线性系统理论大纲
线性系统理论第二版教学大纲
线性系统理论第二版教学大纲课程简介本课程是针对电子信息、自动化等专业开设的一门重要的专业必修课程，主要研究线性系统的基本概念、理论和方法。
在本课程中，学生将学习到线性系统的数学模型、传递函数、频率特性、稳定性等关键概念，并应用这些知识分析和设计系统。
教学目标1.掌握线性系统的基本概念、理论和方法。
2.熟练掌握线性系统数学模型、传递函数、频率特性、稳定性等基本概念。
3.理解线性系统的几何特性，包括极点、零点和步响应等。
4.能够利用传递函数和频率响应等方法分析和设计系统。
5.了解现代控制理论和应用。
教学内容第一章线性系统基本概念1.1 系统的概念1.2 系统的建模1.3 信号与系统的分类1.4 线性系统的定义第二章时域分析2.1 系统的时域响应2.2 系统的因果性和稳定性2.3 系统的冲击响应和阶跃响应2.4 系统的单位反馈响应和频率响应第三章频域分析3.1 傅里叶变换3.2 傅里叶反变换3.3 频域分析基本方法3.4 奇偶性和周期性3.5 Bode图和极点、零点第四章线性系统稳定性分析4.1 稳定性定义和判据4.2 极点位置和稳定性分析4.3 极点的稳定性分析4.4 稳定性判据5.1 系统的规范化5.2 系统的合成5.3 系统的简化第六章现代控制理论与应用6.1 状态空间法6.2 系统的观测与控制6.3 非线性系统控制6.4 自适应控制教学方法本课程采用讲授与实例讲解相结合的教学方法。
每个章节都将以概念讲述为主，结合例题进行讲解，力求让学生具有深刻的理论、推导能力和实际应用能力。
同时，课程中将引入现代控制理论及应用，为学生提供最新的学术发展动态。
教学评估1.平时考核（30%）：包括课堂参与、作业和实验。
2.期中考试（30%）：测试学生的对概念和基础知识的掌握程度。
3.期末考试（40%）：测试学生对概念、基础知识和应用能力的综合掌握程度。
参考书目1.钱世光、戚传波等，《线性系统理论与设计》（第二版），科学出版社，2017。
线性系统理论(第一章)
x1(k +1) 0.9696 0.0202 x1(k) x (k +1) = 0.0404 0.9898 x (k) , k = 0,1,2,L 2 2 7 x1(0) 10 x (0) = 7 2 9×10
016
向量方程的形式：
Y = g (x,u,t)
, t ≥ t0
008
第一章
Ø线性系统的状态空间描述为：
& = A (t ) x + B (t )u x t ≥ t0 y = C (t ) x + D (t )u
其中：
a11 (t ) L a1n (t ) A(t ) = M M an1 (t ) L ann (t )
线性系统。
017
第一章
& = A(t ) x + B (t )u x t ≥ t0 y = C (t ) x + D (t )u
D(t ) + B(t ) +
+ +
u
∫
A(t )
C (t )
y
018
第一章
若向量函数中 f 为变量
( x,u,t)
和
g ( x, u , t ) 至少包含一个元
其中： ai 和 b j 为实常数，i = 0 ,1, L , n
j = 0 ,1, L , n − 1
003
第一章
假定初始条件为零，取拉氏变换。 复频率域描述，即传递函数。
bn −1 s + L + b1 s + b0 G (s) = n n −1 s + a n − 1 s + L + a1 s + a 0
研究生课程教学大纲 《线性系统理论》
实验辅导
课外学时分配
课后复习
44
课外自学
讨论准备
4
实验预习
教学方式 考核方式 适用院系 适用学科
课内实验
课外实验
■课堂讲授为主 □实验为主 □自学为主 □专题讨论为主
期末开卷/闭卷考试或/自选项目（70%）＋作业（20%）＋讨论（10%）
自动化系 控制科学与工程学科
及相关工程学科
先修课程 预备知识 教材与 参考文献
自动控制原理，线性代数，电路原理 （1）教 材：
● 郑大钟，《线性系统理论》（第 2 版），清华大学出版社，2002 （2）参考文献：
● C.T. Chen，《Linear System Theory and Design》，Holt，Rinehart and Winston，1999
● T. Kailath，《Linear Systems》，Englewood Cliffs，NJ: Prentice-Hall，
2
第 4 章 线性定常系统的复频域分析：传递函数矩阵1.1 MFD 的定义 4.1.2 MFD 的真性及其判别准则 4.1.3 由非真 MFD 导出严格真的 MFD 4.1.4 不可简约 MFD 4.1.5 求不可简约 MFD 的几种方法
4.2 传递函数的结构性质 4.2.1 Smith-McMillan 形 4.2.2 多变量系统的极点零点定义和属性 4.2.3 结构指数 4.2.4 无穷大处的极点和零点 4.2.5 传递函数阵在极点零点上的评价值 4.2.6 零空间 4.2.7 最小多项式基和 Kronecker 指数 4.2.8 传递函数阵的亏值
本课程重视学生能力的培养，鼓励学生创新能力的发挥，采用多元化和平时期末相结 合的考核方式。
博士生入学线性系统理论考试大纲
博士生入学线性系统理论考试大纲第一部分 考试说明一、 考试性质线性系统理论是控制科学与控制工程学科的基础课。
本门考试的应考范围以基于状态空间描述和方法的近代控制理论为主，注重考察考生是否已经掌握控制学科最基本的理论知识。
它的评价标准是本学科或者相近学科的优秀硕士毕业生能达到及格或及格以上水平，以保证被录取者具有基本的控制学科基础知识，并有利于在专业上择优选拔。
二、 考试形式与试卷结构（一）答卷方式：闭卷，笔试。
（二）答卷时间：180分钟（三）题型比例：全部题型为计算、分析题，满分100分。
（四）主要参考书目：1．郑大钟编著，线性系统理论（第一部分），清华大学出版社，2002年第二版2．段广仁编著，线性系统理论，哈尔滨工业大学出版社，1997年第二部分 考查要点一、 线性系统的数学描述系统的传递函数描述，状态空间描述，两种描述形式的比较和相互转换。
线性系统在坐标变换下的特性。
组合系统的状态空间描述。
二、 线性系统的运动分析状态转移矩阵及其性质。
脉冲响应矩阵。
线性时变系统运动分析。
线性定常系统的运动分析。
线性连续系统的时间离散化。
线性离散系统的运动分析。
三、 线性系统的能控性和能观测性线性系统的能控性和能观测性的定义。
线性连续系统（含时变系统）的能控性、能观测性判据。
线性离散系统的能控性、能观性判据。
对偶原理。
能控、能观测与传递函数。
线性系统的能控性、能观性指数。
能控和能观测规范形。
线性系统的结构分解。
四、 系统运动的稳定性Lyapunov 意义下运动稳定性的定义。
Lyaounov 第二方法的主要定理。
线性系统稳定性判据。
离散系统的稳定性及其判据。
系统的外部稳定性和内部稳定性。
五、 线性反馈系统的综合状态反馈和输出反馈。
极点配置问题及其解的存在条件。
状态反馈极点配置问题的求解方法。
状态反馈可镇定条件和算法。
线性二次型最优控制问题。
全维和降维状态观测器。
引入观测器的状态反馈控制系统的特性。
第三部分 考试样题题一、（20分）已知时变系统的状态方程为⎥⎦⎤⎢⎣⎡=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=12)(,)(01)(00120)(002t X t t u t X t t t X其中)sin()(00t t t t u -=-是从0t 时刻开始的正弦信号，试求解该方程。
线性系统理论(第1章)
第1章 线性系统的数学描述
江苏大学电气学院
假设系统有p个输入， 个输出 分别用u 个输出， 假设系统有 个输入，q个输出，分别用 1，u2，…，up 个输入 ， 和y1，y2，…，yq来表示。或记为向量的形式：[u]＝[u1 ， 来表示。或记为向量的形式：[u]＝ ， [y]＝ u2 … up]T，[y]＝[y1 [u]、[y]为系统的 y2 …yq]T，称[u]、[y]为系统的 y
第1章 线性系统的数学描述
江苏大学电气学院
1.1 系统的输入与输出描述
系统的输入－输出描述揭示了系统的输入和输出之间 系统的输入－ 的某种数学关系。在建立系统输入 输出描述时 输出描述时， 的某种数学关系。在建立系统输入—输出描述时，可以假 设系统的内部特性是完全未知的，可将系统看作一个“ 设系统的内部特性是完全未知的，可将系统看作一个“黑 箱”，向该“黑箱”施加各种类型的输入并测量出与之相 向该“黑箱” 应的输出，从这些输入－ 应的输出，从这些输入－输出数据可以确定出系统的输入 和输出之间的数学关系。 和输出之间的数学关系。 系统输入—输出描述是系统的外在表现， 系统输入 输出描述是系统的外在表现，只接触系统 输出描述是系统的外在表现 的输入端和输出端，不去表示系统内部的结构及变量， 的输入端和输出端，不去表示系统内部的结构及变量，只 从输入－输出的因果关系中获悉系统的内在的本质特性， 从输入－输出的因果关系中获悉系统的内在的本质特性， 因此称系统的输入－输出描述为系统的外部描述。 因此称系统的输入－输出描述为系统的外部描述。
第1章 线性系统的数学描述
江苏大学电气学院
2. 状态变量 状态变量是指构成系统状态的每一个变量， 状态变量是指构成系统状态的每一个变量，记为
{ x1 (t ), x2 (t ), L ,xn (t )}
线性系统理论全
稳定性判据与判定方法
稳定性判据
在控制工程中，常用的稳定性判据有Routh判据、Nyquist判据、 Bode判据等。这些判据通过分析系统的特征方程或频率响应来判 断系统的稳定性。
判定方法
除了使用稳定性判据外，还可以通过时域仿真、频域分析、根轨 迹法等方法来判定系统的稳定性。这些方法各有优缺点，适用于 不同类型的线性系统和不同的问题背景。
100%
线性偏差分方程
处理离散空间和时间的问题，如 数字滤波器和图像处理等。
80%
初始条件与边界条件
在差分方程中，初始条件确定系 统的起始状态。
状态空间模型
状态变量与状态方程
表示系统内部状态的变化规律 ，揭示系统动态特性。
输出方程
描述系统输出与状态变量和输 入的关系，反映系统对外部激 励的响应。
状态空间表达式的建立
复频域分析法
拉普拉斯变换
将时域信号转换为复频域信号，便于分析系统的稳定性和动态性 能。
系统函数
描述Байду номын сангаас统传递函数的复频域表示，反映系统的固有特性和对输入信 号的响应能力。
极点、零点与稳定性
通过分析系统函数的极点和零点分布，可以判断系统的稳定性以及 动态性能。
04
线性系统稳定性分析
BIBO稳定性
01
线性系统理论全
目
CONTENCT
录
• 线性系统基本概念 • 线性系统数学模型 • 线性系统分析方法 • 线性系统稳定性分析 • 线性系统能控性与能观性分析 • 线性系统优化与综合设计
01
线性系统基本概念
线性系统定义与性质
线性系统定义
满足叠加性与均匀性的系统。
线性系统性质
《线性系统理论基础》复习提纲
已知系统 x& = Ax + Bu, y = Cx + Du
1）求矩阵的互不相同的特征根 λi ,i = 1, 2,L, n ：即求特征多项式 λ I − A = 0 的根 2）求每个特征根 λi 对应的特征向量 vi ：即求解线性方程组
(λ iI − A)vi = 0
3）构造线性变换 x = Px 的矩阵 P ：即以特征向量 vi 为列向量构成矩阵
m
,将其转化为
⎡ x1 ⎤ ⎡ y ⎤
⎧⎪ ⎨ ⎪⎩
y(n) y=
+ an−1y(n−1) + " + a1y + bm y(m) + bm−1y(m−1) + "
a0 y = u + b1y + b0
y
，选取状态向量
⎢ ⎢ ⎢
x2 #
⎥ ⎥ ⎥
=
⎢ ⎢ ⎢
y #
⎥ ⎥ ⎥
已知系统的状态方程 x& = Ax + Bu 、初始状态 x(0) 和输入控制量 u(t) ，求状态响应 x(t) ： 1）求状态转移矩阵 eAt
∫ 2）分别求系统的零输入响应 eAt x(0) 和零状态响应 t eA(t−τ )Bu(τ )dτ 0
3）系统的状态响应为
∫ x(t) = eAt x(0) + t eA(t−τ )Bu(τ )dτ 0
( A − λ i I ) pij3 = pij2 M
(A−λ
i I ) pikj j
=
pj i(k j −1)
（其中 k j 表示相应于特征向量 pij 的广义特征向量个数）
变换矩阵的构造如下：
à 对应于 λ i 的 βi 个约当块的分块矩阵为 Pi j = ⎡⎣ pi1j pij2 L
线性系统理论全PPT课件
稳定性是线性系统的一个重要性质，它决定了系统在受到外部干扰后能否恢复到原始状态。如果一个系统是稳定 的，那么当外部干扰消失后，系统将逐渐恢复到原始状态。而不稳定的系统则会持续偏离原始状态。
03
线性系统的数学描述
状态空间模型
01
定义
状态空间模型是一种描述线性动态系统的方法，它通过状态变量和输入
航空航天控制系统的线性化分析
线性化分析
在航空航天控制系统中，由于非线性特性较强，通常需要进行线性化分析以简化系统模 型。通过线性化分析，可以近似描述系统的动态行为，为控制系统设计提供基础。
线性化方法
常用的线性化方法包括泰勒级数展开、状态空间平均法和庞德里亚金方法等。这些方法 可以将非线性系统转化为线性系统，以便于应用线性系统理论进行控制设计。
线性系统理论全ppt课件
• 线性系统理论概述 • 线性系统的基本性质 • 线性系统的数学描述 • 线性系统的分析方法 • 线性系统的设计方法 • 线性系统的应用实例
01
线性系统理论概述
定义与特点
定义
线性系统理论是研究线性系统的 数学分支，主要研究线性系统的 动态行为和性能。
特点
线性系统具有叠加性、时不变性 和因果性等特性，这些特性使得 线性系统理论在控制工程、信号 处理等领域具有广泛的应用。
线性系统的动态性能分析
动态性能指标
描述线性系统动态特性的性能指 标，如超调量、调节时间、振荡
频率等。
状态空间分析法
通过建立和解决线性系统的状态方 程来分析系统的动态性能，可以得 到系统的状态轨迹和响应曲线。
频率域分析法
通过分析线性系统的频率特性来描 述系统的动态性能，可以得到系统 的频率响应曲线和稳定性边界。
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北京化工大学
攻读博士学位研究生入学考试
《线性系统理论》考试大纲
一、适用的招生专业
控制理论与控制工程；
二、考试的基本要求
要求考试比较系统地理解线性系统状态空间设计方法的基本概念和基本理论，掌握线
性系统的状态空间分析和设计方法，要求考试具有抽象思维能力、逻辑推理能力、运算能力
和综合运用所学的知识分析问题和解决问题的能力。
三、考试的主要内容与要求
（▲表示应掌握；■表示应理解；♦表示应了解）
1．▲线性系统的状态空间描述
传递函数表达与状态空间描述之间的相互转换；代数等价；组合系统的状态空间描述。
2．线性系统的运动分析
▲状态转移矩阵的定义、性质；▲定常和时变系统的状态转移矩阵求解；▲定常和时变系统的状态运动分析；■连续系统的离散化；■离散系统的运动分析。
3．线性系统能控性和能观性分析
▲能控性及能观性定义；▲时变和定常系统的能控性及能观测性判别；■对偶原理；▲能控、能观规范型；♦结构分解。
4．线性系统稳定性分析
▲Lyapunov意义下的运动稳定性定义；■Lyapunov稳定性理论；■线性系统的Lyapunov稳定性分析；♦离散系统的状态运动稳定性及判据。
5．线性系统的综合设计理论
▲状态反馈和输出反馈的比较；极点配置问题的定义，▲极点配置条件；单变量系统的极点配置算法；■状态反馈的镇定问题；♦输入——输出静态、动态解耦的定义、条件和算法；♦跟踪控制；♦线性二次型最优问题；▲观测器的提法、分类、与存在条件；▲全维状态观测器的设计；♦降维状态观测器的设计；■观测器状态反馈控制系统及分离原理。
四、考试参考书
郑大钟，线性系统理论。
北京：化学工业出版社。