前言

自动控制系统根据先验知识和对动态行为的感知信息产生控制动作，使被控对象按照

期望的规律自动运行。许多时候，尤其是当预设工作范围较小时，可以使用线性模型来描

述、分析和设计控制系统。但如果要扩大工作范围、提高控制精度和响应速度，或者要求

在运行过程中满足各种约束条件，就难以忽略非线性因素对控制性能的影响。同时，充分

利用非线性特性来设计控制器也是改善控制效果的有效手段。

在感知、通信、计算和系统集成技术快速发展的今天，非线性控制已经成为工业过程、

运载平台、机器人等各类复杂系统不断提升能力的重要使能技术。不仅如此，由异构的复

杂系统构成的关联大系统和集群系统要实现高水平的协作，其控制系统应当无须预设工作

点或预设轨迹就能自主实现复杂控制目标，这同样离不开非线性控制。在此基础上，为了

使控制系统能够像人一样观察、交流、决策和行动，并完成各种更具挑战性的任务，需要

充分发挥多领域交叉优势，将不同功能层次的子系统有机集成起来。在此过程中，非线性

控制更是不可或缺的手段。

通过研究非线性控制，我们期望更系统地认识和利用非线性，持续发展多样化的非线

性控制工具及方法，尽量减少实践中的经验凑试和试验穷举，不断创造出功能更强大的新

系统。非线性伴随着控制理论和技术发展的始终，现有的非线性控制成果凝聚了无数控制

研究者的智慧。

本书是基于第一作者在东北大学多年讲授非线性控制课程的经验，结合两位作者过去

十五年在非线性控制领域的科研合作成果编写的，主要面向自动化相关专业的高年级本科

生、相关研究方向的硕士及博士研究生，以及对非线性控制感兴趣的科研人员和工程技术

人员。在内容的组织上，本书结合实例来统一介绍分析工具和控制方法。各章内容总体安

排如下：

? 第1 章列举了非线性动态系统的一些基本实例和典型现象，并以此为基础，通过几

个具体例子简要说明了非线性控制的特点，以及研究和应用非线性控制理论与方法

的重要性。

非线性控制原理

? 第2 章阐述了动态系统的稳定性概念，特别是李雅普诺夫稳定性的定义和判定方法，

相关内容覆盖了常见的时不变系统和时变系统；与此同时，结合典型的被控对象，探

讨了设计控制器以实现系统镇定（使闭环系统达到期望的稳定性）的基本方法及其

常见应用。

? 第3 章从能量的角度分析了非线性系统的动态特性，引入了无源性的概念；随后，探

讨了系统内部能量交换与整体稳定性之间的关系，给出了无源定理；此外，还介绍了

利用无源性和无源定理设计控制器的基本方法及典型应用。

? 第4 章首先考虑外部干扰对非线性系统状态变化的影响，给出了输入到状态稳定性

及增益的概念；之后，针对多个系统相互作用的情形介绍了非线性小增益定理，用于

根据关联增益判断关联系统整体的稳定性；此外，还探讨了利用输入到状态稳定性

和非线性小增益定理设计控制器的基本方法及典型应用。

? 第5 章探讨如何根据被控对象的结构特征来设计控制器，介绍了几种基础的非线性

控制器设计方法，具体包括反馈线性化、滑模控制、反步法和前推法。

期望本书能够帮助读者建立反馈、关联、全局、动态变化的思维方式，并在此基础上

去开拓新的领域。同时，本书尽量降低对读者预备知识的要求，学习本书的主要内容仅需

高等数学、线性代数、大学物理和自动控制的基础知识（自学时可暂略过标▲ 号的部分）。

在本书编写过程中，刘向杰教授、于海生教授审阅了书稿并从内容组织和教学的角度

给予了指导；阿迪亚、张朋朋、秦正雁、李欢欢、王雨田、王梦溪、金正红、吴思、刘直、

徐茜、生远修、王健强、王景隆等研究生参与了部分材料的整理。本书的编写得到了国家

自然科学基金（项目号：62325303、62333004、62521001）的资助。感谢所有在编写过程

中曾给予作者支持和帮助的同仁和单位！

由于作者水平所限，书中难免有不当和谬误之处，诚挚欢迎批评指正！

编者

2026 年3 月