线性控制系统工程

　　本书的定位是要为机械工程、电机工程、电子工程、计算机工程等非控制工程专业的本科生提供一本内容适度、实用性强和学时较少的控制理论教材。内容覆盖了经典控制理论和现代控制理论的基础部分，方法包括子频率响应法、根轨迹法和状态空间法。本书已被美国多所知名大学采用作为电子工程等专业的本科层次的控制理论教材或主要教学参考书。本书的主要特点是，从非控制工程专业本科生对控制理论的需求和教学学时相对要少的实情出发，在体系结构和内容安排上作了富有新意的改革。例如，破除章节式结构、设立专题；破除按一个结论引入例子的惯例，增加自不同专业背景的研究案例。本书前言在过去的二十来年中，尽管我一直在向机械工程的本科生讲授线性控制系统工程，但却从未激起过撰写有关该学科教科书的念头，直到我第一次有机会在一个学期中同时讲授控制学和动力学。这使我能够直接比较这两门学科的结构、风格以及学生对指定教科书的使用情况。这样的比较是相当有启发性的。这两本书都已经面世十几年，并且已经出版了几个版本。当时，控制学课本和动力学课本都是最畅销的，然而，它们的风格却很不一样。动力学课本是按以下格式撰写的：每个主题由相对独立的专题内容组成，每个专题的内容刚好适合在一次课中讲解；接着，用两三道例题向学生讲解如何应用这个专题内容来解决工程问题；最后，给出几道作业题，使学生能够测试自己对这些内容的理解情况。而控制学课本则是以比较传统的风格撰写的，即由几章组成，每章有50页左右的内容，随后有20道左右的习题。在讲授这两门课程时，学生明显会更多地使用动力学课本。他们没有被每次课所包含的大量内容所吓倒，丰富的例题与习题不仅保证了他们可以对内容的理解程度进行自我评估，而且使得学生对该学科结构有更好的构想。从教师的角度来看，使用已经分成适合授课量的内容会使得课程计划的编排更加容易。在本书中，我设法使用了与刚描述过的动力学课本相同的方法。我希望内容的模块化特点能使这本书与授课课程紧密关联，尽管仍然有足够的灵活性允许教师增加其他的主题或者略过他（她）认为学生们已经掌握的内容。基于学生对我讲授过的控制学课程的评论，关于解题的同感看起来是：①例题越多越好；②学生喜欢例题中有更详细的解法。在本书中，我已经设法解决了这两个问题。特别是在每个单元的末尾包含了具有详细解法的例题，这样学生就可以看到前面内容的应用。为了使学生理解如何利用控制系统分析这种基本手段来进行复杂工程系统的设计，我还在第25单元后面增加了几个设计案例的研究。在许多案例中，它们展示了几种可供选择的方法来达到要求的性能，而且向学生提供了一种构想，即本书中描述的各种分析题如何才能使用、综合和应用到实际工程系统中。当初，本书主要是打算针对机械工程的本科生，尽管其他工程学科的学生会发现这些内容与他们的领域区别不大。在大多数领域中，传统的系统分支包括：介绍性的系统建模课程：大学二年级；线性控制系统课程：大学三年级；进控制课程：大学四年级。本书针对的是大学三年级的课程，并假设学生已经熟悉系统建模。本书包含了一些这方面的内容，但仅仅是为了提供向控制学的平滑过渡而非讲授建立物理模型的方法。关于为本书提供软件应用的问题，目的是强调控制学的基础，而不是侧重于计算方法或计算工具。鼓励学生在适当的地方使用任何一种可利用的软件，所举例子中已使用了FORTRAN，BASIC代码和像MATLAB那样的商用软件包。对于课本中涉及的一些虽然不难但处理费时的问题，强烈推荐使用像MATLAB或MATRIX这样的商业软件包。最后，我要感谢许多帮助我撰写本书的人们。McGraw-Hill的员工使得本书的出版过程如任何作者所期盼的那样令人愉快。我在爱丁堡大学、罗德艾兰州大学、德州A

暂缺《线性控制系统工程》作者简介

第1单元 反馈控制引论 1
习题 14
第2单元 传递函数和方框图代数 19
1．传递函数 19
2．方框图代数 20
习题 29
第3单元 一阶系统 32
1．脉冲响应 34
2．阶跃响应 35
3．斜坡响应 36
4．谐波响应 37
5．一阶反馈系统 38
6．复平面表示法：极点和零点 40
7．一阶系统的极点和零点 41
8．主导极点 42
习题 47
第4单元 二阶系统 50
1．二阶电气系统 54
2．阶跃响应 55
习题 61
第5单元 二阶系统的时域响应 65
1．斜坡响应 65
2．谐波响应 66
3．系统极点和暂态响应的关系 68
4．时域性能指标 71
习题 79
第6单元 二阶系统：干扰抑制和速度反馈 82
1．开环和闭环干扰抑制 85
2．速度反馈的影响 87
习题 95
第7单元 高阶系统 99
1．降为低阶系统 99
2．三阶系统 100
3．闭环零点的影响 102
4．闭环零点的出现 105
习题 109
第8单元 系统的型：稳态误差 111
1．脉冲输入 112
2．阶跃输入 114
3．斜坡输入 115
4．加速度输入 116
5．非单位反馈控制系统 119
习题 128
第9单元 劳斯方法、根轨迹：幅值和相角方程 131
1．劳斯稳定判据 131
2．根轨迹方法：幅值和相角方程 134
习题 151
第10单元 画根轨迹的规则 155
习题 173
第11单元 应用根轨迹设计系统 177
1．多环系统 177
2．复平面上的系统设计 180
3．性能要求描述为复平面上的约束 180
4．稳态误差 180
5．对应"好"响应的复平面上的期望区域 182
习题 194
第12单元 频率响应和奈奎斯特图 198
1．频率响应 199
2．由传递函数转化为奈奎斯特图 200
习题 211
第13单元 奈奎斯特稳定判据 215
1．保角映射：柯西定理 215
2．用于稳定性判定 219
3．奈奎斯特稳定性的一些说明 224
4．奈奎斯特稳定判据的另一种方法 225
习题 235
第14单元 奈奎斯特分析和相对稳定性 239
1．条件稳定性 239
2．增益裕度和相位裕度 241
习题 250
第15单元 伯德图 253
1．简单传递函数的伯德图 253
2．复合传递函数的伯德图 257
3．各环节的伯德图 260
习题 277
第16单元 伯德分析、稳定性、增益裕度和相位裕度 280
1．条件稳定 280
2．伯德图中的增益裕度和相位裕度 283
3．系统的型和由伯德图得出的稳态误差 284
4．进一步讨论增益裕度和相位裕度 286
习题 296
第17单元 由频率响应得到时域响应 299
1．由根轨迹得到伯德图 299
2．由开环相位裕度得到闭环时间响应 301
3．高阶系统的时间响应 304
习题 313
第18单元 频域指标和闭环频率响应 315
1．频域指标 315
2．由奈奎斯特图得到闭环频率响应 319
3．由伯德图得到闭环频率响应 325
4．由奈奎斯特图得到期望Mp的增益 328
5．由尼科尔斯图得到期望Mp的增益 329
6．非单位反馈增益系统 330
习题 342
第19单元 相位超前校正 346
1．多约束设计 346
2．相位超前环节的传递函数 349
3．相位超前校正过程 351
4．相位超前校正的结果及适用性的评论 358
习题 372
第20单元 相位滞后及超前-滞后校正 375
1．相位滞后环节的传递函数 375
2．相位滞后校正过程 376
3．相位滞后校正的几点说明 379
4．超前-滞后校正 380
5．超前-滞后环节的传递函数 381
6．超前-滞后校正过程 382
习题 400
第21单元 多模态控制器 403
1．比例控制 403
2．比例积分控制 405
3．比例微分控制 407
4．比例积分微分控制 410
习题 420
第22单元 状态空间系统描述 424
1．由传递函数转化为状态空间形式 428
2．由状态空间形式转化为传递函数 431
3．状态变量的变换和系统特征向量的不变性 432
4．标准形和解耦系统 433
5．特征值和系统极点之间的关系 435
习题 447
第23单元 状态空间系统的响应、能控性和能观性 451
1．状态方程的直接数值解 451
2．用状态转移矩阵求解 452
3．用拉普拉斯变换求解 453
4．系统稳定性 454
5．能控性和能观性 454
习题 464
第24单元 状态空间控制器的设计 467
1．通过与特征方程比较来直接计算增益 468
2．通过状态方程的控制标准形实现极点配置 469
3．通过阿克曼公式实现极点配置 474
习题 482
第25单元 状态空间观测器的设计 485
1．观测器的合成 485
2．校正器设计 489
习题 500
第26单元 波浪能吸收装置 503
第27单元 导弹姿态控制器 507
1．模型的构造 507
2．方框图表示 508
3．多模态控制器设计 510
4．状态空间控制器的设计 512
第28单元 机械手设计 515
第29单元 抽水蓄能流量控制系统 521
第30单元 船舶操纵控制系统 529
第31单元 巡航导弹高度控制系统 538
第32单元 具有柔性的机床动力驱动系统 545
附录A 复习拉普拉斯变换及其在求解微分方程中的应用 552
1．线性特性 553
2．平移定理 553
3．时间微分 553
4．终值定理 553
5．逆变换 553
6．求解线性微分方程 553