現代控制系統 第14版 Modern Control Systems

Richard C. Dorf

美國加利福尼亞大學戴維斯分校的電氣與計算機工程榮譽退休教授。作為該專業及其應用領域的知名學者，Dorf教授已經撰寫和編著出版了多本工程類教科書和手冊，其中，《The Engineering Handbook, Second Edition》和《The Electrical Engineering Handbook, Third Edition》經久不衰。同時，Dorf教授還是《Technology Ventures: From Idea to Enterprise》的合著者之一，這是一本在技術創業領域具有指導意義的圖書。Dorf教授是電氣電子工程師學會（IEEE）會士和美國工程教育協會（ASEE）會士，他還是PIDA控制器的專利持有者。

Robert H. Bishop

美國南佛羅里達大學工學院院長、應用工程研究所主任和電力工程系教授。在受聘南佛羅里達大學之前，Bishop教授是馬凱特大學工學院院長。更早之前，他是德克薩斯大學奧斯汀分校航天工程與機械工程系的系主任和傑出教授，榮獲Joe J. King專業工程成就獎。Bishop教授的工程職業生涯起始於Charles Stark Draper實驗室。他編著出版了講授圖示化編程的教材《Learning with LabVIEW》，此外還是《The Mechatronics Handbook》的合著者之一。Bishop教授始終是一位活躍的教師和研究者，他作為作者或合作者發表了145篇以上的期刊或會議論文。他還是全球工學院院長理事會的活躍成員，該理事會致力於建立全球範圍的工學院院長網絡，以便推進全球工程教育、研究和服務的發展。Bishop教授是美國航空航天學會（AIAA）會士、美國航天學會（AAS）會士和美國科學促進會（AAAS）會士，並長期活躍於美國工程教育學會（ASEE）和電氣電子工程師學會（IEEE）。

【譯者】

謝紅衛

湖北洪湖人，博士，國防科技大學智能科學學院教授，博士生導師；主要學術方向為控制理論與控制工程，試驗鑑定與評估技術，生物信息學；長期擔任學校“自動控制原理”系列課程負責人，國防科技大學教學名師；獲得軍隊院校“育才獎”銀獎1項，主講的“自動控制原理”MOOC課程獲評國家級線上一流課程1項，獲得湖南省精品課程1項，湖南省教學成果二等獎1項，編寫、翻譯出版教材和專著10部；承擔完成科研項目35項，發表論文130餘篇，獲得中國電子學會電子信息科學技術獎一等獎1項，國防科學技術獎二等獎1項，湖南省自然科學獎二等獎1項。

第1 章 控制系統導論 1

1.1 引言 1

1.2 自動控制簡史 4

1.3 控制系統實例 8

1.4 工程設計 13

1.5 控制系統設計 15

1.6 機電一體化系統 17

1.7 綠色工程 20

1.8 控制系統前瞻 21

1.9 設計實例 22

1.10 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 26

1.11 小結 27

技能自測 27

基礎練習題 29

一般習題 31

難題 35

設計題 38

技能自測答案 40

術語和概念 40

 

第2 章 系統數學模型 42

2.1 引言 42

2.2 物理系統的微分方程（組） 42

2.3 物理系統的線性近似 46

2.4 拉普拉斯變換 48

2.5 線性系統的傳遞函數 54

2.6 框圖模型 64

2.7 信號流圖模型 68

2.8 設計實例 73

2.9 利用控制系統設計軟件進行系統模擬 89

2.10 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 101

2.11 小結 103

技能自測 104

基礎練習題 107

一般習題 114

難題 126

設計題 129

電腦輔助設計題 131

技能自測答案 133

術語和概念 133

 

第3 章 狀態空間模型 136

3.1 引言 136

3.2 動態系統的狀態變量 137

3.3 狀態微分方程（組） 139

3.4 信號流圖模型和框圖模型 143

3.5 其他形式的信號流圖和框圖模型 152

3.6 由狀態方程求解傳遞函數 155

3.7 狀態轉移矩陣和系統時間響應 156

3.8 設計實例 159

3.9 利用控制系統設計軟件分析狀態空間模型 170

3.10 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 173

3.11 小結 176

技能自測 176

基礎練習題 179

一般習題 183

難題 192

設計題 195

電腦輔助設計題 196

技能自測答案 198

術語和概念 198

 

第4 章 反饋控制系統的特性 200

4.1 引言 200

4.2 偏差信號分析 202

4.3 控制系統對參數變化的靈敏度 203

4.4 反饋控制系統的乾擾信號 206

4.5 系統瞬態響應的調控 210

4.6 穩態誤差 212

4.7 反饋的代價 214

4.8 設計實例 215

4.9 利用控制系統設計軟件分析控制系統特性 223

4.10 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 229

4.11 小結 231

技能自測 232

基礎練習題 235

一般習題 240

難題 247

設計題 250

電腦輔助設計題 254

技能自測答案 257

術語和概念 257

 

第5 章 反饋控制系統的性能 259

5.1 引言 259

5.2 測試輸入信號 260

5.3 二階系統的性能 262

5.4 零點和第三個極點對二階系統響應的影響 267

5.5 s 平面上特徵根的位置與系統的瞬態響應 270

5.6 反饋控制系統的穩態誤差 272

5.7 綜合性能指標 277

5.8 線性系統的簡化 282

5.9 設計實例 284

5.10 利用控制系統設計軟件分析系統性能 294

5.11 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 298

5.12 小結 300

技能自測 301

基礎練習題 304

一般習題 308

難題 314

設計題 316

電腦輔助設計題 319

技能自測答案 322

術語和概念 322

 

第6 章 線性反饋系統的穩定性 324

6.1 穩定性的概念 324

6.2 勞斯-赫爾維茨穩定性判據 327

6.3 反饋控制系統的相對穩定性 333

6.4 狀態變量系統的穩定性 334

6.5 設計實例 336

6.6 利用控制系統設計軟件分析系統的穩定性 343

6.7 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 348

6.8 小結 351

技能自測 351

基礎練習題 353

一般習題 357

難題 362

設計題 365

電腦輔助設計題 367

技能自測答案 369

術語和概念 369

 

第7 章 根軌跡法 371

7.1 引言 371

7.2 根軌跡的概念 371

7.3 繪制根軌跡 375

7.4 應用根軌跡法進行參數的設計 387

7.5 靈敏度與根軌跡 391

7.6 PID控制器 395

7.7 負增益根軌跡 404

7.8 設計實例 408

7.9 利用控制系統設計軟件分析根軌跡 416

7.10 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 420

7.11 小結 421

技能自測 423

基礎練習題 427

一般習題 431

難題 442

設計題 446

電腦輔助設計題 453

技能自測答案 455

術語和概念 455

 

第8 章 頻率響應法 457

8.1 引言 457

8.2 頻率響應圖 459

8.3 頻率響應測量 476

8.4 頻域性能指標 477

8.5 對數幅相圖 480

8.6 設計實例 481

8.7 利用控制系統設計軟件的頻率響應法 488

8.8 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 493

8.9 小結 495

技能自測 497

基礎練習題 501

一般習題 504

難題 514

設計題 516

電腦輔助設計題 519

技能自測答案 521

術語和概念 521

 

第9 章 頻域穩定性 523

9.1 引言 523

9.2 s 平面上的圍線映射 524

9.3 奈奎斯特穩定性判據 529

9.4 相對穩定性與奈奎斯特穩定性判據 537

9.5 利用頻域方法確定系統的時域性能指標 542

9.6 系統帶寬 548

9.7 時延系統的穩定性 549

9.8 設計實例 552

9.9 頻域中的PID控制器 566

9.10 利用控制系統設計軟件分析頻域穩定性 567

9.11 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 576

9.12 小結 577

技能自測 584

基礎練習題 586

一般習題 592

難題 603

設計題 607

電腦輔助設計題 612

技能自測答案 614

術語和概念 614

 

第10 章 反饋控制系統設計 616

10.1 引言 616

10.2 系統設計方法 617

10.3 串聯校正器 618

10.4 用伯德圖設計超前校正器 621

10.5 用根軌跡法設計超前校正器 626

10.6 用積分型校正器設計反饋控制系統 631

10.7 用根軌跡法設計滯後校正器 633

10.8 用伯德圖設計滯後校正器 636

10.9 在伯德圖上用解析法進行系統的設計 640

10.10 帶有前置濾波器的反饋控制系統 641

10.11 設計具有最小節拍響應的系統 643

10.12 設計實例 645

10.13 利用控制系統設計軟件設計控制系統 653

10.14 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 658

10.15 小結 660

技能自測 661

基礎練習題 664

一般習題 668

難題 678

設計題 681

電腦輔助設計題 686

技能自測答案 688

術語和概念 688

 

第11 章 狀態變量反饋系統設計 689

11.1 引言 689

11.2 能控性和能觀性 690

11.3 全狀態反饋控制設計 694

11.4 觀測器設計 698

11.5 觀測器和全狀態反饋控制的集成 701

11.6 參考輸入信號 706

11.7 最優控制系統 708

11.8 內模設計 714

11.9 設計實例 716

11.10 利用控制系統設計軟件設計狀態變量反饋 722

11.11 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 726

11.12 小結 727

技能自測 728

基礎練習題 731

一般習題 733

難題 739

設計題 742

電腦輔助設計題 745

技能自測答案 749

術語和概念 749

 

第12 章 魯棒控制系統 751

12.1 引言 751

12.2 魯棒控制系統和系統靈敏度 752

12.3 魯棒性分析 755

12.4 含有不確定參數的系統 758

12.5 魯棒控制系統設計 759

12.6 魯棒PID控制器設計 763

12.7 魯棒內模控制系統 767

12.8 設計實例 769

12.9 偽定量反饋系統 778

12.10 利用控制系統設計軟件設計魯棒控制系統 779

12.11 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 781

12.12 小結 783

技能自測 784

基礎練習題 788

一般習題 789

難題 794

設計題 797

電腦輔助設計題 802

技能自測答案 805

術語與概念 805

 

第13 章 數字控制系統 807

13.1 引言 807

13.2 數字控制系統應用概貌 808

13.3 採樣控制系統 809

13.4 z 變換 811

13.5 閉環反饋採樣控制系統 814

13.6 二階採樣控制系統的性能 817

13.7 帶有數字校正器的閉環系統 819

13.8 數字控制系統的根軌跡 822

13.9 PID控制器的數字實現 824

13.10 設計實例 825

13.11 利用控制系統設計軟件設計數字控制系統 832

13.12 循序漸進設計實例：磁盤驅動器讀取系統 837

13.13 小結 838

技能自測 838

基礎練習題 841

一般習題 844

難題 846

設計題 847

電腦輔助設計題 849

技能自測答案 850

術語與概念 850

 

附錄A MATLAB基礎知識 851

附錄B MathScript RT模塊入門 867

附錄C 符號、計量單位與轉換因子 889

附錄D 拉普拉斯變換對 892

附錄E 矩陣代數簡介 894

附錄F 分貝轉換表 901

附錄G 復數 902

附錄H z 變換對 905

附錄I 用離散時間近似的方法求線性系統的時間響應 906

附錄J 設計輔助知識要點 911

參考文獻 916