现代控制系统(第十二版) Richard C. Dorf （理查德 C. 多尔夫）, Ro pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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Richard C. Dorf （理查德 C. 多 著

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• 第十二版
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店铺： 博远慧达图书专营店

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121254147

商品编码：24957780139

包装：平装

出版时间：2015-02-01

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基本信息

书名:现代控制系统(第十二版)

定价：128.0元

售价：72.96元,便宜55.04元,折扣56

作者:Richard C. Dorf （理查德 C. 多尔夫）, Ro

出版社：电子工业出版社

出版日期：2015-02-01

ISBN：9787121254147

字数：1486000

页码：

版次：12

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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控制系统经典教材，实例丰富，内容与时俱进。

内容提要

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控制系统原理及相近课程是高等学校工科学生的核心课程之一。本书一直是该类课程畅销全球的教材范本，至今已经出版至第十二版。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精神得到潜移默化的提升。

目录

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作者介绍

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Richard C. Dorf是美国加利福尼亚大学戴维斯分校的电气与计算机工程教授。作为在电子工程专业及其应用领域内的知名学者， Dorf教授已经成功撰写和编著出版了多本工程类教科书和手册， 其中Engineering Handbook， Second Edition和Electrical Engineering Handbook, Third Edition两书畅销不衰。同时， Dorf教授还是Technology Ventures一书的合著者之一， 这是技术创业领域中具指导意义的书籍之一。Dorf教授是IEEE会士和ASEE会士， 一直活跃在控制系统设计和机器人等研究领域。Dorf教授还是PIDA控制器的持有者。Robert H. Bishop是美国马凯特大学工学院院长。在受聘马凯特大学之前，他在得克萨斯大学奥斯汀分校航天工程与机械工程系任教20年， 他是该校的杰出教授，拥有Joe J. King教授讲席。Bishop教授的工程职业生涯起始于麻省理工学院的Charles Stark Draper 实验室。他编著出版了讲授图示化编程的畅销教材：Learning with LabVIEW，他还是Mechatronics Handbook 的合著者。作为一名才华横溢的教育家， Bishop教授获得了多项教学奖励和荣誉，包括难得的洛克希德马丁战术航空系统公司的工程教学奖，ASEE和AIAA联合颁发的John Leland Atwood奖。John Leland Atwood奖定期授予“长期工作在航天工程教育一线并做出突出贡献的杰出人才”。Bishop教授是AIAA会士和AAS会士。

文摘

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序言

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作 者 简 介
Richard C. Dorf是美国加利福尼亚大学戴维斯分校的电气与计算机工程教授。作为在电子工程专业及其应用领域内的知名学者，Dorf教授已经成功撰写和编著出版了多本工程类教科书和手册，其中，Engineering Handbook，Second Edition和Electrical Engineering Handbook, Third Edition两书畅销不衰。同时，Dorf教授还是Technology Ventures一书的合著者之一，这是技术创业领域中具指导意义的书籍之一。Dorf教授是电气和电子工程师学会（IEEE）会士和美国工程教育者学会（ASEE）会士，一直活跃在控制系统设计和机器人等研究领域。Dorf教授还是PIDA控制器的持有者。Robert H. Bishop是美国马凯特大学工学院院长。在受聘马凯特大学之前，他在得克萨斯大学奥斯汀分校航天工程与机械工程系任教20年，是该校的杰出教授，拥有Joe J. King教授讲席。Bishop教授的工程职业生涯起始于麻省理工学院的Charles Stark Draper实验室。Bishop教授著有讲授图示化编程的畅销教材Learning with LabVIEW（由电子工业出版社翻译出版），并且还是Mechatronics Handbook的合著者。作为一名才华横溢的教育家，Bishop教授获得了多项教学奖励和荣誉，包括难得的洛克希德马丁战术航空系统公司的工程教学奖，美国工程教育者学会（ASEE）和美国航空航天学会（AIAA）联合颁发的John Leland Atwood奖。John Leland Atwood奖定期授予“长期工作在航天工程教育一线并做出突出贡献的杰出人才”。Bishop教授是美国航空航天学会（AIAA）会士和美国航天学会（AAS）会士，并长期活跃在ASEE和IEEE等学会。

谢红卫。男，湖北洪湖人，1965年生。博士，国防科技大学教授，博士生导师。主要学术方向为自动控制理论、实验鉴定与评估技术、生物信息学。学校“自动控制原理”系列课程的负责人，负责建设的“自动控制原理”课程获评湖南省精品课程。获得军队院校“育才奖”银奖1项，省教学成果二等奖1项，编写、翻译出版教材和专著6部。承担完成科研项目30余项。发表论文100余篇，其中40余篇被SCI收录。获得国防科学技术奖二等奖1项，中国电子学会电子信息科学技术奖一等奖1项。

孙志强。男，山东即墨人，1978年生。博士，国防科技大学讲师。主要学术方向为系统安全性建模与分析、试验数据处理与分析。学校“自动控制原理”课程的主讲教师之一，参与了“自动控制原理”精品课程和MOOC课程的建设工作。承担自然科学基金项目1项，教育部博士点基金项目1项，装备横向合作项目4项；参与装备预先研究项目和预先研究基金项目多项。发表论文20余篇，出版教材3部。发挥了重大作用。承担教学改革项目2项，出版教学论文10余篇。目前，承担装备预先研究基金项目1项，装备横向合作项目3项，参与多项装备预先研究项目和自然科学基金项目。发表论文20余篇，出版教材3部。

宫二玲。女，河南郑州人。博士，国防科技大学副教授。主要学术方向为系统安全性建模与分析、试验数据处理与分析。是学校“自动控制原理”课程的骨干主讲教师，参与了“自动控制原理”精品课程和MOOC课程的建设工作，发挥了重大作用。承担教学改革项目2项，发表教学论文10余篇。目前，承担装备预先研究基金项目1项，装备横向合作项目3项，参与多项装备预先研究项目和自然科学基金项目。发表论文20余篇，出版教材3部。

张纪阳。男，河南泌阳人，1979年生。博士，国防科技大学副教授。主要学术方向为控制原理与工程、生物信息学。目前主要从事无人机飞行控制系统设计与实现、蛋白质组质谱数据分析方面的教学科研工作。承担自然科学基金项目1项，发表科研论文20余篇，参与编写教材2部。

译 者 序
源于应Robert H. Bishop教授邀请前往访问交流，2001年，我与同事们在高等教育出版社翻译出版了Richard C. Dorf和Robert H. Bishop所著的国际经典教材Modern Control Systems的第八版，后来又应电子工业出版社编辑马岚女士来电约稿，于2011年再次翻译出版了该教材的第十一版。
Modern Control Systems持续改进的成果参见原书前言。在此，我只就英文版第十二版的翻译过程做一些说明。在我们所译的每个版本中，译者序里都会写到： “译稿的妥之处在所难免，恭候专家和广大读者批评指正”。此话绝非虚言。这次的译稿又发现了以前两版译稿中的不少错误，择要说明如下： 第1章对术语做了较多的修订； 从第2章开始，全书规范改正了关于“质点”、“质量块”和“质量”的说法不一致的问题，改正了梅森公式部分的几处错误； 从第4章开始，照顾国内的习惯，全书将loop gain规范翻译成“开环传递函数”，而不再将“开环”和“环路”混用； 特别是第9章和第10章，改正了几处致命的翻译错误。至于全书新增内容的翻译，原有文字表述方面的改进，就不胜枚举了。
谢红卫翻译了本书的前言、第1章至第3章及其他附表等，张纪阳翻译了第4章至第6章，宫二玲翻译了第7章和第8章，孙志强翻译了第9章至第13章以及附录。谢红卫负责全书的修改和统稿。
我们在翻译过程中秉承精益求精的原则，追求“信、达、雅”的目标，力图译得严谨流畅，为国内同行献上一本精品译著。但我们还是要说： 译稿的妥之处在所难免，恭候专家和广大读者进一步批评指正。

谢红卫
于国防科技大学
2014年6月
前 言
本书内容
诸如气候变化、清洁水资源、废物管理、能源使用和可持续发展等全球性议题，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。工程设计策略改进演化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，降低对人类健康的风险，以及改善环境。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。一个这样的例子是机器人控制的移动监测平台，它采用无线方式监测雨林的环境参数。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，监测供电质量。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，依据它测量提供的系统状态的信息，控制系统才能执行恰当的动作。
由于人类面临的全球性问题需要工程设备具有日益增长的自动化程度和度，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。风力的间歇性特性促进了智能电网的发展，风力发电有效工作时，智能电网要供风电上网； 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燃料电池的可重用的能量储备系统。在高效的可重用能量储备系统中，主动控制也是一项关键的技术。
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，由于控制工程的目标是实现对实际系统的控制，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。本节所采取的途径是，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，重要和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，帮助学生体验重新发展反馈控制系统理论及其应用实践。如果能够对此目的有所裨益，那就意味着本书取得了成功。
第十二版的更新
本书的新版本进行了下列主要更新。
● 第1章增加了一节关于绿色工程的内容。解决人类面临的这一类全球性问题，需要自动化程度和度日益增长的工程设备，因此，自动控制系统在绿色工程中的应用将越来越广泛。
● 为了说明控制系统设计对绿色工程应用的支撑作用，在主要章节都新增加了有关的设计题，如智能电网、环境监控、风力发电和太阳能发电等。
● 每章都新增了一个名为“技能自测”的小节，以便于学生自行检查对基本原理、知识和技能的掌握情况。每

《控制系统导论：原理与应用》 第一章：引言——我们为何需要控制？ 在现代社会的运转中，控制系统无处不在，却又常常被我们忽略。从家庭中恒温器维持舒适的室内温度，到汽车自动巡航系统精准保持车速，再到工厂里复杂的生产线协调运作，甚至于我们身体内部的血糖调节、心跳律动，都离不开精妙的控制机制。本章将带领您一同探索控制系统的基本概念，揭示它们在现实世界中的重要性，并勾勒出学习控制系统将为我们带来的广阔视野。 我们将从最直观的例子入手，例如如何让一个简单的机器人手臂准确地抓取并放置物体。这看似简单的任务，背后却涉及一系列复杂的决策和调整。我们会了解“系统”的定义，以及“控制”在其中扮演的角色。通过对比有控制和无控制的系统，您将深刻体会到控制系统为何是实现自动化、提高效率、确保稳定性和安全性的关键。 此外，本章还将简要介绍控制系统在不同领域的应用，从航空航天、电力系统、生物医学到经济学，展现控制理论强大的普适性和生命力。您将了解到，掌握控制系统的原理，不仅能帮助您理解和分析已有的复杂系统，更能激发您设计和创造全新、更优越系统的潜能。我们将提出一系列引人入胜的问题，例如“如何让飞行器在风雨交加的天气中稳定飞行？”，“如何优化交通信号灯以减少拥堵？”，为后续章节的学习埋下伏笔，激发您对控制世界的无限好奇。 第二章：系统建模——理解现实世界的数学语言 要实现对一个系统的有效控制，首要任务是对其进行准确的建模。本章将深入探讨如何运用数学工具来描述和表示各种物理系统的动态行为。我们将从最基础的概念入手，介绍“输入”、“输出”、“状态”以及“系统模型”的含义。 首先，我们会聚焦于如何将物理系统的运动规律转化为数学方程。对于机械系统，我们将学习如何运用牛顿定律、拉格朗日方程等来建立描述其运动状态的微分方程。例如，一个简单的弹簧-阻尼-质量系统，其运动轨迹如何用二阶线性常微分方程来精确描述。对于电子系统，我们将探索如何利用基尔霍夫定律、电路元件模型等来构建描述电压、电流之间关系的方程。 接着，我们将介绍几种常用的系统表示方法。包括“传递函数”——一种在频率域描述输入输出关系的强大工具，它能简洁地揭示系统的动态特性；以及“状态空间方程”——一种更通用的方法，它能够完整地描述系统的内部状态演变，对于非线性系统和多输入多输出系统尤为适用。我们将通过详细的算例，演示如何从物理原理出发，推导出这些数学模型，并理解它们各自的优势和适用范围。 此外，本章还将探讨模型简化和线性化的技术。在实际应用中，许多系统是高度非线性和复杂的，但通过适当的假设和近似，我们可以将它们转化为更易于分析和控制的线性模型。我们将学习如何识别系统的主要动态成分，忽略次要影响，从而获得一个既能抓住系统本质又便于处理的简化模型。 理解并掌握系统建模是控制工程的基础。本章的学习将为您提供一套强大的数学工具，让您能够将错综复杂的现实世界用清晰的数学语言来表达，为后续的分析和设计打下坚实的基础。 第三章：时域分析——系统行为的动态透视 一旦我们有了系统的数学模型，接下来便是分析其在不同激励下的动态响应。本章将专注于“时域分析”，即研究系统输出随时间变化的特性。我们将通过考察系统对典型输入信号（如单位阶跃、单位斜坡、单位脉冲）的响应，来揭示系统的固有行为模式。 我们将深入分析一阶和二阶系统的瞬态响应。对于一阶系统，我们将讨论其“时间常数”的概念，以及它如何决定系统响应的快慢和稳态精度。我们将看到，一个简单的时间常数就能告诉我们系统达到稳态的程度。 对于更为常见的二阶系统，我们将重点关注其“阻尼比”和“无阻尼自然频率”这两个关键参数。我们将通过分析不同阻尼比下的系统响应，例如欠阻尼、临界阻尼和过阻尼，来理解它们对系统稳定性和振荡特性的影响。欠阻尼系统的“超调量”、“峰值时间”和“调节时间”等指标将得到详细的介绍，这些指标是评价系统性能的重要依据。我们将通过图形化的方式，直观地展示不同参数取值对系统响应曲线的影响，帮助您建立对系统动态行为的深刻直观认识。 此外，本章还将引入“稳态误差”的概念。当系统长时间运行后，其输出是否能够精确地跟踪输入信号，是一个至关重要的问题。我们将分析不同类型系统（例如零型、一型、二型系统）在不同类型输入下的稳态误差特性，以及如何通过调整系统参数来减小或消除稳态误差。 通过对时域分析的学习，您将能够预测系统在各种输入下的行为，理解系统动态响应的内在机制，并初步掌握评价和改进系统性能的方法。这为您后续设计控制器以达到期望的性能指标奠定了坚实的分析基础。 第四章：根轨迹法——洞察系统稳定性与性能的强大工具 “根轨迹法”是控制系统设计中一种极具洞察力且直观的图形化分析方法。本章将引导您掌握如何运用根轨迹法来分析系统的稳定性以及参数变化对系统动态性能的影响。 根轨迹的核心思想是，随着控制器增益（或系统其他参数）的连续变化，闭环系统特征方程的根（闭环极点）在复平面上描绘出的轨迹。而这些极点的位置，直接决定了系统的稳定性以及其瞬态响应的性质。 我们将详细讲解绘制根轨迹的步骤和规则。这包括确定根轨迹的起点和终点（通常与开环极点和零点相关），计算渐近线、实轴上的根轨迹段、转折点以及虚轴上的交点（用于判断闭环系统的稳定性边界）。我们将通过一系列典型的系统示例，演示如何一步步地绘制出准确的根轨迹图。 根轨迹法的强大之处在于，它能够直观地揭示增益变化对系统极点位置的影响。您将能够清晰地看到，当增益增大时，极点会如何移动，从而导致系统的响应变得更快但可能振荡加剧，或者变得更稳定但响应变慢。通过观察根轨迹与复平面上特定区域（例如代表期望阻尼比或调节时间的区域）的交点，我们可以直接确定出能够使系统达到理想性能的增益值。 本章还将介绍根轨迹法在控制器设计中的应用。例如，如何通过设计开环零点和极点，来改变闭环根轨迹的形状，从而使系统在特定的增益范围内获得良好的性能。这将使您学会如何主动地利用参数调整来塑造系统的动态行为。 掌握根轨迹法，您将拥有一个强大的可视化工具，能够深入理解系统参数变化与系统稳定性和性能之间的内在联系，并能有效地指导控制器的设计，以实现预期的系统表现。 第五章：频率响应分析——从不同视角理解系统行为 除了时域分析，我们还可以通过“频率响应分析”从另一个独特的视角来理解系统的行为。本章将介绍如何分析系统对不同频率正弦信号的响应，从而揭示系统的频率特性。 频率响应的核心在于，当一个线性定常系统（LTI系统）接收到一个正弦输入信号时，其稳态输出也将是一个同频率的正弦信号，但其幅值和相位可能会发生变化。频率响应分析关注的就是这种幅值和相位的变化如何随着输入信号的频率而改变。 我们将重点介绍两种常用的频率响应图：波特图（Bode Plot）和奈奎斯特图（Nyquist Plot）。波特图通常由两个子图组成：幅值响应曲线（dB vs. log(frequency)）和相位响应曲线（degrees vs. log(frequency)）。我们将详细讲解如何根据系统的传递函数，特别是开环传递函数的极点和零点，来绘制和解读波特图。我们将学习到“截止频率”、“穿越频率”、“幅值裕度和相位裕度”等关键指标，这些指标直接关联到系统的稳定性以及对噪声的抑制能力。 奈奎斯特图则是在复平面上绘制出系统开环频率响应的轨迹。我们将学习如何根据奈奎斯特图来判断闭环系统的稳定性，特别是如何利用“奈奎斯特稳定性判据”。虽然奈奎斯特图的绘制可能比波特图略显复杂，但它提供了对系统稳定性的更普适的判断方法，尤其适用于含有延迟或非最小相位系统的分析。 频率响应分析在实际工程中具有广泛的应用。例如，它可以帮助我们判断系统的抗干扰能力，选择合适的滤波器，以及评估系统在不同频率信号下的表现。通过与时域分析相结合，频率响应分析将为您提供一个更全面、更深入的系统理解，使您能够从不同维度去评估和设计控制系统。 第六章：稳定性分析——确保系统运行的基石 “稳定性”是控制系统设计中最基本也是最重要的要求。一个不稳定的系统，其输出可能会随着时间无限增长，从而导致灾难性的后果。本章将深入探讨各种判断和保证系统稳定性的方法。 我们将首先回顾在第二章和第三章中接触到的关于系统稳定性的初步概念，例如“负实部”的闭环极点是稳定性的必要条件。然后，我们将引入几种更系统、更普适的稳定性判据。 劳斯-霍尔维茨稳定性判据（Routh-Hurwitz Criterion）是我们在时域中判断系统稳定性的一个重要代数方法。它允许我们通过构造一个“劳斯表”来判断闭环系统特征方程的根是否全部位于复平面的左半平面，而无需计算出具体的特征方程根。我们将详细讲解劳斯表的构造方法和判据的应用，包括如何处理特殊情况，例如劳斯表中的零。 此外，我们还将再次强调根轨迹法和奈奎斯特判据在稳定性分析中的作用。根轨迹法可以直观地显示当增益变化时，闭环极点如何穿越虚轴，从而判断系统的稳定性边界。奈奎斯特判据则是一种基于频率响应的强大稳定性判据，对于各种类型的线性系统都适用。 本章还将讨论Lyapunov稳定性理论，这是一种更通用的分析方法，可以用于分析非线性系统的稳定性。虽然详细的Lyapunov稳定性理论可能比较复杂，但我们将介绍其基本思想，即寻找一个“Lyapunov函数”，它能像一个能量函数一样，随着时间的推移而减小，从而证明系统的稳定性。 理解和掌握这些稳定性分析方法，是进行任何控制系统设计的前提。本章的学习将使您能够准确地判断一个系统的稳定性，并指导您设计控制器以确保系统在各种工况下都能稳定可靠地运行。 第七章：PID控制器设计——工程中最常用的控制器 PID（比例-积分-微分）控制器是工业界和工程应用中最常用、最经典的一种控制器。本章将专注于PID控制器的设计原理、实现方式以及性能调整。 PID控制器通过结合比例（P）、积分（I）和微分（D）三种控制作用，来根据系统的误差信号生成控制输出，从而实现对系统的精确控制。我们将详细解释每种控制作用的物理意义和功能： 比例（P）作用：根据当前误差的大小来产生一个与误差成比例的控制输出。它能够快速响应误差，但可能存在稳态误差。 积分（I）作用：根据历史累积误差来产生一个控制输出。它能够消除稳态误差，但可能降低系统的响应速度并引入振荡。 微分（D）作用：根据误差的变化率来产生一个控制输出。它能够预测未来的误差趋势，减小超调量，提高系统的稳定性，但对噪声敏感。 我们将介绍如何根据系统模型和性能要求，来选择合适的PID控制器的结构（例如，是只用P，PI，PD还是PID）以及如何整定（确定）PID控制器的三个参数 $K_p$（比例增益）、$T_i$（积分时间）或 $K_i$（积分增益）、$T_d$（微分时间）或 $K_d$（微分增益）。 除了传统的Ziegler-Nichols方法等经验整定法，我们还将介绍如何利用时域和频率域的分析工具，例如根轨迹法和波特图，来指导PID参数的优化，以达到期望的瞬态响应和稳态精度。 本章还将讨论PID控制器在实际工程中的实现方式，包括模拟电路和数字实现，以及一些在实际应用中需要注意的问题，例如抗积分饱和和微分滤波。 通过本章的学习，您将能够深入理解PID控制器的原理，并掌握其在各种实际应用中的设计和调试技巧，使其成为您解决工程问题的有力工具。 第八章：现代控制理论基础——状态空间方法的应用 在前面章节中，我们已经接触到了状态空间表示法。本章将深入探讨“现代控制理论”的核心——基于状态空间方法的控制器设计。与传统的传递函数方法不同，状态空间方法能够处理更广泛的系统，包括多输入多输出（MIMO）系统、时变系统和非线性系统。 我们将首先回顾状态空间方程的结构，并介绍如何通过状态反馈来设计控制器。状态反馈是指将系统的内部状态变量作为输入，通过一个增益矩阵进行线性组合，然后反馈到系统的输入端，以改变系统的动态特性。我们将介绍如何根据所需的闭环极点配置，来计算状态反馈增益矩阵，这被称为“极点配置”或“极点配置法”。 对于无法直接测量所有状态变量的情况，我们需要引入状态观测器（State Observer）。状态观测器是一种能够根据系统的输入和输出信号，来估计系统内部状态变量的动态系统。我们将介绍观测器的设计原理，例如“极点配置式观测器”，并将其与状态反馈结合，形成“闭环控制系统”。 本章还将介绍能控性（Controllability）和能观测性（Observability）这两个重要的概念。能控性决定了我们是否能够通过状态反馈来任意配置闭环系统的极点，而能观测性决定了我们是否能够通过系统的输入输出信号来准确地估计系统的所有状态变量。这些概念是设计有效状态空间控制器和观测器的前提。 最后，我们将简要介绍最优控制的概念，例如LQR（线性二次型调节器）。最优控制的目标是在满足系统约束的条件下，使某个性能指标（例如，控制能量、误差的积分平方等）达到最小。这为设计更高效、更优化的控制器提供了理论基础。 通过本章的学习，您将打开一扇通往更强大、更灵活的控制系统设计方法的大门，能够应对更复杂、更具挑战性的工程问题。 第九章：系统辨识——从数据中学习系统模型 在许多实际应用中，我们可能无法轻易获得系统的精确物理模型，或者系统的模型会随着时间发生变化。在这种情况下，“系统辨识”技术就变得尤为重要。本章将介绍如何从实验数据中学习和估计系统的模型。 系统辨识的目标是利用输入-输出数据，来建立系统的数学模型（例如，传递函数或状态空间模型）。我们将介绍几种常用的辨识方法。 首先，我们将探讨基于模型的辨识方法。在这种方法中，我们首先假设一个模型结构（例如，一个ARX模型、ARMAX模型或输出误差模型），然后利用最小二乘法或其他优化算法，来估计模型中的未知参数。我们将讨论如何选择合适的模型结构，以及如何评估辨识结果的准确性。 接着，我们将介绍基于数据的非参数辨识方法。例如，利用系统对特定激励信号（如阶跃信号、脉冲信号或PRBS信号）的响应，来直接估计系统的传递函数。 此外，本章还将讨论在线辨识（Online Identification）的概念。与离线辨识不同，在线辨识能够在系统运行时，不断地更新和调整模型参数，以适应系统模型的变化。这对于处理具有时变特性的系统（例如，机器人手臂在不同负载下的模型变化）非常关键。 系统辨识技术使得我们能够更好地理解和控制那些我们对其物理原理不甚了解，或者其模型随时间变化的系统。它为控制工程的应用范围提供了更广阔的可能性。 第十章：数字控制系统——计算机在控制中的角色 随着计算机技术的飞速发展，几乎所有的现代控制系统都采用了数字控制器。本章将专注于“数字控制系统”的设计和分析，即控制器逻辑由计算机程序实现的情况。 我们将首先介绍采样过程。由于计算机只能处理离散的数据，因此需要将连续的模拟信号通过采样器转换为离散的信号。我们将讨论采样定理（Nyquist-Shannon Sampling Theorem），以及采样率对数字控制系统性能的影响。 接着，我们将介绍数字域中的系统表示。在数字控制中，我们通常使用Z变换来分析离散时间系统。我们将学习如何将连续时间系统的传递函数转换为Z域传递函数，以及如何分析离散时间系统的稳定性。 然后，我们将重点讨论数字PID控制器的设计。我们将学习如何将连续时间PID控制器的算法离散化，以实现在数字控制器中的应用。这涉及到差分方程的构建，以及如何根据系统特性选择合适的离散化方法。 此外，本章还将介绍数字控制器的其他实现形式，例如基于状态空间方法的数字控制器设计。我们将探讨如何将连续时间的状态空间模型转换为离散时间的状态空间模型，以及如何设计离散时间的控制器和状态观测器。 最后，我们将讨论一些在数字控制系统中需要考虑的关键问题，例如量化误差、计算延迟以及采样保持器的影响。 掌握数字控制系统的原理，是理解和设计现代自动化系统的基础。本章的学习将使您能够将控制理论的精髓应用于数字平台上，设计出高效、灵活且可靠的数字控制系统。 第十一章：非线性控制系统——超越线性假设的挑战 前面章节主要集中在线性控制系统。然而，现实世界中许多系统本质上是非线性的，例如具有饱和、死区、迟滞或摩擦特性的系统。本章将介绍一些用于分析和设计“非线性控制系统”的基本方法。 我们将首先探讨非线性系统的基本特性，例如饱和、死区、滞环等，并分析它们对系统性能的影响。我们将看到，线性控制理论的一些假设在非线性系统中可能不再适用。 接着，我们将介绍一些非线性控制系统的分析工具。除了Lyapunov稳定性理论（在第六章中已简要提及）之外，我们还将介绍相平面分析，这是一种用于分析二阶非线性系统动态行为的图形化方法，能够直观地揭示系统的稳定性、极限环等现象。 在非线性控制器的设计方面，我们将介绍几种常用的方法。例如： 反馈线性化（Feedback Linearization）：通过巧妙的状态反馈，将非线性系统转化为等效的线性系统，然后应用线性控制理论进行设计。 滑模控制（Sliding Mode Control）：设计一个控制器，使得系统的状态轨迹被引导到预先定义的“滑模表面”上，并在该表面上保持运动，从而实现对系统的不确定性和扰动的鲁棒控制。 模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）：基于人类专家的模糊规则，而不是精确的数学模型，来设计控制器。它在处理复杂、难以建模的非线性系统时非常有效。 神经网络控制（Neural Network Control）：利用神经网络的自学习能力，来逼近非线性系统的动态特性，并生成控制信号。 非线性控制是一个充满挑战但又极其重要的研究领域。本章的学习将为您打开一扇理解和驾驭复杂非线性系统的大门，使您能够设计出在更广泛的应用场景下都能表现出色的控制系统。 第十二章：系统集成与实现——从理论到实践的飞跃 控制系统的设计和分析最终都需要落实在实际的工程实现上。本章将关注“系统集成与实现”过程，将前面章节所学的理论知识转化为可工作的物理系统。 我们将讨论硬件选择。这包括选择合适的传感器来测量系统的状态变量（如位置、速度、温度、压力等），选择合适的执行器来施加控制作用（如电机、阀门、加热器等），以及选择合适的微控制器或PLC（可编程逻辑控制器）来运行控制算法。我们将讨论不同类型传感器的原理、精度和适用范围，以及不同类型执行器的特性和选型原则。 接着，我们将探讨软件开发。这包括实现数字控制器算法（如PID、状态反馈、观测器等），编写数据采集和处理程序，以及设计用户界面（HMI）供操作人员监控和干预系统。我们将讨论编程语言的选择（如C/C++、Python等），以及常用的嵌入式开发平台和工具。 系统集成是关键的环节，即将各个硬件和软件组件有机地组合在一起，并进行联调联试。我们将讨论在集成过程中可能遇到的问题，例如信号干扰、通信协议兼容性、时序问题等，以及如何进行故障排除和系统调试。 测试与验证是确保系统功能完备和性能达标的最后一道关卡。我们将介绍各种测试方法，包括单元测试、集成测试和系统级测试，以及如何根据预定的性能指标（如精度、响应速度、稳定性、鲁棒性等）来评估系统的表现。 本章将通过案例分析，展示一个完整的控制系统是如何从概念设计到最终落地实现的。通过对系统集成与实现过程的深入了解，您将能够更好地理解控制工程的实际运作，并为参与实际的自动化项目做好准备。 第十三章：鲁棒控制——应对不确定性的挑战 在现实世界中，系统模型往往不是完全精确的，或者系统会受到外部扰动的持续影响。鲁棒控制的目标就是设计出能够在模型不确定性和外部扰动存在的情况下，仍然能够保持良好性能的控制器。 我们将首先分析模型不确定性的来源，例如传感器误差、执行器非线性、参数变化等。然后，我们将探讨鲁棒性的定义，以及如何量化系统的鲁棒性。 本章将介绍几种主要的鲁棒控制方法。例如： H无穷（H-infinity）控制：这是一种系统性的方法，旨在最小化系统对外部扰动的“增益”，从而在最坏的情况下也能保证系统的性能。我们将介绍H无穷控制的设计步骤，以及它如何利用传递函数和复数运算来解决鲁棒控制问题。 μ-分析（Mu-analysis）：这是一种更精细的鲁棒性分析工具，能够更准确地评估系统在存在不确定性模型时的稳定性。 鲁棒控制的设计通常比传统的线性控制更为复杂，但它能够显著提高控制系统的可靠性和实用性。掌握鲁棒控制的设计思想，将使您能够构建出在更复杂、更恶劣环境下也能稳定运行的控制系统。 第十四章：自适应控制——让系统“自己学习” 当被控对象的参数随时间发生变化，或者我们对被控对象的模型知之甚少时，自适应控制便成为一种非常有用的控制策略。自适应控制的核心思想是，控制器能够根据系统的实时表现，自动地调整其控制参数，以达到期望的性能。 我们将介绍自适应控制的几种基本类型。例如： 模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control, MRAC）：在这种方法中，我们首先设定一个参考模型，它描述了我们期望的系统行为。然后，自适应控制器会尝试调整其参数，使得被控对象的输出尽可能地跟踪参考模型的输出。 自校正调节器（Self-Tuning Regulator, STR）：在这种方法中，控制器首先利用历史数据来估计被控对象的模型参数，然后根据估计出的模型参数来计算出最优的控制器参数。 我们将探讨自适应控制算法的设计，以及如何保证自适应过程的稳定性和收敛性。自适应控制在处理那些模型会随时间变化的系统（例如，飞机在不同飞行状态下的空气动力学特性变化，或者机器人手臂在负载变化时的动态特性变化）时尤其有效。 第十五章：系统可靠性与容错控制——确保系统持续运行 在许多关键应用领域，例如航空航天、核电站、医疗设备等，系统的可靠性和容错能力至关重要。即使系统的一部分发生故障，也必须能够继续安全、稳定地运行，或者能够安全地关闭。本章将介绍这些概念。 我们将首先讨论系统可靠性的评估方法，例如故障模式与影响及危害性分析（FMEA）、故障树分析（FTA）等。我们将了解不同组件的失效概率如何影响整个系统的可靠性。 接着，我们将重点介绍容错控制（Fault-Tolerant Control, FTC）。容错控制系统的目标是在检测到系统内部发生故障后，能够主动地调整控制策略，以维持系统的基本功能或实现安全停机。 我们将介绍几种常见的容错控制策略： 被动容错控制（Passive Fault-Tolerant Control）：在系统设计时就考虑到可能的故障，并预先设计好一个固定的控制器，能够在一定的故障情况下保持系统稳定。 主动容错控制（Active Fault-Tolerant Control）：当系统检测到故障发生后，能够动态地重新配置控制器，以适应故障后的系统状态。这通常涉及到故障检测、诊断和控制器重构等环节。 通过本章的学习，您将能够理解如何设计和实现更具鲁棒性、更安全的控制系统，以应对不可避免的故障和不确定性，确保关键系统的持续可靠运行。

评分☆☆☆☆☆

我最近刚拿到这本《现代控制系统》（第十二版），迫不及待地开始阅读。这本书给我的第一印象就是“厚重”，内容非常全面，几乎涵盖了现代控制理论的各个方面。我尤其对书中关于系统辨识和鲁棒控制的部分非常感兴趣。作者在介绍这些前沿概念时，并没有回避其复杂性，而是用一种非常系统化的方式进行阐述，逐步引导读者进入。我发现，这本书的优点在于它能够将复杂的理论概念分解成易于理解的模块，并且通过丰富的图示和大量的例题来辅助说明。对于我这种需要不断学习新知识的研究生来说，这本书无疑是一座宝库。虽然有些章节的数学推导确实需要花一些时间去消化，但我认为这是值得的，因为一旦理解了其中的原理，解决实际问题就会变得更加得心应手。我非常欣赏作者在叙述中对理论与实践的结合，这使得书本的学习不仅仅停留在理论层面，更能引发我对工程应用的思考。整体而言，这本书是一本非常棒的教材，它不仅传授知识，更能启发读者进行更深入的探索和研究。

评分☆☆☆☆☆

我最近一直在钻研这本《现代控制系统》（第十二版），这本书的质量真的是没得说。内容非常系统且全面，几乎把现代控制理论的方方面面都给囊括了进去。我之前接触过一些控制理论的书籍，但总觉得不够系统，或者过于侧重某一方面。这本书的优点在于它能够将各种复杂的概念有机地联系起来，形成一个完整的知识体系。作者在阐述理论的时候，逻辑非常清晰，而且善于用图示来辅助说明，这对于我这种视觉型学习者来说非常有帮助。我最喜欢的是书中关于PID控制和现代控制理论（如状态空间方法）的对比分析，这让我对不同控制方法的优缺点有了更深刻的认识。虽然有些章节的数学推导比较复杂，需要花费一些时间去理解，但我认为这是值得的。这本书不仅是知识的堆砌，更是一种思维方式的引导。我从中学习到了如何从系统层面去分析问题，如何设计出更优的控制策略。总之，这是一本非常值得推荐的书，对于想要深入了解现代控制系统的人来说，绝对是首选。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，《现代控制系统》（第十二版）对我来说是一本挑战与机遇并存的书。我一直对控制理论领域充满好奇，但又苦于找不到一本既有深度又不失系统性的入门读物。当我看到这本书时，我抱着试试看的心态开始阅读。我发现，作者的叙述风格非常严谨，逻辑性极强，这让我能够一步一步地跟随他的思路。从最基础的传递函数模型，到复杂的非线性系统分析，书中几乎涵盖了控制工程的各个核心环节。我特别喜欢书中关于根轨迹、频率响应和稳定性分析的章节，这些内容对于理解系统的动态行为至关重要。虽然有些数学公式看起来令人望而生畏，但作者总是会耐心解释其物理意义和工程含义，这极大地减轻了我的阅读压力。我正在努力地完成书中的每一个习题，希望能通过实践来巩固所学知识。这本书不仅仅是一本教材，更像是一位循循善诱的导师，引导我一步步走向控制理论的殿堂。

评分☆☆☆☆☆

这本《现代控制系统》（第十二版）我断断续续地读了快两个月了，说实话，它的份量确实不轻，内容也非常扎实。每次翻开它，我都会被那些严谨的数学推导和清晰的逻辑结构所折服。虽然我不是专门从事控制理论研究的，但作为一名在自动化领域摸爬滚打多年的工程师，我发现这本书为我解决实际问题提供了坚实的理论基础。特别是关于状态空间方法和数字控制的部分，作者的讲解深入浅出，既有理论的深度，又不乏工程应用的指导意义。我最喜欢的一点是，书中大量的例子都与实际工程紧密相连，这让我能够更好地理解抽象的理论是如何转化为可操作的技术。有时候，当我遇到一些棘手的控制问题时，回过头来翻阅这本书，总能从中找到灵感和解决方案。虽然偶尔会因为一些高深的数学概念而感到吃力，但作者在每个章节末尾都提供了习题，这给了我一个很好的复习和巩固的机会。总而言之，这是一本值得反复研读的经典之作，对于任何想要深入理解现代控制系统原理的从业者来说，都是一本不可或缺的参考书。它不仅仅是知识的传递，更是一种思维方式的培养。

评分☆☆☆☆☆

在我最近的学习过程中，这本《现代控制系统》（第十二版）成为了我不可或缺的伙伴。它的内容非常详实，涵盖了从经典控制到现代控制的各个重要方面。我个人尤其偏爱书中关于系统稳定性分析和最优控制的章节。作者的讲解方式十分巧妙，既能展现数学的严谨性，又能兼顾工程应用的实际需求。每次我遇到一些棘手的控制问题时，都会翻阅这本书，总能从中找到启发。我特别欣赏书中穿插的大量工程实例，这些实例让原本抽象的理论变得生动具体，也让我更深刻地理解了控制理论在现实世界中的应用价值。虽然有时会因为一些复杂的数学推导而感到挑战，但作者总会在关键之处提供清晰的解释，引导读者逐步攻克难关。这本书不仅仅是一本技术手册，更是一份宝贵的思想财富，它培养了我系统性的思考方式和解决问题的能力。对于任何希望在控制工程领域深耕细作的人来说，这本书都将是他们道路上的一盏明灯。