現代控制系統 第14版 Modern Control Systems

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