數字控製係統分析與設計（原書第4版） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[美] 查爾斯L.菲利普斯（Charles L. Phillips） 著，王萍 譯

圖書標籤:

• 控製係統
• 數字控製
• 自動控製
• 係統分析
• 係統設計
• 控製理論
• MATLAB
• Simulink
• 現代控製
• 工程技術

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111573562

版次：1

商品編碼：12145193

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 國外工業控製與智能製造叢書

開本：16開

齣版時間：2017-08-01

用紙：膠版紙

頁數：344

內容簡介

本書是數字控製課程暢銷教材之一，著重於數字和離散時間控製係統的分析與設計，特彆介紹瞭衛星天綫跟蹤指嚮控製係統、機器人控製係統和溫度控製係統等，增加瞭根軌跡的設計和傅裏葉變換的內容。全書提供400個問題和130個MATLAB程序實例，讓學生體驗和學習更多的技能。本書可作為工科自助化、計算機、電子工程數字控製相關課程的教材，也可供工程師參考。

目錄

齣版者的話
譯者序
前言
第1章　引言1
1.1　概述1
1.2　數字控製係統2
1.3　控製問題3
1.4　衛星模型4
1.5　伺服電動機係統模型5
1.6　溫度控製係統8
1.7　單機無窮大電力係統9
1.8　小結11
參考文獻11
習題11
第2章　離散時間係統及z變換16
2.1　引言16
2.2　離散時間係統16
2.3　變換法17
2.4　z變換的性質19
2.5　求z變換23
2.6　求解差分方程24
2.7　z反變換26
2.8　仿真圖和信號流圖31
2.9　狀態變量33
2.10　其他狀態變量公式39
2.11　傳遞函數45
2.12　求解狀態方程47
2.13　綫性時變係統51
2.14　小結51
參考文獻52
習題52
第3章　采樣與重構59
3.1　引言59
3.2　采樣控製係統59
3.3　理想采樣器61
3.4　對E��(s)的估計62
3.5　傅裏葉變換結果64
3.6　E��(s)的性質65
3.7　數據重構67
3.8　小結72
參考文獻72
習題73
第4章　開環離散時間係統76
4.1　引言76
4.2　E(z)與E(s)的聯係76
4.3　脈衝傳遞函數77
4.4　含數字濾波器的開環係統80
4.5　改進的z變換82
4.6　時間延遲係統84
4.7　異步采樣86
4.8　狀態變量模型88
4.9　連續時間狀態變量迴顧89
4.10　離散時間係統的狀態方程91
4.11　程序計算94
4.12　小結95
參考文獻95
習題95
第5章　閉環係統103
5.1　引言103
5.2　初步概念103
5.3　推導105
5.4　狀態變量模型109
5.5　小結115
參考文獻115
習題115
第6章　係統的時間響應特性122
6.1　引言122
6.2　係統的時間響應122
6.3　係統特徵方程127
6.4　s域到z域的映射128
6.5　穩態精度132
6.6　仿真134
6.7　控製軟件137
6.8　小結137
參考文獻137
習題137
第7章　穩定性分析143
7.1　引言143
7.2　穩定性143
7.3　雙綫性變換146
7.4　勞斯赫爾維茨準則147
7.5　硃裏穩定性測試149
7.6　根軌跡151
7.7　奈奎斯特準則154
7.8　伯德圖159
7.9　解釋頻率響應161
7.10　閉環係統的頻率響應161
7.11　小結168
參考文獻168
習題168
第8章　數字控製器設計175
8.1　引言175
8.2　控製係統特性175
8.3　補償179
8.4　相位滯後補償180
8.5　相位超前補償184
8.6　相位超前設計方法186
8.7　滯後超前補償191
8.8　積分濾波器和微分濾波器193
8.9　PID控製器194
8.10　PID控製器設計197
8.11　基於根軌跡的設計202
8.12　小結212
參考文獻212
習題212
第9章　極點配置與狀態估計219
9.1　引言219
9.2　極點配置219
9.3　狀態估計224
9.4　降維觀測器232
9.5　實時觀測器236
9.6　能控性與能觀性239
9.7　具有輸入的係統242
9.8　小結245
參考文獻245
習題246
第10章　離散時間係統的係統辨識250
10.1　引言250
10.2　靜態係統的辨識250
10.3　動態係統的辨識252
10.4　黑箱辨識253
10.5　最小二乘係統辨識257
10.6　部分零極點已知下的傳遞函數估計261
10.7　遞歸的最小二乘係統辨識法262
10.8　辨識過程中的現實因素265
10.9　小結266
參考文獻266
習題267
第11章　綫性二次最優控製270
11.1　引言270
11.2　二次代價函數271
11.3　最優準則272
11.4　綫性二次最優控製設計274
11.5　最小值原理279
11.6　最優穩態控製280
11.7　最優狀態估計——卡爾曼濾波284
11.8　最小二乘函數的最小化288
11.9　小結289
參考文獻289
習題290
第12章　案例研究295
12.1　引言295
12.2　伺服電動機係統295
12.3　人工氣候室控製係統300
12.4　飛機著陸係統303
12.5　新生兒供氧係統308
12.6　電力係統模型拓撲辨識316
參考文獻320
附錄Ⅰ　設計方程321
附錄Ⅱ　梅森增益公式322
附錄Ⅲ　對E*(s)的估計325
附錄Ⅳ　矩陣328
附錄Ⅴ　拉普拉斯變換333
附錄Ⅵ　z變換錶343

前言/序言

本書適閤作為高年級本科生或一年級研究生離散時間控製係統方麵的教材，也可作為執業控製工程師的自學讀本。
本書基於奧本大學、北卡羅來納州立大學的離散時間係統課程以及美國和歐洲的短期集中課程中的教學內容。受那些參加短期集中課程的執業工程師的影響，本書的內容和定位更側重數字控製係統設計及實現的實際問題。
第1章對全書內容梗概進行瞭簡要介紹。第2~11章講述綫性離散時間係統的分析和設計問題，這時，知曉一些連續時間係統的知識將非常有助於理解相關的內容，所涉及的數學知識是z變換和嚮量矩陣差分方程，這些內容在第2章講述；第3章的議題非常重要，講的是采樣信號、采樣器及數據保持器的數學模型，該模型是本書後續內容的基礎，其中特彆強調瞭其內涵及應用局限。
接下來，第4~7章講解如何將第2章的數學方法應用到離散時間係統（特彆是數字控製係統）的分析中。第8章介紹經典的設計方法——基於頻率響應的伯德圖法，現代設計方法安排在第9~11章。第12章就離散時間控製係統的設計問題給齣瞭幾個實際案例研究。本書各章均強調使用MATLAB軟件對相關問題的實現進行計算機輔助分析和設計。
與前幾版相比，第4版的變動內容如下：
●在全書各章追加瞭基於MATLAB的應用舉例；　　●新增一章（第11章）講述係統辨識問題；　　●對大部分章節內容增補瞭習題；　　●對章後習題進行瞭重新編號，以便於將習題與正文內容對應起來；　　●第8章增加瞭基於MATLAB pidtool工具包的設計方法；　　●第12章添加瞭兩個案例研究；　　●刪掉瞭關於數字濾波器實現方法的內容（上一版的第11～14章及附錄Ⅴ和附錄Ⅵ），以節省篇幅，並使讀者將更多的精力放到控製係統設計上。
章後習題與章內基本內容相輔相成。章內的多數例題配置瞭小段MATLAB程序，並給齣瞭計算機執行那段程序的結果，對這些程序稍做修改，就可用於對章後習題的求解。
為瞭幫助教師用好本書，我們製作瞭一套PPT及含有章後習題答案的手冊。作者認為，章後習題是本書不可或缺的部分，所有使用本書的人應該充分利用它們。索取章後習題答案及PPT材料的請求可直接發給本教材外方齣版商（service.cn@pearson.com）。
在奧本大學，基於本書第2～11章講述的控製內容開設有三門課程。其中，第2～8章用於開設一門研究生課程，占4學分係列課程中的1個學分，而北卡羅來納州立大學則將其用於一門3學時的課程；還可以將2～8章用於20學時的本科生課程，不過這時應刪減掉許多內容，如狀態變量、改進的z變換、非同步采樣、閉環同步采樣等；第3種課程所獲學分為3學分係列課程中的1/3學分，這時應先修前述的一種課程，課程中，先介紹第2章狀態變量的內容和第4章的狀態變量模型，然後詳細講授第9～11章的現代設計方法。本教材已經在北卡羅來納州立大學使用，他們用書中第2～11章的內容在近期組織瞭一門一學季3學分的課程，同時完成瞭與之配套的PPT。
最後，衷心感謝我們的許多同事、研究生、本科生，以及奧本大學電氣工程係的工作人員，他們促成瞭本書前三版的齣版。特彆感謝奧本大學電氣工程係係主任J.戴維·歐文教授這些年來的幫助和鼓勵。還要感謝在北卡羅來納州立大學電氣和計算機工程係的同事和學生們對第4版教材的支持和所做的貢獻。
奧本大學查爾斯L.菲利普斯　　北卡羅來納州立大學H.特洛伊·內格爾　　北卡羅來納州立大學阿蘭尼亞·查剋拉博蒂

《數字控製係統分析與設計（原書第4版）》圖書簡介 引言 現代工業自動化和智能化程度的飛速發展，使得數字控製係統在各個領域扮演著至關重要的角色。從精密製造到航空航天，從汽車工業到能源管理，數字控製係統無處不在，是實現高效、精準、可靠運行的關鍵技術。本書《數字控製係統分析與設計（原書第4版）》深入淺齣地闡述瞭數字控製係統的基本原理、分析方法和設計技術，為讀者構建瞭一個全麵而係統的知識體係。本書不僅適閤於控製工程、自動化、電子工程、機械工程等相關專業的研究生和高年級本科生，也為從事數字控製係統設計、開發和研究的工程師和科研人員提供瞭寶貴的參考。 核心內容概述 本書的核心在於係統性地梳理和闡述數字控製係統的完整生命周期，從理論基礎到實踐應用，涵蓋瞭從模型建立、係統分析到控製器設計、性能評估的每一個關鍵環節。 第一部分：數字控製係統的基礎理論 采樣與保持： 數字控製係統與連續時間係統的根本區彆在於其離散化過程。本書首先深入探討瞭信號的采樣理論，包括采樣定理（奈奎斯特-香農采樣定理），解釋瞭如何從連續時間信號中提取信息而不失真。同時，詳細介紹瞭保持器的作用，特彆是零階保持器，以及它對係統頻率響應的影響。這部分內容為理解數字控製係統的離散化模型打下瞭堅實的基礎。 離散時間係統錶示： 連續時間係統通常使用微分方程描述，而數字控製係統則需要用差分方程來錶示。本書詳細介紹瞭如何將連續時間係統模型（如傳遞函數）轉換為離散時間模型。重點講解瞭Z變換及其性質，這是分析和設計離散時間係統不可或缺的數學工具。讀者將學會如何使用Z變換來求解差分方程，以及如何理解離散時間係統的傳遞函數。 脈衝響應與係統穩定性： 脈衝響應是描述綫性時不變（LTI）離散時間係統動態特性的重要手段。本書闡述瞭如何通過脈衝響應來理解係統的行為。更重要的是，本書對離散時間係統的穩定性進行瞭深入的分析。介紹瞭 Jury 穩定性判據等方法，用於判斷係統在離散域的穩定性，這是設計穩定可靠控製係統的首要條件。 第二部分：數字控製係統的分析方法 時域分析： 在時域中，本書將指導讀者如何通過分析係統的階躍響應、脈衝響應等指標來評估其動態性能，例如超調量、調節時間、穩態誤差等。通過這些指標，可以直觀地瞭解係統在不同輸入下的錶現。 頻域分析： 頻域分析是理解係統在不同頻率下的響應特性的重要方法。本書將介紹如何利用Z變換後的頻率響應來分析係統的帶寬、幅頻特性和相頻特性。這些特性對於理解係統的抗乾擾能力、動態響應速度以及對不同頻率信號的濾波效果至關重要。 根軌跡法： 根軌跡法是一種強大的設計工具，它能直觀地展示係統閉環極點隨控製器增益變化而變化的軌跡。本書詳細講解瞭如何繪製根軌跡，以及如何利用根軌跡來選擇閤適的控製器增益，以滿足時域性能指標（如阻尼比、自然頻率）。 狀態空間法： 狀態空間法是現代控製理論的核心，它為分析和設計更復雜的係統提供瞭統一的框架。本書將介紹如何將離散時間係統錶示為狀態空間方程，並深入探討狀態空間法的優勢，包括處理多輸入多輸齣（MIMO）係統、分析係統的可控性和可觀測性。 第三部分：數字控製器的設計 PID控製器設計： PID（比例-積分-微分）控製器是工業界應用最廣泛的控製器類型。本書詳細講解瞭各種PID控製器的設計方法，包括經驗調參法、Ziegler-Nichols方法、以及基於模型的設計方法。讀者將學習如何根據係統特性和性能要求來調整P、I、D參數，以獲得最優的控製效果。 狀態反饋控製設計： 基於狀態空間的狀態反饋控製是一種非常有效的係統控製方法。本書將介紹如何設計狀態反饋增益矩陣，以使閉環係統的極點能夠任意配置，從而實現精確的動態響應。這部分內容也包含瞭可控性在狀態反饋設計中的作用。 觀測器設計： 在實際係統中，並非所有狀態變量都可以直接測量。觀測器（或估計器）用於根據係統的輸入和輸齣估計不可測量的狀態變量。本書將介紹狀態觀測器的原理和設計方法，特彆是最小階觀測器和Luenberger觀測器。 數字濾波器設計： 在數字控製係統中，濾波器常常被用來濾除噪聲、平滑信號，或者實現特定的信號處理功能。本書將介紹離散時間濾波器的設計，包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等，以及它們在控製係統中的應用。 先進控製技術簡介： 除瞭傳統的控製方法，本書還將對一些先進的數字控製技術進行介紹，例如模型預測控製（MPC）、自適應控製、魯棒控製等。這部分內容旨在拓展讀者的視野，瞭解數字控製理論的最新發展和應用方嚮。 第四部分：係統實現與性能評估 數字實現注意事項： 將連續時間控製器轉換為數字控製器時，需要考慮許多實現上的細節，例如離散化方法的選擇、量化誤差、計算延遲等。本書將對此進行深入的探討，為實際的係統實現提供指導。 計算機輔助設計（CAD）工具： 現代控製係統設計離不開計算機輔助設計工具。本書將介紹如何利用MATLAB/Simulink等工具來輔助數字控製係統的建模、分析和設計。通過實例演示，讀者可以更直觀地理解書中的理論和方法。 性能評估與魯棒性： 控製器的設計完成後，對其性能進行評估是必不可少的環節。本書將介紹各種性能評估的標準和方法，包括對噪聲和模型不確定性的魯棒性分析。 本書的特色與價值 係統性與完整性： 本書內容全麵，覆蓋瞭數字控製係統分析與設計的各個方麵，形成瞭一個完整的知識體係。 理論與實踐結閤： 書中不僅深入闡述瞭理論原理，還結閤瞭大量的實例和工程應用，幫助讀者將理論知識應用於實際問題。 數學嚴謹性與易讀性兼顧： 本書在保持數學嚴謹性的同時，注重語言的清晰和邏輯的流暢，使得讀者能夠更容易地理解和掌握。 原版著作的權威性： 作為一部原版著作的翻譯，本書保留瞭原著的精髓和權威性，是學習數字控製係統理論的經典之作。 讀者收獲 通過閱讀本書，讀者將能夠： 深刻理解數字控製係統的基本原理和工作方式。 掌握各種數字控製係統的分析工具和方法。 熟練運用各種控製器設計技術，解決實際控製問題。 瞭解數字控製係統的實現細節和性能評估方法。 為進一步深入研究數字控製理論打下堅實的基礎。 總結 《數字控製係統分析與設計（原書第4版）》是一本不可多得的經典教材。它以清晰的邏輯、嚴謹的理論和豐富的實踐案例，為讀者提供瞭一條通往數字控製係統領域精髓的捷徑。無論您是初學者還是有一定基礎的專業人士，本書都將是您在數字控製係統分析與設計道路上的寶貴嚮導。

評分☆☆☆☆☆

這本書在控製器設計的部分，絕對是亮點中的亮點。它沒有局限於某一種單一的設計方法，而是全麵地介紹瞭多種主流的數字控製器設計技術，並且對每種方法的適用場景和優缺點都進行瞭深入的分析。從最基礎的 PID 控製器的離散化設計，到更先進的狀態反饋控製、積分分離設計，再到模型預測控製（MPC）的初步介紹，這本書幾乎涵蓋瞭我所能想到的數字控製設計方法。尤其是在狀態反饋設計部分，作者詳細講解瞭極點配置的原理和實現方法，並結閤實際例子展示瞭如何通過調整反饋增益矩陣來達到期望的係統性能。這本書給我的最大啓發在於，控製器設計並非“一刀切”，而是需要根據具體的係統特性、性能指標以及計算資源來選擇最閤適的設計方法。它鼓勵讀者去理解每種方法的內在邏輯，而不是僅僅記住公式。

評分☆☆☆☆☆

我最看重的是這本書在實際應用和仿真方麵的深度。很多理論書籍往往停留在紙麵，難以與實際工程相結閤，但這本書在這方麵做得非常齣色。它不僅提供瞭大量的理論推導和概念解釋，更重要的是，它通過大量的仿真實例，嚮讀者展示瞭如何將理論轉化為實際可操作的設計。書中的代碼示例，雖然沒有直接提供完整的程序，但其清晰的思路和關鍵部分的僞代碼，足以讓我自行搭建仿真環境並進行驗證。特彆是關於離散化後的數字控製器在實際硬件中實現時可能遇到的問題，以及如何進行調試和優化，這些經驗性的內容對我來說是無價的。讀完之後，我感覺自己不再是隻會紙上談兵，而是真正掌握瞭將理論知識應用於實際數字控製係統設計的能力。

評分☆☆☆☆☆

我特彆欣賞這本書在係統穩定性分析方麵的內容。在數字控製領域，穩定性是設計的首要考量，而這本書將各種穩定性判據，如離散時間係統中的 Jury 判據、根軌跡法，以及狀態空間中的可控性和可觀性對穩定性的影響，都講解得極其清晰。我以前對根軌跡法的理解停留在“畫圖”的層麵，但這本書深入剖析瞭根軌跡是如何反映係統極點位置的變化，以及如何通過調整控製器參數來優化根軌跡，從而達到期望的穩定性和動態響應。更讓我驚喜的是，它還引入瞭頻域分析的方法，比如 Nyquist 判據和 Bode 圖在離散時間係統中的應用，這為我提供瞭另一種理解係統穩定性的視角。要知道，在很多實際工程應用中，頻域分析往往比時域分析更直觀，也更容易指導實際的控製器設計。書中大量的圖示和仿真結果，更是將抽象的理論具象化，讓我在閱讀過程中能夠清晰地把握每一個概念的精髓。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計就有一種厚重感，拿到手裏就知道這絕對是一本值得深入鑽研的著作。我目前正在學習數字控製理論，市麵上也看過幾本相關的教材，但總覺得不夠係統，或者說在某些細節上的講解不夠透徹。這本書的齣現，簡直像是為我打開瞭一扇新的大門。特彆是它在狀態空間法分析和設計這部分，講解得非常細緻，從最基本的概念入手，循序漸進地引導讀者理解如何用矩陣運算來描述和分析係統的動態特性。書中大量的例子，都是理論聯係實際的絕佳體現，讓我不再隻是空學理論，而是能真正看到這些理論在實際工程中是如何應用的。而且，作者在講解離散化方法時，也花瞭相當大的篇幅，對比瞭不同的離散化技術，分析它們的優缺點，這對於我在實際項目中選擇最閤適的方法至關重要。坦白說，以前在處理一些復雜係統時，總是感到力不從心，但讀瞭這本書的這一部分，我感覺自己對係統的理解上瞭一個新的颱階，更有信心去處理更具挑戰性的問題瞭。

評分☆☆☆☆☆

這本書在處理非綫性數字控製係統方麵的內容，給我留下瞭深刻的印象。雖然這本書以綫性係統分析和設計為主，但它並沒有迴避非綫性係統的存在，而是通過一些章節，為讀者打開瞭理解和處理非綫性數字控製係統的大門。它介紹瞭像描述函數法、相平麵法等經典非綫性係統分析工具在數字控製背景下的應用，以及一些初步的非綫性控製器設計思想。雖然這些內容可能比綫性係統要復雜一些，但作者依然以清晰的邏輯和翔實的例子，將這些復雜的概念講解得相對容易理解。這讓我意識到，數字控製理論的應用範圍遠不止於簡單的綫性係統，而這本書也為我進一步探索更復雜的非綫性控製領域打下瞭堅實的基礎。