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。

前言 本书内容 诸如气候变化、清洁水资源、可持续发展、废物管理、减少排放和原材料消耗，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。工程设计策略演进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，降低人类健康风险，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。一个这样的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，监测输电质量。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，依据其测量提供的系统状态信息，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。风力的间歇特性促进了智能电网的发展，当风力发电有效工作时，智能电网要供风电上网； 当风力发电无风或不能稳定工作时，智能电网要用其他来源来供电上网。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而高效地输送到家庭、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于燃料电池的可重用能量储备系统。在高效的可重用能量储备系统中，主动控制是一项关键的技术。 控制工程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科专业的核心课程。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，我们可以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进行学习，不过这只是权宜之计。本书采取的途径是，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，因而与创造冲动无缘，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。 本书的目标在于，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展反馈控制系统理论及其应用实践。如果能够对此目标有所裨益，就意味着本书取得了成功。 本书第十三版新增或者修改了超过20%的课后习题, 共提供了各类习题980多道, 包括基础练习题（编号以E开头）、一般习题（编号以P开头）、难题（编号以AP开头）、设计题（编号以DP开头）和计算机辅助设计题（编号以CP开头）等，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，本书更新了第10章关于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，本书还调整了内容的编排和布局。 读者对象 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原理差异甚微，因此，本书的编写对任何工程学科无所偏倚（这是美国的情况。在美国，尽管控制学会等团体的学术活动非常广泛和热烈，但控制工程既不是一个独立的工程学科，也不从属于某个工程学科，而在中国，控制科学与工程则是一个独立的一级学科。——译者注）。所以，本书可望能够同样适用于所有工程学科，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，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。 全球众多大学采用了本书的前版作为工科类的高年级本科教材。缺少控制工程基础的工科研究生，也常常选用它作为教材（本书由谢红卫和孙志强共同翻译完成。为便于读者学习和理解，译者根据多年授课经验补充了一些解释性文字或段落。——编者注）。 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(见右图)这样一个实际工程问题，我们设计了“循序渐进设计实例”。书中每章都将利用这一章介绍的概念和方法，逐步对此实例进行研讨。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实例。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； 后续各章则利用这一章介绍的知识要点，继续从不同方面研究磁盘驱动器的控制问题。 基于和“循序渐进设计实例”同样的思路，我们还编拟了一组连续性设计题，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(见右图)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，设计完成满足给定的性能指标设计要求的控制系统。 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“循序渐进设计实例”中不同问题的解决方案，也给出了相应的m脚本程序。 本书每章都配有名为“技能自测”的小节。每个“技能自测”小节包括正误判断题、多项选择题，以及术语和概念匹配题三类题目，以便于学生自行检查对这一章内容的掌握情况。每章最后还给出了“技能自测”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上，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经得到验证的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，如拉普拉斯变换和传递函数、根轨迹设计法和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方法； 还包括了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阿克曼公式，以及利用该公式进行全状态反馈控制设计的方法，同时也讨论了状态变量反馈控制设计的局限性。针对状态信息无法完整测量的情况，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。偏后的章节介绍了鲁棒控制和数字计算机控制等新主题，并专门安排了一章，以实际工业用超前校正器和滞后校正器为中心，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。本书还按章节提供了大量的参考文献，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、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： 基础练习题、一般习题、难题、设计题和计算机辅助设计题。例如，第8章包括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。其中基础练习题的目的是，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1/3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。难题表示相对复杂的问题。设计题侧重于让学生完成设计任务。计算机辅助设计题则旨在培养学生运用计算机解决问题的能力。全书共有980多道习题，学生通过完成从基础练习题到设计题和计算机辅助设计题的各类题目，将对自己解决问题的能力越来越有信心。本书有相应的教学辅导手册供所有采用本书教学的教师使用。手册中包含了所有习题的完整答案采用本书作为教材的教师，可联系te_service@phei.com.cn申请获得相关资料。——编者注。 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，包括每个计算机辅助设计例题的所有m脚本程序（登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）可注册并免费下载本书配套文件和补充资料。扫描目录末尾的二维码也可直接阅读在线附录等内容。——编者注）。 阐释基本原理，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（Accreditation Board for Engineering and Technology，美国工程技术认证委员会）的认证和工业设计的需要。 控制系统的设计流程可以分为7个模块，这些模块又可以归为3大类： 1.确定控制目标和受控变量，并定义系统性能指标设计要求； 2.系统定义和建模； 3.控制系统设计，全系统集成的仿真和分析。 本书的每一章都强调系统设计流程与这一章的主题和知识点之间的对应关系，目的在于通过实例来展示控制系统设计流程中不同方面的内容。 各章都用大量的例题详细示范说明了控制系统的设计流程，这些例题涵盖控制系统设计在多个领域的应用，包括机器人、制造业、医疗和交通（地面、空中和太空）。 本书每章都专门安排了一节来帮助学生学习计算机辅助分析和设计，并运用计算机辅助设计的手段，对本章中的实例和概念进行再分析和再设计。书中通常提供了用于反馈控制系统设计与分析的m脚本程序，并采用注释文字对每个m脚本程序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）也采用注释文字进行了说明。以这些m脚本程序为基础，再稍加修改，就可以用来解决其他问题。 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、技能自测题以及主要概念和术语。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。 内容编排 第1章控制系统导论。简要介绍了控制理论和实践的发展历史。其主要目的在于介绍设计和实现控制系统的一般流程与方法。 第2章系统数学模型。介绍了实际物理系统的输入输出模型，或者说，以传递函数形式为主的数学模型，广泛涵盖了各类实际控制系统。 第3章状态空间模型。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及其性能。 第4章反馈控制系统的特性。介绍了反馈控制系统的特性，讨论了反馈的优点，引入了系统偏差信号的概念。 第5章反馈控制系统的性能。仔细研究了反馈控制系统的性能指标，系统的性能与系统传递函数的零点和极点在s平面上的位置分布密切相关。 第6章线性反馈系统的稳定性。研究了线性反馈系统的稳定性，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，介绍了劳斯赫尔维茨稳定性判据。 第7章根轨迹法。研究了当一个或两个系统参数变化时，系统特征根在s平面上的运动轨迹，讨论了如何用图解法来确定s平面上的根轨迹，还介绍了应用广泛的PID控制器和PID参数整定的齐格勒尼科尔斯法。 第8章频率响应法。研究了当频率变化时，系统对正弦输入信号的稳态响应，讨论了伯德图等频率响应图。 第9章频域稳定性。采用频率响应法研究系统的稳定性，讨论了系统的相对稳定性和奈奎斯特稳定性判据。利用奈奎斯特图、伯德图和尼科尔斯图等工具来考察系统的稳定性。 第10章反馈控制系统设计。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。本章重点关注超前校正器和滞后校正器的设计。 第11章状态变量反馈系统设计。主要讨论了如何利用状态空间模型设计控制系统，讨论了基于极点配置的全状态反馈设计和观测器设计方法，给出了系统能控性和能观性的判别方法，讨论了内模设计概念。 第12章鲁棒控制系统。介绍了在存在不确定性的情况下，如何设计高精度控制系统的问题。讨论了5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、内模设计法和伪定量反馈设计法。 第13章数字控制系统。介绍了描述和分析计算机控制系统及其性能的方法，讨论了数据采样控制系统的稳定性与其他性能。

第1章控制系统导论1 1.1引言1 1.2自动控制简史4 1.3控制系统实例8 1.4工程设计12 1.5控制系统设计13 1.6机电一体化系统15 1.7绿色工程18 1.8控制系统前瞻19 1.9设计实例20 1.10循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统23 1.11小结25 技能自测25 基础练习题27 一般习题28 难题32 设计题33 术语和概念35 第2章系统数学模型37 2.1引言37 2.2物理系统的微分方程(组)37 2.3物理系统的线性近似41 2.4拉普拉斯变换43 2.5线性系统的传递函数48 2.6框图模型58 2.7信号流图模型61 2.8设计实例66 2.9利用控制系统设计软件进行系统仿真80 2.10循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统91 2.11小结93 技能自测93 基础练习题96 一般习题102 难题113 设计题115 计算机辅助设计题117 术语和概念119 第3章状态空间模型122 3.1引言122 3.2动态系统的状态变量123 3.3状态微分方程（组）125 3.4信号流图模型和框图模型129 3.5其他形式的信号流图和框图模型137 3.6由状态方程求解传递函数140 3.7状态转移矩阵和系统时间响应141 3.8设计实例144 3.9利用控制系统设计软件分析状态空间模型154 3.10循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统157 3.11小结159 技能自测159 基础练习题162 一般习题165 难题173 设计题175 计算机辅助设计题176 术语和概念178 第4章反馈控制系统的特性180 4.1引言180 4.2偏差信号分析182 4.3控制系统对参数变化的灵敏度184 4.4反馈控制系统的干扰信号187 4.5系统瞬态响应的调控190 4.6稳态误差192 4.7反馈的代价194 4.8设计实例195 4.9利用控制系统设计软件分析控制系统的特性204 4.10循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统209 4.11小结212 技能自测213 基础练习题215 一般习题219 难题227 设计题229 计算机辅助设计题233 术语和概念236 第5章反馈控制系统的性能237 5.1引言237 5.2测试输入信号238 5.3二阶系统的性能240 5.4零点和第三个极点对二阶系统响应的影响244 5.5s平面上特征根的位置与系统的瞬态响应248 5.6反馈控制系统的稳态误差249 5.7综合性能指标254 5.8线性系统的简化258 5.9设计实例261 5.10利用控制系统设计软件分析系统性能270 5.11循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统274 5.12小结276 技能自测277 基础练习题279 一般习题283 难题288 设计题290 计算机辅助设计题293 术语和概念296 第6章线性反馈系统的稳定性297 6.1稳定性的概念297 6.2劳斯赫尔维茨稳定性判据300 6.3反馈控制系统的相对稳定性306 6.4状态变量系统的稳定性307 6.5设计实例309 6.6利用控制系统设计软件分析系统的稳定性315 6.7循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统320 6.8小结322 技能自测322 基础练习题324 一般习题327 难题332 设计题335 计算机辅助设计题337 术语和概念339 第7章根轨迹法340 7.1引言340 7.2根轨迹的概念340 7.3绘制根轨迹344 7.4应用根轨迹法进行参数设计355 7.5灵敏度与根轨迹358 7.6PID控制器362 7.7负增益控制371 7.8设计实例375 7.9利用控制系统设计软件分析根轨迹382 7.10循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统386 7.11小结387 技能自测389 基础练习题392 一般习题396 难题406 设计题410 计算机辅助设计题415 术语和概念417 第8章频率响应法419 8.1引言419 8.2频率响应图421 8.3频率响应测量437 8.4频域性能指标438 8.5对数幅相图440 8.6设计实例441 8.7利用控制系统设计软件的频率响应方法448 8.8循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统453 8.9小结455 技能自测456 基础练习题459 一般习题462 难题471 设计题472 计算机辅助设计题475 术语和概念477 第9章频域稳定性479 9.1引言479 9.2s平面上的围线映射480 9.3奈奎斯特稳定性判据484 9.4相对稳定性与奈奎斯特稳定性判据492 9.5利用频域方法确定系统的时域性能指标497 9.6系统带宽503 9.7时延系统的稳定性503 9.8设计实例506 9.9频域中的PID控制器520 9.10利用控制系统设计软件分析频域稳定性521 9.11循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统535 9.12小结536 技能自测537 基础练习题539 一般习题544 难题553 设计题557 计算机辅助设计题562 术语和概念564 第10章反馈控制系统设计565 10.1引言565 10.2系统设计方法566 10.3串联校正器567 10.4用伯德图法设计超前校正器570 10.5用根轨迹法设计超前校正器575 10.6利用积分型校正器设计反馈控制系统580 10.7用根轨迹法设计滞后校正器582 10.8用伯德图法设计滞后校正器585 10.9在伯德图上用解析法进行系统设计588 10.10带前置滤波器的反馈控制系统589 10.11设计具有最小节拍响应的系统592 10.12设计实例594 10.13利用控制系统设计软件设计控制系统601 10.14循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统606 10.15小结607 技能自测608 基础练习题611 一般习题615 难题624 设计题626 计算机辅助设计题630 术语和概念632 第11章状态变量反馈系统设计634 11.1引言634 11.2能控性和能观性635 11.3全状态反馈控制设计639 11.4观测器设计643 11.5观测器和全状态反馈控制的集成646 11.6参考输入信号651 11.7最优控制系统653 11.8内模设计659 11.9设计实例662 11.10利用控制系统设计软件设计状态变量反馈667 11.11循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统671 11.12小结672 技能自测673 基础练习题676 一般习题678 难题682 设计题686 计算机辅助设计题689 术语和概念692 第12章鲁棒控制系统694 12.1引言694 12.2鲁棒控制系统和系统灵敏度695 12.3鲁棒性分析698 12.4含有不确定参数的系统700 12.5鲁棒控制系统设计701 12.6鲁棒PID控制器设计705 12.7鲁棒内模控制系统708 12.8设计实例710 12.9伪定量反馈系统718 12.10利用控制系统设计软件设计 鲁棒控制系统720 12.11循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统722 12.12小结723 技能自测724 基础练习题727 一般习题729 难题733 设计题736 计算机辅助设计题740 术语和概念743 第13章数字控制系统744 13.1引言744 13.2数字控制系统应用概貌744 13.3采样控制系统746 13.4z变换748 13.5闭环反馈采样控制系统751 13.6二阶采样控制系统的性能754 13.7带有数字校正器的闭环系统756 13.8数字控制系统的根轨迹758 13.9控制器的数字实现761 13.10设计实例762 13.11利用控制系统设计软件设计数字控制系统768 13.12循序渐进设计实例——磁盘驱动器读取系统772 13.13小结773 技能自测773 基础练习题776 一般习题778 难题780 设计题781 计算机辅助设计题783 术语和概念784 参考文献785

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