案

參考文獻

在線試讀

現代控制理論是控制工程學科最重要的基礎理論之一，前承經典控制理論，後繼智能控制理論，成形於20世紀60年代初。其主要內容有線性繫統理論、非線性繫統理論、最優控制理論、隨機控制理論和適應控制理論等。
現代控制理論的奠基成果是美國數學家貝爾曼（R. Richard Bellman）於1954年創立的動態規劃法、前蘇聯數學家列夫龐特裡亞金（Лев Семёнович Понтрягин）於1956年創立的極大值原理和匈牙利裔美國數學家卡爾曼（Rudolph E. Kalman）於1961創立的卡爾曼濾波理論。這些成果為控制理論開闢了一個新天地並獨立於經典控制理論而成為一個新領域。
現代控制理論是伴隨著空間技術與計算機技術的發展而誕生和成熟的。正是飛速發展的空間技術使該理論有了思想源泉和用武之地，也正是日新月異的計算機技術為該理論提供了強有力的工具，使其如虎添翼。
雖然現代控制理論屬於控制工程學科的基礎理論，但它研究和解決的問題是繫統問題，而繫統問題不僅存在於控制工程學科，而且存在於大多數工程學科、自然學科和農林學科，甚至存在於經濟和管理學科。盡管不同學科中的繫統問題各有不同，但畢竟存在共性。共性問題可用相同或類似的方法解決。他山之石，可以攻玉，學科交叉和滲透更能促進學術進步。
對於非控制工程學科，現代控制理論是他山之石。然而現代控制理論的數學基礎——狀態空間模型又何嘗不是控制工程學科的他山之石，因為狀態空間模型源於機械工程學科的分析力學。這一事實說明不同學科之間雖然存在界線，但更存在交叉與融合。
現代控制理論是研究控制問題的基礎理論，而控制是所有工程領域不可或缺的，無論是信息還是金融、機械還是紡織、宇航還是船舶、冶金還是化工、交通還是能源、家用電器還是儀器儀表等，哪個領域能離開控制？毫不誇張地說，沒有控制就沒有現代文明。從這個意義上講，現代控制理論是所有工程學科的一塊理論基石。
現代控制理論不僅是一門重要的學科理論，還是一門卓越的自然辯證法，處處貫穿著繫統的觀點、運動的觀點、內因外因的觀點、事物相互作用相互聯繫的觀點、主要矛盾和次要矛盾的觀點等，閃爍著辯證法的光芒。這些對於啟迪思想、培養分析問題和解決問題的能力十分有益。學習和掌握這門理論，對從事科學研究和技術工作的人無疑十分必要。
由於上述原因，現代控制理論不僅是高等院校電氣工程和自動化專業本科生和碩士研究生的學位課，也是機械工程、動力工程、儀器科學與技術、交通運輸工程和船舶工程等專業碩士研究生的學位課。現代控制理論是控制工程學科最重要的基礎理論之一，前承經典控制理論，後繼智能控制理論，成形於20世紀60年代初。其主要內容有線性繫統理論、非線性繫統理論、最優控制理論、隨機控制理論和適應控制理論等。

現代控制理論的奠基成果是美國數學家貝爾曼（R. Richard Bellman）於1954年創立的動態規劃法、前蘇聯數學家列夫龐特裡亞金（Лев Семёнович Понтрягин）於1956年創立的極大值原理和匈牙利裔美國數學家卡爾曼（Rudolph E. Kalman）於1961創立的卡爾曼濾波理論。這些成果為控制理論開闢了一個新天地並獨立於經典控制理論而成為一個新領域。

現代控制理論是伴隨著空間技術與計算機技術的發展而誕生和成熟的。正是飛速發展的空間技術使該理論有了思想源泉和用武之地，也正是日新月異的計算機技術為該理論提供了強有力的工具，使其如虎添翼。

雖然現代控制理論屬於控制工程學科的基礎理論，但它研究和解決的問題是繫統問題，而繫統問題不僅存在於控制工程學科，而且存在於大多數工程學科、自然學科和農林學科，甚至存在於經濟和管理學科。盡管不同學科中的繫統問題各有不同，但畢竟存在共性。共性問題可用相同或類似的方法解決。他山之石，可以攻玉，學科交叉和滲透更能促進學術進步。

對於非控制工程學科，現代控制理論是他山之石。然而現代控制理論的數學基礎——狀態空間模型又何嘗不是控制工程學科的他山之石，因為狀態空間模型源於機械工程學科的分析力學。這一事實說明不同學科之間雖然存在界線，但更存在交叉與融合。

現代控制理論是研究控制問題的基礎理論，而控制是所有工程領域不可或缺的，無論是信息還是金融、機械還是紡織、宇航還是船舶、冶金還是化工、交通還是能源、家用電器還是儀器儀表等，哪個領域能離開控制？毫不誇張地說，沒有控制就沒有現代文明。從這個意義上講，現代控制理論是所有工程學科的一塊理論基石。

現代控制理論不僅是一門重要的學科理論，還是一門卓越的自然辯證法，處處貫穿著繫統的觀點、運動的觀點、內因外因的觀點、事物相互作用相互聯繫的觀點、主要矛盾和次要矛盾的觀點等，閃爍著辯證法的光芒。這些對於啟迪思想、培養分析問題和解決問題的能力十分有益。學習和掌握這門理論，對從事科學研究和技術工作的人無疑十分必要。

由於上述原因，現代控制理論不僅是高等院校電氣工程和自動化專業本科生和碩士研究生的學位課，也是機械工程、動力工程、儀器科學與技術、交通運輸工程和船舶工程等專業碩士研究生的學位課。

翻開現代控制理論方面的著作，從頭至尾整頁整頁的數學公式，乍一看，與數學別無二致。的確，現代控制理論的大部分內容不是數學論證就是數學計算，有些內容還觸及應用數學前沿，但這些論證和計算是關於控制繫統具體問題的數學論證和計算，或者說是求解具體控制工程問題的數學。對於讀者來說，每一個問題的數學論證和計算或者有益於提高數學建模和分析能力，或者有益於提高分析和解決工程問題的能力，或者有益於培養邏輯推理和判斷能力，總而言之，有益於充實理論和技術素養、提高科學研究能力。這也正是非控制工程專業的研究生學習現代控制理論的根本出發點和歸宿。

本書是為適應機械工程和動力工程專業碩士研究生學位課程“現代控制理論”的教學需要編寫的，內容的深度和廣度也是根據這兩專業研究生的知識結構和綜合素質要求選定的。

與同類教材相比，本書的特點表現為“三多”，即例題多，結構圖多，MATLAB程序多。

●例題多

現代控制理論包含許許多多定義、定理和公式，要弄清和掌握這些定義、定理和公式，一要記憶並透徹理解其文字描述和公式，二要完成適量練習。而要讓讀者準確理解定義、定理和公式並完成練習，僅憑簡練透徹的文字描述和條理清晰的推導論證是遠遠不夠的，必須提供足夠多的例題，以例題為橋梁，引導讀者由表及裡、由此及彼地在理論公式與應用計算中徜徉，實現融會貫通。

本書為所有重要內容配置了例題，特別是有些論證過程理論價值不大的定理直接用例題詮釋，舍去推導過程。經對比和挑選，全書共設有63個例題，一個例題針對一個理論問題。

另外本書附錄A提供了所有習題的參考答案，難度較大的習題，其答案步驟比較完整。

●結構圖多

繫統結構圖既是繫統數學模型的圖形描述，反映繫統信號傳輸過程和相互聯繫，又是繫統工程設計依據。

繫統綜合是控制理論研究的兩大命題之一。繫統綜合的計算結果隻有通過結構圖體現出來，纔能釐清信號傳輸過程和相互聯繫，為工程設計提供依據。比如說如何配置繫統極點？如何設計解耦控制繫統？如何設計帶全維和降維狀態觀測器的狀態反饋繫統？如何實現二次型最優控制？凡此種種問題，僅憑計算過程和數據難以釋清，必須要有結構圖佐證。

本書的絕大多數算例配有繫統結構圖，旨在使讀者一目了然地看清繫統信號與計算數據之間的關繫及物理特征，更直觀地理解理論公式及其應用方法。

●MATLAB程序多

MATLAB是當今世界上最優秀的數值計算軟件之一，內嵌的控制工程計算與仿真工具箱也是控制領域應用最為廣泛的軟件之一。

現代控制理論的應用計算都是矩陣運算，而MATLAB操作矩陣就像操作數一樣簡單，因此受到控制工程領域多數人的青睞。

為便於讀者了解和掌握運用MATLAB求解控制問題的方法，凡是MATLAB提供了庫函數的應用計算，本書對庫函數的用法作了說明，凡是MATLAB沒有提供庫函數的應用計算，本書提供了編者開發的專用程序。書中共列有19套專用程序，所有程序均通過書內例題和其他書上例題驗證。

本書在編寫方面體現了編者近40年工程和教學實踐形成的工程教育理念和認識：

（1）以學以致用、實用夠用為尺度剪裁內容，遴選精華。

（2）對重點難點，濃墨重彩演繹論證，對簡單內容，輕描淡寫，以求重點突出、繁簡適中。

（3）注重方法論證，將問題轉化、方法移植、歸納梳理等思考、分析和解決問題的方法貫穿於公式推導和分析過程，以求授人以漁。

（4）按照一般認識規律進行論證，從因到果，循序漸近，層層深入，以求條理清晰，通俗易懂。

（5）在論述方面，字斟句酌，追求透徹與精煉，即在分析透徹的前提下力求文字精煉，在文字精煉的基礎上力求分析透徹。

書籍是精神食糧，教材是傳道工具。是食糧就得精心制作，是工具就得精心打磨，這是編者一貫秉承的寫作原則。為把本書雕琢成一部精品，編者精耕細作，付出了艱辛勞動，但囿於水平，書中錯誤和筆誤在所難免，懇請讀者不吝賜教。

最後指出，現代控制理論的數學特征往往讓一些初學者望而生畏，有些學過的人也說難學。然而，“人之為學有難易乎？學之，則難者亦易矣；不學，則易者亦難矣。”事實上，此“數學”非彼數學，其應用和計算是程式化的，就像太極拳套路一樣，既沒有高超的技巧性，也沒有隱藏的條件和陷阱，一點都不深奧。隻要緊緊扣住“問題和條件——求解方法——結論和公式”這條技術路線認真學習並輔之以解題練習，掌握這門理論就如同探囊取物，手到擒來。

韓致信

2014年8月

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