现代控制系统

控制系统原理及相近课程是高等学校信息类和机电类等专业学生的核心课程之一，本书一直是此类课程畅销全球的教材范本，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、频率响应方法、频域稳定性、反馈控制系统设计、状态变量反馈系统设计、鲁棒控制系统和数字控制系统等。本书的例子和习题大多取材于现代科技领域中的实际问题，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。

Richard C. Dorf是美国加利福尼亚大学戴维斯分校的电气与计算机工程教授。作为在电子工程专业及其应用领域内的知名学者， Dorf教授已经成功撰写和编著出版了多本工程类教科书和手册， 其中Engineering Handbook， Second Edition和Electrical Engineering

Handbook, Third Edition两书畅销不衰。同时， Dorf教授还是Technology Ventures一书的合著者之一， 这是技术创业领域中*具指导意义的书籍之一。Dorf教授是IEEE会士和ASEE会士， 一直活跃在控制系统设计和机器人等研究领域。Dorf教授还是PIDA控制器的专利持有者。Robert H. Bishop是美国南佛罗里达大学工学院院长和电力工程系教授，之前曾任马凯特大学工学院院长，得克萨斯大学奥斯汀分校航天工程与机械工程系的教授和系主任。Bishop教授的工程职业生涯起始于麻省理工学院著名的Charles Stark Draper 实验室。他编著出版了讲授图示化编程的畅销教材：Learning with LabVIEW，他还是Mechatronics Handbook 的合著者。Bishop教授始终是一位活跃的教师和研究者，作为作者/合作者发表了超过135篇的期刊或会议论文。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一个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AIAA会士和AAS会士，并长期活跃于ASEE和IEEE等学会。
谢红卫 博士，国防科技大学教授，博士生导师。主要学术方向为自动控制理论、实验鉴定与评估技术、生物信息学。学校“自动控制原理”系列课程的负责人，负责建设的“自动控制原理”课程获评湖南省精品课程。获得军队院校“育才奖”银奖1项，省教学成果二等奖1项，编写、翻译出版教材和专著6部。承担完成科研项目30余项。发表论文100余篇，其中40余篇被SCI收录。获得“国防科学技术奖”二等奖1项，中国电子学会“电子信息科学技术奖”一等奖1项。

Chapter 1 Introduction to Control Systems
1．1 Introduction
1．2 Brief History of Automatic Control
1．3 Examples of Control Systems
1．4 Engineering Design
1．5 Control System Design
1．6 Mechatronic Systems
1．7 Green Engineering
1．8 The Future Evolution of Control Systems
1．9 Design Examples
1．10 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
1．11 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Terms and Concepts
Chapter 2 Mathematical Models of Systems
2．1 Introduction
2．2 Differential Equations of Physical Systems
2．3 Linear Approximations of Physical Systems
2．4 The Laplace Transform
2．5 The Transfer Function of Linear Systems
2．6 Block Diagram Models
2．7 Signal-Flow Graph Models
2．8 Design Examples
2．9 The Simulation of Systems Using Control Design Software
2．10 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
2．11 Summary 155
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
Chapter 3 State Variable Models
3．1 Introduction
3．2 The State Variables of a Dynamic System
3．3 The State Differential Equation
3．4 Signal-Flow Graph and Block Diagram Models
3．5 Alternative Signal-Flow Graph and Block Diagram Models
3．6 The Transfer Function from the State Equation
3．7 The Time Response and the State Transition Matrix
3．8 Design Examples
3．9 Analysis of State Variable Models Using Control Design Software
3．10 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
3．11 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
Chapter 4 Feedback Control System Characteristics
4．1 Introduction
4．2 Error Signal Analysis
4．3 Sensitivity of Control Systems to Parameter Variations
4．4 Disturbance Signals in a Feedback Control System
4．5 Control of the Transient Response
4．6 Steady-State Error
4．7 The Cost of Feedback
4．8 Design Examples
4．9 Control System Characteristics Using Control Design Software
4．10 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
4．11 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
Chapter 5 The Performance of Feedback Control Systems
5．1 Introduction
5．2 Test Input Signals
5．3 Performance of Second-Order Systems
5．4 Effects of a Third Pole and a Zero on the Second-Order System Response
5．5 The s-Plane Root Location and the Transient Response
5．6 The Steady-State Error of Feedback Control Systems
5．7 Performance Indices
5．8 The Simplification of Linear Systems
5．9 Design Examples
5．10 System Performance Using Control Design Software
5．11 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
5．12 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
Chapter 6 The Stability of Linear Feedback Systems
6．1 The Concept of Stability
6．2 The Routh-Hurwitz Stability Criterion
6．3 The Relative Stability of Feedback Control Systems
6．4 The Stability of State Variable Systems
6．5 Design Examples
6．6 System Stability Using Control Design Software
6．7 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
6．8 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
Chapter 7 The Root Locus Method
7．1 Introduction
7．2 The Root Locus Concept
7．3 The Root Locus Procedure
7．4 Parameter Design by the Root Locus Method
7．5 Sensitivity and the Root Locus
7．6 PID Controllers
7．7 Negative Gain Root Locus
7．8 Design Examples
7．9 The Root Locus Using Control Design Software
7．10 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
7．11 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
Chapter 8 Frequency Response Methods
8．1 Introduction
8．2 Frequency Response Plots
8．3 Frequency Response Measurements
8．4 Performance Specifications in the Frequency Domain
8．5 Log-Magnitude and Phase Diagrams
8．6 Design Examples
8．7 Frequency Response Methods Using Control Design Software
8．8 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
8．9 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems
Terms and Concepts
Chapter 9 Stability in the Frequency Domain
9．1 Introduction
9．2 Mapping Contours in the s-Plane
9．3 The Nyquist Criterion
9．4 Relative Stability and the Nyquist Criterion
9．5 Time-Domain Performance Criteria in the Frequency Domain
9．6 System Bandwidth
9．7 The Stability of Control Systems with Time Delays
9．8 Design Examples
9．9 PID Controllers in the Frequency Domain
9．10 Stability in the Frequency Domain Using Control Design Software
9．11 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
9．12 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
Chapter 10 The Design of Feedback Control Systems
10．1 Introduction
10．2 Approaches to System Design
10．3 Cascade Compensators
10．4 Phase-Lead Design Using the Bode Plot
10．5 Phase-Lead Design Using the Root Locus
10．6 System Design Using Integration Compensators
10．7 Phase-Lag Design Using the Root Locus
10．8 Phase-Lag Design Using the Bode Plot
10．9 Design on the Bode Plot Using Analytical Methods
10．10 Systems with a Prefilter
10．11 Design for Deadbeat Response
10．12 Design Examples
10．13 System Design Using Control Design Software
10．14 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
10．15 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
Chapter 11 The Design of State Variable Feedback Systems
11．1 Introduction
11．2 Controllability and Observability
11．3 Full-State Feedback Control Design
11．4 Observer Design
11．5 Integrated Full-State Feedback and Observer
11．6 Reference Inputs
11．7 Optimal Control Systems
11．8 Internal Model Design
11．9 Design Examples
11．10 State Variable Design Using Control Design Software
11．11 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
11．12 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
Chapter 12 Robust Control Systems
12．1 Introduction
12．2 Robust Control Systems and System Sensitivity
12．3 Analysis of Robustness
12．4 Systems with Uncertain Parameters
12．5 The Design of Robust Control Systems
12．6 The Design of Robust PID-Controlled Systems
12．7 The Robust Internal Model Control System
12．8 Design Examples
12．9 The Pseudo-Quantitative Feedback System
12．10 Robust Control Systems Using Control Design Software
12．11 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
12．12 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
Chapter 13 Digital Control Systems
13．1 Introduction
13．2 Digital Computer Control System Applications
13．3 Sampled-Data Systems
13．4 The z-Transform
13．5 Closed-Loop Feedback Sampled-Data Systems
13．6 Performance of a Sampled-Data， Second-Order System
13．7 Closed-Loop Systems with Digital Computer Compensation
13．8 The Root Locus of Digital Control Systems
13．9 Implementation of Digital Controllers
13．10 Design Examples
13．11 Digital Control Systems Using Control Design Software
13．12 Sequential Design Example： Disk Drive Read System
13．13 Summary
Skills Check ? Exercises ? Problems ? Advanced
Problems ? Design Problems ? Computer Problems ?
Terms and Concepts
References

WEB RESOURCES
Appendix A MATLAB Basics
Appendix B MathScript RT Module Basics
Appendix C Symbols， Units， and Conversion Factors
Appendix D Laplace Transform Pairs
Appendix E An Introduction to Matrix Algebra
Appendix F Decibel Conversion
Appendix G Complex Numbers
Appendix H z-Transform Pairs Preface
Appendix I Discrete-Time Evaluation of the Time Response

前 言

关于本书

诸如气候变化、清洁水资源、可持续发展、废物管理、减少排放和初始材料消耗，以及能源使用等全球性议题，促使许多工程师重新审视反省已有的工程设计方法和策略。工程设计策略改进演化的结果之一就是所谓的绿色工程。绿色工程的目的是使设计出的产品能够减少污染，降低对人类健康的风险，以及改善环境。采用绿色工程的设计原则，进一步突显了反馈控制系统的技术支撑作用。

为了减少温室气体排放和尽量降低污染，就需要从质和量两个方面改进环境监控系统。这样的一个例子是基于移动感应平台，采用无线方式监测外部环境。另一个例子是通过测量超前和滞后功率因子、电压波动和谐波波形等参数，监测供电质量。许多绿色工程系统或部件都需要对电压和电流进行细致的监测。又例如，在相互连接的供电网络中，常常要用变流器来测量和调控电流。传感器是反馈控制系统中的重要部件，依据它测量提供的系统状态的信息，控制系统才能执行恰当的动作。

人类面临的全球性问题对工程设备的自动化程度和精确度提出了日益增长的需求，自动控制系统在绿色工程中的应用将越来越广泛。本书选取了绿色工程中的一些主要应用实例，包括风力涡轮机控制和光伏发电机反馈控制建模等。后者的目的是，使光伏发电机在阳光随时间变化的情况下，也能通过反馈控制实现最大功率的发电。

风力和太阳能是世界上重要的可再生能源。风能向电能的转化是通过连接到发电机的风力涡轮机实现的。风力的间歇性特性促进了智能电网的发展，风力发电有效工作时，智能电网要供风电上网；风力发电无风或不能稳定工作时，智能电网要通过其他来源供电上网。智能电网就是在发电装置出现间歇或大的扰动时，仍然能够将电能可靠高效地输送到家庭、企业、学校和其他用户的软硬件集成体。风力强度和方向的不规则特性也导致了有必要对风力涡轮机自身加以控制，以便产生可靠平稳的电能，这些控制系统或控制器件的直接目的就是减小风力间歇特性和风向改变对风力发电的影响。能量储备系统也是绿色工程的关键技术，我们要寻找更多类似燃料电池的可重用的能量储备系统。在高效的可重用能量储备系统中，主动控制也是一项关键的技术。

控制工程的另一个令人兴奋的进展是物联网的兴起。物联网是由嵌入了电子部件、传感器和软件，并维持了连通性的物理实体构成的网络。就像设想的那样，物联网中数以百万计的实体中的每一个实体，都拥有一个嵌入式计算机（装置）并与互联网保持连通。谋求对这些互联实体的控制能力，对控制工程师具有巨大的吸引力。事实上，控制工程是一个充满新奇和挑战的领域，从本质上讲，它是一个跨学科的综合性领域，控制工程或控制原理课程则是工程类专业的核心课程。我们可以采用不同的途径来学习和掌握控制工程的基础知识和技能。一方面，由于控制工程奠定在坚实的数学基础之上，所以可将定理及其证明作为重点，从严格的理论的角度来学习控制工程的理论和方法；另一方面，由于控制工程的终极目标是实际系统中的控制实现，因此也可以在设计反馈控制系统的实践中，主要凭直觉和实践经验进行学习，不过这只是权宜之计。本节所采取的途径是，在介绍基本的数学工具和方法论的基础上，着重介绍物理系统的建模，以及满足实用性能指标要求的实际控制系统的设计。

作者坚信，对于我们每个人来说，最重要和最有成效的学习方法是对前人已经得到的答案和方法进行重新发现和创新。因此，理想的教学方法是向学生提出一系列问题，并给出部分过去已有的启发性结果。传统方法不重视向学生提出问题，而是直接给出完整的答案，剥夺了学生感受刺激和兴奋的机会，因而与创新意愿无缘，同时也将人类获得科技进步的探索变成了一堆干巴巴的定理。教学的最高境界则是向学生提供一些我们当前面临的、重要但尚无答案的问题，由学生自己去寻找答案。这样一来，他们可以自豪地宣称，他们所学到的知识都是自己所发现的。

本书的目的在于，通过正文和习题，向学生介绍基本的反馈控制理论，提供一系列发现问题和解决问题的机会，帮助学生体验重新发掘反馈控制系统理论及其应用实践的过程。如果能够对此目的有所裨益，那就意味着本书取得了成功。

第十三版的更新

现代控制系统的最新版本进行了下列主要更新：

新增了交互式电子教材可供选用。

为学生和教师更新了配套网站：www.pearsonhighered.com/dorf。

新增或者修改了超过20%左右的课后习题。本书总共提供了980道基础练习题、一般习题、难题、设计题和计算机辅助设计题等各类题目，教师可以方便地根据进度布置不同的作业。

为了便于理解和术语统一，更新了第10章超前校正控制器和滞后校正控制器的设计过程。

为了更清晰地展现教材内容，调整了内容的编排和布局。

关于读者

本书是为工程类学科的本科生编写的控制系统基础教材。控制系统在航天、化工、电气、机械等学科中的应用原理差异甚微，因此本书的编写对任何工程类学科无所偏倚① 。所以，本书可望能够同样适用于所有工程类学科，这正好有力地说明了控制工程的实用性。书中大量的习题和实例来自不同的学科领域，其中所举的关于社会学、生物学、生态学和经济学控制系统的实例，旨在使读者认识到，控制理论可以普遍应用于生活的诸多方面。我们认为，让特定专业的学生接触其他学科的例子和习题，有利于拓宽他们的视野和思路，提高他们跨学科学习和研究的能力。事实上，许多学生将来要从事的技术工作并不等同于他们目前所学的学科专业。我们希望，这本控制工程的基础教程能让学生对控制系统的分析和设计有广泛的了解。

全球众多大学采用了本书的前十二版作为工程类学科的高年级本科生教材。缺少控制工程基础的工程类学科的研究生，也常常选用它作为教材。

关于本书的第十三版

在第十三版中，我们新创建了交互式电子教材，以便读者增加学习体验，充分利用“现代控制系统”丰富的数字资源。这些资源包括嵌入式视频、动态图表、在线技能测验和其他教学资源的链接。交互式电子教材提供了强大的互动交互功能，对于纸版教材而言，这种功能即使不是不可能的，至少也是非常困难的。

我们还为使用本书第十三版的学生和教师们提供了一个配套网站（www.pearsonglobaleditions.com/dorf）。网站内容包括书中用到的所有m脚本程序（即MATLAB程序脚本）、拉普拉斯变换表、z变换表，以及关于矩阵代数、复数、符号、计量单位、变换因子和LabVIEW MathScript RT Module介绍等方面的材料。本书正文涉及网站中的材料时，将在页边用一个图标来加以提示（见段首图标）。

重视控制系统设计是本书历来的特色，第十三版延续并发展了这一特色。结合设计磁盘驱动器读取系统这样一个实际工程问题，我们设计了“循序渐进设计示例”。书中每章都将利用该章介绍的概念和方法，逐步对此示例进行研讨。磁盘驱动器广泛应用于各类计算机，是控制工程的一个重要的应用示例。书中各章分别研究了磁盘驱动器读取系统控制器设计的不同方面，例如，第1章确定了它的控制目标、受控变量、指标设计要求及基本的系统结构；第2章建立了受控对象、传感器和执行机构的模型；后续各章则利用该章介绍的知识要点，继续从不同方面研究磁盘驱动器的控制问题。

基于和“循序渐进设计示例”同样的思路，我们还编拟了一种称为“连续性设计题”的习题，给学生提供一个通过逐章的练习，最终完成设计任务的机会。精密加工对滑动工作台控制系统提出了严格的要求。在“连续性设计题”中，要求学生运用各章介绍的技术和方法，完成满足给定的性能指标要求的控制系统设计。

本书进一步完善了计算机辅助设计和分析方面的内容。同时，针对“循序渐进设计示例”中不同问题的解决方案，也给出了相应的m脚本程序。

本书每章后面都包含了一个名为“技能自测”的小节。每个“技能自测”小节包括正误判断、多项选择和术语匹配三类题目，以便于学生自行检查对本章内容的掌握情况。每章最后还给出了相应的答案，以便学生及时反馈学习效果。

教学方法

全书围绕控制系统时域和频域理论的基本概念来展开和组织材料，在内容主题的选择、例题和习题中实际系统的选材方面，尽量体现新颖性和先进性。这样一来，本书就包含了很多新的知识点，如鲁棒控制系统、系统灵敏度、状态空间模型、能控性和能观性、内模控制、鲁棒PID控制器、计算机控制系统、计算机辅助设计与分析等。同时，对于控制理论中那些已得到验证并极具实用价值的经典问题，本书也予以保留并有所扩展。

构建基础理论体系：从经典到现代。本书旨在清晰地阐明时域和频域设计方法的基本原理。全书涵盖了控制工程的经典方法：拉普拉斯变换和传递函数；根轨迹设计法；劳斯-赫尔维茨稳定性分析；也包括伯德图法、奈奎斯特法和尼科尔斯法等频域响应法；还包括对标准测试信号的稳态跟踪误差；二阶系统近似；相角裕度、增益裕度和带宽等。此外， 本书还把讨论的范围扩展到了状态空间法， 讨论了状态空间模型的能控性和能观性的基本概念， 介绍了用于极点配置的Ackermann公式， 以及利用该公式进行全状态反馈设计的方法， 同时也讨论了状态变量反馈设计的局限性。针对状态信息无法完整测量的情况， 本书介绍了用于估计重建系统状态的观测器的概念。

在上述基本原理的坚实基础上，本书还介绍了许多超出传统的新内容，如鲁棒控制和数字计算机控制等新主题，并专门用一章的篇幅，以实际工业用超前校正网和滞后校正网为中心，讨论了反馈控制系统的设计。解决实际问题始终是贯穿各章的重点。除了第1章，全书其余各章都介绍了计算机辅助分析与设计方面的内容。

逐步提高解决问题的技能。阅读、听课、记笔记、推演例题都是学习过程的组成部分，但对学习效果的实际检验则依赖于完成每章后面的习题。本书注重提高学生解决问题的能力，每章所附的习题包括以下5类：

基础练习题（以E开头）

一般习题（以P开头）

难题（以AP开头）

设计题（以DP开头）

计算机辅助设计题（以CP开头）

例如， 第8章频率响应法所附的题目包括了15道基础练习题、27道一般习题、7道难题、7道设计题和9道计算机辅助设计题。