数字控制系统分析与设计（原书第4版） 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

本书是数字控制课程畅销教材之一，着重于数字和离散时间控制系统的分析与设计，特别介绍了卫星天线跟踪指向控制系统、机器人控制系统和温度控制系统等，增加了根轨迹的设计和傅里叶变换的内容。全书提供400个问题和130个MATLAB程序实例，让学生体验和学习更多的技能。本书可作为工科自助化、计算机、电子工程数字控制相关课程的教材，也可供工程师参考。

出版者的话

译者序

前言

第1章　引言1

1.1　概述1

1.2　数字控制系统2

1.3　控制问题3

1.4　卫星模型4

1.5　伺服电动机系统模型5

1.6　温度控制系统8

1.7　单机无穷大电力系统9

1.8　小结11

参考文献11

习题11

第2章　离散时间系统及z变换16

2.1　引言16

2.2　离散时间系统16

2.3　变换法17

2.4　z变换的性质19

2.5　求z变换23

2.6　求解差分方程24

2.7　z反变换26

2.8　仿真图和信号流图31

2.9　状态变量33

2.10　其他状态变量公式39

2.11　传递函数45

2.12　求解状态方程47

2.13　线性时变系统51

2.14　小结51

参考文献52

习题52

第3章　采样与重构59

3.1　引言59

3.2　采样控制系统59

3.3　理想采样器61

3.4　对E(s)的估计62

3.5　傅里叶变换结果64

3.6　E(s)的性质65

3.7　数据重构67

3.8　小结72

参考文献72

习题73

第4章　开环离散时间系统76

4.1　引言76

4.2　E(z)与E(s)的联系76

4.3　脉冲传递函数77

4.4　含数字滤波器的开环系统80

4.5　改进的z变换82

4.6　时间延迟系统84

4.7　异步采样86

4.8　状态变量模型88

4.9　连续时间状态变量回顾89

4.10　离散时间系统的状态方程91

4.11　程序计算94

4.12　小结95

参考文献95

习题95

第5章　闭环系统103

5.1　引言103

5.2　初步概念103

5.3　推导105

5.4　状态变量模型109

5.5　小结115

参考文献115

习题115

第6章　系统的时间响应特性122

6.1　引言122

6.2　系统的时间响应122

6.3　系统特征方程127

6.4　s域到z域的映射128

6.5　稳态精度132

6.6　仿真134

6.7　控制软件137

6.8　小结137

参考文献137

习题137

第7章　稳定性分析143

7.1　引言143

7.2　稳定性143

7.3　双线性变换146

7.4　劳斯赫尔维茨准则147

7.5　朱里稳定性测试149

7.6　根轨迹151

7.7　奈奎斯特准则154

7.8　伯德图159

7.9　解释频率响应161

7.10　闭环系统的频率响应161

7.11　小结168

参考文献168

习题168

第8章　数字控制器设计175

8.1　引言175

8.2　控制系统特性175

8.3　补偿179

8.4　相位滞后补偿180

8.5　相位超前补偿184

8.6　相位超前设计方法186

8.7　滞后超前补偿191

8.8　积分滤波器和微分滤波器193

8.9　PID控制器194

8.10　PID控制器设计197

8.11　基于根轨迹的设计202

8.12　小结212

参考文献212

习题212

第9章　极点配置与状态估计219

9.1　引言219

9.2　极点配置219

9.3　状态估计224

9.4　降维观测器232

9.5　实时观测器236

9.6　能控性与能观性239

9.7　具有输入的系统242

9.8　小结245

参考文献245

习题246

第10章　离散时间系统的系统辨识250

10.1　引言250

10.2　静态系统的辨识250

10.3　动态系统的辨识252

10.4　黑箱辨识253

10.5　小二乘系统辨识257

10.6　部分零极点已知下的传递函数估计261

10.7　递归的小二乘系统辨识法262

10.8　辨识过程中的现实因素265

10.9　小结266

参考文献266

习题267

第11章　线性二次控制270

11.1　引言270

11.2　二次代价函数271

11.3　准则272

11.4　线性二次控制设计274

11.5　小值原理279

11.6　稳态控制280

11.7　状态估计——卡尔曼滤波284

11.8　小二乘函数的小化288

11.9　小结289

参考文献289

习题290

第12章　案例研究295

12.1　引言295

12.2　伺服电动机系统295

12.3　人工气候室控制系统300

12.4　飞机着陆系统303

12.5　新生儿供氧系统308

12.6　电力系统模型拓扑辨识316

参考文献320

附录Ⅰ　设计方程321

附录Ⅱ　梅森增益公式322

附录Ⅲ　对E*(s)的估计325

附录Ⅳ　矩阵328

附录Ⅴ　拉普拉斯变换333

附录Ⅵ　z变换表343

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前言

本书适合作为高年级本科生或一年级研究生离散时间控制系统方面的教材，也可作为执业控制工程师的自学读本。

　　本书基于奥本大学、北卡罗来纳州立大学的离散时间系统课程以及美国和欧洲的短期集中课程中的教学内容。受那些参加短期集中课程的执业工程师的影响，本书的内容和定位更侧重数字控制系统设计及实现的实际问题。

　　第1章对全书内容梗概进行了简要介绍。第2~11章讲述线性离散时间系统的分析和设计问题，这时，知晓一些连续时间系统的知识将非常有助于理解相关的内容，所涉及的数学知识是z变换和向量矩阵差分方程，这些内容在第2章讲述；第3章的议题非常重要，讲的是采样信号、采样器及数据保持器的数学模型，该模型是本书后续内容的基础，其中特别强调了其内涵及应用局限。

　　接下来，第4~7章讲解如何将第2章的数学方法应用到离散时间系统（特别是数字控制系统）的分析中。第8章介绍经典的设计方法——基于频率响应的伯德图法，现代设计方法安排在第9~11章。第12章就离散时间控制系统的设计问题给出了几个实际案例研究。本书各章均强调使用MATLAB软件对相关问题的实现进行计算机辅助分析和设计。

　　与前几版相比，第4版的变动内容如下：

　　●在全书各章追加了基于MATLAB的应用举例；　　●新增一章（第11章）讲述系统辨识问题；　　●对大部分章节内容增补了习题；　　●对章后习题进行了重新编号，以便于将习题与正文内容对应起来；　　●第8章增加了基于MATLAB pidtool工具包的设计方法；　　●第12章添加了两个案例研究；　　●删掉了关于数字滤波器实现方法的内容（上一版的第11～14章及附录Ⅴ和附录Ⅵ），以节省篇幅，并使读者将更多的精力放到控制系统设计上。

　　章后习题与章内基本内容相辅相成。章内的多数例题配置了小段MATLAB程序，并给出了计算机执行那段程序的结果，对这些程序稍做修改，就可用于对章后习题的求解。

　　为了帮助教师用好本书，我们制作了一套PPT及含有章后习题答案的手册。作者认为，章后习题是本书不可或缺的部分，所有使用本书的人应该充分利用它们。索取章后习题答案及PPT材料的请求可直接发给本教材外方出版商（service.cn@pearson.com）。

　　在奥本大学，基于本书第2～11章讲述的控制内容开设有三门课程。其中，第2～8章用于开设一门研究生课程，占4学分系列课程中的1个学分，而北卡罗来纳州立大学则将其用于一门3学时的课程；还可以将2～8章用于20学时的本科生课程，不过这时应删减掉许多内容，如状态变量、改进的z变换、非同步采样、闭环同步采样等；第3种课程所获学分为3学分系列课程中的1/3学分，这时应先修前述的一种课程，课程中，先介绍第2章状态变量的内容和第4章的状态变量模型，然后详细讲授第9～11章的现代设计方法。本教材已经在北卡罗来纳州立大学使用，他们用书中第2～11章的内容在近期组织了一门一学季3学分的课程，同时完成了与之配套的PPT。

　　后，衷心感谢我们的许多同事、研究生、本科生，以及奥本大学电气工程系的工作人员，他们促成了本书前三版的出版。特别感谢奥本大学电气工程系系主任J.戴维·欧文教授这些年来的帮助和鼓励。还要感谢在北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程系的同事和学生们对第4版教材的支持和所做的贡献。

　　奥本大学查尔斯L.菲利普斯　　北卡罗来纳州立大学H.特洛伊·内格尔　　北卡罗来纳州立大学阿兰尼亚·查克拉博蒂