自动控制系统（原书第10版） PDF下载

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内容简介

本书一直被美国及全世界的上百所大学采用。全书内容更加条理化，并且引入了更多的计算机辅助工具。该书把控制理论、实际例子与计算机工具有机地结合在一起，用易于接受的方式，全面而又恰当地介绍了控制的内容。第10版提供了控制实验室的概念，它包括两类实验：SIMLab（模型模拟）和LEGOLab（物理实验中使用的乐高?机器人）。它使读者能用简单的方式处理控制系统的建模、分析、设计与模拟。

作者简介

法里德·高那菲（Farid Golnaraghi），康奈尔大学获得理论和应用力学博士，专攻非线性动力学和控制系统。现为加拿大西蒙弗雷泽大学（SFU）教授和机电系统工程项目主任。在加入西蒙弗雷泽大学之前，他是滑铁卢大学机械工程和机电一体化系教授。他是加拿大工程院院士，开创性研究成果包括三本教科书、两百多篇期刊和会议论文、四项专利和三家初创公司。

本杰明·C.郭（Benjamin C.Kuo），伊利诺伊大学香槟（UIUC）分校电气和计算机工程系荣休教授。他在1958年博士毕业后加入该系，并在这里工作了31年。作为自动控制领域的研究者和教育者，他的成绩斐然，是一位真正有远见的先驱者。

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出版者的话
译者序
前言
第1章　绪论1
1.1　控制系统的基本组成部分1
1.2　控制系统应用举例2
1.2.1　智能交通系统2
1.2.2　汽车转向控制3
1.2.3　汽车怠速控制3
1.2.4　太阳能收集器的太阳跟踪控制3
1.3　开环控制系统（无反馈系统）5
1.4　闭环控制系统（反馈控制系统）5
1.5　反馈的含义及其作用6
1.5.1　反馈对于总增益的影响6
1.5.2　反馈对于稳定性的影响6
1.5.3　反馈对于外部干扰或噪声的作用7
1.6　反馈控制系统的类型8
1.7　线性系统与非线性系统8
1.8　时不变与时变系统9
1.9　连续控制系统9
1.10　离散控制系统10
1.11　案例研究：基于LEGOMINDSTORMS的智能车辆避障11
1.12　小结17
第2章　动态系统的建模18
2.1　简单机械系统的建模18
2.1.1　平移运动19
2.1.2　旋转运动22
2.1.3　平移和旋转运动之间的转换26
2.1.4　齿轮系28
2.1.5　齿隙和死区（非线性特性）29
2.2　简单电气系统的建模30
2.2.1　无源电气元件建模30
2.2.2　电气网络建模30
2.3　简单热系统和简单流体系统的建模33
2.3.1　热系统的基本属性34
2.3.2　流体系统的基本属性36
2.4　非线性系统的线性化42
2.5　类比44
2.6　案例研究：LEGO MINDSTORMSNXT电动机—机械建模46
2.7　小结46
参考文献47
习题47
第3章　动态系统的微分方程求解58
3.1　微分方程介绍58
3.1.1　线性常微分方程59
3.1.2　非线性微分方程59
3.2　拉普拉斯变换60
3.2.1　拉普拉斯变换的定义60
3.2.2　拉普拉斯变换的重要定理61
3.2.3　传递函数61
3.2.4　特征方程62
3.2.5　解析函数62
3.2.6　函数的极点62
3.2.7　函数的零点63
3.2.8　共轭复极点和零点64
3.2.9　终值定理65
3.3　部分分式展开的拉普拉斯逆变换65
3.4　拉普拉斯变换在线性常微分方程求解中的应用71
3.4.1　一阶系统71
3.4.2　二阶系统73
3.4.3　二阶系统—进一步讨论80
3.5　线性系统的脉冲响应和传递函数83
3.5.1　脉冲响应83
3.5.2　基于脉冲响应的时间响应84
3.5.3　传递函数（单输入单输出系统）85
3.6　系统的一阶微分方程：状态方程85
3.6.1　状态变量的定义88
3.6.2　输出方程89
3.7　线性齐次状态方程的解92
3.7.1　传递函数（多变量系统）93
3.7.2　由状态方程到特征方程95
3.7.3　由传递函数到状态方程96
3.8　MATLAB案例研究99
3.9　线性化回顾：状态空间方法104
3.10　小结108
参考文献108
习题109
第4章　控制框图和信号流图119
4.1　控制框图119
4.1.1　控制系统中典型元件的控制框图建模120
4.1.2　数学方程和控制框图的关系123
4.1.3　控制框图简化126
4.1.4　多输入系统的控制框图：特殊情况—扰动系统128
4.1.5　多变量系统的控制框图与传递函数129
4.2　信号流图131
4.2.1　信号流图代数132
4.2.2　信号流图术语的定义133
4.2.3　信号流图的增益公式135
4.2.4　在输出节点与非输入节点间增益公式的应用139
4.2.5　简化增益公式140
4.3　状态图141
4.3.1　由微分方程到状态图141
4.3.2　由状态图到传递函数143
4.3.3　由状态图到状态和输出方程143
4.4　案例研究145
4.5　MATLAB工具箱155
4.6　小结158
参考文献158
习题158
第5章　线性控制系统的稳定性168
5.1　稳定性介绍168
5.2　稳定性判定方法171
5.3　Routh-Hurwitz判据171
5.3.1　Routh表格172
5.3.2　Routh表格提前终止时的特殊情形173
5.4　MATLAB工具和案例分析176
5.5　小结182
参考文献182
习题182
第6章　反馈控制系统的重要组成186
6.1　有源电气元件的建模：运算放大器188
6.1.1　理想运算放大器188
6.1.2　和与差188
6.1.3　一阶运算放大器的配置188
6.2　控制系统中的传感器和编码器191
6.2.1　电位计191
6.2.2　转速计194
6.2.3　增量编码器195
6.3　控制系统中的直流电动机197
6.3.1　直流电动机的基本操作原理198
6.3.2　永磁直流电动机的基本分类198
6.3.3　永磁直流电动机的数学模型200
6.4　直流电动机的速度控制及位置控制203
6.4.1　速度响应、自感效应和扰动：开环响应203
6.4.2　直流电动机的速度控制：闭环响应206
6.4.3　位置控制207
6.5　案例研究208
6.5.1　案例1：太阳观测系统208
6.5.2　案例2：四分之一车辆悬挂系统210
6.6　虚拟实验室：LEGO MINDSTORMSNXT电动机入门—建模和表征213
6.6.1　NXT电动机213
6.6.2　电气特性213
6.6.3　机械特性214
6.6.4　速度响应和模型验证220
6.7　小结221
参考文献221
习题221
第7章　控制系统的时域分析234
7.1　连续时间系统的时间响应234
7.2　评价控制系统时间响应性能的典型测试信号235
7.3　单位阶跃响应和时域描述236
7.4　一阶系统的时间响应237
7.5　二阶系统的暂态响应240
7.5.1　阻尼比和自然频率240
7.5.2　最大超调（0 <； ζ <； 1）244
7.5.3　延迟时间和上升时间（0 <； ζ <； 1）246
7.5.4　调节时间（5%和2%）247
7.5.5　暂态响应性能指标总结250
7.6　稳态误差253
7.6.1　稳态误差的定义253
7.6.2　有干扰情况下的系统稳态误差259
7.6.3　控制系统的类型：单位反馈系统261
7.6.4　误差常数261
7.6.5　非线性系统元件产生的稳态误差265
7.7　基础控制系统以及传递函数增加零极点带来的影响267
7.7.1　在前向通道传递函数中增加一个极点：单位反馈系统267
7.7.2　在闭环传递函数中增加一个极点269
7.7.3　在闭环传递函数中增加一个零点270
7.7.4　在前向通道传递函数中增加一个零点：单位反馈系统271
7.7.5　增加零极点：时域响应控制272
7.8　传递函数的主导零极点277
7.8.1　零极点影响的总结278
7.8.2　相对阻尼比279
7.8.3　稳态响应考虑下的次要极点忽略方法279
7.9　案例研究：定位控制系统的时域分析279
7.9.1　二阶系统：单位阶跃暂态响应281
7.9.2　二阶系统：单位阶跃稳态响应284
7.9.3　三阶系统的时间响应—电气时间常数不能忽略284
7.9.4　三阶系统：单位阶跃暂态响应284
7.9.5　三阶系统：单位阶跃稳态响应287
7.10　控制实验室：LEGO MINDSTORMS NXT电动机介绍—位置控制287
7.11　小结291
参考文献292
习题292
第8章　状态空间分析与控制器设计305
8.1　状态变量分析305
8.2　控制框图、传递函数和状态控制框图305
8.2.1　传递函数（多变量系统）305
8.2.2　多变量系统的控制框图和传递函数306
8.3　一阶微分系统的状态方程308
8.3.1　状态变量的定义308
8.3.2　输出方程309
8.4　状态方程的向量-矩阵表示310
8.5　状态转移矩阵312
8.5.1　状态转移矩阵的意义313
8.5.2　状态转移矩阵的性质313
8.6　状态转移方程314
8.7　状态方程与高阶微分方程之间的关系318
8.8　状态方程与传递函数之间的关系319
8.9　特征方程、特征值和特征向量321
8.9.1　由微分方程求特征方程322
8.9.2　由传递函数求特征方程322
8.9.3　由状态方程求特征方程322
8.9.4　特征值323
8.9.5　特征向量323
8.9.6　广义特征向量324
8.10　相似变换325
8.10.1　相似变换的不变特性326
8.10.2　相似变换前后的特征方程、特征值和特征向量326
8.10.3　传递函数矩阵326
8.10.4　能控标准型326
8.10.5　能观标准型328
8.10.6　对角标准型329
8.10.7　Jordan标准型330
8.11　传递函数分解331
8.11.1　直接分解331
8.11.2　串级分解335
8.11.3　并行分解336
8.12　控制系统的能控性337
8.12.1　能控性的概念338
8.12.2　状态能控性的定义339
8.12.3　能控性的其他检验方法339
8.13　线性系统的能观性341
8.13.1　能观性的定义341
8.13.2　能观性的其他检验方法342
8.14　能控性、能观性和传递函数之间的关系342
8.15　能控性和能观性的不变性定理344
8.16　案例研究：磁球悬浮系统345
8.17　状态反馈控制348
8.18　通过状态反馈进行极点配置349
8.19　带有积分控制的状态反馈353
8.20　MATLAB工具箱和案例学习358
8.20.1　状态空间分析工具箱的使用和说明359
8.20.2　tfsym在状态空间应用中的使用和说明361
8.21　案例研究：LEGO MINDSTORMS机器臂系统的位置控制361
8.22　小结366
参考文献367
习题367
第9章　根轨迹法386
9.1　根轨迹的基本性质387
9.2　根轨迹的性质详解389
9.2.1　K=0和K=±∞的点389
9.2.2　RL的分支数390
9.2.3　RL的对称性390
9.2.4　RL的渐近线交角：|s|=∞处RL的行为391
9.2.5　渐近线的交点（质心）392
9.2.6　实轴上的RL395
9.2.7　RL的出射角和入射角395
9.2.8　RL与虚轴的交点398
9.2.9　RL的分离点（鞍点）398
9.2.10　RL在分离点处的入射角和出射角399
9.2.11　RL上K值的计算402
9.2.12　小结402
9.3　根灵敏度406
9.4　根轨迹设计410
9.4.1　在G(s)H(s)中增加零极点的影响410
9.4.2　在G(s)H(s)中增加极点410
9.4.3　在G(s)H(s)中增加零点412
9.5　根轨迹族：多参数变化情形415
9.6　MATLAB工具箱421
9.7　小结422
参考文献423
习题423
第10章　频域分析430
10.1　引言430
10.1.1　闭环系统的频率响应437
10.1.2　频域指标438
10.2　二阶系统的谐振峰值、谐振频率和带宽439
10.2.1　谐振峰值和谐振频率439
10.2.2　带宽440
10.3　前向通道传递函数增加极点和零点的影响442
10.3.1　前向通道传递函数增加零点的影响443
10.3.2　前向通道传递函数增加极点的影响447
10.4　Nyquist稳定性判据：基本原理449
10.4.1　稳定性问题449
10.4.2　环绕和闭合的定义450
10.4.3　环绕和闭合的次数451
10.4.4　幅角原理451
10.4.5　Nyquist曲线455
10.4.6　Nyquist判据以及L(s)或G(s)H(s)图455
10.5　具有最小相位传递函数的系统的Nyquist判据456
10.6　根轨迹和Nyquist图的关系458
10.7　示例：最小相位传递函数的Nyquist判据460
10.8　增加的极点和零点对Nyquist图的形状的影响464
10.8.1　在s=0处加入极点464
10.8.2　增加有限个非零极点466
10.8.3　增加零点466
10.9　相对稳定性：增益裕量和相位裕量467
10.9.1　增益裕量469
10.9.2　非最小相位系统的增益裕量470
10.9.3　相位裕量470
10.10　用Bode图进行稳定性分析472
10.11　相对稳定性与Bode图的幅值曲线的斜率之间的关系475
10.12　用幅值-相位图进行稳定性分析477
10.1

前沿

本书第10版进行了全面的修订，更偏重从实际的角度向读者介绍自动控制系统的基本概念。这一版丰富了每一章的内容，提供更多的解决实例，使用LEGO MINDSTORMS 和MATLAB/SIMLab 模拟软件，并介绍控制实验室概念。这本书让读者对于本学科的实际应用有所了解，为以后将要面临的挑战做好准备。
本版本增加了更多案例，添加了更多的MATLAB工具箱，并增强了MATLAB GUI 软件ACSYS，以与LEGO MINDSTORMS软件连接，还为学生和老师介绍了更多的计算机辅助工具。本版本的撰写历时5年，其间经过许多教授评审，以求更好地调整其中的新概念。在本版本中，第1～3章包括所有的背景知识，第4～11章包含与控制学科直接相关的内容。控制实验室的内容在附录D中有详细介绍。
本书的以下附录可以从www.mhprofessional.com/golnaraghi或www.hzbook.com中找到：
附录A　初等矩阵理论和代数学
附录B　数学基础
附录C　拉普拉斯变换表
附录D　控制实验室
附录E　ACSYS 2013：软件说明
附录F　根轨迹的特征和构造
附录G　广义奈奎斯特（Nyquist）判据
附录H　离散控制系统
附录I　差分方程
附录J　z变换表
这本书主要适用于三类人群：已经采用本书，或者将要选用本书作为教材的教师；想要解决日常设计问题的实践工程师；选择了控制系统课程的学生。
致教师
这本书的内容是Golnaraghi教授和Kuo教授在各自的大学讲授初级和高级控制系统课程时所做的总结。前9个版本已经被全世界的上百所大学所采用，而且至少已经被翻译成了6种语言。
大部分本科控制课程都有涉及直流电动机的时间响应和控制（即速度响应、速度控制、位置响应和位置控制）的实验课程。在许多情况下，由于控制实验室中的设备的成本高昂，学生对实验设备的使用受到限制，因此，许多学生不能获得对于控制学科的实际见解。在第10版中，我们介绍了控制实验室的概念，它包括两类实验：SIMLab（基于模型的仿真）和LEGOLab（物理实验）。这些实验旨在补充或者替代传统的本科控制课程中的实验部分。
在这个版本中，我们为LEGO MINDSTORMS NXT直流电动机设计了一系列低成本的控制实验，使学生即使在家里也能够在MATLAB和Simulink环境下进行练习。有关详细信息，请参阅附录D。得益于低成本，教育机构可为实验室配备许多LEGO实验床，以最大化学生对实验设备的使用。另外，作为补充学习的工具，学生可以在支付一定的押金后把设备带回家，按照自己的节奏来学习。这个概念在Golnaraghi教授所在的加拿大温哥华西蒙弗雷泽大学被证明是非常成功的。
实验内容包括对直流电动机的速度和位置进行控制，其次是控制器设计，也就是，为一个简单的机器人系统设计控制器以进行拾取和放置操作，以及电梯系统的位置控制。在第6和第7章中另有两个项目。这些新实验的具体目标是：
对直流电动机的速度响应、速度控制和位置控制概念进行深入且实际的讨论。
以实验方式提供如何识别物理系统参数的示例。
通过现实的例子来更好地理解控制器设计。
本书不仅包含传统的MATLAB工具箱（学生可以学习MATLAB并发挥他们的编程技能），还包含一个基于MATLAB的图形化软件ACSYS。此版本中的ACSYS软件与任何其他的控制类书籍附带的软件有很大的差别。书中通过大量使用MATLAB GUI编程开发了非常易用的软件。这样，学生只需要把注意力集中在控制问题的学习上，而不是编程上！
致执业工程师
我们在写作本书的过程中时刻考虑读者的情况，而且本书很适合自学。我们的目标是清楚而透彻地讲解这门学科。这本书的编写没有采用理论-证明-（证毕）Q. E. D的格式，也没有包含过多的数学知识。多年来作者做过多个工业领域的顾问，并且参与解决了许多控制系统问题，涉及宇航系统、工业控制、汽车控制和计算机外部设备控制等。虽然实际问题的所有细节和真实性难以被全部包含在这种层次的书本中，但是书中的一些例子和问题还是可以反映实际系统的简化形式的。
致学生
因为你选了控制系统这门课而你的老师指定用这本书，所以这本书现在在你手中！虽然你有权在读过本书后表达自己的观点，但是你无法左右老师对本书的选择。你的老师想让你努力学习可能是他选择这本书的理由之一。请不要对我们有误解，我们的本意是，尽管这本书易于学习，但也非常有意义。书中没有吸引人的卡通画或者漂亮的图片，从这里开始将是繁重、艰苦的学习。本书假设你已经掌握了典型线性系统课程讲授的一些预备知识，例如线性常微分方程的求解、拉普拉斯变换及应用、线性系统的时间响应和频域分析。书中不涉及太多你以前没有学过的新数学工具。一件有趣且富有挑战性的事情是，你将要运用在过去的两三年大学课程中所学到的数学工具。如果需要重温一下某些数学基础，你可以在www.mhprofessional.com/golnaraghi上的附录里找到它们。本书还包含许多其他内容，如基于Simulink的SIMLab和LEGOLab，它们可以帮助你增进对实际控制系统的理解。
本书包含大量示例。为了说明新思想和主要问题，还特意简化了一些例子。其他例子为了更贴近实际则更加精细化。此外，本书的目标是用一种清晰透彻的方法来描述一门复杂的学科。对学生来说，一种重要的学习策略是，不完全依赖于指定的书本。当学习一门课程的时候，可去图书馆查阅一些类似的书，看一看其他的作者是如何处理相同内容的。你可能会发现关于这门学科的新观点，并且发现某个作者对学习资料的论述比其他人更仔细和彻底。不要分散注意力去记录一大堆过于简单的例子。在现实中，你将遇到涉及非线性系统、时变元件，以及高阶控制系统的设计。现实世界中不存在严格的线性系统和一阶系统的事实可能会令你有点沮丧。
特别致谢
感谢McGraw-Hill教育出版公司的编辑总监Robert L. Argentieri在本书的出版方面所做的努力和给予的支持。初稿审阅工作对这次修订的完成有很大的帮助，特别感谢审阅者提出的宝贵建议和意见。特别感谢西蒙弗雷泽大学机电系统工程系的教师、学生、研究人员以及所有为此书做出贡献的合作学生。
感谢Kuo教授遗留的宝贵财产，尤其感谢Lori Dillon在这个项目中给予的支持。
最后，还要感谢已故的Benjamin C. Kuo教授，感谢能与他共同分享写作此书的快乐，感谢他在写作过程中的教诲和支持。

Farid Golnaraghi
加拿大，不列颠哥伦比亚省，温哥华