從蒸汽機(jī)離心調(diào)速器的出現(xiàn)，初嘗反饋控制的力量，萌發(fā)了自動控制技術(shù)，到20世紀(jì)中葉形成經(jīng)典控制理論，標(biāo)志著一個新的學(xué)科——控制科學(xué)與工程的誕生。隨后，控制理論進(jìn)入快速發(fā)展階段，延續(xù)到20世紀(jì)末，相繼出現(xiàn)狀態(tài)空間與狀態(tài)反饋、最優(yōu)控制、多變量頻域控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制等一系列現(xiàn)代控制理論，呈現(xiàn)一派繁榮景象。進(jìn)入21世紀(jì)，回歸并深化人工智能技術(shù)，推動控制理論進(jìn)入智能化時代。
隨著控制理論的發(fā)展步伐，控制技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)驚世界殊，衛(wèi)星上天、探測器外星球行走、水下機(jī)器人深海作業(yè)、超精微半導(dǎo)體裝備制造、車間無人化運(yùn)行、大型冶煉與石化生產(chǎn)、超臨界發(fā)電、特高壓輸電等，越來越多宏觀、介觀、微觀世界在人類掌控之中。然而，縱覽控制理論的發(fā)展與控制技術(shù)的應(yīng)用，二者的差距也日益突顯。國際自動控制聯(lián)合會（IFAC）的工業(yè)委員會分別于2017年、2020年發(fā)布了控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)查報告，令學(xué)界期待的自適應(yīng)控制、魯棒控制、智能控制等先進(jìn)控制技術(shù)并未受到業(yè)界的追捧，反而經(jīng)典的PID控制以及模型預(yù)測控制（MPC）廣受業(yè)界青睞，這引起了學(xué)界與業(yè)界的反思。
現(xiàn)代控制理論是為解決日益增加的多變量控制需求而出現(xiàn)的，通道間的耦合影響是首要處理的問題，簡單將其他通道的耦合影響視作擾動化為單變量控制難以實(shí)現(xiàn)高性能控制。狀態(tài)空間描述與結(jié)構(gòu)特征分析、基于極點(diǎn)配置的狀態(tài)反饋以及最優(yōu)控制，將多變量系統(tǒng)整體考慮，統(tǒng)籌各通道間的耦合影響，突破了經(jīng)典單變量控制的局限，形成了早期的現(xiàn)代控制理論，推動了航空航天等重大應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。這些現(xiàn)代控制技術(shù)嚴(yán)格依賴系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，要求被控對象相對完美，模型殘差要小，這對許多民用系統(tǒng)來說難以滿足，需做大量實(shí)驗(yàn)修正數(shù)學(xué)模型，使得成本增加，導(dǎo)致“性價比”不高而喪失實(shí)用價值。因此，模型不確定性、非線性和隨機(jī)性成了現(xiàn)代控制理論與應(yīng)用的焦點(diǎn)問題。自適應(yīng)控制、魯棒控制、智能控制等近現(xiàn)代控制理論就是因此而發(fā)，可為何未能廣泛應(yīng)用？
IFAC工業(yè)委員會的調(diào)查報告分析了原因，概略起來大致兩大方面：
1）成功的工業(yè)應(yīng)用需要深入的領(lǐng)域知識，而研究人員過于重視理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及其完備性，理論的前提條件可能與應(yīng)用實(shí)際不相吻合；控制系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，新技術(shù)試錯成本巨大，阻礙了其應(yīng)用。
2）業(yè)界缺乏具有先進(jìn)控制技術(shù)能力的員工；控制專業(yè)的學(xué)生（本科生和研究生）沒有充分接觸到業(yè)界中的問題。
歸納起來，理論與實(shí)際有脫節(jié)，人才培養(yǎng)與業(yè)界需求有脫離�！艾F(xiàn)代控制理論”是自動化類專業(yè)的本科生與研究生的必修課程，新時代需要新變化。經(jīng)典廣為用之的，應(yīng)予重視，明晰其中道理再煥新生；新出鮮有用之的，不可忽視，厘清緣由凝練思想予人以啟迪。鑒于此，本書分為6章，重在凝練方法的思路，不追求理論的完備性，力圖靠近實(shí)際應(yīng)用。
第1章導(dǎo)論。簡述經(jīng)典控制理論的優(yōu)勢與精要，再以多個實(shí)例闡述多變量耦合帶來的困境，導(dǎo)出實(shí)際應(yīng)用中常見的多變量控制框架。
第2章狀態(tài)空間描述與分析。重點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征分析，這有別于經(jīng)典控制理論的分析，從狀態(tài)、輸入、輸出多視角析出系統(tǒng)能控性、能觀性和穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)特征。
第3章狀態(tài)反饋與伺服控制。建立通用的“狀態(tài)觀測+狀態(tài)反饋”控制結(jié)構(gòu)，達(dá)到配置系統(tǒng)性能（閉環(huán)極點(diǎn)）的目的；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于PID分環(huán)結(jié)構(gòu)的多變量伺服控制，充分發(fā)揮經(jīng)典與現(xiàn)代控制理論的優(yōu)勢。
第4章最優(yōu)控制與滾動優(yōu)化。最優(yōu)控制基于性能指標(biāo)的優(yōu)化，可同步求出控制器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，是一條新穎的設(shè)計途徑，具有嚴(yán)密的理論性。為彌補(bǔ)其對模型敏感的問題，基于滾動優(yōu)化的MPC控制成為有效解決方案。
第5章線性系統(tǒng)理論。線性系統(tǒng)是控制理論研究的基本對象，建立線性系統(tǒng)統(tǒng)一框架具有重大理論意義。以多項式矩陣?yán)碚摓闃蛄�，將傳遞函數(shù)描述、狀態(tài)空間描述、多項式矩陣描述貫通起來，構(gòu)筑基于線性系統(tǒng)的經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的統(tǒng)一框架。
第6章現(xiàn)代控制理論進(jìn)階�，F(xiàn)代控制理論豐富多彩，在“知識爆炸”年代，萃取精華、集成學(xué)習(xí)是必要的現(xiàn)實(shí)之需。本章選取幾個典型理論分支進(jìn)行概述：處理一般系統(tǒng)穩(wěn)定性的李雅普諾夫穩(wěn)定性理論、處理隨機(jī)性的隨機(jī)過程與濾波估計、處理不確定性的魯棒控制原理以及事關(guān)控制成敗的系統(tǒng)可控能力分析，凝練其思想，為解決更復(fù)雜的控制問題打下基礎(chǔ)。
在本書成稿過程中，全國高�？刂评碚撜n程群虛擬教研室負(fù)責(zé)人、西安理工大學(xué)劉丁教授，上海交通大學(xué)楊明教授，廣東工業(yè)大學(xué)徐雍教授不吝賜教，受益良多，向他們致以誠摯謝意。同時，廣東工業(yè)大學(xué)賴冠宇老師、楊苓老師、肖涵臻老師以及博士生陳子韜、碩士生黃凱等給予了研讀體會與修改建議，提供了仿真曲線圖與插圖，向他們表示衷心感謝。本書力圖呼應(yīng)新工科要求，限于水平與視野，錯漏難免，敬請廣大讀者指正。
作者