控制论是一门关于在动物和机器中控制与通信的科学。从人类社会活动中萃取控制原理与方法是开展控制科学研究的重要手段。本文从控制系统一体化设计在工程可行性方面遇到的挑战出发,分析提取出"怎样的受控对象更好控制?"的控制科学问题。针对这一问题,受人类社会中控制任务开始阶段"遴选受控对象"方法的启发,就线性定常系统,提出了"能控度更高的对象更好控制"的猜想。论文围绕这一猜想从理论和工程两个方面做了深入的分析和研究,主要内容如下:1、分析萃取了"更好控制的对象"的实际内涵,给出了"同样反馈控制策略设计方法下,闭环效果更好,或闭环效果相当、反馈增益更小"的受控对象是"更好控制的对象"的定义。同时,分析得到了可用于衡量"更好控制"程度的指标(控制性设计指标)必须具备的性质。在此基础上,结合能控度的控制工程意义,提出了"能控度可以作为线性定常系统的一种局部控制性设计指标"的控制学猜想,并给出证明这一猜想的分析论证方案构架。2、根据上面给出的分析论证构架,分别针对一类线性控制理论问题和风力机最大功率点跟踪(MPPT)控制问题,对所提"能控度猜想"做了深入的分析与验证。研究结果表明:就所探讨的问题而言,前述"能控度猜想"是成立的。亦即,对这些问题来说,能控度较高的受控对象,其闭环控制效果较好,同时反馈增益也有可能较小。其具体研究进展包括:(1)研究了参数摄动裕度能控度对LQR控制性能的影响。首先,从二次最优性能指标和控制器增益两方面,探讨了参数摄动裕度能控度在冗余LQR控制中的影响。针对具有冗余输入的系统设计LQR控制器,分别讨论了参数摄动裕度能控度与二次最优性能指标、控制器增益之间的变化关系。研究结果表明:参数摄动裕度能控度越大的系统,二次最优性能指标越小。同时,进一步的分析也表明:随着参数摄动裕度能控度增加,LQR控制器增益有可能会减少。另外,对于两类特殊的系统,推导出了参数摄动裕度能控度严格增加是二次最优性能指标严格降低的充要条件。综上所述,更高的参数摄动裕度能控度一定程度上能带来更好的控制性能。(2)研究了能量能控度对LQR控制性能的影响。类似地,首先从二次最优性能指标和控制器增益两方面,探讨了能量能控度对无限时间冗余LQR控制的影响。针对具有冗余输入的系统设计LQR控制器,研究了能量能控度与二次最优性能指标、控制器增益之间存在的变化关系。研究结果表明:能量能控度更高的系统,具有更小的二次最优性能指标。同时,进一步的分析也表明:随着能量能控度的增加,LQR控制器增益有可能会减少。另外,通过研究能量能控度对有限时间冗余控制的影响,也表明能量能控度更高的系统具有更好的LQR控制性能。(3)研究了上述两类能控度指标与风力机系统MPPT控制性能指标--风能捕获效率的变化关系。首先,基于简化气动方程和运动方程的线性化模型,分别推导出了两类能控度指标与风力机结构参数的函数关系。通过灵敏度分析发现:对于上述两类能控度指标,均呈现出转动惯量越小,风力机能控度越大的规律。进一步,通过仿真探讨了两类能控度指标与风力机风能捕获效率的变化关系。仿真结果表明,在相同的MPPT控制策略下,能控度更高的风力机能够获得更高的风能捕获效率。(4)提出了一种基于能控度指标进行受控对象结构优化设计的方法。并以风力机系统作为应用背景,分别建立了以参数摄动裕度能控度和能量能控度作为优化指标,风力机结构参数为设计变量的优化模型。通过风力机专业仿真软件Bladed和MATLAB验证了该优化设计方法的有效性。进一步,通过比较发现,能量能控度的优化效果更好。(5)针对中低速风场的随机特点,研究了考虑带有随机干扰的线性系统的能量能控度指标。提出了两个新的能量能控度指标,并以风力机系统为应用背景,通过仿真验证了新的能控度指标的增大能提高风力机MPPT控制性能。另外,对现有的能控度指标与本文提出的指标进行了对比,结果表明本文提出的能控度指标的适用性更好。以上研究结果表明:对线性定常系统的线性控制策略而言,在局部优化意义上的"能控度高的对象更好控制"这一猜想在较大的范围内成立是可能的。这说明将能控度用于受控对象的结构优化设计值得进一步探索。