前言 电枢控制直流电机、查和清动台面的典型参数 M,滑动台面的质量 5.693 M,墅动杆质量 6.96kg 小。转轴、电机、轴柄和速率计的转动惯量 10.91×103kgm 转轴半径 31.75×10-3m 6。电机阻尼系数 0.265 N'm'srad K。转矩常数 0.8379NmdA K。反电动势常量 0.838 V-s/red R。电机电阻 1.360 L。电机电感 3.6mH 主要特点 本书围绕频域和时域中控制系统理论的各种概念来组织材料，力求选择最新的内容，实 例和习题中引入的系统也力求最新、最现代。因此，本书包括了许多新的知识点，如：鲁棒控 制系统、系统灵敏度、状态空间模型，能控性与能观性，内模控制、鲁棒PD控制器、计算机控 制系统，计算机辅助设计与分析等。而对控制理论中经证实极具实用价值的经典问题，本书 也予以了保留并有所扩展。 构建基本原理体系：从经典到现代 本书旨在清晰的阐明频域和时城设计方法的基本原理。全书涵盖了控制工程的经奥方 法：Laplace变换和传递面数；根轨迹设计方法；Routh-Hurwitz稳定性分析：包括Bode lyquist和Nichols方法的频域响应方法：对标准测试信号的稳态跟踪误差；2阶系统近似：相 角裕度、增益裕度和带宽等。此外，本书还把讨论的范图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和有关信号流图的概念，介绍了用于极点配置的Aker: mann公式和利用Ackermann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。 在介绍上述基本原理的基础上，本书还介绍了许多新的非经典的内容。第12章介绍了 鲁棒控制理论的新进展：第13章讨论了计算机挖制系统的实现问题。除第1章外，全书各章 都用一节专门计论了MATLAB的应用，向学生介绍计算机辅助分桥与设计的方法。本书按 章节分类，提供了大量的参考文款，以引导学生进一步研究有关控制工程的源头性信息。 逐步提高解决问题的技能 阅读，所课、记笔记、推演例愿都是学习过程的组成部分，但对学习效果的实际检验，则依
一一一一 4 电枢鲤制直混同且锐、镀童和刻'动画面的典型 1111 M, ~动台面的质量 5. 693 k, M, 驱动杆质量 6.96 kg 转输 电机 输辆和理事计的转动惯量 10 .91 x 10 -' kg'm~ , 转'确半桂 31 .75 x tO - J m b. 电视阻 系数 0.265 N'm' sJ rad K,‘ 转题常11 。+归79 N' K, 反电动势常量 0.838 V' s/rad R 电机电阻 1. 360 L. 电机电愚 3.6mH 主要特点 本书围绕频域和时域中控制系统理论的各种恨在来组织材料，力求选择最新的内窑，实 例和习题中引人的系统也力求最新 最现代 因此，丰书包括了许多新的知识点，如鲁障控 制罩统 系统灵敏庄 状态空间模型、能控性与能观性 内模控制 鲁捧 PID 控制器 算机应 制革统、计算机辅助设计与分析等。而对控制理论中经证实极具实用价值的经典问题， 本书 也于以 保留井有所扩展 构建基本原理体系:从经典到现代 本书旨在清晰的阐明频域和时增设计方法的基本原理 圭书涵盖了控制工程的经典 1J 法: Laplace 变换和传递函数，根轨迹设计方法; Routh - Hurwitz 稳定性分析，包括岛de :"J ui Ni hol 方法的频壤响应方法:对标准测试信号的穗盎跟踪误是 ;2 阶罩统近似;相 角暗度 增益精度和带宽等 此外，卒书还把讨论的毡国扩展到了状态 间法，讨论了状态空 间模型的能控性和能观性的基本概念和有关信号流图的概念，介绍了用于极点配置的 Acker mann 公式和利用 Ackermann 公式进行圭状态反馈世计的方法，同时也讨论了状态变量反馈 设计的局限性 在介绍 述基本原理的基础上，本书还介绍了许多新的非经典的内容 12 章介绍 鲁棒控制理论的新进属;第 13 章讨论了计算机控制罩统的实现问题 除第 章外，圭书各章 都用一节专门讨论丁 MATLAB 的应用，向学生介绍计算机辅助分析 世计的方法 本书按 章节分类，提供了大量的垂考文献，以引导学生进一步研究有关控制工程的源生性信息 逐步提高解决问题的技能 阅读 昕课 记笔记 推演例题都是学习过程的组成部分，但对学 效果的实际检验，则依
斯言 5 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 ■一般习题 ■难题 ■设计题 ■MATLAB题 例如，第3章“状态空间模型"所附的题目，就包括了19道基础练习题、36道一般习题，6 道难题，5道设计题和7道MATLAB题。基础练习题的目的在于，让学生在解决复杂问题之 前，直接运用各章所介绍的概念和方法解决相对简单的问题。约有13的基础练习题给出了 答案。一般习题则要求学生灵活运用各章的概念以解决新的问题。难题部分是本书第7版 引人的，表示相对复杂的问题。设计题侧重于让学生完成设计任务。MATLAB题则旨在培 养学生运用计算机解决问题的能力。全书共有800多道题目。学生通过完成从练习题到设 计题和MATLAB题的各类题目，将对自己解决问题的能力越来越自信。原书有相应的教学 辅导手册，手册中包含了所有题目的完整答案。 此外，作者还编写了名为（现代控制系统工具箱）(Modern Control Systems Toolbox)的教 学辅助材料，包括了每个MATLAB例题和附录F中的所有M-文件文本。读者可以访问 Addison-Wesley Longman公司计算机科学与工程网页http:∥www,awl.com/cseng或致电l, 800-322-1377,然后到p.aw,com中下载这些M-文件文本。读者还可以匿名访问The Math Works的ftp服务器ftp.mathworks.com,到pub/books/dorf目录中下载这些文本。 阐明基本原理，强化设计训练 实际复杂控制系统的设计是贯穿全书的主题。强调实际应用系统的设计训练有利于适 应ABET考试和工业设计的需要。书中每章都至少介绍了1个设计实例，包括： ■转台速度控制（第1.10节） ■实验室用机器人（第2.9节） ■打印机皮带驱动器（第310节） ■英吉利海峡海底隧道钻机（第4.7节） ■哈勃太空望远镜指向控制（第5.11节） ■履带车辆的转向控制（第6.5节） ■散光操纵器控制系统（第7.8节】 ■雕刻机控制系统（第8.7节） ■遥控侦察车（第9.8节） ■XY绘图仪（第10.13节） ■自动测试系统（第11.9节）
一. 前胃 5 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 题包括以下 类. ·基础练习题 .-般 难题 设汁题 • MATLAB 例如.第 章"拉态空间模型"所附的眉目，就包括 19 基础练习题、36 遇-般写题 遭难题 遭设汁题和 MATLAB 基础栋习题的目的在于，让学生在解决直盘问题之 前， 直接适用各章所介绍的慨念和方法解决相对简单的问题 /3 的基础练习题给出了 替罪 一陋习题则要求学生虽活运用各章的慨:t以解决新的问题。难题部分是本书第 的.者 相对复杂的问题 设计题侧重于让学生完成设计任务 MATLAB 蝠则旨在培 鼻学生运用计算机解决问题的瞌力 书共高 800 多道题目 学生通过完成从练与愿到世 计题和 MATLAB 题的各类题目，将对自己解决问题的能力越来越自倍 原书有相应的教学 导手册.手册中包吉了所高题目的完整事案。 此外 作者还编写了名为 现代控制革统工具箱 )( rn Control Systems ，∞lOOx 的融 学辅助材料 包括了每个 MATLAB 例题相附 中的所有 文件文丰 读者可以访问 Addi50n - Wesley Lo tmn 司计算机科学与工程网页 hnp: flwww.aw coml 19 致电 800-322-1377 .然后 ft p.aw. co 戴这些 丈件立丰。读者还可以匿各访问 The Math rks ftp 服务器 ftp.ma th ，∞m. ub/b ksldorf 目录中下载这些文本 阐明基本原理.强化设计训练 实际直杂控制罪统的设计是贯穿全书的主题。强调实际应用系统的设计训炼有利 ABET 考鼠租工业设计的情耍 书中每章都至少介绍了 个设计实例，包括 转告速匮控制 第J.l 节) ~验室用机器人(串 节) 打印机应带咂动黯(第 节) 英吉利睡眠海底隧遭钻机(第 节) .哈勃太空望远镜指向控制(第 11 .8 革辆的转向控制{第 酷光操纵黯控制革统 雕刻机控制罩统 量控侦事革(第 节) • 绘图仪{第 10 13 节) .自 动测试革统(第 1. .- 一~
6 前言 ■超精钻石切削机（第12.12节） ■工作台运动控制系统（第13.9节） 本书每章都有】节专门讨论MATLAB,其目的在于帮助学生学会运用计算机进行辅助 分析与设计。在MATLAB小节中，用计算机轴助方法重新研究了相应章中的设计实例。例 如第5章用MATLAB对“循序渐进设计示例”一一磁盘驱动读取系统进行了分析，图5.45 (重画于图0.3中)则给出了所用到的MATLAB文本。通常，每个MATLAB文本都用注释条 对其中的要点进行了说明，与文本对应的运算输出结果（通常是曲线图）也用注释条进行了说 明。这些MATLAB文本稍加修改后，也可用来作为解决其他问题的基础。 选弄K, 1] r1200 U: ep(mum,den,t): 带负号的找动项求和 (w)).ylbe(y(t) K,60 4 K.0 0 0.10.20.30.40.50.60.70.809 时间（秒） (6) 图0.3 MATLAB文本示例 提供学习帮助 每章开篇都有新修订的提要，介绍本章将要讨论的主要问题，每章末尾都附有小结，架中
6 前言 .越精钻否切削机{第 12 12 节) .工作台运动控制罩统(第 13 节) 本书每章都有 节专门讨论 MATLAB 真目的在于晤助学生竿合适用计算机进行辅助 分析与世汁 MATLAB 小节中，用计算机辅助方法重新研究 相应章中的设计实例 如第 章用 MATLAB 对"循序渐进设计示例"-磁盘罩动幢取罩统进行 分析，因 5.45 噩噩于固 则给出了所用到的 MATLAB~本.通常，每个 MATLAB~本都用注怦!rt 对其中的要点进柯了说明，与文本对应的运算输出结果 通常是曲线图 也用在释矗进行了说 这些 MATLAB 文本稍加悻改后，也可用来作为解决其他问固的基础 V A 提供学习帮助 -1 -1 -, 4 -5 " -7 \ r K,.I h\ \ |\ X. 事!O \ i o &1 U U U U U U U M 时嗣〈纱} (b) MATLAß:t本 每章开篇都有蔷悻订的提要，介绍丰章将要讨论的主要问题，哥章束尾部附有小结，靠中
前言 7 归纳了本章的主要概念和术语。这些内容有利于强化各章所介绍的重要概念，也便于今后使 用时参考。 必要时，书中有的地方采用另一种颜色米表示强调，使图表更易于理解。例如习题Pm.11 要求学生求解满足给定设计要求的k。,与此题相配套，给出了图P7.11(重画于图0.4中)，其 中图(a)帮助学生直观地了解习题背景，图(b)帮助学生完成下一步任务，即求取传递函数模 型。 真空 光电 换能器 散大器 电机 速率计 K。 6) 图0.4蓝带控制系统框图 内容编排 第1章控制系统导论。该章简要介绍了控制理论和实践的发展历史。旨在介绍设计 和实现控制系统的一般流程和方法。 第2章系统数学模型。该章介绍了物理系统的输入输出型或传递函数形式的敷学模 型，全面介绍了各类实际受控系统，包括机械系统、电气系统和流体系统等。 第3章状态空间模型。该章介绍了采用状态变量的系统状态空间模型。运用矩阵工 具，讨论了控制系统的瞬态时间响应以及控制系统的性能
前曹 7 归纳了本章的 要概念初术语 这些内容有利于强化各章所介绍的重要概念，也使于今 用时盎 必要时，书中有的尴方果用另 种颜色牵表示强调 使图章直属于理解 例如 姐P7 11 要敢学生求解满足给定设计要串的 ，与此题相配套，给出了图P7 Jl(重画于困 中)，其 中图 帮助学生直观地 解;q题胃景.图 (b) 帮助学生完成下 步任务，即束耻传递画数模 • A' •• •• 电f\童电确" (b) 腿'但制罩草帽田 内窑编排 .，章撞割草统鼻艳。该章简要介绍 控制理论和 践的监履历虫 .旨在介绍设 和实现控制罩统的-般植程和方法 罩篱触申模型 该章介绍了物理墨镜的输入.输出型或传递函瞌形式的童学模 全面介绍了各类实际量撞系统.包括机械罩统 电气革统和流体罩统等 .3 就毒室阔模型。该章介绍了果用状事变量的系统柱在空间模型 运用矩阵工 具，时论了控割草统的属态时间响 以及控割草统的性能
8 的言 第4章反馈控制系统的特性。该章介绍了反馈控制系统的特性，讨论了反愤的优点 引人了系统偏差信号的概念。 第5章反馈控制暴统的性能。该章仔细研究了反愤控制系统的性能，系统性能是与系 统传递函数在。平面上零极点位壹密切相关的。 第6章线性反馈系统的德定性。该章研究了反馈系统的稳定性，考察了系统稳定性与 系统传递函数的特征方程之间的关系，介绍了Routh-Hurwitz稳定性判据。 第7章根轨迹方法。该章研究了当1个或2个系统参数变化时，系统特征根在s平面 上的运动，介绍了如何用图解法来确定平面上的根轨迹，讨论了得到广泛应用的PD控制 器。 第8章频率响应方法。该章研究了当频率变化时，系统对稳态正弦输人信号的稳态响 应，讨论了被称为Bode图的频率岫应图。 第9章频城内的稳定性。该章采用频率响应方法研究系统的稳定性，讨论了相对稳定 性和Nyquist稳定性判据。 第10章反馈控制系统设计。该章讨论了控制系统的几种设计和校正方法，介绍了多 种实用的校正装置，并对它们改善系统性能的机理进行了说明。 第11章状态变量反馈系统设计。该章主要讨论了如何利用状态空间模型设计控制系 统，给出了系统能控性和能观性的检验方法，讨论了内模设计慨念。 第12章鲁棒控制系统。该章研究在较强的不确定性的情况下，如何设计高精度控制 系统的问愿。讨论了5种鲁棒设计方法：根轨迹法，频域响应法、用于鲁棒PD控制器设计的 ITAE方法、内模设计法和伪量化反馈设计法。 第3章数字控制系统。该章介绍了描述和分析计算机控制系统性能的方法，讨论了 数据采样系统的稳定性与其他性能。 附录 附录共有： 译者附录 A Laplace变换对 B符号、单位和转换因子 C矩阵代数简介 D分贝转换表 E复数 F MATLAB蕃本知识 Gz变换对 T: 菲新
8 翩盲 .4 愤控制矗统的特性。该章介绍了反馈控制罩统的特性，讨论了反馈的优点， 引入了矗统偏董信号的概念。 .5 章反愤撞制事统的性能。该章仔细研究了反馈控制系统的性能，革统性能是与革 统传递函数在 平面上牢极点位置密切相关的。 .6. 线性 馈事锐的幢窟性。该章研究 反馈革统的稳定性，毒察了革统稳定性与 革统传遵画数的特征万程之间的失旱，介绍了 Routh - Hurwitz 稳定性判据。 .7 草根辙连万量。该章研究了当 个或 个系统盎数变化时，革统特征根在 平面 上的运动，介绍了如何用图解桂来确定 平面上的根轨迹，讨论了得到广泛应用的 PID 控制 器。 "章 频事响应方法 该章研究了当频率变化时，系统对稳在正弦输入信号的稳事响 应，讨论 幢称为勘de 固的频率咱应图。 酶，章醺蜡内的稳定性。~章来用频事响应方法研究1\统的稳定性，讨论了相对稳定 性相 Nyqu回稳定性判据 .10 馈控制罩簸设计。该章讨论了控制革统的几种世汁和校正方法，介绍了多 种实用的校 装置，井对它们改善罩统性能的机理进行了说明。 .u 章状事变量罩馈罩筑设计。该章主要讨论 如何利用状态空间模型设计控制系 统，结出了系统能控性和能观性的检验方法，讨论了内模设计慨念 .ll -幢徨制事缆。该章研究在较强的不确定性的情况下，如何设计高精度啦制 系统的问题。讨论了 种鲁棒设计方法:根轨迹法、频域响应法、用于鲁棒 PID 控制器设计的 ITAE 方法 内模设汁法和伪量化反馈设 lt法。 .13. 踉宇控嗣噩统。该章介绍了描述和骨析计算机控制系统性能的方睦.讨论了 数据罪样革统的瞌走性与其他性能。 附豪 u Ii刷 - 4 nuf 附章共高 译者附最 A Laplace 壁换对 符哥、单位和转换因于 矩阵代数简介 分回转换茬 复数 F MATLAB 基本知识 G 变换对 ~1T口MJJi ii '-一一一