現(xiàn)代控制理論

前言

　　以頻域方法為基礎(chǔ)的古典控制理論在經(jīng)歷了一百多年之后，直到20世紀(jì)的四五十年代才形成完整、獨立的控制理論。毫無疑問，古典控制理論在解決廣泛的控制問題上是非常有效的，并且已被廣大從事自動控制的工程技術(shù)人員所掌握。它的廣泛應(yīng)用給人類帶來了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益，它的突出成就是導(dǎo)致自動化技術(shù)的誕生和發(fā)展。但是，也正是這種社會的進(jìn)化過程對控制理論不斷地提出新的更加嚴(yán)格的要求，使古典控制理論面臨著挑戰(zhàn)。隨著20世紀(jì)50年代興起的航天技術(shù)及其他生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，一方面使控制對象變得更加復(fù)雜，另一方面對控制的要求提出了更加苛刻的條件。例如，非線性的、時變的或者分布參數(shù)的系統(tǒng)的控制問題，對系統(tǒng)本身或其周圍環(huán)境的不確定因素的適應(yīng)控制問題，多輸入-多輸出（MIMO）系統(tǒng)的分析與綜合問題，以及實現(xiàn)控制的某種目標(biāo)函數(shù)意義下的最優(yōu)化問題等，都不是單純依賴古典控制理論所能解決的。面對這些挑戰(zhàn)，控制理論必須向前發(fā)展，而在這個時期整個科學(xué)的進(jìn)步，特別是現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的成就恰好為控制理論的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的工具。正是在這種歷史背景下，現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生。在20世紀(jì)五六十年代，很多科學(xué)家為此做出了杰出的貢獻(xiàn)，其中應(yīng)特別提出的有龐特里亞金的極值原理，貝爾曼（Bellman）的動態(tài)規(guī)劃，以及卡爾曼（Kalman）的濾波、能控性與能觀測性理論等。正是他們的這些理論上的突破性成果奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)，成為控制理論由古典控制理論發(fā)展到現(xiàn)代控制理論的里程碑。至今40多年來，現(xiàn)代控制理論不論在理論方面還是在應(yīng)用方面一直處于十分活躍的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。它不僅在航天與航空技術(shù)上取得了舉世矚目的驚人成就，而且在電氣、機(jī)械、化工、冶金、交通等工程系統(tǒng)及生物工程、企業(yè)管理和社會科學(xué)等廣泛領(lǐng)域內(nèi)都有成功的應(yīng)用?？梢院敛豢鋸埖卣f，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)成為滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域的橫向科學(xué)。顯然，控制理論的發(fā)展與成就標(biāo)志著人類對客觀世界的認(rèn)識能力和改造能力的進(jìn)一步提高。因此，它也必然會對人類的認(rèn)識論和方法論給以重大影響?！　”緯卜?章：第1章介紹了控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式，由姚成玉編寫；第2章介紹了控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的解，由魏立新編寫；第3章介紹了線性控制系統(tǒng)的能控性與能觀性，由吳忠強(qiáng)編寫；第4章介紹了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由李峰磊編寫；第5章介紹了線性定常系統(tǒng)的綜合，由張秀玲編寫；第6章介紹了最優(yōu)控制，由羅小元編寫。全書由關(guān)新平、吳忠強(qiáng)匯總整理。本書可作為高等學(xué)校自動化專業(yè)的本科生和非自動化專業(yè)的研究生教材?！　∮捎跁r間倉促，本書難免有疏漏之處，懇請讀者批評指正?！　【幷?/pre>


內(nèi)容概要
　　與古典控制理論只適用于線性定常單輸入-單輸出系統(tǒng)不同，現(xiàn)代控制理論適用于線性的或非線性的多輸入-多輸出系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論本質(zhì)上是時域的方法，而古典控制理論是復(fù)頻域的方法。在古典控制理論中，系統(tǒng)的設(shè)計方法是建立在試探法基礎(chǔ)上的，通常得不到最優(yōu)控制系統(tǒng)；現(xiàn)代控制理論能使人們對于給定的性能指標(biāo)設(shè)計出最優(yōu)控制系統(tǒng)，還能在設(shè)計時考慮初始條件，因而被廣泛應(yīng)用。
　　本書系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容，包括控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、運(yùn)動分析、能控性與能觀性、李雅普諾夫穩(wěn)定性分析、狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器設(shè)計、最優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計。每章均配有一定的例題和習(xí)題。



書籍目錄
第1章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式
1.1 狀態(tài)變量及狀態(tài)空間表達(dá)式
1.1.1 狀態(tài)變量
1.1.2 狀態(tài)矢量
1.1.3 狀態(tài)空間
1.1.4 狀態(tài)方程
1.1.5 輸出方程
1.1.6 狀態(tài)空間表達(dá)式
1.1.7 狀態(tài)空間表達(dá)式的系統(tǒng)框圖
1.1.8 狀態(tài)空間法的特點
1.2 模擬結(jié)構(gòu)圖
1.3 狀態(tài)空間表達(dá)式的建立（一）
1.3.1 從系統(tǒng)框圖出發(fā)建立狀態(tài)空間表達(dá)式
1.3.2 從系統(tǒng)的機(jī)理出發(fā)建立狀態(tài)空間表達(dá)式
1.4 狀態(tài)空間表達(dá)式的建立（二）
1.4.1 傳遞函數(shù)中沒有零點時的實現(xiàn)
1.4.2 傳遞函數(shù)中有零點時的實現(xiàn)
1.5 狀態(tài)矢量的線性變換（坐標(biāo)變換）
1.5.1 狀態(tài)空間表達(dá)式的非唯一性
1.5.2 特征值及特征矢量
1.5.3 約旦標(biāo)準(zhǔn)型
1.6 從狀態(tài)空間表達(dá)式求傳遞函數(shù)陣
1.6.1 傳遞函數(shù)（陣）
1.6.2 組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式及傳遞函數(shù)陣
1.7 離散時間系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式
習(xí)題
第2章 控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的解
2.1 線性定常系統(tǒng)的自由運(yùn)動
2.1.1 齊次狀態(tài)方程的解
2.1.2 齊次狀態(tài)方程解的統(tǒng)一形式——狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣
2.2 矩陣指數(shù)
2.3 線性定常系統(tǒng)的強(qiáng)迫運(yùn)動
2.4 離散時間系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析
2.4.1 連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)空間方程的離散化
2.4.2 線性定常離散系統(tǒng)的運(yùn)動分析
習(xí)題
第3章 線性控制系統(tǒng)的能控性與能觀性
3.1 能控性定義及能控性判據(jù)
3.1.1 狀態(tài)能控性的定義
3.1.2 線性定常系統(tǒng)的能控性判別
3.2 能觀性定義及能觀性判據(jù)
3.3 能控性與能觀性的對偶關(guān)系
3.4 狀態(tài)空間表達(dá)式的能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀標(biāo)準(zhǔn)型
3.5 線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解
3.6 傳遞函數(shù)中零極點對消與狀態(tài)能控性和能觀性之間的關(guān)系
習(xí)題
第4章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性
4.1 穩(wěn)定性的基本概念
4.1.1 系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)動及平衡狀態(tài)
4.1.2 預(yù)備知識
4.1.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性概念
4.2 李雅普諾夫穩(wěn)定性理論
4.2.1 李雅普諾夫第一法
4.2.2 李雅普諾夫第二法
4.3 線性系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析
4.4 非線性系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析
習(xí)題
第5章 線性定常系統(tǒng)的綜合
5.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特性及極點配置
5.1.1 狀態(tài)反饋
5.1.2 輸出反饋
5.1.3 從輸出到狀態(tài)矢量導(dǎo)數(shù) 反饋
5.1.4 閉環(huán)系統(tǒng)的能控性與能觀性
5.2 極點配置問題
5.2.1 采用狀態(tài)反饋
5.2.2 采用輸出反饋
5.2.3 采用從輸出到 反饋
5.3 系統(tǒng)鎮(zhèn)定問題
5.4 狀態(tài)觀測器
5.4.1 狀態(tài)觀測器定義
5.4.2 狀態(tài)觀測器的實現(xiàn)
5.4.3 反饋矩陣 的設(shè)計
5.5 帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)
5.5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5.5.2 閉環(huán)系統(tǒng)的基本特性
5.5.3 帶觀測器狀態(tài)反饋系統(tǒng)與帶補(bǔ)償器輸出反饋系統(tǒng)的等價性
5.5.4 狀態(tài)觀測器期望特征值的配置原則
習(xí)題
第6章 最優(yōu)控制
6.1 最優(yōu)控制的一般概念
6.1.1 最優(yōu)控制的基本概念
6.1.2 最優(yōu)控制問題
6.2 無約束最優(yōu)控制的變分方法
6.2.1 經(jīng)典變分理論
6.2.2 貫截條件
6.3 有約束最優(yōu)控制的極小值原理
6.4 線性二次型調(diào)節(jié)問題的最優(yōu)控制
6.4.1 線性二次型調(diào)節(jié)問題
6.4.2 終端時間有限時變狀態(tài)調(diào)節(jié)器
6.4.3 終端時間無限狀態(tài)調(diào)節(jié)器
6.5 最短時間控制和最小能量控制
6.5.1 Bang-Bang控制原理
6.5.2 最短時間控制
6.5.3 最小能量控制
習(xí)題
參考文獻(xiàn)





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