線性系統(tǒng)理論是系統(tǒng)與控制科學(xué)領(lǐng)域的一門最為基礎(chǔ)和重要的課程，其中的概念、方法、原理和結(jié)論對于控制工程、儀器科學(xué)與工程、機(jī)械工程、電氣工程、電子工程、通信工程和信號處理等許多學(xué)科分支都具有重要作用，并被廣泛地應(yīng)用于國防、航空航天、工業(yè)和管理等各個領(lǐng)域。因此，國內(nèi)外許多高校都把線性系統(tǒng)理論列為最為基礎(chǔ)的一門研究生課程。

本書英文版作者陳啟宗，是美國紐約州立大學(xué)石溪分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系的教授，主要從事系統(tǒng)與控制理論和信號處理等方面的教學(xué)和科研工作，出版了大量關(guān)于數(shù)理基礎(chǔ)、系統(tǒng)理論、信號處理和控制理論等方面的經(jīng)典教材。作者有著極為豐富的工程技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)和科研實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此本教材特別適合于電子電氣工程等相關(guān)領(lǐng)域高年級本科生或研究生閱讀。

本書的雛形Introduction to Linear System Theory早在1970年就已問世，修訂后改名為《線性系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)》于1984年在美國出版，第3版于1999年由牛津大學(xué)出版社出版發(fā)行，在全球各大學(xué)的電氣、控制、通信和信號處理界產(chǎn)生過巨大的影響，作者本人曾在包括中國在內(nèi)的多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)講學(xué)，該書也是這一領(lǐng)域中最受關(guān)注的研究生線性系統(tǒng)理論課程的教材和重要參考書之一。

在保持第3版的體系結(jié)構(gòu)和推導(dǎo)簡潔、注重實(shí)際應(yīng)用等基本特色的前提下，第4版借鑒了多年課程改革和課程教學(xué)上的成果和經(jīng)驗(yàn)，吸納了其他學(xué)校專家的反饋意見和建議，并適應(yīng)了新時代系統(tǒng)理論、控制理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。修訂的內(nèi)容主要包括：新增學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展簡史，刪除一些冗余概念和部分不必要的多輸入多輸出（MIMO）內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)求解和實(shí)時實(shí)現(xiàn)，考慮程序設(shè)計(jì)案例，補(bǔ)充更新部分習(xí)題，重新編排部分內(nèi)容及證明過程以培養(yǎng)讀者的批判思維能力和邏輯推理能力。

本書主要研究線性時不變集總系統(tǒng)的描述和設(shè)計(jì)方法，討論了兩個本質(zhì)上獨(dú)立但又密切聯(lián)系的主題：狀態(tài)空間方程和有理傳遞函數(shù)。通過選擇合適的結(jié)構(gòu)，求出可實(shí)際應(yīng)用的補(bǔ)償器（控制器），具體解決調(diào)節(jié)器、魯棒跟蹤、擾動抑制、模型匹配和解耦等問題。本書的特點(diǎn)可總結(jié)為：注重對基本問題的深入理解，理論證明和驗(yàn)算驗(yàn)證相結(jié)合，有助于提高邏輯思維能力；借助典型實(shí)例將復(fù)雜的概念和理論簡單化，理論講述結(jié)合循序漸進(jìn)的MATLAB程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，兼顧計(jì)算機(jī)運(yùn)算和實(shí)時處理；新穎的例題和習(xí)題，對于理解理論與強(qiáng)調(diào)工程實(shí)用性大有裨益；適時地給出相關(guān)內(nèi)容的可移植性和推廣性，給出相應(yīng)參考書，便于鞏固和自學(xué)；針對不同背景、不同目的的閱讀人員，給出相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容、方法及學(xué)時建議。

北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院自2010年以來一直以第3版作為講授線性系統(tǒng)理論研究生課程的主要教材。在獲得第4版的版權(quán)信息后，即著手翻譯工作。具體工作由北京航空航天大學(xué)的高飛、王俊和孫進(jìn)平完成，馬飛參與了部分文檔的整理工作。為了保持與原版圖書的一致性，中文版的部分字符及字體保留了英文原版書的寫作風(fēng)格，同時對原版書進(jìn)行了必要的勘誤和修訂。鑒于譯者的經(jīng)驗(yàn)和時間上的限制，本書難免存在不妥和錯誤之處，敬請廣大讀者批評指正。

在第4版的翻譯過程中部分內(nèi)容參考了第2版的譯稿，譯者衷心感謝參與第2版翻譯的各位同仁，同時感謝北京航空航天大學(xué)出版社劇艷婕編輯為版權(quán)引進(jìn)等具體工作所提供的大力支持。期待本書中文版的再次出版，能對從事相關(guān)領(lǐng)域工作的研究生、科技工作者有所幫助。

譯者

2019年4月于北京航空航天大學(xué)

前言

本書可作為電氣類、機(jī)械類、生物工程類、化工類及航空類高年級本科生或一年級研究生線性系統(tǒng)理論課程的教材。由于涵蓋了許多設(shè)計(jì)方法的處理流程，所以本書也可視為實(shí)踐工程師的有益參考。數(shù)學(xué)背景應(yīng)具有線性代數(shù)和拉普拉斯變換的應(yīng)用知識以及微分方程的基礎(chǔ)知識。對領(lǐng)略二/三年級所在學(xué)科領(lǐng)域如參考文獻(xiàn)\[10\]中信號與系統(tǒng)的知識是有益的，但并非必需。

線性系統(tǒng)理論涉及領(lǐng)域?qū)拸V。本教材主要研究狀態(tài)空間方程和有理傳遞函數(shù)描述的線性時不變集總系統(tǒng)，前者屬于內(nèi)部描述，后者屬于外部描述。我們研究其在設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)、聯(lián)系及含義。作為工程領(lǐng)域的參考，本書旨在實(shí)現(xiàn)兩個目標(biāo)，其一，利用盡量簡便有效的方法導(dǎo)出結(jié)果并設(shè)計(jì)處理流程，因此表述并非面面俱到。譬如，跳過了狀態(tài)空間方程中的多種多變量伴隨型和傳遞矩陣中的SmithMcMillan型。其二，使讀者能夠利用這些結(jié)果以便完成設(shè)計(jì)。因此，大多數(shù)結(jié)果的討論著眼于數(shù)值計(jì)算。書中所有設(shè)計(jì)方法的處理流程都可用MATLABMATLAB是Math Works公司的注冊商標(biāo)，MA，Natick，Prime Park路 24號，017601500。 http://www.mathworks.com完成。采取定理證明式編排可培養(yǎng)讀者的批判思維能力和邏輯推理能力。

本教材也涉及線性時不變分布系統(tǒng)和線性時變集總系統(tǒng)，我們通過示例說明,書中某些結(jié)論并不適用于這類系統(tǒng)。即便如此，本教材也可以為分布、時變或非線性系統(tǒng)的研究提供基礎(chǔ)和參考。

本教材第一版名為《線性系統(tǒng)理論引論》，出版于1970年；第2版改名為《線性系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)》，出版于1984年，且從初版的431頁擴(kuò)展為662頁；第3版出版于1999年，將第2版刪減約一半至332頁，跳過那些只屬于學(xué)術(shù)興趣或?qū)嵱眯杂邢薜闹黝}，第3版同時引入雙參數(shù)（前饋/反饋）結(jié)構(gòu)，更適合實(shí)際應(yīng)用。

在完成本次修訂之前，牛津大學(xué)出版社組織了第3版的外審。由于兩位評閱人的課程中并不涵蓋第7章和第9章的內(nèi)容，所以他們建議將之刪除。確實(shí)，這兩章的多輸入多輸出（MIMO）部分是出于完整性的考慮而將其納入的，不應(yīng)當(dāng)被涵蓋，這些內(nèi)容更適合于高級教程。但是，由于單輸入單輸出（SISO）部分建立了傳遞函數(shù)互質(zhì)性的概念和狀態(tài)空間方程中能控能觀性的概念之間的聯(lián)系，并證實(shí)了兩種描述的等價性，所以建議涵蓋這部分內(nèi)容；同時，傳遞函數(shù)利用較簡便的數(shù)學(xué)導(dǎo)出結(jié)果，比狀態(tài)空間方程獲得的結(jié)果更具有普適性。

第4版更新情況

本教材涵蓋內(nèi)容幾近成熟，因此，第4版與十多年前發(fā)行的前一版的區(qū)別主要在于表述方式不同，具體如下所列：

第1章新增學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展簡史。

第2章重新編排，并非立足于線性時變情形，而是從線性時不變集總系統(tǒng)開始論述。討論四類方程，然后解釋關(guān)注有理傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間方程的原因。本版刪除了圖論中的樹、環(huán)路和鏈路等概念。

第4章擴(kuò)充相關(guān)內(nèi)容，討論狀態(tài)空間方程的計(jì)算機(jī)運(yùn)算和實(shí)時處理。新增SISO實(shí)現(xiàn)一節(jié)。

第7章新增完全表征一節(jié)。

添加案例補(bǔ)充動機(jī)以饗讀者。

使用R2011a版更新所有MATLAB示例。

修正了每章最后的許多帶數(shù)值習(xí)題。

期望該新版更易被廣大讀者所接受。

本教材討論了兩個本質(zhì)上獨(dú)立但又密切聯(lián)系的主題。第一個主題涉及狀態(tài)空間方程，需要第3章的所有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并在第4、5、6和8章中討論。第二個主題涉及有理傳遞函數(shù)或多項(xiàng)式分式，僅需要第3章3.3節(jié)的基礎(chǔ)，并在第5、7和9章中討論。僅研究狀態(tài)空間方程的一學(xué)期課程可以涵蓋第1章~第6章和第8章的內(nèi)容。若一學(xué)期課程欲覆蓋兩個主題，則囊括以下內(nèi)容應(yīng)已足夠：

第1章~第2章；第3.1~3.7節(jié)；第4.1~4.5節(jié)；第5.1~5.2和5.4節(jié)；

第6.1~6.4節(jié)；第7.1~7.3節(jié)；

除第8.3.1、8.3.2和8.4.1節(jié)之外的第8.1~8.5節(jié)；

第9.1~9.3.1節(jié)和第9.4~9.4.2節(jié)。

若內(nèi)容不夠，還可以增加離散時間情形及/或時變情形的相關(guān)內(nèi)容。當(dāng)然，其他安排也是可以的，解決方案手冊可從出版商獲得。

在編寫該版和前版的過程中，需要感謝很多人。Imin Kao教授和Zhi Chen先生提供了MATLAB方面的幫助， Zongli Lin教授和T.Anantakrishnan先生閱讀了整篇書稿并提出了寶貴意見。感激石溪大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)系Yacov Shamash主任的鼓勵。該書第3版由Wisconsin大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的B. Ross Barmish教授、Purdue大學(xué)Indiana分校的Harold Broberg教授、紐約州立大學(xué)Buffalo分校機(jī)械與航空工程系的Peyman Givi教授和Iowa State大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的Mustafa Khammash教授審閱。他們詳實(shí)、關(guān)鍵的意見促使我對一些章節(jié)進(jìn)行了重新編排。對他們一并表示感謝。

感謝牛津大學(xué)出版社的Patrick Lynch、Dan Pepper、Claire Sullivan和Carolyn DiTullio為本次修訂提供指導(dǎo)。感謝包括Pamela Hanley、Christine Mahon和Deborah Gross在內(nèi)的牛津大學(xué)出版社工作人員對該項(xiàng)目的鼎力相助。

陳啟宗

2012年7月