本书对现代控制理论进行了较全面的论述。全书共分8章。主要内容为现代控制理论的产生及其发展； 按照建模→求解→分析稳定性→综合的思路，论述了线性系统的状态空间描述、状态空间表达式的建立和求解方法、线性系统的能控性和能观测性及其对偶关系、李雅普诺夫稳定性理论分析、线性反馈控制系统的极点配置及状态观测器的设计； 最优控制的基本概念和极大值原理以及线性二次型最优控制； 线性系统状态估计的基本概念和最小二乘估计、线性最小方差估计以及卡尔曼滤波器原理； 利用MATLAB进行线性系统的理论分析、综合和应用设计。
本书可作为理工科高等学校自动化专业本科生、非自动化专业研究生的教材，也可供从事相关专业的科技人员参考。
本书是按照《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会的建设计划，由“教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会”牵头招标，评审后中标的，为教学研究型和教学主导型高等学校自动化专业本科生、非自动化专业研究生编写的一部教材，是自动化专业创新型系列教材之一。
本教材共8章。绪论着重介绍了控制理论的产生及其发展背景、现代控制理论的基本内容和本教材的结构体系。第1章较详细地阐述了线性系统的状态空间描述、建立状态空间表达式常用的几种方法。第2章讨论了线性连续系统和离散时间系统状态空间表达式的求解方法，以及线性连续时间系统的离散化。第3章着重讲述了线性系统的能控性和能观测性及其对偶关系、系统的能控标准型和能观测标准型以及线性系统的结构分解和实现。第4章论述了控制系统稳定性的基本概念、系统的李雅普诺夫稳定性理论分析。第5章讲述了线性反馈控制系统的基本结构、系统的极点配置以及状态观测器的设计。第6章对最优控制的基本概念和基本理论进行了论述，讨论了最优控制中的变分法、极大值原理以及线性二次型最优控制问题。第7章简要介绍了线性系统状态估计的基本概念和基本方法，包括最小二乘估计、线性最小方差估计以及卡尔曼滤波器。为了培养学生现代化的分析与设计能力，在每一章都安排了一节利用MATLAB进行线性系统的理论分析、综合和应用设计。
本书由谢克明任主编，并编写绪论、第1章和第2章； 李国勇任副主编，并编写第3章和第6章； 谢刚编写第4章； 杜永贵编写第5章； 王淼编写第7章。全书由谢克明整理定稿。清华大学郑大钟教授主审了全书，提出了许多宝贵的意见和建议，在此深表谢意。此外，还要感谢清华大学出版社王一玲女士，感谢她为本书的编辑和出版所做的辛勤工作。
由于作者水平有限，书中难免有遗漏与不当之处，敬请广大读者批评指正。
编者
2007年1月
第0章绪论
0.1控制理论的产生及其发展
0.2现代控制理论的基本内容
0.3本书的内容和特点
0.4学习建议
第1章控制系统的状态空间描述
1.1状态及状态空间表达式
1.1.1控制系统中状态的基本概念
1.1.2状态空间表达式及一般形式
1.1.3状态空间表达式的系统结构图与模拟结构图
1.2根据系统的物理机理建立状态空间表达式
1.3由系统的微分方程式建立状态空间表达式
1.3.1微分方程式中不含输入函数导数项
1.3.2微分方程式中含输入函数导数项
1.4由系统方框图建立状态空间表达式
1.5由系统的传递函数建立状态空间表达式
1.5.1标准型法
1.5.2串联法
1.5.3并联法
1.6系统的状态空间表达式与传递函数阵
1.6.1由系统的状态空间表达式求传递函数阵
1.6.2组合系统的状态空间表达式及传递函数阵
1.7系统状态向量的线性变换
1.7.1线性变换
1.7.2化状态方程式为对角线标准型
1.7.3化状态方程式为约当标准型
1.8离散时间系统的状态空间描述
1.8.1离散时间系统的状态空间表达式
1.8.2差分方程化为状态空间表达式
1.8.3脉冲传递函数化为状态空间表达式
1.8.4由状态空间表达式求脉冲传递函数阵
1.9基于MATLAB的控制系统状态空间描述
1.9.1利用MATLAB描述系统模型
1.9.2利用MATLAB实现状态空间表达式与传递函数阵的
相互转换
1.9.3利用MATLAB实现系统的线性变换
1.9.4利用MATLAB实现系统模型的连接
小结
习题
现代控制理论目录第2章线性控制系统状态空间表达式的求解
2.1线性定常连续系统齐次状态方程的解
2.2线性定常连续系统的状态转移矩阵
2.2.1状态转移矩阵及其性质
2.2.2矩阵指数函数的计算
2.3线性定常连续系统非齐次状态方程的求解
2.4线性时变连续系统状态方程式的求解
2.4.1齐次状态方程式的解
2.4.2线性时变系统状态转移矩阵
2.4.3线性时变系统非齐次状态方程式的解
2.5线性离散时间系统状态方程式的求解
2.5.1迭代法
2.5.2z变换法
2.5.3离散系统状态转移矩阵的求解
2.6线性连续时间系统的离散化
2.6.1线性定常系统状态方程式的离散化
2.6.2线性时变系统状态方程式的离散化
2.6.3近似离散化
2.7利用MATLAB求解系统状态空间表达式
2.7.1连续时间系统状态方程式的解
2.7.2离散时间系统状态方程式的解
2.7.3线性系统状态方程式的离散化
小结
习题
第3章线性控制系统的能控性和能观测性
3.1系统的能控性
3.1.1线性时变连续系统的能控性
3.1.2线性定常连续系统的能控性
3.1.3线性离散时间系统的能控性
3.2系统的能观测性
3.2.1线性时变连续系统的能观测性
3.2.2线性定常连续系统的能观测性
3.2.3线性离散时间系统的能观测性
3.3能控性和能观测性的对偶关系
3.3.1线性系统的对偶原理
3.3.2能控性和能观测性的对偶关系
3.4单输入单输出系统的能控标准型和能观测标准型
3.4.1能控标准型
3.4.2能观测标准型
3.5系统的结构分解
3.5.1系统按能控性分解
3.5.2系统按能观测性分解
3.5.3系统按能控性和能观测性分解
3.6系统的实现
3.6.1实现问题的基本概念
3.6.2单输入单输出系统的标准型实现
*3.6.3多输入多输出系统的标准型实现
3.6.4最小实现
3.6.5系统的约当标准型实现
3.7传递函数阵与能控性和能观测性之间的关系
3.7.1单输入单输出系统
3.7.2多输入多输出系统
3.8利用MATLAB分析系统的能控性和能观测性
3.8.1系统的能控性和能观测性分析
3.8.2线性系统的能控标准型和能观测标准型
3.8.3将系统按能控和不能控进行分解
3.8.4将系统按能观测和不能观测进行分解
小结
习题
第4章控制系统的稳定性
4.1系统稳定的基本概念
4.1.1外部稳定性和内部稳定性
4.1.2李雅普诺夫稳定性
4.2李雅普诺夫稳定性理论
4.2.1李雅普诺夫第一法
4.2.2李雅普诺夫第二法
4.3线性系统的李雅普诺夫稳定性分析
4.3.1李雅普诺夫第二法在线性连续系统中的应用
4.3.2李雅普诺夫第二法在线性离散系统中的应用
4.4非线性系统的李雅普诺夫稳定性分析
4.4.1克拉索夫斯基法
4.4.2变量梯度法
4.4.3阿捷尔曼法
4.5利用MATLAB分析系统的稳定性
4.5.1利用特征值判断系统的稳定性
4.5.2利用李雅普诺夫第二法判断系统的稳定性
小结
习题
第5章状态反馈和状态观测器
5.1线性反馈控制系统的基本结构
5.1.1状态反馈
5.1.2输出反馈
5.1.3从输出到状态向量导数x·反馈
5.1.4闭环系统的能控性和能观测性
5.2系统的极点配置
5.2.1采用状态反馈实现极点配置
5.2.2采用从输出到输入端反馈实现极点配置
5.2.3采用从输出到状态向量导数x·反馈实现极点配置
*5.2.4多输入多输出系统的极点配置
5.2.5镇定问题
*5.3解耦控制
5.3.1串联解耦
5.3.2反馈解耦
5.4状态观测器的设计
5.4.1状态重构问题
5.4.2全维观测器的设计
5.4.3降维观测器的设计
5.5带状态观测器的闭环控制系统
5.5.1闭环控制系统的结构和状态空间表达式
5.5.2带状态观测器的闭环控制系统的基本特征
5.6利用MATLAB实现系统的状态反馈和状态观测器
5.6.1系统的极点配置
5.6.2状态观测器的设计
5.6.3带状态观测器的系统极点配置
小结
习题
第6章最优控制
6.1最优控制的基本概念
6.1.1最优控制问题
6.1.2最优控制的提法
6.2最优控制中的变分法
6.2.1变分法
6.2.2应用变分法求解最优控制问题
6.3极大值原理
6.3.1连续系统的极大值原理
6.3.2离散系统的极大值原理
6.4线性二次型最优控制问题
6.4.1线性二次型问题
6.4.2状态调节器
6.4.3输出调节器
6.4.4输出跟踪器
6.5利用MATLAB求解线性二次型最优控制问题
小结
习题
第7章线性系统的状态估计
7.1概述
7.1.1估计问题
7.1.2估计的准则
7.1.3状态估计与系统辨识
7.2最小二乘估计
7.2.1最小二乘法的基本概念
7.2.2最小二乘状态估计
7.2.3线性离散系统的最小二乘估计
7.2.4线性离散系统的最小二乘递推估计
7.3线性最小方差估计
7.3.1线性最小方差状态估计
7.3.2线性离散系统的最小方差估计
7.3.3数学期望和方差的递推计算
7.4卡尔曼滤波器
7.4.1线性离散系统的卡尔曼滤波方程
7.4.2滤波器的稳定性与发散性问题
7.5利用MATLAB求解状态估计问题
小结
习题
习题参考答案
参考文献
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