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[美] 查尔斯L.菲利普斯（Charles L. Phillips） 著，王萍 译

图书标签:

• 控制系统
• 数字控制
• 自动控制
• 系统分析
• 系统设计
• 控制理论
• MATLAB
• Simulink
• 现代控制
• 工程技术

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111573562

版次：1

商品编码：12145193

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 国外工业控制与智能制造丛书

开本：16开

出版时间：2017-08-01

用纸：胶版纸

页数：344

内容简介

本书是数字控制课程畅销教材之一，着重于数字和离散时间控制系统的分析与设计，特别介绍了卫星天线跟踪指向控制系统、机器人控制系统和温度控制系统等，增加了根轨迹的设计和傅里叶变换的内容。全书提供400个问题和130个MATLAB程序实例，让学生体验和学习更多的技能。本书可作为工科自助化、计算机、电子工程数字控制相关课程的教材，也可供工程师参考。

目录

出版者的话
译者序
前言
第1章　引言1
1.1　概述1
1.2　数字控制系统2
1.3　控制问题3
1.4　卫星模型4
1.5　伺服电动机系统模型5
1.6　温度控制系统8
1.7　单机无穷大电力系统9
1.8　小结11
参考文献11
习题11
第2章　离散时间系统及z变换16
2.1　引言16
2.2　离散时间系统16
2.3　变换法17
2.4　z变换的性质19
2.5　求z变换23
2.6　求解差分方程24
2.7　z反变换26
2.8　仿真图和信号流图31
2.9　状态变量33
2.10　其他状态变量公式39
2.11　传递函数45
2.12　求解状态方程47
2.13　线性时变系统51
2.14　小结51
参考文献52
习题52
第3章　采样与重构59
3.1　引言59
3.2　采样控制系统59
3.3　理想采样器61
3.4　对E��(s)的估计62
3.5　傅里叶变换结果64
3.6　E��(s)的性质65
3.7　数据重构67
3.8　小结72
参考文献72
习题73
第4章　开环离散时间系统76
4.1　引言76
4.2　E(z)与E(s)的联系76
4.3　脉冲传递函数77
4.4　含数字滤波器的开环系统80
4.5　改进的z变换82
4.6　时间延迟系统84
4.7　异步采样86
4.8　状态变量模型88
4.9　连续时间状态变量回顾89
4.10　离散时间系统的状态方程91
4.11　程序计算94
4.12　小结95
参考文献95
习题95
第5章　闭环系统103
5.1　引言103
5.2　初步概念103
5.3　推导105
5.4　状态变量模型109
5.5　小结115
参考文献115
习题115
第6章　系统的时间响应特性122
6.1　引言122
6.2　系统的时间响应122
6.3　系统特征方程127
6.4　s域到z域的映射128
6.5　稳态精度132
6.6　仿真134
6.7　控制软件137
6.8　小结137
参考文献137
习题137
第7章　稳定性分析143
7.1　引言143
7.2　稳定性143
7.3　双线性变换146
7.4　劳斯赫尔维茨准则147
7.5　朱里稳定性测试149
7.6　根轨迹151
7.7　奈奎斯特准则154
7.8　伯德图159
7.9　解释频率响应161
7.10　闭环系统的频率响应161
7.11　小结168
参考文献168
习题168
第8章　数字控制器设计175
8.1　引言175
8.2　控制系统特性175
8.3　补偿179
8.4　相位滞后补偿180
8.5　相位超前补偿184
8.6　相位超前设计方法186
8.7　滞后超前补偿191
8.8　积分滤波器和微分滤波器193
8.9　PID控制器194
8.10　PID控制器设计197
8.11　基于根轨迹的设计202
8.12　小结212
参考文献212
习题212
第9章　极点配置与状态估计219
9.1　引言219
9.2　极点配置219
9.3　状态估计224
9.4　降维观测器232
9.5　实时观测器236
9.6　能控性与能观性239
9.7　具有输入的系统242
9.8　小结245
参考文献245
习题246
第10章　离散时间系统的系统辨识250
10.1　引言250
10.2　静态系统的辨识250
10.3　动态系统的辨识252
10.4　黑箱辨识253
10.5　最小二乘系统辨识257
10.6　部分零极点已知下的传递函数估计261
10.7　递归的最小二乘系统辨识法262
10.8　辨识过程中的现实因素265
10.9　小结266
参考文献266
习题267
第11章　线性二次最优控制270
11.1　引言270
11.2　二次代价函数271
11.3　最优准则272
11.4　线性二次最优控制设计274
11.5　最小值原理279
11.6　最优稳态控制280
11.7　最优状态估计——卡尔曼滤波284
11.8　最小二乘函数的最小化288
11.9　小结289
参考文献289
习题290
第12章　案例研究295
12.1　引言295
12.2　伺服电动机系统295
12.3　人工气候室控制系统300
12.4　飞机着陆系统303
12.5　新生儿供氧系统308
12.6　电力系统模型拓扑辨识316
参考文献320
附录Ⅰ　设计方程321
附录Ⅱ　梅森增益公式322
附录Ⅲ　对E*(s)的估计325
附录Ⅳ　矩阵328
附录Ⅴ　拉普拉斯变换333
附录Ⅵ　z变换表343

前言/序言

本书适合作为高年级本科生或一年级研究生离散时间控制系统方面的教材，也可作为执业控制工程师的自学读本。
本书基于奥本大学、北卡罗来纳州立大学的离散时间系统课程以及美国和欧洲的短期集中课程中的教学内容。受那些参加短期集中课程的执业工程师的影响，本书的内容和定位更侧重数字控制系统设计及实现的实际问题。
第1章对全书内容梗概进行了简要介绍。第2~11章讲述线性离散时间系统的分析和设计问题，这时，知晓一些连续时间系统的知识将非常有助于理解相关的内容，所涉及的数学知识是z变换和向量矩阵差分方程，这些内容在第2章讲述；第3章的议题非常重要，讲的是采样信号、采样器及数据保持器的数学模型，该模型是本书后续内容的基础，其中特别强调了其内涵及应用局限。
接下来，第4~7章讲解如何将第2章的数学方法应用到离散时间系统（特别是数字控制系统）的分析中。第8章介绍经典的设计方法——基于频率响应的伯德图法，现代设计方法安排在第9~11章。第12章就离散时间控制系统的设计问题给出了几个实际案例研究。本书各章均强调使用MATLAB软件对相关问题的实现进行计算机辅助分析和设计。
与前几版相比，第4版的变动内容如下：
●在全书各章追加了基于MATLAB的应用举例；　　●新增一章（第11章）讲述系统辨识问题；　　●对大部分章节内容增补了习题；　　●对章后习题进行了重新编号，以便于将习题与正文内容对应起来；　　●第8章增加了基于MATLAB pidtool工具包的设计方法；　　●第12章添加了两个案例研究；　　●删掉了关于数字滤波器实现方法的内容（上一版的第11～14章及附录Ⅴ和附录Ⅵ），以节省篇幅，并使读者将更多的精力放到控制系统设计上。
章后习题与章内基本内容相辅相成。章内的多数例题配置了小段MATLAB程序，并给出了计算机执行那段程序的结果，对这些程序稍做修改，就可用于对章后习题的求解。
为了帮助教师用好本书，我们制作了一套PPT及含有章后习题答案的手册。作者认为，章后习题是本书不可或缺的部分，所有使用本书的人应该充分利用它们。索取章后习题答案及PPT材料的请求可直接发给本教材外方出版商（service.cn@pearson.com）。
在奥本大学，基于本书第2～11章讲述的控制内容开设有三门课程。其中，第2～8章用于开设一门研究生课程，占4学分系列课程中的1个学分，而北卡罗来纳州立大学则将其用于一门3学时的课程；还可以将2～8章用于20学时的本科生课程，不过这时应删减掉许多内容，如状态变量、改进的z变换、非同步采样、闭环同步采样等；第3种课程所获学分为3学分系列课程中的1/3学分，这时应先修前述的一种课程，课程中，先介绍第2章状态变量的内容和第4章的状态变量模型，然后详细讲授第9～11章的现代设计方法。本教材已经在北卡罗来纳州立大学使用，他们用书中第2～11章的内容在近期组织了一门一学季3学分的课程，同时完成了与之配套的PPT。
最后，衷心感谢我们的许多同事、研究生、本科生，以及奥本大学电气工程系的工作人员，他们促成了本书前三版的出版。特别感谢奥本大学电气工程系系主任J.戴维·欧文教授这些年来的帮助和鼓励。还要感谢在北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程系的同事和学生们对第4版教材的支持和所做的贡献。
奥本大学查尔斯L.菲利普斯　　北卡罗来纳州立大学H.特洛伊·内格尔　　北卡罗来纳州立大学阿兰尼亚·查克拉博蒂

《数字控制系统分析与设计（原书第4版）》图书简介 引言 现代工业自动化和智能化程度的飞速发展，使得数字控制系统在各个领域扮演着至关重要的角色。从精密制造到航空航天，从汽车工业到能源管理，数字控制系统无处不在，是实现高效、精准、可靠运行的关键技术。本书《数字控制系统分析与设计（原书第4版）》深入浅出地阐述了数字控制系统的基本原理、分析方法和设计技术，为读者构建了一个全面而系统的知识体系。本书不仅适合于控制工程、自动化、电子工程、机械工程等相关专业的研究生和高年级本科生，也为从事数字控制系统设计、开发和研究的工程师和科研人员提供了宝贵的参考。 核心内容概述 本书的核心在于系统性地梳理和阐述数字控制系统的完整生命周期，从理论基础到实践应用，涵盖了从模型建立、系统分析到控制器设计、性能评估的每一个关键环节。 第一部分：数字控制系统的基础理论 采样与保持： 数字控制系统与连续时间系统的根本区别在于其离散化过程。本书首先深入探讨了信号的采样理论，包括采样定理（奈奎斯特-香农采样定理），解释了如何从连续时间信号中提取信息而不失真。同时，详细介绍了保持器的作用，特别是零阶保持器，以及它对系统频率响应的影响。这部分内容为理解数字控制系统的离散化模型打下了坚实的基础。 离散时间系统表示： 连续时间系统通常使用微分方程描述，而数字控制系统则需要用差分方程来表示。本书详细介绍了如何将连续时间系统模型（如传递函数）转换为离散时间模型。重点讲解了Z变换及其性质，这是分析和设计离散时间系统不可或缺的数学工具。读者将学会如何使用Z变换来求解差分方程，以及如何理解离散时间系统的传递函数。 脉冲响应与系统稳定性： 脉冲响应是描述线性时不变（LTI）离散时间系统动态特性的重要手段。本书阐述了如何通过脉冲响应来理解系统的行为。更重要的是，本书对离散时间系统的稳定性进行了深入的分析。介绍了 Jury 稳定性判据等方法，用于判断系统在离散域的稳定性，这是设计稳定可靠控制系统的首要条件。 第二部分：数字控制系统的分析方法 时域分析： 在时域中，本书将指导读者如何通过分析系统的阶跃响应、脉冲响应等指标来评估其动态性能，例如超调量、调节时间、稳态误差等。通过这些指标，可以直观地了解系统在不同输入下的表现。 频域分析： 频域分析是理解系统在不同频率下的响应特性的重要方法。本书将介绍如何利用Z变换后的频率响应来分析系统的带宽、幅频特性和相频特性。这些特性对于理解系统的抗干扰能力、动态响应速度以及对不同频率信号的滤波效果至关重要。 根轨迹法： 根轨迹法是一种强大的设计工具，它能直观地展示系统闭环极点随控制器增益变化而变化的轨迹。本书详细讲解了如何绘制根轨迹，以及如何利用根轨迹来选择合适的控制器增益，以满足时域性能指标（如阻尼比、自然频率）。 状态空间法： 状态空间法是现代控制理论的核心，它为分析和设计更复杂的系统提供了统一的框架。本书将介绍如何将离散时间系统表示为状态空间方程，并深入探讨状态空间法的优势，包括处理多输入多输出（MIMO）系统、分析系统的可控性和可观测性。 第三部分：数字控制器的设计 PID控制器设计： PID（比例-积分-微分）控制器是工业界应用最广泛的控制器类型。本书详细讲解了各种PID控制器的设计方法，包括经验调参法、Ziegler-Nichols方法、以及基于模型的设计方法。读者将学习如何根据系统特性和性能要求来调整P、I、D参数，以获得最优的控制效果。 状态反馈控制设计： 基于状态空间的状态反馈控制是一种非常有效的系统控制方法。本书将介绍如何设计状态反馈增益矩阵，以使闭环系统的极点能够任意配置，从而实现精确的动态响应。这部分内容也包含了可控性在状态反馈设计中的作用。 观测器设计： 在实际系统中，并非所有状态变量都可以直接测量。观测器（或估计器）用于根据系统的输入和输出估计不可测量的状态变量。本书将介绍状态观测器的原理和设计方法，特别是最小阶观测器和Luenberger观测器。 数字滤波器设计： 在数字控制系统中，滤波器常常被用来滤除噪声、平滑信号，或者实现特定的信号处理功能。本书将介绍离散时间滤波器的设计，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等，以及它们在控制系统中的应用。 先进控制技术简介： 除了传统的控制方法，本书还将对一些先进的数字控制技术进行介绍，例如模型预测控制（MPC）、自适应控制、鲁棒控制等。这部分内容旨在拓展读者的视野，了解数字控制理论的最新发展和应用方向。 第四部分：系统实现与性能评估 数字实现注意事项： 将连续时间控制器转换为数字控制器时，需要考虑许多实现上的细节，例如离散化方法的选择、量化误差、计算延迟等。本书将对此进行深入的探讨，为实际的系统实现提供指导。 计算机辅助设计（CAD）工具： 现代控制系统设计离不开计算机辅助设计工具。本书将介绍如何利用MATLAB/Simulink等工具来辅助数字控制系统的建模、分析和设计。通过实例演示，读者可以更直观地理解书中的理论和方法。 性能评估与鲁棒性： 控制器的设计完成后，对其性能进行评估是必不可少的环节。本书将介绍各种性能评估的标准和方法，包括对噪声和模型不确定性的鲁棒性分析。 本书的特色与价值 系统性与完整性： 本书内容全面，覆盖了数字控制系统分析与设计的各个方面，形成了一个完整的知识体系。 理论与实践结合： 书中不仅深入阐述了理论原理，还结合了大量的实例和工程应用，帮助读者将理论知识应用于实际问题。 数学严谨性与易读性兼顾： 本书在保持数学严谨性的同时，注重语言的清晰和逻辑的流畅，使得读者能够更容易地理解和掌握。 原版著作的权威性： 作为一部原版著作的翻译，本书保留了原著的精髓和权威性，是学习数字控制系统理论的经典之作。 读者收获 通过阅读本书，读者将能够： 深刻理解数字控制系统的基本原理和工作方式。 掌握各种数字控制系统的分析工具和方法。 熟练运用各种控制器设计技术，解决实际控制问题。 了解数字控制系统的实现细节和性能评估方法。 为进一步深入研究数字控制理论打下坚实的基础。 总结 《数字控制系统分析与设计（原书第4版）》是一本不可多得的经典教材。它以清晰的逻辑、严谨的理论和丰富的实践案例，为读者提供了一条通往数字控制系统领域精髓的捷径。无论您是初学者还是有一定基础的专业人士，本书都将是您在数字控制系统分析与设计道路上的宝贵向导。

评分☆☆☆☆☆

我特别欣赏这本书在系统稳定性分析方面的内容。在数字控制领域，稳定性是设计的首要考量，而这本书将各种稳定性判据，如离散时间系统中的 Jury 判据、根轨迹法，以及状态空间中的可控性和可观性对稳定性的影响，都讲解得极其清晰。我以前对根轨迹法的理解停留在“画图”的层面，但这本书深入剖析了根轨迹是如何反映系统极点位置的变化，以及如何通过调整控制器参数来优化根轨迹，从而达到期望的稳定性和动态响应。更让我惊喜的是，它还引入了频域分析的方法，比如 Nyquist 判据和 Bode 图在离散时间系统中的应用，这为我提供了另一种理解系统稳定性的视角。要知道，在很多实际工程应用中，频域分析往往比时域分析更直观，也更容易指导实际的控制器设计。书中大量的图示和仿真结果，更是将抽象的理论具象化，让我在阅读过程中能够清晰地把握每一个概念的精髓。

评分☆☆☆☆☆

这本书在控制器设计的部分，绝对是亮点中的亮点。它没有局限于某一种单一的设计方法，而是全面地介绍了多种主流的数字控制器设计技术，并且对每种方法的适用场景和优缺点都进行了深入的分析。从最基础的 PID 控制器的离散化设计，到更先进的状态反馈控制、积分分离设计，再到模型预测控制（MPC）的初步介绍，这本书几乎涵盖了我所能想到的数字控制设计方法。尤其是在状态反馈设计部分，作者详细讲解了极点配置的原理和实现方法，并结合实际例子展示了如何通过调整反馈增益矩阵来达到期望的系统性能。这本书给我的最大启发在于，控制器设计并非“一刀切”，而是需要根据具体的系统特性、性能指标以及计算资源来选择最合适的设计方法。它鼓励读者去理解每种方法的内在逻辑，而不是仅仅记住公式。

评分☆☆☆☆☆

这本书在处理非线性数字控制系统方面的内容，给我留下了深刻的印象。虽然这本书以线性系统分析和设计为主，但它并没有回避非线性系统的存在，而是通过一些章节，为读者打开了理解和处理非线性数字控制系统的大门。它介绍了像描述函数法、相平面法等经典非线性系统分析工具在数字控制背景下的应用，以及一些初步的非线性控制器设计思想。虽然这些内容可能比线性系统要复杂一些，但作者依然以清晰的逻辑和翔实的例子，将这些复杂的概念讲解得相对容易理解。这让我意识到，数字控制理论的应用范围远不止于简单的线性系统，而这本书也为我进一步探索更复杂的非线性控制领域打下了坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就有一种厚重感，拿到手里就知道这绝对是一本值得深入钻研的著作。我目前正在学习数字控制理论，市面上也看过几本相关的教材，但总觉得不够系统，或者说在某些细节上的讲解不够透彻。这本书的出现，简直像是为我打开了一扇新的大门。特别是它在状态空间法分析和设计这部分，讲解得非常细致，从最基本的概念入手，循序渐进地引导读者理解如何用矩阵运算来描述和分析系统的动态特性。书中大量的例子，都是理论联系实际的绝佳体现，让我不再只是空学理论，而是能真正看到这些理论在实际工程中是如何应用的。而且，作者在讲解离散化方法时，也花了相当大的篇幅，对比了不同的离散化技术，分析它们的优缺点，这对于我在实际项目中选择最合适的方法至关重要。坦白说，以前在处理一些复杂系统时，总是感到力不从心，但读了这本书的这一部分，我感觉自己对系统的理解上了一个新的台阶，更有信心去处理更具挑战性的问题了。

评分☆☆☆☆☆

我最看重的是这本书在实际应用和仿真方面的深度。很多理论书籍往往停留在纸面，难以与实际工程相结合，但这本书在这方面做得非常出色。它不仅提供了大量的理论推导和概念解释，更重要的是，它通过大量的仿真实例，向读者展示了如何将理论转化为实际可操作的设计。书中的代码示例，虽然没有直接提供完整的程序，但其清晰的思路和关键部分的伪代码，足以让我自行搭建仿真环境并进行验证。特别是关于离散化后的数字控制器在实际硬件中实现时可能遇到的问题，以及如何进行调试和优化，这些经验性的内容对我来说是无价的。读完之后，我感觉自己不再是只会纸上谈兵，而是真正掌握了将理论知识应用于实际数字控制系统设计的能力。