线 性 系 统 理 论 Linear System Theory 北京航空航天大学自动化学院

线性系统理论 学 分： 3 开课教师：林 岩 开课单位： 北京航空航天大学自动化学院 讲义：《线性系统理论》，程鹏 编 Linear System Theory 学 时：54 学 分： 3 开课教师：林 岩 开课单位： 北京航空航天大学自动化学院 讲义：《线性系统理论》，程鹏 编

课程的目的与地位 本课程是自动化学院硕士研究生的公共学位课， 属于控制学科的专业基础课。 通过本课程学习，要求学生掌握线性系统的一般概念和分析研究线性系统的一般方法，为进一步学习其它控制理论奠定坚实的基础。 本课程理论性强，用到较多的数学工具，因此本课程对培养学生的抽象思维、逻辑思维，提高学生运用数学知识耒处理控制问题的能力起到重要的作用。

课程主要章节的计划学时分配 第一章 线性系统的基本概念 8学时 第二章 线性系统的可控性、可观测性 10学时 第一章 线性系统的基本概念 8学时 第二章 线性系统的可控性、可观测性 10学时 第三章 线性时不变系统的标准形和实现 10学时 第四章 状态反馈设计 8学时 第五章 输出反馈、观测器和动态补偿器 8学时 第六章 时变线性系统 2学时 第七章 系统稳定性分析 8学时 根据实际情况，各章所用学时会稍微有所调整。

讲授及学习方法 以课堂讲授为主，也可指定某些章节自学后再总结。可划出百分之十的时间介绍专题的研究及进展情况。讲课中要注意与自动控制原理、矩阵理论等有关课程的联系。 学生应做一些必要的习题，教师可利用课外时间上辅导课，辅导课内容是难点和典型习题的讲解与讨论。 资料和答疑信箱：linearsystems@163.com Password:88888888 考核方式 闭卷笔试。

参考书： 一、矩阵方面： 1.(日)须田信英等 曹长修译 ： 《自动控制中的矩阵理论》 科学出版社 1979 2.韩京清、许可康 、何关钰： 1.(日)须田信英等 曹长修译 ： 《自动控制中的矩阵理论》 科学出版社 1979 2.韩京清、许可康 、何关钰： 《线性系统理论的代数基础》，辽宁科技出版社1987 3.黄琳 ： 《系统与控制理论中的线性代数》, 科学出版社 1984

二、系统理论方面： 1. T.KAILATH：Linear Systems 1985年有中译本，李清泉等译：凯拉斯：《线性系统》。 2. C.T.CHEN: Linear System Theory and Design (王纪文、毛剑琴等译)： 《线性系统理论与设计》，1988年中译本 3. 郑大钟： 《线性系统理论》 清华大学出版社，1992 其余见篇末文献。

绪 论 一、系统研究的方法 传统的系统研究方法基于经验。考虑一个例子：给定一个物理系统（电子或机械的等等）： 绪 论 一、系统研究的方法 传统的系统研究方法基于经验。考虑一个例子：给定一个物理系统（电子或机械的等等）： 我们假定对系统的内部结构一无所知。为了描述这个系统的行为，可以在系统的输入端施以一系列典型信号，并观察其响应，例如： t t t t

尽管这个物理系统可能非常复杂，但通过若干典型响应的分析却可以猜测，系统或许可以近似地用一个惯性环节来描述。 若系统的响应不满足要求，传统的设计方法是根 据 经验调整系统参数或者增加补偿器和反馈， 即试凑方法——这种方法过去和现在都有许多成功的例子，是广大工程技术人员所常用的方法。 但是，若被控对象很复杂，控制精度要求很高，则传统的设计方法往往不能得到满意的效果。此时就需要用到现代控制理论中所提供的方法——这种方法由于计算机的出现以及航空航天工业的发展在上个世纪50年代后得到了极大的发展。其主要步骤是：

1. 建立描述物理系统状态的数学模型。这可以通过物理定律和数学方程等来得到。一般由微分方程、偏微分方程或代数方程等构成。 2. 基于模型的系统分析。系统分析一般包括两个方面：定性分析和定量分析。定性分析主要是指系统的稳定性、可控性、可观测性等等；定量分析则要求借助于数字计算机和模拟计算机准确计算出系统在实际信号作用下的响应。 3. 系统设计。若系统不能满足给定的性能指标，则需要通过设计控制器或改变控制律等来改善。一般说来，系统控制器的设计是一个复杂的问题。

由于在大多数情形下，数学模型并不完全真实反映对象的行为，故基于模型的设计可能仍不能应用于实际系统，以上三个步骤可能会反复地进行——这种矛盾还导致了上个世纪80年代以来的鲁棒控制器（Robust Controller) 设计问题，以及更早的如自适应控制等的提出。 可以说，模型与真实系统的这种不一致导致了许多控制理论分支的发展，如自适应控制、H-infinity鲁棒控制方法、智能控制方法等等。

二、线性系统及其研究的对象 一般说来，许多物理系统在其工作点的附近都可以近似地用一个有限维的线性系统来描述，这不仅是由于线性系统便于从数学上进行处理，更为重要的，它可以在相当广泛的范围内反映系统在工作点附近的本质。因此，线性系统理论研究对象是 (线性的)模型系统，不是物理系统。 控制理论发展到今天，包括了众多的分支，如最优控制，鲁棒控制，自适应控制等。但可以毫不夸张地说，线性系统的理论几乎是所有现代控制理论分支的基础，也是其它相关学科如通讯理论等的基础。

三、研究线性系统的基本工具 研究有限维线性系统的基本工具是线性代数或矩阵论。用线性代数的基本理论来处理系统与控制理论中的问题，往往易于把握住问题的核心而得到理论上深刻的结果。例如： 系统的可控性、可观测性可反映在线性代数中线性变换的循环不变子空间及其生成元的概念中； 在观测器理论中，矩阵方程扮演重要角色； 系统的稳定性往往归结为对线性矩阵微分方程的讨论； ………

四、线性系统研究的历史回顾 从上个世纪三十年代以来，人们就对线性系统进行了广泛的研究，起初主要是频域方法；而且，几乎所有的工作都是针对单输入单输出系统的。这种经典的控制方法一旦推广到多输入多输出系统立即显现出一系列重大缺陷，所设计出的系统甚至不能保证系统的稳定性。 五十年代后期，多变量、时变系统在航空航天、过程控制、计量经济学等的应用中已经变得日益重要，特别是航空航天控制中对时变系统以及相关的时域分析的研究，促使以美国科学家Bellman和Kalman为代表的研究人员对有限维线性系统的状态空间描述方法进行了深入的研究，导致了可控性、可观测性等概念

的提出。此后，又进一步在极点配置、二次型调节器设计、状态观测器和估计器、等价系统、解耦、实现等方面先后取得了进展。 1968年左右，人们发现这一领域的工作没有协调起来，很零散，一些重要的问题被忽视，于是要求对线性系统各方面工作进行统一处理。这就形成了“线性系统”这门学科。此后，线性系统理论不断得到发展，成为系统科学的基础。它的方法、概念体系己为许多学科领域所运用，是控制理论、网络理论、通讯理论以及一般系统理论的基础。现在，线性系统已成为任何与系统有关学科研究生和本科生所必修的课程。

进入70年代以后，深入的工程实践凸显出了基于模型的线性系统的局限性，即系统缺乏对参数不确定性、干扰及未建模动态等的鲁棒性（Robustness)。众多的科学工作者在这个领域进行了长时间、艰苦的研究，到80年代初，在若干领域取得了一系列激动人心的突破，最典型的是加拿大学者 Zames 提出的H-infinity鲁棒控制理论，以及以前苏联数学家Kharitonov在微分方程上的贡献为基础发展起来的区间系统理论。这些都极大丰富了人们对线性系统的认识。 回顾线性系统几十年的发展历程可以看到，它的每一个 进步几乎都 反映了航 空航天等尖端技术 对控制的 更高 要求， “它 是 那样的基本和 如此的深刻，

所以毫无疑问，在今后一个可以预见的长时间内，线性系统仍将是人们继续研究的对象”（Kailath：线性系统)。

五、线性系统理论的几个流行学派 1 代数系统理论： 以抽象代数为工具。 主要在实现、反馈问题上取得一些成果。 代表著作： R.E.Kalman: Topics In Mathmatical System Theory (1969)

2 多项式矩阵—— (稳定)分式分解方法 在复数域进行。充分应用了经典控制理论的优点。多变量频率域方法属于这一范畴。是最活跃的研究领域之一。 主要著作： H.H.Rosenbrock: State-Space and Multivariable Theory, Nelson, London. 2. W.A.Wolovich: Linear Multivariable Systems (1974). 3. M. Vidyasagar: Control System Synthesis：A Factorization Approach (1985), MIT Press.

3几何状态空间理论 把矩阵看成向量空间的线性映射，系统理论和空间座标选取无关，这样往往给出一些比较本质的结果，在解耦及跟踪器取得较好进展。 代表著作： W.M. Wonhan：Linear Multivariable Control：A Geometric Apporach (1978) (84年有中译本).

六、线性系统学习中应注意的几个问题 注意与矩阵论的学习相结合； 学习中注意与经典控制论相结合，特别要注意与经典控制论中的不同之处和相同之处； 要充分认识到本课程在后续各门课程学习中的基础地位。