Prentfi 国外电子信息科学经典教材系列 现代控制工程 (第四版) Modern Control Engineering (Fourth Edition) 美]Katsuhiko Ogata若 的头海册等译 巴電子工掌出版社 http://www.phei.com.cn
译者的话 《现代榨制工程》是美国明尼苏达大学K.Ogta教授撰与的--部控制系统国际通用教材。 它可以作为大学高年级学生或研究生的首门控制系统课程的教材。该书第一版曾于1976年 在我国山译者翻译出版。该书是首次将现代挖制理论与经典控制理论融为一体的教材，内容 新颖、丰富，物理概念阐述得比较清楚，并配存大的例题和习题，很适合于学生阅读。该书第 二版在原书基础上增加了极点配置，状态观测器和控制系统的计算机仿真等内容。译者受中 国分湾儒林图书有限公司约请，翻译了该书第二版，并于1993年在中国台湾以繁体字形式出 版发行。本书第三版在保持原书特点的基础上，进行了大量修改，并且融入了MATLAB应用。 月前，国际上许多新版科技书籍（特别是高等学校教材），都把MATLAB作为一种基本丁具，用 于分析、计算、设计和仿真研究，其有很好的效果。本书第三版中详本已于200年在国内由电 子工业出版社出版发行。 本书第四版（英文）己于2002年问世，译者能够冉次受电子工业出版社之约，将该书译成 中文而感到荣幸。与该书第三版比较，第四版有如下特点：第一，对全书内容进行了合理调整， 删减了诸如李亚普诺夫稳定性分析和MATLAB应用的基础知识等有关内容；第二，增加了有 关二自由度控制系统方面的内容，实现了高性能控制系统的设计：第三，增加了许多新的例题， 扩展了MATLAB方法在控制系统分析和设计屮的应用。全书共给出经过详解的例子和例题 310道，其中许多例题具有重要的工程应用背景，还有不少例题是书中重要定理和公式的证 明。书中还提供了140个有用的MATLAB应用程序供读者参考。 《现代控制工程》在国际上是一部有影响的教科书。该书早已被译成了中、法、俄、H、西 班牙等国文字出版发行。 译者在翻译过程中保留了原书的部分书写规则，并且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10章由北京航空航天大学卢伯英教授翻译，第11章和第12章由西北工 业大学于海勋教授翻译，卢伯英教授对全书进行了统-·审校。 本书在翻译过程中得到了佟明安、肖顺达、黄俊钦、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
序 言 这是一本为「科（机械、电子、航天、化学等）高年级学生所写的教科书，可以作为控制系 统学习的入们教材。本书详尽论述了控制系统的分析与设计。读者应具备有关微分方程、向 量矩阵分析、电路分析和机械学等课程的基础知识。 本书第四版所作的主要政动有：高性能的二自出度控制系统设计，这种系统可使稳态误差 在阶跃、斜坡和加速输入时为零：利用计算方法(MATLAB)来确定控制器的极点位置，从而获 得预期的瞬态响应特性，如将阶跃响应中的最大过调量和设置时间限制在特定的范围内。这 两部分内容主要在第10章中介绍。第5章（瞬态响应分析）和第12章（极点配置和观测器设 计)添加了MATLAB应用的内容。这些章节中新增的许多新的解决方案，有助于加深读者对 控制系统分析与设计中所采用的MATLAB方法的理解。全书的计算问题均采用MATLAB 求解。 本书共12章，其内容概括如下：第1章介绍控制系统的基础知识。第2章阐述常用时间 函数的拉普拉斯变换和基本的拉普拉斯变换定理（如果读者已经具备了拉普拉斯变换方面的 知识，可以跳过本章)。第3章研究动态系统（大多为机械的，电气的和电子系统）的数学模 型，并推导出它们的传递函数模型和状态空间模型。本章还介绍了信号流程图以及非线性数 学模型的线性化技术。 第4章介绍流体系统（如液休系统.气动系统和水力系统）和热力系统的数学建模。第5 章研究具有阶跃、斜坡和脉冲输入的动态系统瞬态响应分析，其中大量使用了MATLAB。木章 还介绍了用于高阶系统稳定性分析的劳斯稳定判据以及单位反馈控制系统中的稳态误差分 析。 第6章研究控制系统的根轨迹分析并详细讨论了使用MATLAB作根轨迹图的方法。本 章还对止反馈系统、条件稳定系统和传递延迟系统进行了根轨迹分析。第7章介绍采用根轨 迹法的超前、滞后和超前-滞后校正装置的设计，并讨论了串联和并联校正技术。 第8章介绍频率响应的基本知识，讨论了伯德图、极坐标图、奈奎斯特稳定判据和闭环频 率响应，包括用MATLAB获取频率响应曲线。第9章研究采用频率响应法的设计和校正技 术，特别详细地介绍了采用伯德图方法的超前，滞后以及超前-带后校正装置的设计。 第10章首先阐述了基本的和变形的PD控制，然后介绍了对控制器的参数值进行优化选 取，从而满足阶跃响应特性要求的MATLAB方法。另外，本章还介绍了二自由度控制系统。 总结了伴随阶跃、斜坡和加速输入而没有稳态误差的高性能控制系统的设计，此设计采用了零 点配置方法。 第11章介绍挖制系统的状念空间基本分析，提出了可控性和可观测性的概念。本章还讨 论了采用MATLAB的系统模型的转换（从传递函数模型到状态空间模型及其反变换）。第12 章肖先介绍了极点配置技术以及状态观测器的设计，全阶和最小阶状态观测器均被涉及。其 次，详细讨论了第1类伺服系统设计。本章还包括了带有观测器的调速器系统和控制系统设 计。最讨论了二次最优调速器系统。 ·亚·
本书强调基本概念，在知识的介绍过程中力求避免高深的数学论证。本书也提供了一些 数学证明以加深读者对有关内容的理解。中的材料都是按照控制理论的逐步发展过程来纽 编排的。 中的例题经过精心安排，使读者可以很好地理解书中讨论的相关内容。除第1章外，每 辛后面都提供了带有解答的习题(A类题)，它们是本书的有机组成部分。建议读者认真地学 所有习题，从而狄得对所论课题的深入理解。此外，书中还提供了许多不同雉度的待解习 题(B类题)，它们可以作为家斑作业或者测验题。 木书介绍的大部分内容都在明龙苏达大学的本科高年级或研究生一年级的控制系统课上 进彳过教学实践。 如果本书作为季度课程教材（共40课时），可以讲授前0章（除第4章外）的大部分内 容。（作为控制系统的入门教材，前9章涵盖了控制系统的全部基本内容。很多学生喜欢学 习第10章屮介绍的MATIAB,因此，建议教师高度重视本章内容的讲授。)如果本书作为学期 课程教材（共56课时），书中的大部分内容都可以讲授，只需根据情况取舍部分内容。由于书 中包括大量例题(A类型)，因而读者也可以把本书作为学习控制理论基础知识的自学教材。 我衷心感谢罗彻斯特L上学院的Athimoottil V.Mathew教授，密西西比大学的Richard Gor- don教授，乔治马森大学的Guy Beale教授和得克萨斯A&M大学的Donald T.Ward教授，他！ 在本书修订过程中提出了宝贵建议。此外，许多无名的评阅者也提出了许多建设性意见，我以 前的学生解答了本书中大量的A类题和B类题，在此一并表示感谢。 Katsuhiko Ogata 、 ·W·
目 录 第1章控制系统简介 (1) 1.1引言… (1) 1.1.1历史的回顾…… (1) 1儿.2定义…(2) 1.2控制系统举例… (2) 1.2.1速度控制系统………… (3) 1.2.2温度挖制系统… (3) 【,2.3业务系统… (4) 1.3闭环控制和开环控制 (5) 1.3.1反馈控制系统… (5) 【.3.2闭环控制系统… (6) 1.3.3开环控制系统… (6) 1.3.4闭环与开环控制系统的比较 (6) 1.4本书概貌… (7) 第2章拉普拉斯变换·… (8) 2.1引言… (8) 2.2复变量和复变函数 (8) 2.2.1复变量 F4444.... (8) 2.2.2复变函数 (8) 2.2.3允拉定理 (10) 2.3拉普拉斯变换 (I1) 2.3.1拉普拉斯变换的存在… (1) 2.3.2指数函数… (12) 2.3.3阶跃函数 (13) 2.3.4斜坡函数… (13) 2.3.5正弦函数 (14) 2.3.6说明… (14) 2.3.7平移函数 (16) 2n3.8脉动函数… (17) 2.3.9脉冲函数*… (17) 2.3.10f八t)与e"相乘… (18) 2.3.11时间比例尺的改变… (18) 2.3.12关于拉普拉斯积分下限的说明… (19) 2.4拉普拉斯变换定理…… (19) ·V·
2.4.1实微分定理 (20) 2.4.2终值定理 (21) 2.4.3初值定理 (22) 2.4.4实积分定理 (23) 2.4.5复微分定理 (24) 2.4.6卷积积分…… (25) 2.4.7两个时间函数乘积的拉普拉斯变换… (26) 2.4.8小结…… (26) 2.5拉普拉斯反变换 (27) 2.5.1求拉普拉斯反变换的部分分式展开法… (28) 2.5.2只包含不同极点的F(s)的部分分式展开 (28) 2.5.3包含多重极点的F(s)的部分分式展开… (30) 2.5.4说明…… (31) 2.6用MATLAB进行部分分式展开… (31) 2.6.1用MATLAB进行部分分式展开… (31) 2.6.2用MATLAB求B(s)/A(s)的零点和极点… (34) 2.7解线性定常微分方程… (35) 例题和解答… (37) 习题… (45) 第3章动态系统的数学模型… (49) 3.1引言 (49) 3.1.1数学模型 (49) 3.1.2简化性和精确性 (49) 3.1.3线性系茶统… (50) 3.1.4线性定常系统和线性时变系统 (50) 3.1.5本章要点… (50) 3.2传递函数和脉冲响应函数 (50) 3.2.1传递函数… (50) 3.2.2传递函数的说明 (51) 3.2.3卷积积分… (52) 3.2.4脉冲响应函数 (52) 3.3自动控制系统… (53) 3.3.1方块图… (53) 3.3.2闭环系统的方块图… (54) 3.3.3.开环传递函数和前向传递函数 (55) 3.3.4闭环传递函数… (55) 3.3.5用MATLAB求串联、并联和反馈（闭环）传递函数… (55) 3.3.6白动控制器…… (57) 3.3.7工业控制器分类 (57)
3.3.8双位或开-关控制作用 (58) 3.3,9比例控制作阴… (59) 3.3.10积分挖制作月… (59) 3.3.3比例一加一积分控制作用…… (60) 33.2比例-加-微分控制作用… (60) 3.3.13比例-加-积分-加-微分控制作用 (60) 3.3.14扰动作用下的闭环系统… (60) 3.3.15画方块图的步骤…… (61) 3.3.16方块图的简化……………………*… (62) 3.4状态空间模型……… (64) 3.4.【现代控制理论… (64) 3.4,2现代挖制理论与传统挖制理论的比较… (64) 3n4.3状态 (64) 3.4.4状态变量……… (64) 3.4.5状态向量 (64) 3.46状态空间…444… (65) 3.4.7状态空间方程 (65) 3.4.8传递函数与状态空间方程之间的关系… (68) 3.4.9传递矩阵…… (69) 3了动态系统的状态空间表达式… (70) 3.5,】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… (70) 3.5.2线性徽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… (71) 3.6用MATLAB进行数学模型变换 (75) 3.6.1由传递函数变换为状态空间表达式+… (76) 3.6.2由状态空间表达式变换为传递函数… (77) 3.7机械系统 (78) 3.8电气和电子系统 (82) 3.8.1LRC电路 (82) 3.8.2状态空间表示 (83) 3.8.3串联元件的传递函数… (83) 384复阻抗………… (84) 3.8.5无负载效应申联元件的传递函数 (86) 3.8.6电子控制器…… (87) 3.8.7运算放大器 (87) 3.8.8反相放大器 (88) 3.8.9非反相放大器 (88) 3.810求传递函数的阻抗法…… (90) 3.8.11利用运算放大器构成的超胞或滞后网络 (91) 3.8.2利用运算放大器构成的PD控制器……… (92) ·Ⅻ·
3.9信号流图 (93) 3.9.】信号流图…… (94) 3.9.2定义… (95) 3.9.3信号流图的性质 (95) 3.9.4信号流图代数… (96) 3.9.5线性系统的倍号流阁表示法… (97) 3.9.6控制系统的信号流图… (98) 3.9.7信号流图的梅逊增益公式… (98) 3.9.8小结…… (101) 3.10非线性数学模型的线性化 (102) 3.10.1非线性系统的线件化… (102) 3.0.2非线性数学模型的线性近似… (102) 例题和解答， (104) 以题… (132) 第4章流体系统和热力系统的数学模型°… (140) 4.1引言… (140) 4.2液位系统 (140) 4.2.1液位系统的液阻和液容… (141) 4.2.2液位系统… (142) 4.2.3相互有影响的液位系统… (143) 4.3气动系统…… (144) 4.3.1气动系统和液压系统之间的比较… (144) 4.3.2气动系统… ***…{146) 4.3,3压力系统的气阴和气容 (146) 4.3.4压力系统… (148) 4.3.5气动喷嘴-挡板放大器 (148) 4.3.6气动接续器…… (149) 4.3.7气动比例轻制器（力-距离型） (151) 4.3.8气动比例控制器（力平衡型） (153) 4.3.9气动执行阀… (155) 4.3.10获得微分控制作用的基本原理 (156) 4.3.11获得气动比例加-积分控制作用的方法 (158) 4.3.2获得气动比例-加-积分加-微分控制作用的方法… (159) 4.4液压系统… (161) 4,4.1液压系统… (161) 4.42液乐系统的优缺点…… (161) 4.4.3说明… (162) 4.4.4液吓伺服系统*… (162) 4.4.5液压积分控制器… (166) ··
4.4.6液兆比例挖制器………（167) 4.4.7缓冲器 …(168) 4.4.8获得液压此例加积分控制作用的方法……（169) 4.4.9获得液压比例加-微分控制作刑的方法……(70) 4.4.10获取液压比例-训-积分-加-徽分控俐作用的方法…(171) 4.5热打系统… (172) 4.5.司热阴利热容…… (173) 4n5.2热力系统… (173) 例题和解答 (175) 题 (193) 第5章瞬态响应和稳态响应分析 (200) 5.1引言… (200) 5.1.门典型试验信号… (200) 5.1.2联态响应和稳念响应… (200) 5.1,3绝对稳定性相对稳定性和稳态误差… (200) 51.4本章要点… (201) 5.2一阶系统… (201) 5.2.1一阶系统的单位阶跃响应 (202) 5.2.2--阶系统的单位斜坡响应 (203) 5.2.3-阶系统的单位脉冲响应 (203) 5.2.4线性定常系统的重要特性 (204) 5.3二阶系统… (204) 5.3.1伺服系统 (204) 5.3.2二阶系统的阶跃响应 (205) 5.3.3瞬态响应指标的定义… (209) 5.3.4关于瞬态响应指标的几点说明… (210) 5.3.5二阶系统及其蹰态响应指标… (210) 53.6带速度反馈的伺暇系统… (215) 5.3.7二阶系统的脉冲响应… (217) 5.4高阶系统… (218) 5.4.1高阶系统的瞬态响应 (218) 5.4.2闭环主导极点… (220) 5.4.3复平面上的稳定性分析… (220) 5.5用MATLAB进行瞬态响应分析… (221) 5.5.1引言… (221) 5.5.2线性系统的MAAB表示… (222) 5.5.3在图形屏幕上书写文本…… (225) 5.5.4标准二阶系统的MATLAB描述*… (227) 5.5.5求传递函数系统的单位阶跃响应…… (227) ·K·
5.5.6用MATLAB作单位阶跃响应曲线的三维图…（228) 5.5.7用MAT川AB求上升时间、峰值时间，最大过调量和调整时间… (230) 5.58脉冲响应…(231) 5.59求脉冲响应的外种方法… (234) 5.5.10斜坡响应 (235) 55.1】在状态空间中定义的系统的单位斜坡响应 (236) 5.5.12求对任意输人侣号的响应… (238) 5.5.13对初始条件的响城……… (240) 5.5.14对初始条件的响应（状态空间方法，情况1）… (243) 5.5.15对初始条件的响应（状态空间方法，情况2）… (244) 5.5.16利用命令Initial求对初始条件的响应… (246) 5.6用MATLAB解题举例… (248) 5,6.1机城振动系统…***…………… (248) 5.6n2用MATLAB求解… (251) 5.7劳斯稳定判据… (253) 5.7.1劳斯稳定判据简介……。 (253) 5.7.2特殊情况…… (255) 5.7.3相对稳定性分析… (257) 5.7.4劳斯稳定判据在控制系统分析中的应用 (257) 5.8积分和微分控制作用对系统性能的影响… (258) 5.8.1积分控制作用… (258) 5.8.2系统的比例控制… (258) 5.8.3系统的积分控制… (259) 5.8.4对转矩扰动的响应（比例控制）……… (260) 5.8.5对转矩扰动的响应（比例-加-积分控制）… (261) 5.8.6微分控制作用…… (262) 5.8.7带惯性负载系统的比例控制… (262) 5.8.8具有惯性负载系统的比例-加徽分控制… (263) 5.8.9二阶系统的比例-加辙分控制…… (263) 5.9单位反馈控制系统中的稳态误差……… (264) 5.9.】控制系统的分类… (264) 5.9.2稳态误差… (265) 5.9.3静态位置误差常数K… (265) 5.9.4静态速度误差常数K (266) 5.9.5静态加速度误差常数K, (267) 5.9.6小结 (268) 例题和解答… (269) 习题 (302) 第6章根轨迹分析 (310) ·X·
