前言 非线性控制是近年来控制理论界非常活跃的一个研究领域，各种非线性控制方法在机器人﹑航空航天等系统中得到了日益重要的应用。因此，为控制类学科的研究生开设非线性控制课程具有非常重要的意义。 本书是为促进我国高等院校教学与国内外最新研究成果紧密结合，适应研究型大学人才培养需要所编写的一本新型研究生教材，其适用对象为控制类学科的研究生，或者是有志于从事非线性控制系统设计与分析的工程技术人员。本书旨在使读者了解非线性控制领域中的基本理论，掌握非线性控制系统的设计方法，为其从事非线性系统研究或者工程技术应用奠定基础。 本书第1版出版于2009年，当时第一作者刚回国任教不久，出版本书的初衷是希望为从事非线性控制研究的工科类研究生提供一本合适的教材，因此在编著本书时更多偏重于应用，不过于追求理论的完备性和分析深度。自出版以来，本书得到了非线性控制领域同行的逐步认可。除持续作为南开大学非线性控制课程的教材之外，也成为北京科技大学、大连海事大学等学校非线性控制课程的教材或参考书。从反馈意见来看，读者通过阅读本书，可以较好地从应用角度来理解非线性控制的设计思路，并进一步掌握非线性控制系统的设计方法。在本次修订过程中，我们仍然保留了原来偏重应用、便于教学的特点，在这个前提下，主要是修正了第1版中存在的一些表达不准确或描述不清楚之处，力求使读者在阅读过程中能更好地理解教材核心内容，从而使本书第2版更适合非线性控制特点和研究生课程教学的需要。 在结构方面，本书第2版仍然以李雅普诺夫稳定性理论为基础，依次介绍非线性系统精确线性化、自适应控制、鲁棒控制、学习控制等方法，并应用李雅普诺夫理论对这些控制方法进行稳定性分析。非线性控制是一个对于数学基础要求很高的领域，考虑到工科研究生的知识特点，在书中重点阐述这些非线性控制方法的设计思路，并在后半部分通过具体例子来进一步描述这些方法的具体应用，从而使读者能更好地理解其基本原理，并通过研读应用实例掌握基本设计方法。考虑到篇幅，以及课程教学学时等方面的限制，对于这些方法的其他方面，书中未做过多阐述，而是提供了相应的参考文献，以方便感兴趣的读者查阅。 在内容编排上，第2、3章是本书的理论基础，熟练掌握这两章的内容是学习后续各章的前提。其中，第2章重点介绍书中所涉及的数学背景，主要包括用于信号分析的几个重要定理以及少量的微分几何基础知识。第3章讨论了李雅普诺夫基本理论，给出了各种稳定性的数学定义，并重点介绍了李雅普诺夫稳定性理论和拉塞尔不变性原理。第4~7章是对于自适应控制等数种方法的具体介绍和理论分析，各章相互独立，读者可以选择感兴趣的方法进行学习。此外，在学习这些控制方法时，对理论要求不高的读者可以跳过这些控制方法的稳定性分析，而不会影响对后续内容的理解。与线性控制方法不同的是，针对一般的非线性系统，目前尚没有成熟的设计方法，仍然只能采用反复猜测—尝试—修正的设计过程，因此掌握这些非线性控制方法的设计技巧具有很大的难度。为了增强读者对自适应控制等方法的理解，本书第8~10章，将主要介绍这些非线性控制方法在典型对象，如机器人系统、欠驱动吊车系统、磁悬浮系统上的具体应用，力图通过这些实例来增加读者对于应用这些非线性控制方法的经验，使其对于一些常见的非线性系统，能够设计合适的控制策略来实现期望的性能指标。为此，教材中选用了在国际著名学术期刊/会议上出现的相关论文来介绍自适应控制等方法的设计与应用情况。在这一部分，各章针对机器人等具体控制对象，根据不同的设计要求，分别介绍采用数种不同的非线性方法实施控制的设计过程及其稳定性分析，各章之间相互独立，同一章的不同方法之间也没有过强的先后次序，对此读者可以根据自己的实际情况来自由选择感兴趣的内容进行学习。除此之外，书中有*标注的章节表示教材中较难的部分，对于这些内容，读者可以根据自己的情况自行取舍。 本书的出版得到“高等学校自动化专业系列教材”编审委员会萧德云教授和其他各位委员的大力支持。特别是对于本书第1版，萧德云教授对于其结构与内容编排提出了很多富有建设性的建议，袁著祉教授对全书进行了认真详细的审阅，并提出了许多宝贵意见。此外，在本书第1版的使用过程中，得到了不少同行的建议与帮助。在此一并对他们表示衷心的感谢！ 尽管我们对于本书进行了反复校对，力求修正第1版存在的不当之处，但由于编者水平和经验有限，本书第2版仍难免存在问题，继续恳请广大读者批评指正。 编者 2022年5月 第1版前言 非线性控制是近年来控制理论界非常活跃的一个研究领域，各种非线性控制方法在机器人﹑航空航天等系统中得到了日益重要的应用。因此，为控制类专业的研究生开设非线性控制课程具有非常重要的意义。 本书是为促进我国高等院校教学与国内外最新研究成果紧密结合，适应研究型大学人才培养需要所编写的一本新型研究生教材，其适用对象为控制类专业研究生，或者是有志于从事非线性控制系统设计与分析的工程技术人员。本书旨在使读者了解非线性控制领域中的基本理论，掌握非线性控制系统的设计方法，为其从事非线性系统研究或者工程技术应用奠定基础。 本书重点讨论基于李雅普诺夫方法的非线性控制及其在实际系统中的具体应用，这是非线性控制领域非常核心的研究内容。为此，首先介绍了李雅普诺夫稳定性理论，然后以之为主线，依次对非线性系统精确线性化、自适应控制、鲁棒控制、学习控制等方法进行讨论，同时应用李雅普诺夫理论对这些控制方法进行了稳定性分析。为了符合工科研究生教学的要求，教材对这些控制方法的设计思路进行了阐述，使读者能够理解和掌握它们的基本原理和设计技巧，而对于这些方法的其他方面，书中将不做过多讨论，感兴趣的读者可以查阅有关专著来了解其中的具体内容。 在内容编排上，第2、3章是本书的理论基础，熟练掌握这两章的内容是学习后续各章的前提。其中，第2章重点介绍书中所涉及的数学背景，主要包括用于信号分析的几个重要定理以及少量的微分几何基础知识。第3章讨论了李雅普诺夫基本理论，给出了各种稳定性的数学定义，并重点介绍了李雅普诺夫稳定性理论和拉塞尔不变性原理。第4~7章是对自适应控制等数种方法的具体介绍和理论分析，各章相互独立，读者可以选择感兴趣的方法进行学习。此外，在学习这些控制方法时，对理论要求不高的读者可以跳过这些控制方法的稳定性分析，而不会影响对后续内容的理解。与线性控制方法不同的是，针对一般的非线性系统，目前尚没有成熟的设计方法，仍然只能采用反复猜测—尝试—修正的设计过程，因此掌握这些非线性控制方法的设计技巧具有很大的难度。为了增强读者对自适应控制等方法的理解，本书第8~10章将主要介绍这些非线性控制方法在典型对象，如机器人系统、欠驱动吊车系统、磁悬浮系统上的具体应用，力图通过这些实例来增加读者应用这些非线性控制方法的经验，使其对于一些常见的非线性系统，能够设计合适的控制策略来实现期望的性能指标。为此， 本书选用了近年来在国际著名学术期刊和会议上出现的相关论文来介绍自适应控制等方法的设计与应用情况。在这一部分，各章针对机器人等具体的控制对象，根据不同的设计要求，分别介绍采用数种不同的非线性方法实施控制的设计过程及其稳定性分析，各章之间相互独立，同一章的不同方法之间也没有过强的先后次序，对此读者可以根据自己的实际情况来自由选择感兴趣的内容进行学习。除此之外，书中有*标注的章节表示教材中较难的部分，对于这些内容，读者可以根据自己的情况自行取舍。 本书的出版得到了“高等学校自动化专业系列教材”编审委员会萧德云教授和其他各位委员的大力支持。其中，萧德云教授对于本书的结构与内容编排提出了很多富有建设性的建议，袁著祉教授对全书进行了详细认真的审阅，并提出了许多宝贵意见。在此一并对他们表示衷心的感谢。 由于编者水平和经验有限，书中难免存在不当之处，殷切希望广大读者批评指正。 编者 2008年5月

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