译者序
线性系统理论是系统与控制科学领域的一门最为基础和重要的课程，其中的概念、方法、原理和结论对于控制工程、仪器科学与工程、机械工程、电气工程、电子工程、通信工程和信号处理等许多学科分支都具有重要作用，并被广泛地应用于国防、航空航天、工业和管理等各个领域。因此，国内外许多高校都把线性系统理论列为最为基础的一门研究生课程。
本书英文版作者陈启宗，是美国纽约州立大学石溪分校电气与计算机工程系的教授，主要从事系统与控制理论和信号处理等方面的教学和科研工作，出版了大量关于数理基础、系统理论、信号处理和控制理论等方面的经典教材。作者有着极为丰富的工程技术领域的教学和科研实践经验，因此本教材特别适合于电子电气工程等相关领域高年级本科生或研究生阅读。
本书的雏形Introduction
to Linear System Theory早在1970年就已问世，修订后改名为《线性系统理论与设计》于1984年在美国出版，第3版于1999年由牛津大学出版社出版发行，在全球各大学的电气、控制、通信和信号处理界产生过巨大的影响，作者本人曾在包括中国在内的多所大学和研究机构讲学，该书也是这一领域中最受关注的研究生线性系统理论课程的教材和重要参考书之一。
在保持第3版的体系结构和推导简洁、注重实际应用等基本特色的前提下，第4版借鉴了多年课程改革和课程教学上的成果和经验，吸纳了其他学校专家的反馈意见和建议，并适应了新时代系统理论、控制理论及计算机技术的发展。修订的内容主要包括：新增学科领域的发展简史，删除一些冗余概念和部分不必要的多输入多输出（MIMO）内容，强调计算机求解和实时实现，考虑程序设计案例，补充更新部分习题，重新编排部分内容及证明过程以培养读者的批判思维能力和逻辑推理能力。
本书主要研究线性时不变集总系统的描述和设计方法，讨论了两个本质上独立但又密切联系的主题：状态空间方程和有理传递函数。通过选择合适的结构，求出可实际应用的补偿器（控制器），具体解决调节器、鲁棒跟踪、扰动抑制、模型匹配和解耦等问题。本书的特点可总结为：注重对基本问题的深入理解，理论证明和验算验证相结合，有助于提高逻辑思维能力；借助典型实例将复杂的概念和理论简单化，理论讲述结合循序渐进的MATLAB程序设计实现，兼顾计算机运算和实时处理；新颖的例题和习题，对于理解理论与强调工程实用性大有裨益；适时地给出相关内容的可移植性和推广性，给出相应参考书，便于巩固和自学；针对不同背景、不同目的的阅读人员，给出相应的学习内容、方法及学时建议。
北京航空航天大学电子信息工程学院自2010年以来一直以第3版作为讲授线性系统理论研究生课程的主要教材。在获得第4版的版权信息后，即着手翻译工作。具体工作由北京航空航天大学的高飞、王俊和孙进平完成，马飞参与了部分文档的整理工作。为了保持与原版图书的一致性，中文版的部分字符及字体保留了英文原版书的写作风格，同时对原版书进行了必要的勘误和修订。鉴于译者的经验和时间上的限制，本书难免存在不妥和错误之处，敬请广大读者批评指正。
在第4版的翻译过程中部分内容参考了第2版的译稿，译者衷心感谢参与第2版翻译的各位同仁，同时感谢北京航空航天大学出版社剧艳婕编辑为版权引进等具体工作所提供的大力支持。期待本书中文版的再次出版，能对从事相关领域工作的研究生、科技工作者有所帮助。
译者
2019年4月于北京航空航天大学
前言
本书可作为电气类、机械类、生物工程类、化工类及航空类高年级本科生或一年级研究生线性系统理论课程的教材。由于涵盖了许多设计方法的处理流程，所以本书也可视为实践工程师的有益参考。数学背景应具有线性代数和拉普拉斯变换的应用知识以及微分方程的基础知识。对领略二/三年级所在学科领域如参考文献\[10\]中信号与系统的知识是有益的，但并非必需。
线性系统理论涉及领域宽广。本教材主要研究状态空间方程和有理传递函数描述的线性时不变集总系统，前者属于内部描述，后者属于外部描述。我们研究其在设计中的结构、联系及含义。作为工程领域的参考，本书旨在实现两个目标，其一，利用尽量简便有效的方法导出结果并设计处理流程，因此表述并非面面俱到。譬如，跳过了状态空间方程中的多种多变量伴随型和传递矩阵中的SmithMcMillan型。其二，使读者能够利用这些结果以便完成设计。因此，大多数结果的讨论着眼于数值计算。书中所有设计方法的处理流程都可用MATLABMATLAB是Math Works公司的注册商标，MA，Natick，Prime Park路 24号，017601500。
http://www.mathworks.com完成。采取定理证明式编排可培养读者的批判思维能力和逻辑推理能力。
本教材也涉及线性时不变分布系统和线性时变集总系统，我们通过示例说明,书中某些结论并不适用于这类系统。即便如此，本教材也可以为分布、时变或非线性系统的研究提供基础和参考。
本教材第一版名为《线性系统理论引论》，出版于1970年；第2版改名为《线性系统理论与设计》，出版于1984年，且从初版的431页扩展为662页；第3版出版于1999年，将第2版删减约一半至332页，跳过那些只属于学术兴趣或实用性有限的主题，第3版同时引入双参数（前馈/反馈）结构，更适合实际应用。
在完成本次修订之前，牛津大学出版社组织了第3版的外审。由于两位评阅人的课程中并不涵盖第7章和第9章的内容，所以他们建议将之删除。确实，这两章的多输入多输出（MIMO）部分是出于完整性的考虑而将其纳入的，不应当被涵盖，这些内容更适合于高级教程。但是，由于单输入单输出（SISO）部分建立了传递函数互质性的概念和状态空间方程中能控能观性的概念之间的联系，并证实了两种描述的等价性，所以建议涵盖这部分内容；同时，传递函数利用较简便的数学导出结果，比状态空间方程获得的结果更具有普适性。
第4版更新情况
本教材涵盖内容几近成熟，因此，第4版与十多年前发行的前一版的区别主要在于表述方式不同，具体如下所列：
第1章新增学科领域的发展简史。
第2章重新编排，并非立足于线性时变情形，而是从线性时不变集总系统开始论述。讨论四类方程，然后解释关注有理传递函数和状态空间方程的原因。本版删除了图论中的树、环路和链路等概念。
第4章扩充相关内容，讨论状态空间方程的计算机运算和实时处理。新增SISO实现一节。
第7章新增完全表征一节。
添加案例补充动机以飨读者。
使用R2011a版更新所有MATLAB示例。
修正了每章最后的许多带数值习题。
期望该新版更易被广大读者所接受。
本教材讨论了两个本质上独立但又密切联系的主题。第一个主题涉及状态空间方程，需要第3章的所有数学基础，并在第4、5、6和8章中讨论。第二个主题涉及有理传递函数或多项式分式，仅需要第3章3.3节的基础，并在第5、7和9章中讨论。仅研究状态空间方程的一学期课程可以涵盖第1章~第6章和第8章的内容。若一学期课程欲覆盖两个主题，则囊括以下内容应已足够：
第1章~第2章；第3.1~3.7节；第4.1~4.5节；第5.1~5.2和5.4节；
第6.1~6.4节；第7.1~7.3节；
除第8.3.1、8.3.2和8.4.1节之外的第8.1~8.5节；
第9.1~9.3.1节和第9.4~9.4.2节。
若内容不够，还可以增加离散时间情形及/或时变情形的相关内容。当然，其他安排也是可以的，解决方案手册可从出版商获得。
在编写该版和前版的过程中，需要感谢很多人。Imin Kao教授和Zhi Chen先生提供了MATLAB方面的帮助， Zongli Lin教授和T.Anantakrishnan先生阅读了整篇书稿并提出了宝贵意见。感激石溪大学工程与应用科学系Yacov Shamash主任的鼓励。该书第3版由Wisconsin大学电气与计算机工程系的B. Ross Barmish教授、Purdue大学Indiana分校的Harold
Broberg教授、纽约州立大学Buffalo分校机械与航空工程系的Peyman Givi教授和Iowa State大学电气与计算机工程系的Mustafa Khammash教授审阅。他们详实、关键的意见促使我对一些章节进行了重新编排。对他们一并表示感谢。
感谢牛津大学出版社的Patrick
Lynch、Dan Pepper、Claire
Sullivan和Carolyn DiTullio为本次修订提供指导。感谢包括Pamela Hanley、Christine Mahon和Deborah Gross在内的牛津大学出版社工作人员对该项目的鼎力相助。
陈启宗
2012年7月
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