译者序 I999年，我校谢红卫博士从美国访问归来时，带回了Richard C.Dorf教授和Robert H, Bishop教授编著，Addison Wesley Longman公司出版的(Modern Contro Systems)-书的第A 版。该书在类国早已名闻遐迩，被400多所大学选作教材，并被翻译成多种外文版在其他国 家发行，风靡全球，在国际控制界同行中享有察誉。我们对该书也早有所闻，但一直未见其 面。这次一看到原版书，发现果然名不虚传。与国内流行的同类教科书相比，该书具有许多 鲜明的特色和优点，例如： ·内容先进新颖，充分反映了控制学科前沿和许多相关交叉学科的最新发展成果。所涵 盖的内容既有经典控制理论，又有现代控制理论，而且将两者水乳交融地结合在一起，利于理 解控制理论真缔，便于组织课程数学。 ·理论与实际结合紧密。全书每章都结合原理介绍，给出了大最分析、设计例题和习题 面且其中多数题日都是来源于产品和科研实际，涉及领城既广又新，如各类机器人、磁悬浮列 车、外星探测器、太空望远镜、无人驾驶侦察车/侦察机，澈光操纵器、超精密加工机床，X-Y 绘图仪，磁盘驱动器等许多高科技产品的控制系统分析和设计。这样一来，不仅大大增强了 该书的实用性，而且非常有利于激发读者的学习兴趣，扩大读者的知识面，加深读者对控制技 术在国民经济和国防建设中的重要地位的认识。 ●每章都将习题分成基础练习题、一般习题、难题、设计题和MATLAB题等几个层次，难 度系数和综合程度逐层增加。这样有利于学生循序渐进地理解、消化和掌握所学的内容，逐 步提高分析和解决问题的能力。 ●全书精心组织了一个循序渐进的设计示例一磁盘驱动器读取系统的设计，将它贯穿 于始终，每章都结合本章所介绍的原理，方法对该系统进行相应的设计。与此同时，全书习题 中还安排了一个贯穿各章的“连续性设计题”，为学生提供了一个通过各章的练习逐步完成设 计任务、逐步满足给定指标要求的训练过程。这样一来，有利于帮助学生建立起系统工程的 观念，提高应用控制理论设计实际控制系统的能力。 ●本书充分体现了当今“以控制理论为基础，以计算机为核心”的现代控制工程特点。每 章都专列了一节用MATLAB交互式软件，按相应的方法、技术进行控制系统分析和设计的内 容，同时专门设计了一类用MATLAB程序解决问题的习题。这样，有利于培养学生应用计算 机辅助分析和设计控制系统的能力。 我们从长期的教学实践中深刻体会到，一本好的教材是建设一门好的课程的基础和关 健。如果能将该书翻译出版，并在国内推广使用，将对我国控制原理课的课程体系，课程内容 和教学方法的改革发挥重要作用。为此，我们向高等教育出版社作了郑重推荐，并很快得到 了他们的积极响应和大力支持。其后不久，高等教育出版社即委托我们启动了该书的翻译。 经过翻译组近一年的努力，终于将该书的中文版《现代控制系统》奉献给国内读者。在此，谨
. .， .甲 译者序 1999 年，我校谢红卫惮士从费国访问归来时，带回了 Richard C. Dorf 敏授和 bert H Bi 问教授编著 Addison Wesley Longman 公司出版的 (Modern Con trol Sy tem 书的第八 该书在英国早已名闯遐迹，幢 400 多所大幸遇作融材，并被翻译成多种外士版在其他国 草皮行 ，风靡全球，在困 际控制界同行中享有盛誓 辑们对该书也阜有所闸，但一直未见其 这次一看到原版书 芷理果然名革虚传.与国内施行的同类植科书相比，该书具有许多 鲜明的特色和优点，例如 ·内在先进新颗.充分反映丁控制学科前沿相许$相关交叉学科的最新盎属成果。所涵 盖的内容既有经典控制理由，又有现代控制理论，而且将两者水乳交融地结合在-起，利于理 解控制理论真缔 便于组织课程融学 ·理论与实际结合置窜 圭书每章都结合原理介绍.结出了大量分析 设计例踵和习题， 而且其中多数题目都是靠源于产品和科研实际，带且领攘既广卫霸，如各类帆嚣人 磁量浮列 外星探测器 太空望远镜 无人驾驶侦事车 侦事机 激光操纵棒、越精密加工机床 X-y 绘图仪、磁盘驱葫器等许多高科技产品的控制系统分析和设计。这样 章，不仅大大增强了 该书的实用性，而且非常有利于撒发读者的学习兴趣，扩大读者的知识面，加深读者对控制技 术在国民经济和国防建设中的重要地位的认识 ·每章都将巧题分成基础自在习题 、一 般习题 难题 设计题和 MATLAB 题等几个层次.难 度革量和综合程lUlÆ 增加 这样有利于幸生循序渐进地理解 嗣化相掌握所学的肉窑，迈 步提高分析和解决问题的能力 圭书精心组织了 个循序渐进的设计示例-一磁盘驱动器读取革统的设计，将它贯穿 于始蝇，每章郁结合本章所介绍的原理、万隆对该罩统进行相应的设汁 与此同时.全书写题 中还安排了-个贯穿各章的"连续性设计题"为学生提供了-个通过各章的炼习逐步完成设 计任务 逐步满足给定指标要求的训练过程 这样-来有利于帮助学生建 起矗统工程的 理念，提高应用控制理论设计在际控制罩统的能力 ·本书充分体现了当 "以控制理论为基础，以计算机为核心"的现代控刷 程特点 章都专列了-节用 MATLAB 交直式软件.l1i捆应的")j法 技术进行控制系统分析和设汁的内 事，同时专门设计了 费用 MATLAB 程序帽决问题的习题 这样，有利于墙鼻学生应用计算 机辅助分析和设计控制系统的能力 我们从"期的教学实践中深刻体会到本好的散材是建设-门好的课程的基础和是 如果能将该书翻译出版，并在国内推「使用，将对我国控刷原理课的课程体罩 课程内窑 和敏学方法的改革盎挥重要作用 为此，我们向高等量胃出版社作了郑重摧荐，井很快得到 了他们的IJ\极响应初大力支持 真后不久，高等敬胃出版社即蚕托我们启动 该书的翻译。 经过翻译组近-年的费力.终于将该书的中文版{现代控制革统}牵献给国内读者 在此.谨 二→
向高等牧育出版社领导和有关编辑表示感谢。当然，更要对原著作者Richard C.Dorf和 Robert H.Bishop两位教授致以谢意。 本书前言和1~3章由谢红卫泽，4~7章由李鹏波译，8一10章由李琦译，11~13章和附 录由张明译；谢红卫对初译稿作了初校和初统。最后，由邹逢兴对全书各章节逐字逐句地进 行了审译、修改和统稿。在此过程中，还得到国防科学技术大学机电工程与自动化学院王正 志教授、胡德文教授、郑志强丽教授、马宏绪测教授、刘少克刷教授、理学院曾教龙讲师和外语 教研室饶建华数授等许多专家的指教以及本院许多学生的帮助，在此顺致谢忧。 我们在翻译过程中尽管精益求精，矢志译得准确、严谨、流畅，为国内同行献出一本精品 译著，为便于阅读，还对个别段落在叙述上进行了适当地调整，但在内容上并无任何变动。但 毕竞因水平，能力有限，错误，欠妥处在所难免，恳请读者批评指正。 最后要说明的一点是，原著中对各种物理量基本上用的是英制单位，我们在翻译时一律 未予转换。为方便读者必要时转换，译者在书末以附录形式，给出了常用英制单位与S单位 的换算关系表。 邹逢兴 子国防科技大学 2001年6月
向高等被育出版社领导和有Jto缅篝景示慰甜 然，重要对原著作者 Ri rd C. Dorf Robert H. hop 两位敏捷致以谢意。 本书前言和 章由谢虹卫译， 4-7 章由李鹏植埠， 10 章由李琦译， 11 - 13 章和附 量由张明译，谢红卫对初译稿作 韧段和初统 最后.由邹量兴对圭书各章节逐字逐句地进 行了审译 曹改和统稿 在此过程中.还得到国防科学技来大学机电工程与自动化学院王正 在艘授 胡矗立敏授、郑志强副敏授、马茸绪嗣敏世 刘少克副教授、理学院曾融龙讲师和外语 鞭研室饶建华敏授等许多专萃的指教以且本院许多学生的帮助 在此顺1t蹦忱 拽们在翻译过程中尽曹精益求精，矢志译得准确 严谨 擅畅.为国内同行献出一本精品 译著，为便于阅读.还对个别段落在叙述上进行了适当地调整，但在内窑 井无任何壁动，f!l 雄竟因水平 能力有限，错误 欠盖处在所难免.恳请读者批评指正 最后要说明的 点是，原著中对各种物理量基本上用的是英制单位，我们在翻译时 未于转换 为方便读者曲事时转换，译者在书束以附景形式.给出了常用英制单位与 51 单位 的缺算关系费 '手进兴 于国防科技大学 2001 一- ".'~
前 言 关于本书 1996年12月，“火星探路者”号宇宙飞船昂然耸立在“德尔塔”二号运载火箭上，即将开始 飞往那个赤色行星，作长达？个月的旅行。作为美国国家航空航天局的发现计划的首批任务 之一，“探路者”此行的第-个任务是继20多年前海盗(Viking)号宇宙飞船飞行成功之后首 次作火星登陆。“探路者“破天荒地第一次部署了名为“旅居者“”的自主性星球漫游车，对着陆 点周图进行探察。封面照片显示的就是该漫游车，它的质量为10.5kg,按设计要求，可以在 300m2的范围内漫游30天左右，所携带的电源可提供150W的功率，所装配的0.25m2的太 阳能板可提供16W的峰值功率。“旅居者”漫游车的操纵装置必须精确无误，能量消耗必须 严格控制。“探路者”计划激发了人类探索宇宙的高涨热情，这种热情将持续到可以预见的未 来。目前，国际社会已经制定了一个雄心勃勃的火星探索规划，计划在每个最佳发射时机 (1998,2001,2003,2005,.等年份)，至少向这个赤色行星发射一艘宇宙飞船 控制工程师为成功地完成这次星际探索任务发挥了关键性作用。随着飞行用计算机硬 件和操作系统的改进，字宙飞船自主控制系统的作用将日益增大。事实上，“探路者“首次使 用了通用的多任务计算机操作系统，该系统安装在经过防辐射加固，存储容量达1GB的32 位工作站上，并可支持C语言编程。相对网波罗任务而言[注]，这是一个很大的进步，阿波 罗任务所用的计算机，其只读存储器容量仅为36864个字（每个字为16位），随机读写存储器 容量仅为2048个字，所用的编程语言也只是一种数据字形式的伪代码。作为例子，本书提供 了一些诸如“旅居者”号星球漫游车的有趣的实际问题，如在第4.8节中，就讨论了移动漫游 车的设计问题。 控制工程是一个充满新奇和挑战的领域。从本质上讲，控制工程是一个跨学科的综合性 工程学科[注]，不过控制类课程是它的核心课程。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，由于该学科是奠定在坚实的数学基础之上的，我们可 以将定理及其证明作为重点从严格的理论角度来学习它；另一方面，由于控制工程的终极目 标是实现对实标系统的控制，我们也可以在设计反馈控制系统的实践中，主要凭直觉和实践 经验来学习，不过这只是权宜之计。本书所采取的途径是在介绍控制工程的基本数学工具和 方法论的基础上，着重介绍物理系统的建模，以及具有实用参数指标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得到的答案 详场情及请参RHC1987 ction to the Mathematic ,但控制工程，不是一个独立的
前言 关于本书 1996 12 ‘火星探路者"号宇宙飞船昂然耸 在"檀尔培" 号运载火箭上，即将开始 飞往那个赤色行星.作任达 个月的睡行 作为贵国国家航重航天局的发现计划的首批任务 "探路者"此行的第-个任务是继 20 多年前海蓝 (Viking) 宇宙飞船飞行成功之后首 次作业星董陆。"探路者"破天荒地第 次部暑丁各为"旅居者"的自主性星球擅游车，对着陆 点周围进行摞察。封面照片显示的就是该擅游草，它的质量为 IO 5kg ，按设计要求， 以在 300 旷的范围内撞游 30 天左 ，所携带的电源可提供 150W 的功串，所装配的 0.25 旷的太 阳能桓可提供 16 的峰值功率 "旅居者"温哥事草的操纵装置必须精确元误.能量消乾必须 严格控制 "探路者"计划撒宜了人类探索宇宙的高酷热情，这种热情将持续到可以预见的未 来。目前，国际社会已经制定了一个雄心勃勃的大星探章规划，计划在每个最佳发射时机 (1998 ,2001 ,2003 ,2005. . 等年份) .至少向这个赤也行星虫射-艘 宙飞船。 控制工程师为成功地完成这民星际探索任务发挥了 键性作用 随着飞行用计算机硬 件和操作系统的改进，宇宙飞船自主控制罩统的作用将日益增 事实上，"探路者"首次使 用了通用的多任务计算机操作革统，该f，统安挂在经过防辐射加固，存储睿量达 GB 32 位工作站上，并可支持 语言编程。相对阿法罗任务而言[洼. 这是-个很大的选步，阿波 罗任务所用的 算机，其只读存储器 量仅为 36864 个宇(每个宇为 16 位) ，随机读 存储器 窑量仅为 2048 个字，所用的编程语言也只J! 种数据字形式的伪代码 作为例子，本书提供 -些诸如"旅居者"号星球檀游革的有趣的实际问题，如在第 4.8 节中，就讨论了带动漫游 车的世汁问题 控制工程是一个克满新奇和挑战的领域。从本质上讲，控制工程是一个跨 科的结合性 士程学科 [注 ]，不过控制提课程是它的核心课程 我们可以果用 同的途径辈学习 和掌握 控制工程的基础知识和技能 。-方面由于该学科是奠定在坚实的散学基础之 的，我们可 以将草理且其证明作 为重点从严措的理论角度来学习'Ë，另一方面 由于控制工程的终极目 标是实现对实际军统的控制，我们也 以在设计反馈控制军统的 践中， 主要 觉和实践 经验来学 过这只 权宜之计。本书所'"取的途径是在介绍控制工程的基本数学工具和 法论的基础上， 草介绍物理系统的建模，以且具有实用盎舷指标的实际控制革统的设计 作者坚信， 于我们每个人来说，最重要和最有成般的学 习方法是对前人已得到的譬事 原作者注 关于 poIlo 任务导航制导与包制系统的保细情配，请参阅 R.H.&uin "An In tr时lICt ion 10 h~ M8 l'matie~ and Ml'thods 01 As YMmi~H .AlAA Eduulion Se 圃， J. s. mi矶时 Series Editor.in.Chid , 1987. ，镶 着浊 这是焚国倒情况 园， 管徨制学会 ，团体的学术活确非常广泛租活跃，但控制工程既不是 个德立的 程学科，也 从属 某个 程学料，而在中国，授制科学与工鲁则是-个!l立的-级学稠 一-唰
的言 和方法重新发现和创新。因此，理想的学方法是向学生提出一系列问题，并给出一些过去 已经得到的答案。传统的教学方法不重视向学生提问题而只给出完整的答案，使学生感受不 到刺激和兴奋，与创造冲动无缘，将人类获得科技进步的探索变成一堆干巴巴的定理。敦学 的最佳境界则是向学生提供一些我们将继续面临的、重要而尚无答案的问题，由学生自己去 寻求答案。这样他们就可以自豪地说，他们所学到的知识都是自已所发现的。 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。如果本书对学生重新发现反馈控制系统理论及其应用实践有所俾益 的话，那就意味着本书取得了成功。 关于读者 本书是为工科类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 学科中的应用差异甚微，因此本书的编写对任何工程学科无所偏倚[见注2]。所以，本书可望 适用于所有工程学科，而且也许有助于说明控制工程的实用性。书中大量的实例和习题来自 不同的学科领域，其中所举关于社会学，生物学、生态学和经济学控制系统的例子，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属于他们目前所学的学科专业，例如，许多电气工程师和机 械工程师都和航天工程师一道工作在航天工业部门。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。 在美国，目前已有400多所大学采用了本书的前7版作为工科本科学生的高年级教材。 它也被用作没有控制工程基础的工科研究生的敏材。 第8版：最新修订本 《现代控制系统》前7版都注重了设计，第8版延续并发展了这一特色。结合设计磁盘驱 动读取控制系统（如图0.1所示）这样一个实际工程问题，我们新编了“循序渐进设计示例“ 书中每一章都用该章所介绍的概念和方法，逐步对此例进行研讨。磁盘驱动器广泛用于各类 计算机，畅销全球，1996年的销量超过1亿台，它是控制工程一个重要的应用实例。书中各章 分别研究了磁盘驱动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、设计指标以及基本的系统结构：第2章建立了控制对象、传感器和执行机构的模型： 后续各章则运用该章介绍的要点继续从不同侧面研究了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之为“连续性设计题”的习 题，给学生提供一个通过各章的练习逐步完成设计任务的机会。高精度机被对滑动台系统 (如图0.2所示)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，完成该系统的设计并满足给定的指标要求
._. . .- 一一-→一 2 前吉 租方法重新监现和创新 因此.理盟的融学万法是向学生提出一革列问题 并给出-些过去 已经砸到的事束 传统的教学方法不重视向幸生提问题而只给出完整的警章，使学生感受不 到刺世和兴奋.与创造冲动孟缘，将人类获得科技进步的饵章变成}堆 巴巴的定理 敏学 的最佳境界则是向幸生提供-些我们棉继续面临的 董事而尚无害辜的问题 由学生自己去 寻束'事 这样他们就可以自豪地说.他们所 到的知识鄙是自己所直班的 本书的目的在于.通过正立和习题，向学生介绍基本的反馈控制理论，提供 罩列监现问 题和解决问题的机会 如果本书对学生重Ji盘现反馈控制系统理论及其应用实践有 悴益 的话，事就意味着本书取得了成功 关于读者 本书是为工科类本科生编写的控制罩统基础世材 控制系统在航天 化工 电气 机械等 学科中的应用差异甚帽，因此本书的编写对任何工程学科无所偏倚[见在 2J 。所以，本书可望 适用于所有工程学科.而且也许有助于说明控制工程的事用性.书中大量的主例和习跑来自 同的学科领域，其中所举关于扯会学 生物学 生态 制经搞学控制系统的例子.旨在使读 者认识到，控制理论可以普遍应用于生活的请事方面 我们认为，让学生接触其他学科的例 子和习题，再利于拓宽他们的视野和思路.提高他们跨学科幸习和研究的能力 事实上，许多 学生棉来要从事的技幸工作井不属于他们目前所学的幸科专业 例如 许多电气工程师和机 械工程师都和航天工程师一遭工作在航天工业部门 税们希望.这本控制工程的基础敏程能 让学生对控制革统的分析和设计有广泛的了解。 在奥国.目前已有 400 多所大学景用了本书的前 版作为工科本科学生的高年级植材 它也瞌用作世有控制工程基础的工科研究生的敏材 版:.新修订本 现代控割系统 版'注重 设计，如 阪延续井蛊屉了这 特色 结合世 ìt 磁盘驱 动憧取控制系统(如图。 所示)直样 个实际 程问题，找们新编了"循序渐进世汁示例 书中每一章都用该章所介绍的概念和方法，连步对此倒进行研时@磁盘驱动器广泛用于各类 计算机.畅销全球 1996 年的销量跑过 亿齿，它是控制工程一个重要的应用事例 书中各章 分别研究了磁盘驱动读取系统控制器设计的不同方面.例如，第 章确定了宫的控制目标 控变量 设计指标以直基本的革统结构;第 章建立了控制对章、传路器和执行机构的模型 缠各章则适用菌章介绍的要点蜷续从不间侧面研究 磁盘驱动器的控制问题. 基于和"循序渐进世汁示例"同样的思路，珑们还编拟 种称之为"连续性设计题 的写 题，给学生提供 个通过各章的练习逼步完血设计任务的机会。高精度机醺对滑动自罩统 (如图 0.2 所示)提出了严梧的事求，在"连续性设计题"中，要求学生运用各章介绍的技术和 方法.完成被革统的设计并满足蜡定的指标'自束
前言 进道 道 电机 控制装置 执行机构和支常滑 、偏差 预期香头位置一 输入电压 敛大酒 直流电机和支律臂 传感都 读磁头和上的家引道 图0.1磁盘曙动读取控制系统 本版发展和完善了计算机辅助分析与设计的内容。每章后面在原有MATLAB习题的基 础上又增添了2道题，并在“循序渐进设计示例"中，利用MATLAB来求解各个具体的设计和 计算问题，相应的MATLAB文本用例图形式给出。本版还对得到广泛应用的工业用PID控 制器给予了充分的重视，首先在第7章第7.7节作了介绍，然后在第9章和第12章的有关章 节作了进一步讨论，第13章第13.11节则讨论了PD控制器的计算机实现问题。 在编写《现代控制系统》第8版的过 壶引电机和较盘转编 程中，我们的宗旨是对全书加以改进，但 动杆 不改动基本结构。在过去的3年中，我们 已经注意到有些技术问题要澄清（这主 要归功于评论者的努力和读者通过E mail反馈给我们的意见)。在本版中，我 线性清动白面， 们对有关问题作了适当处理，对已经发现 的错误（特别是第9章的Nyquist曲线）作 图0.2滑动台面系统 了改正。我们对与我们保持联系的各位学生、教师和读者深致谢忧
.".失位置 钳制 倒在刻'儿 撞制集置 '民大' 传. 执行棍'阳和支." 直流电槐糊直." 谶疆头10.盒上的'院号 碰遭 84驱动瞌取撞倒罩. 3 集际 "位置 丰版发展和完善了计算机辅助分析与世计的内事 每章后面在原有 MATLAB 习鹰的基 础上卫增添了 道蝠，井在"循序渐进设计 例"中.利用 MATLAB 来求解各个具体的设计和 汁算问题，相应的 MATLAB 立本用例图形式始出.本版还对得到广泛应用的 业用 PID 制器输于了充分的重视 ，首先在第 章第 节作了介绍，然后在第 章和第 12 章的高盖章 节作 遭-步讨论，第 13 章第 13 11 节则讨论 TplD控制榻的计算机实现问题 在编嘻{现代控制~统>JI! 版的过 怨寻 电凯和量鑫转编 程中，找们的事旨是对全书加以改造，但 " , 嗨功抒 不改动基本结构 在过去的 年中.我们 . 1'<:士士 已经注意到再些技术问题需要世清{革主 堕归功于评论者的费力相读者通过巴 u. ) . \J~ _.~;川 \J ~: .'! " mail 1i馈给我们的意且 在本版中，我 们对有关问踵作了适当处理，对已经盎现 的错误(特别是第 章的 Nyquist 曲线)作 滑动台面罩辑 T ii!:iE 蝇们对与我们保恃联 区的各位幸生 曾师和读者深致谢忱