说说《自动控制原理》《现代控制工程》和《现代控制系统》

该书第五版于2010年初问世，译者受电子工业出版社之约，为能有机会将该书新版译成中文而感到荣幸。与第四版相比，第五版在内容上进行了较大的修订。首先，删减了一些人们比较熟悉的内容，如信号流图和拉普拉斯变换等，并且将原书的12章精简到了10章，突出了控制系统中的特色内容；其次，进一步充实和完善了MATLAB应用方面的内容；第三，增加了20世纪末发展起来的所谓“后现代控制理论”的内容，作为代表，初步介绍了鲁棒控制理论及H无穷大控制概念；最后，应当指出，第五版继承了前版本的原有特点。

Modern Control Engineering于20世纪70年代初问世，至今已历经40年。由于作者对该书的不断修订和更新，该书在国际上一直受到好评。该书已被翻译成中、法、俄、日、西班牙等多种文字出版。并且，据作者统计，早在20世纪末，世界上已有100多所大学将该书选为控制系统教材，是一本名副其实的国际通用教材。该书1976年在我国翻译出版以来，多年来一直受到众多读者的欢迎。为了满足市场需求，到2007年为止，该书第一版至第四版的累计印刷次数已达15次之多。

前言

本书介绍了控制系统分析和设计中的一些重要概念。读者将会发现，这是一本清晰易懂，适用于高等院校控制系统课程的教科书。它是为学习电气、机械、航空航天或化学工程的大学高年级学生编写的。读者在学习本书之前，应具备下列预备知识：微分方程方面的基础课程，拉普拉斯变换，向量矩阵分析，电路分析，力学和热力学基础。

在这一版中，本书进行了下列主要修订：

● 增加了利用MATLAB求控制系统对各种输入量响应的内容。

● 证明了利用MATLAB实现计算最佳化方法的有效性。

● 全书增加了一些新的例题。

● 删去了前一版中较次要的材料，以便为更重要的主题提供必要的空间。书中删去了信号流图，也删去了拉普拉斯变换一章，但新增了拉普拉斯变换表及利用MATLAB的部分分式展开（分别见附录A和附录B）。

● 在附录C中，提供了对向量矩阵分析的简短概括。这将有助于读者求解n×n矩阵的逆矩阵，而这种求解有可能包含在控制系统的分析和设计中。

本书的这一版编排成10章。其内容可以概括如下。第1章是对控制系统的简介。第2章涉及控制系统的数学模型，并且介绍了非线性数学模型的线性化方法。第3章导出了机械系统和电系统的数学模型。第4章讨论流体系统（诸如液位系统、气动系统和液压系统）和热力系统的数学模型。

第5章处理控制系统的瞬态响应和稳态分析，广泛采用MATLAB获取瞬态响应曲线。为了进行控制系统的稳定性分析，本章介绍了劳斯稳定判据和赫尔维茨稳定判据。

第6章讨论了控制系统的根轨迹分析和设计，包括正反馈系统和条件稳定系统。关于用MATLAB绘制根轨迹，在本章中进行了详细讨论。本章还包括了利用根轨迹法设计超前、滞后和滞后-超前校正装置。

第7章讨论控制系统的频率响应分析和设计，并且以容易理解的方式，介绍了奈奎斯特稳定判据。用来进行超前、滞后和滞后-超前校正装置设计的伯德图法，也在本章中进行了介绍。

第8章涉及基本的和变形的PID控制器。 本章详细地讨论了为获得PID控制器的最佳参数值，特别是为满足阶跃响应特性的要求而采用的计算方法。

第9章介绍控制系统的状态空间分析。本章详细地讨论了可控性和可观测性概念。

第10章涉及控制系统的状态空间设计。讨论包括极点配置、状态观测器和二次型最佳控制。本章最后对鲁棒控制系统进行了初步讨论。

本书的编排有助于学生逐步地理解控制理论。在知识的介绍过程中，精心地避开了高深的数学论证。书中也提供了一些命题的证明，这些证明过程有助于深入理解书中介绍的主要内容。

从战略角度出发，本书在提供例题方面做出了特别努力，从而使读者能够更清楚地理解书中讨论的主题。此外，除第1章以外，每一章后面都提供了一些有解答的习题（A类题），建议读者认真地学习所有这些带有解答的习题，这将有助于读者深入地理解所讨论的课题。另外，除第1章以外，在每一章的后面还提供了许多待解的习题，这些待解的习题（B类题）可以作为课后作业或者测验题。

如果本书作为一学期的课程教材（共计约56学时），则书中的大部分内容都可以讲授，只需根据情况略去部分内容。由于书中包括大量例题和带解答的习题（A类题），它可以回答读者可能产生的许多问题，所以对于希望学习控制理论基础知识的实际工程人员，本书也可以作为自学教材。

我衷心感谢本书这一版的评阅人，美国康奈尔大学的Mark Campbell，亚利桑那大学的Henry Sodano和艾奥瓦大学的Atul G. Kelkar。最后，我要对副编辑Alice Dworkin女士、高级总编辑Scott Disanno先生及所有参与这项出版计划的人们，表示诚挚的谢意，感谢他们为本书迅速和高质量的出版所做的工作。

Katsuhiko Ogata

现代控制系统（第十三版）（英文版）

前 言

关于本书

诸如气候变化、清洁水资源、可持续发展、废物管理、减少排放和初始材料消耗，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。这样的一个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。

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，智能电网要通过其他来源供电上网。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。

控制工程的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程类专业的核心课程。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，所以可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，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，因而与创新意愿无缘，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掘反馈控制系统理论及其应用实践的过程。如果能够对此目的有所裨益，那就意味着本书取得了成功。

关于读者

本书是为工程类学科的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类学科无所偏倚 。所以，本书可望能够同样适用于所有工程类学科，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。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十二版作为工程类学科的高年级本科生教材。缺少控制工程基础的工程类学科的研究生，也常常选用它作为教材。

关于本书的第十三版

在第十三版中，我们新创建了交互式电子教材，以便读者增加学习体验，充分利用“现代控制系统”丰富的数字资源。这些资源包括嵌入式视频、动态图表、在线技能测验和其他教学资源的链接。交互式电子教材提供了强大的互动交互功能，对于纸版教材而言，这种功能即使不是不可能的，至少也是非常困难的。

我们还为使用本书第十三版的学生和教师们提供了一个配套网站（ http://www.pearsonglobaleditions.com/dorf）。网站内容包括书中用到的所有m脚本程序（即MATLAB程序脚本）、拉普拉斯变换表、z变换表，以及关于矩阵代数、复数、符号、计量单位、变换因子和LabVIEW MathScript RT Module介绍等方面的材料。本书正文涉及网站中的材料时，将在页边用一个图标来加以提示（见段首图标）。

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这样一个实际工程问题，我们设计了“循序渐进设计示例”。书中每章都将利用该章介绍的概念和方法，逐步对此示例进行研讨。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示例。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；后续各章则利用该章介绍的知识要点，继续从不同方面研究磁盘驱动器的控制问题。

基于和“循序渐进设计示例”同样的思路，我们还编拟了一种称为“连续性设计题”的习题，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，完成满足给定的性能指标要求的控制系统设计。

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“循序渐进设计示例”中不同问题的解决方案，也给出了相应的m脚本程序。

本书每章后面都包含了一个名为“技能自测”的小节。每个“技能自测”小节包括正误判断、多项选择和术语匹配三类题目，以便于学生自行检查对本章内容的掌握情况。每章最后还给出了相应的答案，以便学生及时反馈学习效果。

学习方法

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方面，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得到验证并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：拉普拉斯变换和传递函数；根轨迹设计法；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法；还包括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Ackermann公式， 以及利用该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。针对状态信息无法完整测量的情况， 本书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，如鲁棒控制和数字计算机控制等新主题，并专门用一章的篇幅，以实际工业用超前校正网和滞后校正网为中心，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。

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以下5类：

基础练习题（以E开头）

一般习题（以P开头）

难题（以AP开头）

设计题（以DP开头）

计算机辅助设计题（以CP开头）