现代控制系统

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1、刘鹏自11版，读完此书，我发现本书凸显了与时俱进的风格。并且在内容上有很大的更新。而且内容丰富，包含方方面面。本数为外国教授编著，由谢红卫翻译了本书的前言第一章和第二章孙志强翻译第三章至第16章第16章及附录宫二玲翻译第七章和第八章及第13章，张继阳翻译第九章和第十章及第12章，谢红卫负责全书的修改和统稿。书中所举的例子都很切合实际与时代。每个章节都强调控制工程的工作流程，并且及时指出所学控制理论知识模块对控制工程的支撑点。这是我们。很大程度上不会迷失在理论方法的迷宫中。提醒我们紧紧扣住本门课程的出发点和落脚点及控制工程。例如第二章第八节引进实际工程的建模例子。以便深化建模模块教学。这一实例对

2、读者的知识面提出了挑战，应用效果如何？还有待检验。但从书中内容可以看出。罗伯特教授的不懈努力是显而易见的。书中的习题和例题也介绍了许多，最新的技术涉及机电一体化系统混合动力汽车风力发电智能机器人等。这些鲜活而又丰富的内容。相信医者在翻译时经历着无数的苦痛中也在享受一顿科普的盛宴。而我们读者在学习中也会丰富我们的知识。作者为使用板书的学生和教师们设计了一个配套网站。这网站的内容包括练习书中用到所有的m脚本程序拉普拉斯变换表z变换表以及关于矩阵代数复数符号计量单位和变换，因子等方面的材料本书正文涉及到网站中的材料是都在页边用一个图标来加以提示。而且该网站还会在不定期内进行更新。不断补充其内容。全书

3、围绕控制系统食欲和频域理论的基本概念来展开和组织材料。本书的每一章节都强调系统设计流程与该章主题和知识点之间的对应关系。通过实例来展示控制系统设计流程中不同方面的内容。书中设计了共13个实例来逐次说明控制系统的设计流程包括。第一节胰岛素注射控制系统，第二节液流系统建模，第三节空间站定向系统建模。第四节麻醉时的血压控制。第五节飞机姿态控制。第六节机器人自主驾驶摩托车。第七节汽车速度控制。第八节六足步行机器人控制。第九节热钢锭搬运运机器人控制。第十节铣床控制系统。第11节柴电动力机车控制。第十二届数字音响磁带驱动器第13节飞机电传操纵。书中每一篇都有新修订的提要。介绍本章将要讨论的主要问题。每章末

4、尾都附有小结集中归纳了，每章的主要概念和术语这些内容有利于强化各章，所介绍的重要概念也便于今后使用时参考。书中通过线条色深浅，去区别内容的重要。整本书的内容编排如下。第一章控制系统导论，第二章系统数学模型第三章状态空间模型第四章反馈控制系统的特性，第五章反馈控制系统的性能。第六章线性反馈系统的稳定性，第七章根轨迹法第八章频率响应法第九章频域稳定性第十章反馈控制系统设计第11章状态变量反馈系统设计第12章鲁棒控制系统第13章数字控制系统。第一章控制系统导论中。对控制系统的描述。同控制论一书相同。控制系统是由相互关联的元件按一定的结构构成的它能够提供预期的系统响应。书本第二页也画出了受控元件受控对

5、象和搜控过程的系统框图。开环控制系统在没有反馈的情况下，利用执行机构直接控制社会对象。而闭环控制系统对输出进行测量将此测量信号反馈并与预期的输入进行比较。这种系统中采用了负反馈的原理。反馈的概念已经成为控制系统分析与设计的基础。更复杂一点组合起来就要求考虑多个数控变量之间的关系，因此行程多变量控制系统与书本第三页的多变量控制系统的框图所画。那什么是控制系统关心的呢？控制系统关心的是分析与设计面向目标的系统。这种面向目标的策略产生了不同层次的面向目标的控制系统。现代控制理论格外关注具有自组织自学习自适应鲁棒性和最优性的特征的系统。一般来说，反馈控制是现代工业和社会生活的基本要素。反馈控制系统已经

6、在工业上获得了广泛的应用。你们日常生活中的汽车就大量运用了，对机器的控制汽车上采用了悬挂减震控制系统。驾驶操控控制系统可引起控制系统。许多新型汽车还装配了四轮驱动导向控制系统和防滑控制系统。不大的车子，蕴含的控制系统复杂而多样，且精密。在控制工程的许多方面理论发展超前于实际应用是顺理成章的。然而有趣的是在美国规模最大的工业电力工业中理论和应用的差距，却并不显著电力工业关心的基本问题是能量的储存控制和传输电力工业越来越多的采用计算机控制提高了能源利用效率并且发电站也越来越重视，实施废物排放控制。大型新的化发电站需要控制系统妥善处理，生产过程中各个变量之间的关系，以便提高发电量。这通常需要协同控制

7、就拿90余个操作变量。在环境问题越来越恶劣的现代。飞速增长的能源消耗和能源枯竭的威胁，让我们必须做出新的努力，对能源进行有效的自动化管理。控制工程对此做出的贡献不可小视。供应部门采用计算机进行能源控制统筹安排生产使耗能负荷平稳均匀，以便节约材料消耗。工程设计师工程师的中心工作，他是一个复杂的过程。分析和创新在其中占据着重要的地位。书中对设计的定义如下设计就是达到特定的目的构思或创建系统的结构组成和技术细节的过程。设计活动规划着一个特定产品或特定系列的诞生。设计是一项创新活动。工程师创造性的运他所拥有的知识和材料确定系统的结构功能和物理构成。其主要步骤是。一明确用户需求。二论证设计要求。三。开发

8、设计多种满足设计要求的解决方案，并加以评估。是选定解决方案，并加以详细技术设计和技术实现。其设计的复杂性源于设计过程中选择的多样性。在实际过程中有众多的设计方法设计工具设计思路及相关知识，可供选择难以取舍。设计复杂性还体现在拟定产品的技术设计规范设计要求时需要同时考虑的，因素太多太多，在一项具体设计工作中不仅要确定这些，因素的相对重要性，以竖直。或书面形式明确既定他们内涵，这无疑，更加增大了，设计的复杂性。实际来说控制系统可以用来一提高生产率二改善装置或系统的性能。而我自动化专业则通过自动操作或对生产过程装置或系统的控制等途径提高生产率和产品质量。通过对生产过程和机器设备的自动控制，可以生产可

9、靠和高精度的产品。随着消费类产品对柔性和适应性的需要越来越高，对柔性自动化系统和柔性机器人的令人兴趣盎然而又我们必须也可以有效因此来得到问题的最需求也在日益增长。所以说自动控制的理论和应用实践是一个内容丰富，非常实用的工程领域。我认为在设计过程反复迭代不断完善的过程中。地减小设计差一同时在复杂性性能和费用等指标之中达成必要的折中。优解。满足设计的需求。这大概是现代设计师们，着手解决的主要问题。到了第二章，系统数学模型。在我看来建立数学模型一直是所有所有问题中的重要环节。物理系统的数学建模。更是控制系统设计和分析过程中的关键环节。这尤其考验人们的数学能力。还记得初中物理老师给我说过一句话。物理学

10、到头就是学数学了。对此，我现在深有体会。这章介绍了物理系统的线性近似。他的其次性准则及线性系统满足叠加性和齐次性。因此，在特定的问题和场合中。小信号，假设常常是合理的，因此线性近似处理，具有相当高的精度。物理系统的线性化近似为拉普拉斯变换创造了应用空间。拉布拉斯变换能够用相对简单的代数方程来取代复杂的文分方程，从而简化了微分方程的求解过程。利用拉普拉斯变换求解动态系统时域响应的主要步骤为一建立微分方程，二求微分方程的拉普拉斯变换。三对感兴趣的变量，求解代数方程得到他的拉普拉斯变换。是求解感兴趣，变量的拉普拉斯逆变换。线性系统的传递函数定义为当两个变量的初值都假定为零时输出变量的拉普拉斯变换与输

11、入变量的拉普拉斯变换之比。本章节中绝大部分都是对数学模型和数学计算微分方程矩阵相乘传递函数的相关内容。在传递函数的基础上，本章研究了系统的方框图模型可以用方框之间的关系来表示系统内部各元件之间的关系。此外本章还研究了另外一种基于传递函数的系统模型及信号流图模型并研究了梅森信号流图，这一公式。可以看出在研究复杂，反馈系统和变量之间的关系时，梅森公式是非常有效的，他不需要对流图进行各种化简或变换就能够求得各变量之间的关系式，这是信号流图方法的一个突出优点。状态空间模型。识别控制系统是指一个或多个系统参数会随时间变化的系统。所谓食欲是指数学模型，以时间尺度t为基本变量来描述系统及其响应。所谓系统状态

12、是指表示系统的一种变量，只要知道这组变量的当前取值情况，知道了，输入信号和描述系统动态特征的方程就能够完全确定系统未来的状态和输出响应。在给定当前状态，输入激励和系统动态方程的条件下状态变量描述了系统的未来响应。食欲方法采用状态空间模型来描述系统。下面介绍第一章就提出过的反馈控制系统。在说明反馈控制系统之前还要介绍偏差信号的概念。控制系统是由控制原器件构成的，能够产生预期响应的系统由于系统的预期输出响应是已知的，因此在获得实际输出之后就可以得到预期输出和实际输出之间的偏差与这种偏差成比例的信号就是偏差，信号。将该信号以闭环方式用来控制受控对象就构成了所谓的闭环控制系统。对于控制系统而言，通过引

13、入反馈来提升系统性能是非常必要的。从波罗音乐行讲反馈是这些系统的固有特性。人的心理控制系统就是一个反馈系统。不过开环系统不带有反馈，输入信号能直接产生输出响应。闭环系统就能够将观测得到的输出信号与预期的输出信号进行比较，产生偏差信号，并通过控制器利用改信号来调节执行机构。那么反馈，为什么能够改善系统性能呢？书中通过引入跟踪误差信号即偏差信号的概念来解释说明这一点。跟踪误差信号为参考输入减去输出信号得到E(s)。在经过闭环系统的输出y。和开环传递函数L。灵敏度函数s。补灵敏度函数c。最终得到跟踪误差信号E的最终表达式。E=SR-SGR。控制系统对受控对象参数变化的灵敏度是非常重要的系统特征之一。

14、而闭环反馈控制系统有个基本优点就是能够降低系统的灵敏度。系统灵敏度是指当变化量为微小增量时系统传递函数的变化率与受控，对象传递函数的变化率之比。显然开环系统对受控对象，这的变化的灵敏度为一。而闭环系统的灵敏度，则可由书179页单位碧环反馈系统传递函数得到。毫无疑问。事物总有两面性。在了解在控制系统中引入反馈环节诸多优点后。你要清楚明显的代价。那么就是。增加了元器件的数量，提高了系统的复杂程度。在设计实现反馈环节时必须在系统中增加1些反馈器件，其中最为关键的是测量器械，如传感器。而且在控制系统中传感器往往是最昂贵的器件，此外传感器自身特性，决定了必然会产生测量噪音，从而影响系统的精度。引入反馈的

15、第二个代价是增益的损失。但实际上闭环系统对参数变化和干扰的灵敏度也缩减到了开环系统的1/(1+Gc(s)G(s)所以。我们宁愿损失一定的开环增益来换取对系统响应的调控能力。确保闭环控制系统稳定工作是控制系统设计的核心环节，当输入有界时，稳定的系统，所产生的输出响应也应该是有界的，这称为有借输入-有界输出稳定性。反馈控制系统的稳定性与传递函数的特征根或者状态空间模型中系统矩阵的特征值在s平面上的位置密切相关。劳斯赫尔维兹判据，这是一种非常实用的系统稳定性分析方法。利用该方法判断系统是否稳定时无需具体求出系统特征值就能够直接得到分布在s右半面内的特征根的个数。利用劳斯赫尔维兹判据可以为系统参数选择

16、合适的取值，以确保闭环系统的稳定。纵观所有控制系统，控制工程和设计。稳定性都是极其重要的，系统特性。因为在实际应用中不稳定的系统，它的使用价值不大。一个闭环反馈系统或者是稳定或者是不稳定的，这里所说的稳定是指绝对稳定性而具有绝对稳定性的系统称为稳定系统。对于稳定系统，我们还可以进一步引入相对稳定性的概念，以便衡量其稳定程度。文件系统是指在邮件输入作用，下输出响应也是有界的动态系统。反馈系统稳定的充分必要条件是系统传递函数的所有极点均有负的实部。如果系统传递函数的所有极点，并不都是位于s平面的左半部分系统将是不稳定的。如果特征方程在虚轴上，只有简单的共轭根。而其他根均位于s左半平面，那么，对一般

17、的有界输入激励系统的稳态输出，保持持续振荡而当输入为正弦波，且正弦波的频率等于，须根的扶植，时，系统的，叔叔还会变成无界振荡，由于，只对特定的有界输入产生，无界输出，这样的系统称为，临界稳定系统。劳斯赫尔维兹判据指出特征方程q(S)=0的正实部根的个数等于劳斯判定表第一列元素的正负符号的变化次数。既然闭环特征根在s平面上的位置分布，对反馈系统性能有着非常重要的影响。那么该如何分析设计反馈控制系统呢？本书第七章介绍了根轨迹法。根轨迹是当系统的某参数发生变化时闭环特征方程的根在s平面上的变化轨迹。书中介绍了如何手工绘制根轨迹草图又如何用计算机绘制跟轨迹以及根轨迹在设计中的作用。绘制根轨迹，一共有七

18、个步骤。第一步绘制根轨迹的准备工作。失踪第342页，有详细的推导过程再次不做赘述。直接引用的结论是当k从零到无穷大增加时特征方程一加kp等于零的根轨迹，其属于p的极点中止与于p的零点。第二步。确定十轴上的根轨迹段摄入上的根轨迹段总是位于奇数额开环零点和极点的左侧。第三铺。跟国际严建莘县趋向于无穷远处的开环零点渐进线与十轴的交点为&a，与十轴有公共的焦点及鉴定中心qa。第四步，如果根轨迹通过虚轴则用劳斯赫尔维兹判据确定根本既与虚轴的交点第五步确定是轴上的分离点，如果有的话。根据相角条件在分离点处各条根轨迹分支的切线均分360度。第六步应用相角条件。确定根伟绩离开开环极点的出射角和进入开环零点的入

19、射角。根轨迹离开开环极点的出射角等于相角的主值。该相角差。等于个开环零点到该几点的向量的相角之和减去其他开环几点到？该几点的向量的相角之和。主值用(2k+1)180调整得到。最后一步，第七步是完成整个根轨迹草图的绘制主要是补足前面六个步骤中没有涉及的根轨迹部分。如果需要绘制精准的给滚继则建议，利用计算机辅助软件。见书7.8节。接着是工业过程控制中广泛采用的一种控制器也就是所谓的三项控制器及PID控制器。该控制器传递函数的三个组成部分分别是一个比例象一个积分项一个微分项。当kd等于零就得到了比例积分控制器pi。当ki等于零则得到了比例微分控制器pd。prd控制器在工业生产过程中得到了广泛的应用，

20、这方面是由于pid控制器能在各种不同的工作条件下表持较好的工作性能，那方面也是由于它们的功能简于使用为了实现这样的控制器必须针对三个不同的控制对象，确定三个参数。比例环节增益kp积分环节增益kr和微分环节增益kd。在频率响应法一章中给出了大量的反馈系统框图以及图像。介绍了，如何绘制伯德图讨论了频域性能，指标与时域性指标的联系，究极例说明了控制系统的频率设计方法。谈到稳定性就要来说一下纳奎斯特稳定判据。走在1932年，纳奎斯特就提出了频域内的稳定判据。时至今日，那奎斯特稳定判据仍然是研究线性控制系统相对稳定性的基本方法，他的理论基础是复变函数，理论中的柯西定理，柯西定理给出了关于s复面上围线映射

21、的结论。幸好。不需要严格的理论推导，也能理解柯西定理基本内涵。柯西定理通常也称为相角定理。奈奎斯特稳定判据可以表述为。当I在s右半平面内没有极点时，闭环反馈控制系统稳定的充要条件是。l平面上的映射像围线不包围(-1，0)点。如果l在s右半平面上有积淀。则奈奎斯特稳定判据又可以一般的表示为。闭环反馈控制系统稳定的充要条件是l在s平面上的映射像围线沿逆时针方向包围(-1,0)点的周数,等于l在s右半平面内极点的个数。相对稳定性与耐斯特判据。在s平面上用每个或每对闭环特征根的相对调节时间来衡量系统的相对稳定性。系统调节时间越短，相对稳定性就越好。系统相对稳定性的描述，需要一种度量，指标，这个相对稳定

22、性指标成为系统的增益裕度。它的定义为：当|L(jw)|的相角为-180度时的L(jw)幅值的倒数。迄今为止在讨论控制系统的奈奎斯特稳定判据时，我们遇到的频率特定函数都是Jw的有理分式。事实上，我们还会遇到很多，含有时延环节的控制系统，时延是指系统中某点所发生的事件与他在另一点所产生的效应之间的时间间隔，时延环节将会影响反馈系统稳定，幸运的是，可以用奈奎斯特稳定判据来确定实验还你，对反馈系统稳定的影响。简单来说，也就是利用奈奎斯特稳定判据可以在频域内判定反馈控制系统的稳定性在此基础上内科斯特判据还引入两种相对定性质不要即增益裕度和相角裕度。在进一步研究了频率响应与瞬时向频率响应极坐标图上的等m圆

23、和等n圆可以直接得到系统的闭环频率响应。利用传递函数的奈奎斯特图伯恩图尼科尔斯图根轨迹图相对稳定性指标等信息及相应说明。确定开环传递函数之后，另表中的信息设计师们就可以确定或预测系统的性能决定是否采纳或更改控制器Gc(s)的设计。第九章后面附了典型传递函数的图谱并带有相关说明。让人明白稳定与否及其优缺点。第十章反馈控制系统设计。下午们讲述了反馈控制系统，还可以用来矫正网络的设计问题。第十章首先介绍了常用的超前校正网络和滞后校正网络，最后介绍如何用根轨迹法和伯德图法来设计所需要的校正网络，并结合几个例子说明这两个校正网络的应用经过矫正设计的系统可获得更好的预期性能。为了提高控制系统的稳态跟踪精度

24、，本章还重新讨论了比例积分pi控制器。闭环控制系统的设计应该包括重新规划与调整系统结构，配置合适的校正装置和选取适当的系统参数等多项工作。而所谓的校正装置就是指为了弥补控制系统性能的不足而引入的附加元件或电路。在闭环系统内，可以按照不同的形式来配置校正装置，并且通常将校正装置的传递函数记为G本章还提出了最小节拍响应的概念。在第11届设计具有最小街拍想要的系统中指出，最小结拜响应就是指以最小的超调量快速到达稳态响应的允许波动范围，并能够持续保持在该波动范围之内的时间响应。最小节拍响应定义为具有如下特征的响应。一稳态误差为零二具有快速的响应及具有最小的上升时间和调节时间。三。超调量。小于等于2%大

25、于等于0.1%。是欠条量小于2%。毫无疑问，只要条件允许，我们现在总是希望用计算机来设计校正网络。在之前介绍过校正网络设计方法中都有试错和重复设计的特性，而开发算法并借助计算机程序进行辅助设计则是另外一种重要的设计方法。在第11章状态变量反馈系统设计的第七节有一个引人注目的标题及最优控制系统。毫无疑问，最优解一直是我们和共同师所想要找到的最终结果。设计最优控制系统本来就是控制工程师的重要职责，他的目的在于选用合适可用的物理元件来设计控制系统，使之实现预期的操作性能，通常用时域指标来表征系统的预期性能，例如阶跃响应的最大调量和上升时间等，而系统的稳态和渗碳性能指标通常是食欲指标。表中控制系统的性

26、能还可以用综合性能指标来表征，因此，turnon把系统的设计目标确定为十系统的综合性能指标最小化，例如误差平方和积分指标的最小化的。经过校正并使性能指标达到了最小化的系统，就称为最优控制系统。这样做的目的就是使系统的误差最小，用来达到理想的状态。里卡蒂方程适合于利用计算机编程的方式求得其数值解，由此得到的最优控制器通常称为新型二次调节器。讲了这么多，其实都是在假设已经知道了受控对象和控制器的模型，知道他们的各种定长参数。但是在实际情况下总会有各种不确定因素，也很难有模型精确地描述物理系统及其外部运行的环境，他们都可能发生不可预测的变化，也可能会明显地受到扰动的影响。因此当存在显著的不稳定因素，

27、使控制系统设计就必须研究如何设计出一个鲁棒系统。所以第12章着重介绍鲁棒控制系统先进提出的控制系统设计方法都考虑了系统存在的不确定性的情况，将系统鲁棒性包括稳定度鲁棒性和性能鲁棒性作为关注的重点。实际情况中存在的不确定因素有参数的变化。为建模动力学。为建模时延。平衡点的变化。传感器噪声。不可预测的干扰输入。传感器的噪声在之前讲过，也就是闭环中反馈系统增加元件时就会有传感器的噪声，也是其中的一个缺点。鲁棒系统设计的目标就是在模型不太准确或存在其他变化因素条件下时，系统仍然能够保持预期的性能，模型的变化或模型的不精确会造成系统性的变化，如果这些改变是可以接受的，那么这样的系统就称为鲁棒系统。看了鲁

28、棒系统的定义，自然而然的就会想到灵敏度的问题。鲁棒性越强，它灵敏度就越小。受到外界扰动的变化也就越小。鲁棒系统可以与其他各个控制系统相结合起来。形成鲁棒内模控制系统。鲁棒PID控制器。或者鲁棒控制系统。以及其他各种系统。我想鲁棒性的系统是毫无疑问非常重要的，应在实际情况兴总是会出现各种不可控因素，永远不会出现我们所设计的理想状态。三十多年来，计算机的价格急剧下降，可靠性却显著提高，人们越来越多地采用数字计算机作为闭环控制系统的校正装置或控制器。在一个采样周期t之内，计算机可以完成大量的计算。并提供输出信号来驱动系统的执行机构。计算机控制系统已广泛应用于化工过程控制，飞行控制，机床控制等诸多领域

29、，并将越来越普及。Z变换方法可以用来分析采样控制系统的稳定性和系统响应，用来设计合适的计算机控制系统。附录AB还分别介绍了MATLAB基础知识和MathScript入门知识。总而言之，整本书给人的感受是与时俱进，论证清晰。实乃领域内一本煌煌巨著，不难发现作者其用心的良苦。初读此书让我大开眼界，了解专业知识的同时还顺便科普了许多其他知识。译者们翻译的也相当出色，相信他们都秉承了精益求精的原则，字里行间中追求着“信、达、雅”的目标，使得书籍读起来严谨流畅。但是并非是指形式上严格追求绝对的“信”，译者为了使我们的读者方便理解，做了一些处理，并适当的增加了自己的注释。这本译著在未来我仍然要继续阅读重新阅读，更深一分。相信随着我其他知识的进步，对此书的理解会