本書一直被美國及全SJ的上百所大學采用。全書內容更加條理化，並且引入了更多的計算機輔助工具。該書把控制理論、實際例子與計算機工具有機地結合在一起，用易於接受的方式，全面而又恰D地介紹了控制的內容。D10版提供了控制實驗室的概念，它包括兩類實驗：SIMLab（模型模擬）和LEGOLab（物理實驗中使用的樂高?機器人）。它使讀者能用簡單的方式處理控制繫統的建模、分析、設計與模擬。

出版者的話

譯者序

前言

D1章緒論1

1.1控制繫統的基本組成部分1

1.2控制繫統應用舉例2

1.2.1智能交通繫統2

1.2.2汽車轉向控制3

1.2.3汽車怠速控制3

1.2.4太陽能收集器的太陽跟蹤控制3

1.3開環控制繫統（無反饋繫統）5

1.4閉環控制繫統（反饋控制繫統）5

1.5反饋的含義及其作用6

1.5.1反饋對於總增益的影響6

1.5.2反饋對於穩定性的影響6

1.5.3反饋對於外部干擾或噪聲的作用7

1.6反饋控制繫統的類型8

1.7線性繫統與非線性繫統8

1.8時不變與時變繫統9

1.9連續控制繫統9

1.10離散控制繫統10

1.11案例研究：基於LEGOMINDSTORMS的智能車輛避障11

1.12小結17

D2章動態繫統的建模18

2.1簡單機械繫統的建模18

2.1.1平移運動19

2.1.2旋轉運動22

2.1.3平移和旋轉運動之間的轉換26

2.1.4齒輪繫28

2.1.5齒隙和死區（非線性特性）29

2.2簡單電氣繫統的建模30

2.2.1無件建模30

2.2.2電氣網絡建模30

2.3簡單熱繫統和簡單流體繫統的建模33

2.3.1熱繫統的基本屬性34

2.3.2流體繫統的基本屬性36

2.4非線性繫統的線性化42

2.5類比44

2.6案例研究：LEGO MINDSTORMSNXT電動機—機械建模46

2.7小結46

參考文獻47

習題47

D3章動態繫統的微分方程求解58

3.1微分方程介紹58

3.1.1線性常微分方程59

3.1.2非線性微分方程59

3.2拉普拉斯變換60

3.2.1拉普拉斯變換的定義60

3.2.2拉普拉斯變換的重要定理61

3.2.3傳遞函數61

3.2.4特征方程62

3.2.5解析函數62

3.2.6函數的J點62

3.2.7函數的零點63

3.2.8共軛復J點和零點64

3.2.9終值定理65

3.3部分分式展開的拉普拉斯逆變換65

3.4拉普拉斯變換在線性常微分方程求解中的應用71

3.4.1一階繫統71

3.4.2二階繫統73

3.4.3二階繫統—進一步討論80

3.5線性繫統的脈衝響應和傳遞函數83

3.5.1脈衝響應83

3.5.2基於脈衝響應的時間響應84

3.5.3傳遞函數（單輸入單輸出繫統）85

3.6繫統的一階微分方程：狀態方程85

3.6.1狀態變量的定義88

3.6.2輸出方程89

3.7線性齊次狀態方程的解92

3.7.1傳遞函數（多變量繫統）93

3.7.2由狀態方程到特征方程95

3.7.3由傳遞函數到狀態方程96

3.8MATLAB案例研究99

3.9線性化回顧：狀態空間方法104

3.10小結108

參考文獻108

習題109

D4章控制框圖和信號流圖119

4.1控制框圖119

4.1.1控制繫統件的控制框圖建模120

4.1.2數學方程和控制框圖的關繫123

4.1.3控制框圖簡化126

4.1.4多輸入繫統的控制框圖：特殊情況—擾動繫統128

4.1.5多變量繫統的控制框圖與傳遞函數129

4.2信號流圖131

4.2.1信號流圖代數132

4.2.2信號流圖術語的定義133

4.2.3信號流圖的增益公式135

4.2.4在輸出節點與非輸入節點間增益公式的應用139

4.2.5簡化增益公式140

4.3狀態圖141

4.3.1由微分方程到狀態圖141

4.3.2由狀態圖到傳遞函數143

4.3.3由狀態圖到狀態和輸出方程143

4.4案例研究145

4.5MATLAB工具箱155

4.6小結158

參考文獻158

習題158

D5章線性控制繫統的穩定性168

5.1穩定性介紹168

5.2穩定性判定方法171

5.3Routh-Hurwitz判據171

5.3.1Routh表格172

5.3.2Routh表格提前終止時的特殊情形173

5.4MATLAB工具和案例分析176

5.5小結182

參考文獻182

習題182

D6章反饋控制繫統的重要組成186

6.1有件的建模：運算放大器188

6.1.1理想運算放大器188

6.1.2和與差188

6.1.3一階運算放大器的配置188

6.2控制繫統中的傳感器和編碼器191

6.2.1電位計191

6.2.2轉速計194

6.2.3增量編碼器195

6.3控制繫統中的直流電動機197

6.3.1直流電動機的基本操作原理198

6.3.2永磁直流電動機的基本分類198

6.3.3永磁直流電動機的數學模型200

6.4直流電動機的速度控制及位置控制203

6.4.1速度響應、自感效應和擾動：開環響應203

6.4.2直流電動機的速度控制：閉環響應206

6.4.3位置控制207

6.5案例研究208

6.5.1案例1：太陽觀測繫統208

6.5.2案例2：四分之一車輛懸掛繫統210

6.6虛擬實驗室：LEGO MINDSTORMSNXT電動機入門—建模和表征213

6.6.1NXT電動機213

6.6.2電氣特性213

6.6.3機械特性214

6.6.4速度響應和模型驗證220

6.7小結221

參考文獻221

習題221

D7章控制繫統的時域分析234

7.1連續時間繫統的時間響應234

7.2評價控制繫統時間響應性能的典型測試信號235

7.3單位階躍響應和時域描述236

7.4一階繫統的時間響應237

7.5二階繫統的暫態響應240

7.5.1阻尼比和自然頻率240

7.5.2Z大超調（0 < ζ < 1）244

7.5.3延遲時間和上升時間（0 < ζ < 1）246

7.5.4調節時間（5%和2%）247

7.5.5暫態響應性能指標總結250

7.6穩態誤差253

7.6.1穩態誤差的定義253

7.6.2有干擾情況下的繫統穩態誤差259

7.6.3控制繫統的類型：單位反饋繫統261

7.6.4誤差常數261

7.6.5非線件產生的穩態誤差265

7.7基礎控制繫統以及傳遞函數增加零J點帶來的影響267

7.7.1在前向通道傳遞函數中增加一個J點：單位反饋繫統267

7.7.2在閉環傳遞函數中增加一個J點269

7.7.3在閉環傳遞函數中增加一個零點270

7.7.4在前向通道傳遞函數中增加一個零點：單位反饋繫統271

7.7.5增加零J點：時域響應控制272

7.8傳遞函數的ZD零J點277

7.8.1零J點影響的總結278

7.8.2相對阻尼比279

7.8.3穩態響應考慮下的次要J點忽略方法279

7.9案例研究：定位控制繫統的時域分析279

7.9.1二階繫統：單位階躍暫態響應281

7.9.2二階繫統：單位階躍穩態響應284

7.9.3三階繫統的時間響應—電氣時間常數不能忽略284

7.9.4三階繫統：單位階躍暫態響應284

7.9.5三階繫統：單位階躍穩態響應287

7.10控制實驗室：LEGO MINDSTORMS NXT電動機介紹—位置控制287

7.11小結291

參考文獻292

習題292

D8章狀態空間分析與控制器設計305

8.1狀態變量分析305

8.2控制框圖、傳遞函數和狀態控制框圖305

8.2.1傳遞函數（多變量繫統）305

8.2.2多變量繫統的控制框圖和傳遞函數306

8.3一階微分繫統的狀態方程308

8.3.1狀態變量的定義308

8.3.2輸出方程309

8.4狀態方程的向量-矩陣表示310

8.5狀態轉移矩陣312

8.5.1狀態轉移矩陣的意義313

8.5.2狀態轉移矩陣的性質313

8.6狀態轉移方程314

8.7狀態方程與高階微分方程之間的關繫318

8.8狀態方程與傳遞函數之間的關繫319

8.9特征方程、特征值和特征向量321

8.9.1由微分方程求特征方程322

8.9.2由傳遞函數求特征方程322

8.9.3由狀態方程求特征方程322

8.9.4特征值323

8.9.5特征向量323

8.9.6廣義特征向量324

8.10相似變換325

8.10.1相似變換的不變特性326

8.10.2相似變換前後的特征方程、特征值和特征向量326

8.10.3傳遞函數矩陣326

8.10.4能控標準型326

8.10.5能觀標準型328

8.10.6對角標準型329

8.10.7Jordan標準型330

8.11傳遞函數分解331

8.11.1直接分解331

8.11.2串級分解335

8.11.3並行分解336

8.12控制繫統的能控性337

8.12.1能控性的概念338

8.12.2狀態能控性的定義339

8.12.3能控性的其他檢驗方法339

8.13線性繫統的能觀性341

8.13.1能觀性的定義341

8.13.2能觀性的其他檢驗方法342

8.14能控性、能觀性和傳遞函數之間的關繫342

8.15能控性和能觀性的不變性定理344

8.16案例研究：磁球懸浮繫統345

8.17狀態反饋控制348

8.18通過狀態反饋進行J點配置349

8.19帶有積分控制的狀態反饋353

8.20MATLAB工具箱和案例學習358

8.20.1狀態空間分析工具箱的使用和說明359

8.20.2tfsym在狀態空間應用中的使用和說明361

8.21案例研究：LEGO MINDSTORMS機器臂繫統的位置控制361

8.22小結366

參考文獻367

習題367

D9章根軌跡法386

9.1根軌跡的基本性質387

9.2根軌跡的性質詳解389

9.2.1K=0和K=±∞的點389

9.2.2RL的分支數390

9.2.3RL的對稱性390

9.2.4RL的漸近線交角：|s|=∞處RL的行為391

9.2.5漸近線的交點（質心）392

9.2.6實軸上的RL395

9.2.7RL的出射角和入射角395

9.2.8RL與虛軸的交點398

9.2.9RL的分離點（鞍點）398

9.2.10RL在分離點處的入射角和出射角399

9.2.11RL上K值的計算402

9.2.12小結402

9.3根靈敏度406

9.4根軌跡設計410

9.4.1在G(s)H(s)中增加零J點的影響410

9.4.2在G(s)H(s)中增加J點410

9.4.3在G(s)H(s)中增加零點412

9.5根軌跡族：多參數變化情形415

9.6MATLAB工具箱421

9.7小結422

參考文獻423

習題423

D10章頻域分析430

10.1引言430

10.1.1閉環繫統的頻率響應437

10.1.2頻域指標438

10.2二階繫統的諧振峰值、諧振頻率和帶寬439

10.2.1諧振峰值和諧振頻率439

10.2.2帶寬440

10.3前向通道傳遞函數增加J點和零點的影響442

10.3.1前向通道傳遞函數增加零點的影響443

10.3.2前向通道傳遞函數增加J點的影響447

10.4Nyquist穩定性判據：基本原理449

10.4.1穩定性問題449

10.4.2環繞和閉合的定義450

10.4.3環繞和閉合的次數451

10.4.4幅角原理451

10.4.5Nyquist曲線455

10.4.6Nyquist判據以及L(s)或G(s)H(s)圖455

10.5具有Z小相位傳遞函數的繫統的Nyquist判據456

10.6根軌跡和Nyquist圖的關繫458

10.7示例：Z小相位傳遞函數的Nyquist判據460

10.8增加的J點和零點對Nyquist圖的形狀的影響464

10.8.1在s=0處加入J點464

10.8.2增加有限個非零J點466

10.8.3增加零點466

10.9相對穩定性：增益裕量和相位裕量467

10.9.1增益裕量469

10.9.2非Z小相位繫統的增益裕量470

10.9.3相位裕量470

10.10用Bode圖進行穩定性分析472

10.11相對穩定性與Bode圖的幅值曲線的斜率之間的關繫475

10.12用幅值-相位圖進行穩定性分析477

10.13幅值-相位圖中的定常M曲線：Nichols圖479

10.14Nichols圖應用於非單位反饋繫統484

10.15頻域中的靈敏度研究485

10.16MATLAB工具和案例研究486

10.17小結487

參考文獻487

習題487

D11章控制繫統設計499

11.1引言499

11.1.1設計要求499

11.1.2控制器結構500

11.1.3設計的基本原則502

11.2PD控制器的設計503

11.2.1PD控制的時域分析504

11.2.2PD控制的頻域分析506

11.2.3PD控制的作用總結506

11.3PI控制器的設計521

11.3.1PI控制的時域分析與設計523

11.3.2PI控制的頻域分析與設計523

11.4PID控制器的設計534

11.5相位超前和相位滯後控制器的設計538

11.5.1相位超前控制器的時域分析和設計539

11.5.2相位超前控制器的頻域分析和設計540

11.5.3相位超前控制的作用555

11.5.4單階相位超前控制的局限性556

11.5.5多階相位超前控制器556

11.5.6靈敏度考慮560

11.5.7相位滯後控制的時域解釋和設計561

11.5.8相位滯後控制的頻域解釋和設計562

11.5.9相位滯後控制器的作用和局限性570

11.5.10超前-滯後控制器的設計571

11.6零J點對消設計：陷波濾波器572

11.6.1二階有源濾波器574

11.6.2頻域解釋和設計575

11.7前向和前饋控制器582

11.8魯棒控制繫統的設計584

11.9局部反饋控制592

11.9.1速度反饋或轉速計反饋控制592

11.9.2含有源濾波器的局部反饋控制593

11.10MATLAB工具和案例研究595

11.11控制實驗室604

參考文獻605

習題605

索引