现代控制工程(第五版) 9787121314537

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自动控制系统的经典教材

作者简介

Katsuhiko Ogata，1956年毕业于美国加州大学伯克利分校，获得工程学博士学位，现为美国明尼苏达大学退休教授，出版了多部自动控制理论和工程应用方面的书籍。

目录

第1章控制系统简介
1.1引言
1.1.1控制理论和实践发展史的简单回顾
1.1.2定义
1.2控制系统举例
1.2.1速度控制系统
1.2.2温度控制系统
1.2.3业务系统
1.2.4鲁棒控制系统
1.3闭环控制和开环控制
1.3.1反馈控制系统
1.3.2闭环控制系统
1.3.3开环控制系统
1.3.4闭环与开环控制系统的比较
1.4控制系统的设计和校正
1.4.1性能指标
1.4.2系统的校正
1.4.3设计步骤
1.5本书概况
第2章控制系统的数学模型
2.1引言
2.1.1数学模型
2.1.2简化性和精确性
2.1.3线性系统
2.1.4线性定常系统和线性时变系统
2.2传递函数和脉冲响应函数
2.2.1传递函数
2.2.2传递函数的说明
2.2.3卷积积分
2.2.4脉冲响应函数
2.3自动控制系统
2.3.1方框图
2.3.2闭环系统的方框图
2.3.3开环传递函数和前向传递函数
2.3.4闭环传递函数
2.3.5用MATLAB求串联、并联和反馈（闭环）传递函数
2.3.6自动控制器
2.3.7工业控制器分类
2.3.8双位或开-关控制作用
2.3.9比例控制作用
2.3.10积分控制作用
2.3.11比例-加-积分控制作用
2.3.12比例-加-微分控制作用
2.3.13比例-加-积分-加-微分控制作用
2.3.14扰动作用下的闭环系统
2.3.15画方框图的步骤
2.3.16方框图的简化
2.4状态空间模型
2.4.1现代控制理论
2.4.2现代控制理论与传统控制理论的比较
2.4.3状态
2.4.4状态变量
2.4.5状态向量
2.4.6状态空间
2.4.7状态空间方程
2.4.8传递函数与状态空间方程之间的关系
2.4.9传递矩阵
2.5纯量微分方程系统的状态空间表达式
2.5.1线性微分方程作用函数中不包含导数项的n阶系统的状态空间表达式
2.5.2线性微分方程作用函数中包含导数项的n阶系统的状态空间表达式
2.6用MATLAB进行数学模型变换
2.6.1由传递函数变换为状态空间表达式
2.6.2由状态空间表达式变换为传递函数
2.7非线性数学模型的线性化
2.7.1非线性系统
2.7.2非线性系统的线性化
2.7.3非线性数学模型的线性近似
例题和解答
习题
第3章机械系统和电系统的数学模型
3.1引言
3.2机械系统的数学模型
3.3电系统的数学模型
3.3.1LRC电路
3.3.2串联元件的传递函数
3.3.3复阻抗
3.3.4无负载效应串联元件的传递函数
3.3.5电子控制器
3.3.6运算放大器
3.3.7反相放大器
3.3.8非反相放大器
3.3.9求传递函数的阻抗法
3.3.10利用运算放大器构成的超前或滞后网络
3.3.11利用运算放大器构成的PID控制器
例题和解答
习题
第4章流体系统和热力系统的数学模型
4.1引言
4.2液位系统
4.2.1液位系统的液阻和液容
4.2.2液位系统
4.2.3相互有影响的液位系统
4.3气动系统
4.3.1气动系统和液压系统之间的比较
4.3.2气动系统
4.3.3压力系统的气阻和气容
4.3.4压力系统
4.3.5气动喷嘴-挡板放大器
4.3.6气动接续器
4.3.7气动比例控制器（力-距离型）
4.3.8气动比例控制器（力-平衡型）
4.3.9气动执行阀
4.3.10获得微分控制作用的基本原理
4.3.11获得气动比例-加-积分控制作用的方法
4.3.12获得气动比例-加-积分-加-微分控制作用的方法
4.4液压系统
4.4.1液压系统
4.4.2液压系统的优缺点
4.4.3说明
4.4.4液压伺服系统
4.4.5液压积分控制器
4.4.6液压比例控制器
4.4.7缓冲器
4.4.8获得液压比例-加-积分控制作用的方法
4.4.9获得液压比例-加-微分控制作用的方法
4.4.10获取液压比例-加-积分-加-微分控制作用的方法
4.5热力系统
4.5.1热阻和热容
4.5.2热力系统
例题和解答
习题
第5章瞬态响应和稳态响应分析
5.1引言
5.1.1典型试验信号
5.1.2瞬态响应和稳态响应
5.1.3绝对稳定性、相对稳定性和稳态误差
5.2一阶系统
5.2.1一阶系统的单位阶跃响应
5.2.2一阶系统的单位斜坡响应
5.2.3一阶系统的单位脉冲响应
5.2.4线性定常系统的重要特性
5.3二阶系统
5.3.1伺服系统
5.3.2二阶系统的阶跃响应
5.3.3瞬态响应指标的定义
5.3.4关于瞬态响应指标的几点说明
5.3.5二阶系统及其瞬态响应指标
5.3.6带速度反馈的伺服系统
5.3.7二阶系统的脉冲响应
5.4高阶系统
5.4.1高阶系统的瞬态响应
5.4.2闭环主导极点
5.4.3复平面上的稳定性分析
5.5用MATLAB进行瞬态响应分析
5.5.1引言
5.5.2线性系统的MATLAB表示
5.5.3在图形屏幕上书写文本
5.5.4标准二阶系统的MATLAB描述
5.5.5求传递函数系统的单位阶跃响应
5.5.6用MATLAB绘制单位阶跃响应曲线的三维图
5.5.7用MATLAB求上升时间、峰值时间、最大过调量和调整时间
5.5.8脉冲响应
5.5.9求脉冲响应的另一种方法
5.5.10斜坡响应
5.5.11在状态空间中定义的系统的单位斜坡响应
5.5.12求对任意输入信号的响应
5.5.13对初始条件的响应
5.5.14对初始条件的响应（状态空间法，情况1）
5.5.15对初始条件的响应（状态空间法，情况2）
5.5.16利用命令Initial求对初始条件的响应
5.6劳斯稳定判据
5.6.1劳斯稳定判据简介
5.6.2特殊情况
5.6.3相对稳定性分析
5.6.4劳斯稳定判据在控制系统分析中的应用
5.7积分和微分控制作用对系统性能的影响
5.7.1积分控制作用
5.7.2系统的比例控制
5.7.3系统的积分控制
5.7.4对转矩扰动的响应（比例控制）
5.7.5对转矩扰动的响应（比例-加-积分控制）
5.7.6微分控制作用
5.7.7带惯性负载系统的比例控制
5.7.8带惯性负载系统的比例-加-微分控制
5.7.9二阶系统的比例-加-微分控制
5.8单位反馈控制系统中的稳态误差
5.8.1控制系统的分类
5.8.2稳态误差
5.8.3静态位置误差常数Kp
5.8.4静态速度误差常数Kv
5.8.5静态加速度误差常数Ka
5.8.6小结
例题和解答
习题
第6章利用根轨迹法进行控制系统的分析和设计
6.1引言
6.2根轨迹图
6.2.1辐角和幅值条件
6.2.2示例
6.2.3根轨迹绘图的一般规则
6.2.4关于根轨迹图的说明
6.2.5G（s）的极点与H（s）的零点的抵消
6.2.6典型的零-极点分布及其相应的根轨迹
6.2.7小结
6.3用MATLAB绘制根轨迹图
6.3.1用MATLAB绘制根轨迹图
6.3.2定常ζ轨迹和定常ωn轨迹
6.3.3在根轨迹图上绘制极网格
6.3.4条件稳定系统
6.3.5非最小相位系统
6.3.6根轨迹与定常增益轨迹的正交性
6.3.7求根轨迹上任意点的增益K值
6.4正反馈系统的根轨迹图
6.5控制系统设计的根轨迹法
6.5.1初步设计考虑
6.5.2用根轨迹法进行设计
6．5．3串联校正和并联（或反馈）校正
6．5．4常用校正装置
6.5.5增加极点的影响
6.5.6增加零点的影响
6.6超前校正
6.6.1超前校正装置和滞后校正装置
6.6.2基于根轨迹法的超前校正方法
6.6.3已校正与未校正系统阶跃响应和斜坡响应的比较
6.7滞后校正
6.7.1采用运算放大器的电子滞后校正装置
6.7.2基于根轨迹法的滞后校正方法
6.7.3用根轨迹法进行滞后校正设计的步骤
6.8滞后-超前校正
6．8．1利用运算放大器构成的电子滞后-超前校正装置
6.8.2基于根轨迹法的滞后-超前校正方法
6.9并联校正
6.9.1并联校正系统设计的基本原理
6.9.2速度反馈系统
例题和解答
习题
第7章用频率响应法分析和设计控制系统
7.1引言
7.1.1求系统对正弦输入信号的稳态输出
7.1.2用图形表示频率响应特性
7.2伯德图
7.2.1伯德图或对数坐标图
7.2.2G（jω）H（jω）的基本因子
7.2.3增益K
7.2.4积分和微分因子（jω）1
7.2.5一阶因子（1+jωT）1
7.2.6二阶因子［1+2 ζ（jω/ωn）+（jω/ωn）2］1
7.2.7谐振频率ωr和谐振峰值Mr
7.2.8绘制伯德图的一般步骤
7.2.9最小相位系统和非最小相位系统
7.2.10传递延迟
7.2.11系统类型与对数幅值曲线之间的关系
7.2.12静态位置误差常数的确定
7.2.13静态速度

序言

译者序

Modern Control Engineering是美国明尼苏达大学Ogata教授撰写的一部控制系统的国际通用教材。它可以作为大学工科高年级本科生或研究生用的控制系统教材。该书第一版曾于1976年在我国由译者翻译成中文，并由科学出版社出版发行。该书首次成功地将20世纪40~50年代发展起来的经典控制理论，与20世纪60~70年代发展起来的现代控制理论融为一体，形成了一部新型的控制系统教材。由于其内容新颖、丰富，物理概念阐述得比较清楚，联系实际广泛、密切，并配有大量的例题和习题，所以受到了读者的欢迎。随后，译者又先后对该书第二版至第四版进行了翻译。该书第二版的特点是增加了极点配置、状态观测器和控制系统的计算机仿真研究内容，并且于1993年由中国台湾地区儒林图书有限公司出版发行繁体中文版。第三版和第四版分别于2000年和2003年由电子工业出版社出版发行。第三版的特点是融入了MATLAB应用的内容。第四版的特点是删去了李雅普诺夫稳定性分析，增加了二自由度控制的内容，并且扩展了MATLAB的应用范围。
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。
译者在翻译过程中，保留了原书的部分书写规则，对书中的重要定理和公式进行了推导和验证，修正了发现的错误和疏漏之处。
本书第1章至第8章及附录部分由北京航空航天大学卢伯英教授翻译，第9章和第10章由西北工业大学佟明安教授翻译，卢伯英教授对全书进行了统一审校。
本书在翻译过程中得到了罗维铭、肖顺达、章再贻、张英娟、李雅萍等教授的支持和帮助，译者在此向他们表示衷心感谢。
由于译者水平有限，难免有错误与不当之处，敬请读者批评指正。

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。
KatsuhikoOgata