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第1章 绪论1

1. 1现代控制工程的发展1

1.2本书的内容与安排4

第2章 状态空间数学模型5

2.1状态与状态空间的概念5

2.2系统的状态空间模型6

2.2.1建立状态空间模型的方法6

2.2.2由状态空间模型求微分方程11

2.3线性系统的状态空间模型与线性变换12

2.3.1 SISO （Single Input Single output）线性系统的状态空间模型12

2. 3. 2 MIMO（Multiple Input Multiple output）线性系统的状态空间模型13

2.3.3状态方程的线性变换14

2.4控制系统的实现16

2.4.1系统的实现问题16

2.4.2不含有输入导数项的微分方程的实现17

2.4.3含有输入导数项的微分方程的实现18

2.5多变量系统的传递矩阵23

2.5.1多变量系统传递矩阵的概念23

2.5.2从状态空间模型求传递矩阵24

2.5.3多变量控制系统的结构图简化27

2.6控制系统的离散状态空间模型28

2.7 MATLAB在状态空间模型建立中的应用30

2.7.1传递函数转换到状态空间模型30

2.7.2状态方程的线性变换32

2.7.3状态空间模型转换到传递函数32

本章小结33

习题34

第3章 控制系统稳定性分析36

3. 1控制系统稳定性定义36

3.1.1范数的概念36

3.1.2平衡状态37

3.1.3李雅普诺夫稳定性定义38

3.2控制系统稳定的条件40

3.2. 1单变量线性定常连续系统的稳定条件40

3.2.2多变量线性定常连续系统的稳定条件41

3.2.3单变量线性定常离散系统的稳定条件42

3.2.4多变量线性定常离散系统的稳定条件43

3.3李雅普诺夫稳定判据44

3. 3. 1函数的正定性45

3.3.2非线性系统的李雅普诺夫稳定判据46

3.4线性系统的李雅普诺夫稳定判据49

3.4. 1线性连续系统的李雅普诺夫稳定判据49

3.4.2线性离散系统的李雅普诺夫稳定判据50

3.5非线性系统的克拉索夫斯基稳定判据52

3.6非线性系统的小偏差线性化方法54

3.6. 1小偏差线性化的基本思想54

3.6.2小偏差线性化方法55

3.6.3李雅普诺夫第一法58

3.7 MATLAB在系统稳定性分析中的应用58

本章小结59

习题61

第4章 线性系统动态性能分析63

4.1线性连续定常系统状态方程的求解63

4.1.1齐次状态方程的求解63

4.1.2非齐次状态方程的求解65

4.2线性连续时变系统状态方程的求解68

4.2.1齐次状态方程的解68

4.2.2状态转移矩阵的性质69

4.2.3状态转移矩阵的计算69

4.2.4非齐次状态方程的解71

4.3线性离散系统状态方程的求解72

4.3.1齐次状态方程的解72

4.3.2状态转移矩阵的性质73

4.3.3状态转移矩阵的计算73

4.3.4线性定常离散系统非齐次状态方程的求解74

4.3.5线性时变离散系统状态方程的求解76

4.4 MATLAB在系统动态性能分析中的应用78

本章小结79

习题80

第5章 线性系统的能控性和能观性分析82

5. 1能控性和能观性问题82

5.2线性定常系统的能控性84

5.2.1能控性的定义84

5.2.2能控性判别准则85

5.2.3能控性第二判别准则87

5.2.4输出能控性及其判别准则90

5.3线性定常系统的能观性90

5.3. 1能观性的定义90

5.3.2能观性判别准则91

5.3.3能观性第二判别准则93

5.4状态空间模型的对角线标准型94

5.4.1系统的特征值和特征向量95

5.4.2化矩阵A为对角阵96

5.4.3化矩阵A为约当阵99

5.4.4特征值为复数的对角线标准型106

5.5状态空间模型的能控标准型与能观标准型108

5. 5. 1第一能控标准型109

5.5.2第二能控标准型112

5.5.3第一能观标准型112

5.5.4第二能观标准型114

5. 6传递函数的几种标准型实现114

5.6.1能控标准型实现115

5.6.2能观标准型实现116

5.6.3对角线标准型实现118

5.6.4约当标准型实现120

5.7对偶原理122

5.8线性定常系统的规范分解124

5.8.1能控性结构分解124

5.8.2能观性结构分解127

5.8.3系统结构的规范分解129

5.9 MATLAB在系统能控性和能观性分析中的应用132

本章小结135

习题137

第6章 状态反馈控制与状态观测器设计142

6.1状态反馈与输出反馈142

6.1.1状态反馈142

6. 1.2输出反馈144

6. 1.3状态反馈系统的能控性与能观性145

6.1.4状态反馈对传递函数的影响146

6.2状态反馈设计方法147

6.2.1极点配置问题147

6.2.2单输入系统的极点配置方法150

6.2.3多输入系统的极点配置方法153

6.3状态观测器设计方法157

6.3. 1全维状态观测器设计157

6.3.2降维状态观测器设计162

6.4带状态观测器的状态反馈系统的设计方法166

6.5 MATLAB在状态反馈与状态观测器设计中的应用170

本章小结170

习题171

第7章 最优控制173

7.1最优控制的概念173

7.2变分法与泛函的极值条件174

7.3变分法求解无约束最优控制问题175

7.4极小值原理183

7.4. 1连续系统的极小值原理183

7.4.2离散系统的极小值原理190

7.5线性二次型最优控制193

7.5. 1线性二次型最优控制问题194

7.5.2连续系统有限时间状态调节器195

7.5.3连续系统无限时间定常状态调节器199

7.5.4线性离散系统状态调节器201

7.5.5线性连续系统输出调节器205

7.5.6线性连续系统输出跟随器208

本章小结211

习题212

第8章 系统辨识214

8.1系统辨识的概念214

8.1.1系统辨识的定义214

8. 1.2系统辨识的基本内容215

8.2线性静态模型的最小二乘参数估计217

8.2. 1参数估计问题217

8.2.2最小二乘法的基本算法218

8.2.3最小二乘法的性质220

8.2.4应用举例222

8.3线性动态模型的最小二乘参数估计225

8.4最小二乘参数估计的递推算法227

8.4.1基本递推算法227

8.4.2带有遗忘因子的递推算法230

8.5线性系统的结构辨识231

8.5. 1模型阶次的确定231

8.5.2系统纯时滞的辨识232

8.6闭环系统的可辨识性234

8.7 MATLAB在系统辨识中的应用235

本章小结236

习题237

第9章 自适应控制239

9. 1自适应控制的概念239

9.2最小方差控制241

9.3自校正调节器244

9.4自校正调节器应用实例245

本章小结248

习题248

第10章 预测控制249

10.1预测控制的基本原理249

10.2动态矩阵控制250

10.2.1预测模型250

10.2.2滚动优化251

10.2.3反馈校正252

10.3动态矩阵控制的工程设计253

10.4炼油厂加氢裂化装置的动态矩阵控制255

10.5模型算法控制259

10.6催化裂化分馏塔的模型算法控制261

10.7广义预测控制262

本章小结266

习题268

第11章 模糊控制269

11. 1模糊控制的发展269

11.2模糊集合270

11.2.1模糊集合的定义270

11.2.2模糊集合的表示方法271

11.2.3模糊集合的运算272

11.3模糊控制系统的组成273

11.3.1模糊控制系统的结构273

11.3.2模糊控制器的输入输出变量273

11.3.3模糊控制器的输入输出变量的模糊化274

11.4模糊控制规则276

11.5模糊关系与合成278

11. 5. 1模糊关系279

11.5.2模糊关系的合成280

11.6模糊推理与模糊决策282

11.6.1模糊推理282

11.6.2模糊决策285

11.7模糊控制算法的工程实现287

11.8模糊PID复合控制289

11.9酚醛树脂聚合反应温度模糊控制289

11.9.1酚醛树脂聚合反应过程特性分析289

11.9.2模糊控制器设计290

11.10全自动洗衣机的模糊控制294

11.10.1模糊控制洗衣机的检测294

11.10.2洗衣机的模糊控制296

本章小结298

习题299

第12章 专家系统与专家控制系统301

12. 1专家系统301

12.1.1专家系统的概念301

12.1.2专家系统的一般结构303

12.1.3实时专家系统306

12.2专家控制系统307

12.2.1专家控制系统的概念307

12.2.2间接专家控制307

12.2.3直接专家控制308

12.2.4专家控制器308

12.3专家控制系统的知识表示309

12.3. 1知识表示309

12.3.2产生式知识表示312

12.3. 3产生式系统313

12.3.4动物识别专家系统315

12.4专家控制系统的推理机317

12.5专家控制系统的搜索技术319

12.5.1状态空间表示法319

12.5.2状态空间的图描述320

12.5.3宽度优先搜索算法322

12.6电脑充绒机专家控制系统325

12.6.1电脑充绒机的工作原理325

12.6.2电脑充绒机的程序控制326

12.6.3电脑充绒机羽绒重量专家控制327

本章小结328

习题328

第13章 神经网络控制330

13. 1神经网络控制概述330

13.2神经元与神经网络331

13.2. 1生物神经元结构331

13.2.2神经元数学模型332

13.2.3神经网络的结构与工作方式333

13.2.4神经网络的学习334

13. 3 BP神经网络及其学习算法334

13.3. 1 BP神经网络的结构334

13. 3. 2 BP学习算法336

13. 3. 3 BP学习算法的实现337

13.4基于神经网络的系统辨识方法338

13.4.1前向模型辨识339

13.4.2反向模型辨识340

13.5基于神经网络的软测量方法341

13.5.1软测量技术341

13.5.2污水处理过程神经网络软测量模型342

13.6基于神经网络的控制方法344

13.6.1神经网络控制器344

13.6.2神经网络预测控制345

13.6.3神经网络模型参考控制345

13.6.4神经网络内模控制346

13.7单神经元控制器347

本章小结350

习题352

习题参考答案354

参考文献362