现代控制系统 第14版

控制系统原理及相近课程是高等学校工科学生的核心课程之一。这是本书第十四版的中译本，主要内容包括控制系统导论、系统数学模型、状态空间模型、反馈控制系统的特性、反馈控制系统的性能、线性反馈系统的稳定性、根轨迹法、频率响应法、频域稳定性、反馈控制系统设计、状态变量反馈系统设计、鲁棒控制系统、数字控制系统等。

本书的例子和习题大多取材于现代科技领域里的实际问题，新颖而恰当。学习和解决这些问题，可以使学生的创造性素养得到潜移默化的提升。

本书可以用作高等学校工科（自动化、航空航天、电力、电子、机械、化工等） 本科高年级学生以及研究生的教材，也可以供从事相关工作的人员阅读参考。

Richard C. Dorf 美国加利福尼亚大学戴维斯分校的电气与计算机工程荣誉退休教授。作为该专业及其应用领域的知 名学 者，Dorf 教授已经撰写和编著出版了多本工程类教科书和手册，其中，The Engineering Handbook, Second Edition 和The Electrical Engineering Handbook, Third Edition 经久不衰。同时，Dorf 教授还是Technology Ventures: From Idea to Enterprise 的合著者之一，这是一本在技术创业领域具有指导意义的图书。Dorf 教授是电气电子工程师学会（IEEE） 会士和美国工程教育协会（ASEE） 会士，他还是PIDA 控制器的专利持有者。 Robert H. Bishop 美国南佛罗里达大学工学院院长、应用工程研究所主任和电力工程系教授。在受聘南佛罗里达大学之前，Bishop 教授是马凯特大学工学院院长。更早之前，他是得克萨斯大学奥斯汀分校航天工程与机械工程系的系主任和杰出教授，荣获Joe J. King 专业工程成就奖。Bishop 教授的工程职业生涯起始于Charles Stark Draper 实验室。他编著出版了讲授图示化编程的教材Learning with LabVIEW，此外还是The Mechatronics Handbook 的合著者之一。Bishop 教授始终是一位活跃的教师和研究者，他作为作者或合作者发表了145 篇以上的期刊或会议论文。他还是全球工学院院长理事会的活跃成员，该理事会致力于建立全球范围的工学院院长网络，以便推进全球工程教育、研究和服务的发展。Bishop 教授是美国航空航天学会（AIAA） 会士、美国航天学会（AAS） 会士和美国科学促进会（AAAS） 会士，并长期活跃于美国工程教育学会（ASEE） 和电气电子工程师学会（IEEE）。 【译者】 谢红卫 湖北洪湖人，博士，国防科技大学智能科学学院教授，博士生导师；主要学术方向为控制理论与控制工程，试验鉴定与评估技术，生物信息学；长期担任学校“自动控制原理”系列课程负责人，国防科技大学教学名师；获得军队院校“育才奖”银奖1 项，主讲的“自动控制原理”MOOC 课程获评国 家级线上一 流课程1 项，获得湖南省精品课程1项，湖南省教学成果二等奖1 项，编写、翻译出版教材和专著10 部；承担完成科研项目35 项，发表论文130 余篇，获得中国电子学会电子信息科学技术奖一等奖1 项，国防科学技术奖二等奖1项，湖南省自然科学奖二等奖1 项。

第1 章 控制系统导论 1

1.1 引言 1

1.2 自动控制简史 4

1.3 控制系统实例 8

1.4 工程设计 13

1.5 控制系统设计 15

1.6 机电一体化系统 17

1.7 绿色工程 20

1.8 控制系统前瞻 21

1.9 设计实例 22

1.10 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 26

1.11 小结 27

技能自测 27

基础练习题 29

一般习题 31

难题 35

设计题 38

技能自测答案 40

术语和概念 40

第2 章 系统数学模型 42

2.1 引言 42

2.2 物理系统的微分方程（组） 42

2.3 物理系统的线性近似 46

2.4 拉普拉斯变换 48

2.5 线性系统的传递函数 54

2.6 框图模型 64

2.7 信号流图模型 68

2.8 设计实例 73

2.9 利用控制系统设计软件进行系统仿真 89

2.10 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 101

2.11 小结 103

技能自测 104

基础练习题 107

一般习题 114

难题 126

设计题 129

计算机辅助设计题 131

技能自测答案 133

术语和概念 133

第3 章 状态空间模型 136

3.1 引言 136

3.2 动态系统的状态变量 137

3.3 状态微分方程（组） 139

3.4 信号流图模型和框图模型 143

3.5 其他形式的信号流图和框图模型 152

3.6 由状态方程求解传递函数 155

3.7 状态转移矩阵和系统时间响应 156

3.8 设计实例 159

3.9 利用控制系统设计软件分析状态空间模型 170

3.10 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 173

3.11 小结 176

技能自测 176

基础练习题 179

一般习题 183

难题 192

设计题 195

计算机辅助设计题 196

技能自测答案 198

术语和概念 198

第4 章 反馈控制系统的特性 200

4.1 引言 200

4.2 偏差信号分析 202

4.3 控制系统对参数变化的灵敏度 203

4.4 反馈控制系统的干扰信号 206

4.5 系统瞬态响应的调控 210

4.6 稳态误差 212

4.7 反馈的代价 214

4.8 设计实例 215

4.9 利用控制系统设计软件分析控制系统特性 223

4.10 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 229

4.11 小结 231

技能自测 232

基础练习题 235

一般习题 240

难题 247

设计题 250

计算机辅助设计题 254

技能自测答案 257

术语和概念 257

第5 章 反馈控制系统的性能 259

5.1 引言 259

5.2 测试输入信号 260

5.3 二阶系统的性能 262

5.4 零点和第三个极点对二阶系统响应的影响 267

5.5 s 平面上特征根的位置与系统的瞬态响应 270

5.6 反馈控制系统的稳态误差 272

5.7 综合性能指标 277

5.8 线性系统的简化 282

5.9 设计实例 284

5.10 利用控制系统设计软件分析系统性能 294

5.11 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 298

5.12 小结 300

技能自测 301

基础练习题 304

一般习题 308

难题 314

设计题 316

计算机辅助设计题 319

技能自测答案 322

术语和概念 322

第6 章 线性反馈系统的稳定性 324

6.1 稳定性的概念 324

6.2 劳斯-赫尔维茨稳定性判据 327

6.3 反馈控制系统的相对稳定性 333

6.4 状态变量系统的稳定性 334

6.5 设计实例 336

6.6 利用控制系统设计软件分析系统的稳定性 343

6.7 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 348

6.8 小结 351

技能自测 351

基础练习题 353

一般习题 357

难题 362

设计题 365

计算机辅助设计题 367

技能自测答案 369

术语和概念 369

第7 章 根轨迹法 371

7.1 引言 371

7.2 根轨迹的概念 371

7.3 绘制根轨迹 375

7.4 应用根轨迹法进行参数的设计 387

7.5 灵敏度与根轨迹 391

7.6 PID控制器 395

7.7 负增益根轨迹 404

7.8 设计实例 408

7.9 利用控制系统设计软件分析根轨迹 416

7.10 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 420

7.11 小结 421

技能自测 423

基础练习题 427

一般习题 431

难题 442

设计题 446

计算机辅助设计题 453

技能自测答案 455

术语和概念 455

第8 章 频率响应法 457

8.1 引言 457

8.2 频率响应图 459

8.3 频率响应测量 476

8.4 频域性能指标 477

8.5 对数幅相图 480

8.6 设计实例 481

8.7 利用控制系统设计软件的频率响应法 488

8.8 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 493

8.9 小结 495

技能自测 497

基础练习题 501

一般习题 504

难题 514

设计题 516

计算机辅助设计题 519

技能自测答案 521

术语和概念 521

第9 章 频域稳定性 523

9.1 引言 523

9.2 s 平面上的围线映射 524

9.3 奈奎斯特稳定性判据 529

9.4 相对稳定性与奈奎斯特稳定性判据 537

9.5 利用频域方法确定系统的时域性能指标 542

9.6 系统带宽 548

9.7 时延系统的稳定性 549

9.8 设计实例 552

9.9 频域中的PID控制器 566

9.10 利用控制系统设计软件分析频域稳定性 567

9.11 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 576

9.12 小结 577

技能自测 584

基础练习题 586

一般习题 592

难题 603

设计题 607

计算机辅助设计题 612

技能自测答案 614

术语和概念 614

第10 章 反馈控制系统设计 616

10.1 引言 616

10.2 系统设计方法 617

10.3 串联校正器 618

10.4 用伯德图设计超前校正器 621

10.5 用根轨迹法设计超前校正器 626

10.6 用积分型校正器设计反馈控制系统 631

10.7 用根轨迹法设计滞后校正器 633

10.8 用伯德图设计滞后校正器 636

10.9 在伯德图上用解析法进行系统的设计 640

10.10 带有前置滤波器的反馈控制系统 641

10.11 设计具有最小节拍响应的系统 643

10.12 设计实例 645

10.13 利用控制系统设计软件设计控制系统 653

10.14 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 658

10.15 小结 660

技能自测 661

基础练习题 664

一般习题 668

难题 678

设计题 681

计算机辅助设计题 686

技能自测答案 688

术语和概念 688

第11 章 状态变量反馈系统设计 689

11.1 引言 689

11.2 能控性和能观性 690

11.3 全状态反馈控制设计 694

11.4 观测器设计 698

11.5 观测器和全状态反馈控制的集成 701

11.6 参考输入信号 706

11.7 最优控制系统 708

11.8 内模设计 714

11.9 设计实例 716

11.10 利用控制系统设计软件设计状态变量反馈 722

11.11 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 726

11.12 小结 727

技能自测 728

基础练习题 731

一般习题 733

难题 739

设计题 742

计算机辅助设计题 745

技能自测答案 749

术语和概念 749

第12 章 鲁棒控制系统 751

12.1 引言 751

12.2 鲁棒控制系统和系统灵敏度 752

12.3 鲁棒性分析 755

12.4 含有不确定参数的系统 758

12.5 鲁棒控制系统设计 759

12.6 鲁棒PID控制器设计 763

12.7 鲁棒内模控制系统 767

12.8 设计实例 769

12.9 伪定量反馈系统 778

12.10 利用控制系统设计软件设计鲁棒控制系统 779

12.11 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 781

12.12 小结 783

技能自测 784

基础练习题 788

一般习题 789

难题 794

设计题 797

计算机辅助设计题 802

技能自测答案 805

术语与概念 805

第13 章 数字控制系统 807

13.1 引言 807

13.2 数字控制系统应用概貌 808

13.3 采样控制系统 809

13.4 z 变换 811

13.5 闭环反馈采样控制系统 814

13.6 二阶采样控制系统的性能 817

13.7 带有数字校正器的闭环系统 819

13.8 数字控制系统的根轨迹 822

13.9 PID控制器的数字实现 824

13.10 设计实例 825

13.11 利用控制系统设计软件设计数字控制系统 832

13.12 循序渐进设计实例：磁盘驱动器读取系统 837

13.13 小结 838

技能自测 838

基础练习题 841

一般习题 844

难题 846

设计题 847

计算机辅助设计题 849

技能自测答案 850

术语与概念 850

附录A MATLAB基础知识 851

附录B MathScript RT模块入门 867

附录C 符号、计量单位与转换因子 889

附录D 拉普拉斯变换对 892

附录E 矩阵代数简介 894

附录F 分贝转换表 901

附录G 复数 902

附录H z 变换对 905

附录I 用离散时间近似的方法求线性系统的时间响应 906

附录J 设计辅助知识要点 911

参考文献 916

控制系统原理及相近课程是高等学校工科学生的核心课程之一。这是本书第十四版的中译本，主要内容包括控制系统导论、系统数学模型、状态空间模型、反馈控制系统的特性、反馈控制系统的性能、线性反馈系统的稳定性、根轨迹法、频率响应法、频域稳定性、反馈控制系统设计、状态变量反馈系统设计、鲁棒控制系统、数字控制系统等。

本书的例子和习题大多取材于现代科技领域里的实际问题，新颖而恰当。学习和解决这些问题，可以使学生的创造性素养得到潜移默化的提升。

本书可以用作高等学校工科（自动化、航空航天、电力、电子、机械、化工等） 本科高年级学生以及研究生的教材，也可以供从事相关工作的人员阅读参考。

Richard C. Dorf 美国加利福尼亚大学戴维斯分校的电气与计算机工程荣誉退休教授。作为该专业及其应用领域的知 名学 者，Dorf 教授已经撰写和编著出版了多本工程类教科书和手册，其中，The Engineering Handbook, Second Edition 和The Electrical Engineering Handbook, Third Edition 经久不衰。同时，Dorf 教授还是Technology Ventures: From Idea to Enterprise 的合著者之一，这是一本在技术创业领域具有指导意义的图书。Dorf 教授是电气电子工程师学会（IEEE） 会士和美国工程教育协会（ASEE） 会士，他还是PIDA 控制器的专利持有者。 Robert H. Bishop 美国南佛罗里达大学工学院院长、应用工程研究所主任和电力工程系教授。在受聘南佛罗里达大学之前，Bishop 教授是马凯特大学工学院院长。更早之前，他是得克萨斯大学奥斯汀分校航天工程与机械工程系的系主任和杰出教授，荣获Joe J. King 专业工程成就奖。Bishop 教授的工程职业生涯起始于Charles Stark Draper 实验室。他编著出版了讲授图示化编程的教材Learning with LabVIEW，此外还是The Mechatronics Handbook 的合著者之一。Bishop 教授始终是一位活跃的教师和研究者，他作为作者或合作者发表了145 篇以上的期刊或会议论文。他还是全球工学院院长理事会的活跃成员，该理事会致力于建立全球范围的工学院院长网络，以便推进全球工程教育、研究和服务的发展。Bishop 教授是美国航空航天学会（AIAA） 会士、美国航天学会（AAS） 会士和美国科学促进会（AAAS） 会士，并长期活跃于美国工程教育学会（ASEE） 和电气电子工程师学会（IEEE）。 【译者】 谢红卫 湖北洪湖人，博士，国防科技大学智能科学学院教授，博士生导