动态系统的反馈控制（第四版）
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- 作者： [美]Gene F.Franklin,J.David Powell,Abbas Emami-Naeini [作译者介绍]
- 译者： 朱齐丹 张丽珂 原新 等
- 丛书名： 国外计算机科学教材系列
- 出版社：电子工业出版社
- ISBN：7505393332
- 上架时间：2004-6-14
- 出版日期：2004 年5月
- 开本：16开
- 页码：605
- 版次：4-1
- 所属分类：
计算机 > 计算机控制与仿真 > 现代控制理论
教材 > 研究生/本科/专科教材 > 工学 > 计算机
教材 > 计算机教材 > 本科/研究生 > 计算机控制仿真
编辑推荐
本书比较系统地阐述了反馈控制的基本理论、设计方法及在现实应用中遇到的许多实际问题。主要介绍了根轨迹法、频率响应法等古典控制理论及状态空间法、计算机控制技术等现代控制理论的设计手段、设计方法、实现技术以及分析工具等。本版注重实际应用，结合作者多年实际工作经验，列举了大量应用实例，虽然具有很大难度，但对本书理论的理解与掌握具有极大的帮助。本书的另一特点是大量引用了在控制系统分析与设计中广泛使用的计算机工具，如MATLAB和Simulink工具，并详细给出了计算程序和结果，对控制系统的分析与设计有极好的应用价值。另外，本书附录中给出了大量学习本书必需的基础理论及数学工具，并对每章精心设计的习题给出了解答，使全书更加完整，有利于工程技术人员的自学。作者在撰写本书时纳入了多年的教学经验，比较重视工程概念、实际问题和工程应用，基本理论和设计方法的讲解是循序渐进、逐步深入的，将有益于读者理解本书的内容。
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本书共分为9章，集古典控制与现代控制理论于一体。第1章通过实例综述了控制系统的组成及原理，同时详细介绍了控制理论的发展历史及主要人物；第2章至第4章为本书的基础，对动态系统的建模、动态响应进行了深入分析，在此基础上，得出反馈控制的基本特性及优越性；第5章至第7章为本书的核心，分别介绍了系统设计的三种有效方法——根轨迹法、频率响应法及状态空间法；在此基础上，第8章详细研究了控制规律的计算机实现，即数字控制理论，并提供了详细的设计方法；最后，第9章通过多个具体实例，综合了以上控制系统的设计手段，并总结了适合于一般控制系统设计的方法和步骤。此外，本书提供了大量关于控制理论的基础知识附录，对本书的学习有很好的帮助。
本书适用于自动控制专业的本科生及研究生、非控制专业研究生，也可供相关技术人员参考。
本书适用于自动控制专业的本科生及研究生、非控制专业研究生，也可供相关技术人员参考。
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本书提供作译者介绍
Gene F．Franklin
斯坦福大学电气工程专业教授。发表过多部著作．其中《自动控制系统》、《反馈控制理论》、《采样系统数字控制》等涉及了控制领域的绝大部分内容。研究领域为自适应控制、非线性控制、计算机控制等。
J．David Powell
斯坦福大学教授，1970年获得斯坦福大学航空航天专业博士学位，目前从事的专业是导航与控制，主要研究内容为航天飞船及地面车辆的GPS导航控制系统。
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斯坦福大学电气工程专业教授。发表过多部著作．其中《自动控制系统》、《反馈控制理论》、《采样系统数字控制》等涉及了控制领域的绝大部分内容。研究领域为自适应控制、非线性控制、计算机控制等。
J．David Powell
斯坦福大学教授，1970年获得斯坦福大学航空航天专业博士学位，目前从事的专业是导航与控制，主要研究内容为航天飞船及地面车辆的GPS导航控制系统。
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第1章 反馈控制简史与综述
概述
反馈控制介绍
1．1 一个简单的反馈系统
1．2 反馈的初步分析
1．3 简史
1．4 本书综述
小结
复习题
习题
第2章 动态模型
概述
动态模型介绍
2．1 机械系统动力学
2．2 状态变量形式的微分方程
2．3 电路模型
2．4 机电系统模型
2．5 热流量和液体流量模型
2．6 线性化和换算
小结
概述
反馈控制介绍
1．1 一个简单的反馈系统
1．2 反馈的初步分析
1．3 简史
1．4 本书综述
小结
复习题
习题
第2章 动态模型
概述
动态模型介绍
2．1 机械系统动力学
2．2 状态变量形式的微分方程
2．3 电路模型
2．4 机电系统模型
2．5 热流量和液体流量模型
2．6 线性化和换算
小结
译者序回到顶部↑
本书是斯坦福大学自动控制专业的本科生、研究生、非控制专业研究生的教材。到2002年该书已是第四版。与第三版相比，增加了近年来控制系统在理论和应用方面的最新研究成果，并对一些关键部分的理论描述进行了修改，尤其充分强调了当今计算机技术在控制系统设计中的广泛应用，使本书更具有先进性和实用性，对提高教学效果也有很大帮助。
本书比较系统地阐述了反馈控制的基本理论、设计方法及在现实应用中遇到的许多实际问题。主要介绍了根轨迹法、频率响应法等古典控制理论及状态空间法、计算机控制技术等现代控制理论的设计手段、设计方法、实现技术以及分析工具等。本版注重实际应用，结合作者多年实际工作经验，列举了大量应用实例，虽然具有很大难度，但对本书理论的理解与掌握具有极大的帮助。本书的另一特点是大量引用了在控制系统分析与设计中广泛使用的计算机工具，如MATLAB和Simulink工具，并详细给出了计算程序和结果，对控制系统的分析与设计有极好的应用价值。另外，本书附录中给出了大量学习本书必需的基础理论及数学工具，并对每章精心设
计的习题给出了解答，使全书更加完整，有利于工程技术人员的自学。作者在撰写本书时纳入了多年的教学经验，比较重视工程概念、实际问题和工程应用，基本理论和设计方法的讲解是循序渐进、逐步深人的，将有益于读者理解本书的内容。
GeneFFranklin是美国加州斯坦福大学电气工程专业教授。他的研究领域为自适应控制、非线性控制、计算机控制等，有多部著作，其中《自动控制系统》、《反馈控制理论》、《采样系统数字控制》等著名的著作涉及了控制领域的绝大部分内容。Franklin教授曾于1994年为IEEE年会做过专题讲座。J．DavidPowell是美国加州斯坦福大学教授，目前从事的专业是导航与控制，主要研究航天飞船及地面车辆的GPS导航控制，在控制系统领域里有两部著作，发表过100多篇科技论文。两位作者均是当今世界知名的控制理论学者中的佼佼者。
总之，本书是颇具特色的经典高校教材，自它问世以来，已受到很多读者和有关专家的好评。鉴于以上原因，特将此书第四版译成中文，供高等院校有关专业的师生、工程技术人员和对反馈控制感兴趣的读者参考使用。
本书第1章至第3章、第9章由朱齐丹、张秀苹翻译，第4章至第6章由张丽珂、刘舟翻译，第7章、第8章及附录由原新、胡陵山翻译，温素芳、高尔龙、宋雪良、韩新宇、张惠君也参加了翻译工作，最后由赵国良教授对全书进行了审校。
限于译者水平，译文中定有许多不妥之处，敬请读者批评指正。
本书比较系统地阐述了反馈控制的基本理论、设计方法及在现实应用中遇到的许多实际问题。主要介绍了根轨迹法、频率响应法等古典控制理论及状态空间法、计算机控制技术等现代控制理论的设计手段、设计方法、实现技术以及分析工具等。本版注重实际应用，结合作者多年实际工作经验，列举了大量应用实例，虽然具有很大难度，但对本书理论的理解与掌握具有极大的帮助。本书的另一特点是大量引用了在控制系统分析与设计中广泛使用的计算机工具，如MATLAB和Simulink工具，并详细给出了计算程序和结果，对控制系统的分析与设计有极好的应用价值。另外，本书附录中给出了大量学习本书必需的基础理论及数学工具，并对每章精心设
计的习题给出了解答，使全书更加完整，有利于工程技术人员的自学。作者在撰写本书时纳入了多年的教学经验，比较重视工程概念、实际问题和工程应用，基本理论和设计方法的讲解是循序渐进、逐步深人的，将有益于读者理解本书的内容。
GeneFFranklin是美国加州斯坦福大学电气工程专业教授。他的研究领域为自适应控制、非线性控制、计算机控制等，有多部著作，其中《自动控制系统》、《反馈控制理论》、《采样系统数字控制》等著名的著作涉及了控制领域的绝大部分内容。Franklin教授曾于1994年为IEEE年会做过专题讲座。J．DavidPowell是美国加州斯坦福大学教授，目前从事的专业是导航与控制，主要研究航天飞船及地面车辆的GPS导航控制，在控制系统领域里有两部著作，发表过100多篇科技论文。两位作者均是当今世界知名的控制理论学者中的佼佼者。
总之，本书是颇具特色的经典高校教材，自它问世以来，已受到很多读者和有关专家的好评。鉴于以上原因，特将此书第四版译成中文，供高等院校有关专业的师生、工程技术人员和对反馈控制感兴趣的读者参考使用。
本书第1章至第3章、第9章由朱齐丹、张秀苹翻译，第4章至第6章由张丽珂、刘舟翻译，第7章、第8章及附录由原新、胡陵山翻译，温素芳、高尔龙、宋雪良、韩新宇、张惠君也参加了翻译工作，最后由赵国良教授对全书进行了审校。
限于译者水平，译文中定有许多不妥之处，敬请读者批评指正。
前言回到顶部↑
本书为第四版，在保留了前几版精华的基础上，修改了我们认为能改进理论叙述、提高教学效果的关键部分，更好地利用了计算机技术在控制系统设计中的长足进步，尤其注意了MATLAB和Simulink工具箱的使用。
本书的基本结构没有改变，还是利用根轨迹、频率响应和状态变量方程三种方法，把控制系统的分析和设计结合起来。本书仍然包含大量精心设计的实例，大多是本版新增的，以促进对所学内容的理解。为帮助学生检验所学的内容，每章都提供了大量习题，并且书后附有答案，这是本书的一个新特性。同时整本书都做了一些适当的更改，尤其要特别注意第3章对拉普拉斯变换的介绍、第4章对反馈的介绍以及每章末尾习题的编排和描述。
在介绍设计方法的核心三章中，为引导学生在理解的基础上进行设计，我们仍希望学生学习如何用手工而不用计算机进行基本的计算。然而，与以前版本不同，我们不再重点强调手工计算，而是更多地引入了上述在控制系统分析和设计中广泛使用的计算机工具。比如，不再标注需要计算机计算的问题，而期望同学们在每种情况需要时自己应用计算机。
众所周知，在嵌入式计算机中实现的控制器越来越多，因此，在第4章中介绍了数字控制。同时，在多种情况下，对模拟控制器的反馈系统和相应的数字控制器的反馈系统的响应进行了比较。像以前一样，本书收集了全部MATLAB中用于产生本书图形的、扩展名为“.m”的文件，读者可到网站http：//www．prenhall．com/franklin或SC Solutions公司的首页http：//scsolutions．com/scsolutions．control．html去查阅这些文件。
作为控制理论的典型应用，第9章给出了大量的实例。本版的实例还加入了计算机硬盘南写磁头组件控制系统和集成电路制作中快速热处理器的硅片温度控制系统。
我们认为第四版讲述的内容给教学提供了很好的支持，为控制理论的学习提供了强有力的动力，也为满足反馈控制理论的深层次学习奠定了坚实的基础。
面对教育的挑战
反馈控制专业的学生面对的教育挑战中有些是长期的，而其他挑战已在最近几年中初露端倪。一些挑战会贯穿学生们整个技术教育的始终，而其他挑战是这一相对复杂课程特有的。不论这些挑战是已存在的还是新出现的、一般的还是特殊的，我们接受的挑战对本书内容体系的形成至关重要。在此，将陈述几个教育上的挑战并针对每种挑战给出相应的解决办法。
·挑战：学生必须掌握设计与分析方法。
设计对所有工程尤其对控制系统而言是核心。同学们会发现设计问题及相应的处理实际应用的愿望对学生而言尤其具有挑战性；但同学们还会发现，由于设计问题的表述通常都不够具体，而且一般得不到惟一解，因此设计问题对学生们来说很难。但由于它固有的重要性及对学生的启发性影响，本书自始至终都在强调设计，使大家一开始就对求解设计问题满怀信心。
讲解了系统建模和动态响应之后，第4章开始重点介绍有关设计的内容。首先引入了反馈的基本思想，介绍了反馈对抑制扰动、跟踪精度及对参数变化健壮性的影响。然后以相同的方式介绍了根轨迹、频率响应及状态变量反馈的分析法。所有分析的目的在于为实现好的反馈控制设计提供一些必需的知识，在其中应用了并不复杂的数学推导，使得内容更加清晰易懂。
本书通篇列举了大量例子，以将不同设计方法得到的设计效果进行比较。在第9章的综合实例分析中，综合运用了所有的方法来处理复杂的现实世界的设计问题。
．挑战：将新思想引入到控制中。
控制是一个活跃的研究领域，不断有新概念、新思想、新方法交汇融合。在不久的将来，新方法会进人每个控制工程师必须掌握的技术之列。本书为那些既需要掌握传统控制方法又需要掌握现代控制手段的学生提供了有力支持。
在前面的几个版本中，尽量用几乎相同的学时讲述设计中使用的根轨迹、频率响应及状态变量法。本版将重点从借助计算机工具的手工设计方法转移到基于基本技术的计算机辅助设计方法。先前介绍的实现数字控制器设计的采样也包含在重新强调的内容之列。虽然为了节省时间，可以跳过这一内容而不会打断本书的连贯性，但我们认为有必要让同学们认识到越来越多的系统正在使用数字控制，而且最基本的数字控制方法很容易掌握。
遗憾的是，这一版并不介绍基于各种优化方法的混合控制或设计的重要内容。
·挑战：学生需要掌握大量信息。
大量系统在应用反馈控制，而且解决控制问题可用的方法也越来越多，这意味着当今学习反馈控制的学生必须了解许多新的思想。如何让学生在钻研冗长而复杂的教科书内容时能够保持清晰的思路?他们如何能辨认重点并得出结论?他们该如何复习考试?帮助大家完成这些任务是本版的一个原则。本页的附表总结了这些特点。
·挑战：反馈控制专业的学生来自于广泛的学科。
反馈控制是一个跨学科的领域，因为在每一个工程领域的系统中均可应用反馈控制。因此，一些学校在各标准学科中都开设了单独的关于控制的导论课程，还有一些学校，像斯坦福大学，开设了一系列可供许多学科的学生选修的课程。然而，把应用实例限制在某个领域内就会对反馈控制的应用范围及威力得不到全面认识，但要想覆盖所有的应用领域也很难。本书介绍了该专业跨学科的特性，并提供几种最常用技术的复习材料，以使各学科的学生都能够顺利掌握本书介绍的内容。第2章为具有良好变换分析基础的电子工程专业学生纳入了一些列写机械机构运动方程的内容；第3章为机械专业的学生介绍了拉普拉斯变换及控制中需要用到的动态响应。另外，我们也简要地介绍了一些其他技术，经常给出一些物理系统的运动方程，虽然没有推导过程，但给出了从响应的角度足可以理解的物理描述。本书给出的一些物理系统的例子，包括计算机磁带驱动读泻磁头系统、卫星跟踪系统、汽车发动机中燃料—空气比系统及飞机自动驾驶系统。
本书的基本结构没有改变，还是利用根轨迹、频率响应和状态变量方程三种方法，把控制系统的分析和设计结合起来。本书仍然包含大量精心设计的实例，大多是本版新增的，以促进对所学内容的理解。为帮助学生检验所学的内容，每章都提供了大量习题，并且书后附有答案，这是本书的一个新特性。同时整本书都做了一些适当的更改，尤其要特别注意第3章对拉普拉斯变换的介绍、第4章对反馈的介绍以及每章末尾习题的编排和描述。
在介绍设计方法的核心三章中，为引导学生在理解的基础上进行设计，我们仍希望学生学习如何用手工而不用计算机进行基本的计算。然而，与以前版本不同，我们不再重点强调手工计算，而是更多地引入了上述在控制系统分析和设计中广泛使用的计算机工具。比如，不再标注需要计算机计算的问题，而期望同学们在每种情况需要时自己应用计算机。
众所周知，在嵌入式计算机中实现的控制器越来越多，因此，在第4章中介绍了数字控制。同时，在多种情况下，对模拟控制器的反馈系统和相应的数字控制器的反馈系统的响应进行了比较。像以前一样，本书收集了全部MATLAB中用于产生本书图形的、扩展名为“.m”的文件，读者可到网站http：//www．prenhall．com/franklin或SC Solutions公司的首页http：//scsolutions．com/scsolutions．control．html去查阅这些文件。
作为控制理论的典型应用，第9章给出了大量的实例。本版的实例还加入了计算机硬盘南写磁头组件控制系统和集成电路制作中快速热处理器的硅片温度控制系统。
我们认为第四版讲述的内容给教学提供了很好的支持，为控制理论的学习提供了强有力的动力，也为满足反馈控制理论的深层次学习奠定了坚实的基础。
面对教育的挑战
反馈控制专业的学生面对的教育挑战中有些是长期的，而其他挑战已在最近几年中初露端倪。一些挑战会贯穿学生们整个技术教育的始终，而其他挑战是这一相对复杂课程特有的。不论这些挑战是已存在的还是新出现的、一般的还是特殊的，我们接受的挑战对本书内容体系的形成至关重要。在此，将陈述几个教育上的挑战并针对每种挑战给出相应的解决办法。
·挑战：学生必须掌握设计与分析方法。
设计对所有工程尤其对控制系统而言是核心。同学们会发现设计问题及相应的处理实际应用的愿望对学生而言尤其具有挑战性；但同学们还会发现，由于设计问题的表述通常都不够具体，而且一般得不到惟一解，因此设计问题对学生们来说很难。但由于它固有的重要性及对学生的启发性影响，本书自始至终都在强调设计，使大家一开始就对求解设计问题满怀信心。
讲解了系统建模和动态响应之后，第4章开始重点介绍有关设计的内容。首先引入了反馈的基本思想，介绍了反馈对抑制扰动、跟踪精度及对参数变化健壮性的影响。然后以相同的方式介绍了根轨迹、频率响应及状态变量反馈的分析法。所有分析的目的在于为实现好的反馈控制设计提供一些必需的知识，在其中应用了并不复杂的数学推导，使得内容更加清晰易懂。
本书通篇列举了大量例子，以将不同设计方法得到的设计效果进行比较。在第9章的综合实例分析中，综合运用了所有的方法来处理复杂的现实世界的设计问题。
．挑战：将新思想引入到控制中。
控制是一个活跃的研究领域，不断有新概念、新思想、新方法交汇融合。在不久的将来，新方法会进人每个控制工程师必须掌握的技术之列。本书为那些既需要掌握传统控制方法又需要掌握现代控制手段的学生提供了有力支持。
在前面的几个版本中，尽量用几乎相同的学时讲述设计中使用的根轨迹、频率响应及状态变量法。本版将重点从借助计算机工具的手工设计方法转移到基于基本技术的计算机辅助设计方法。先前介绍的实现数字控制器设计的采样也包含在重新强调的内容之列。虽然为了节省时间，可以跳过这一内容而不会打断本书的连贯性，但我们认为有必要让同学们认识到越来越多的系统正在使用数字控制，而且最基本的数字控制方法很容易掌握。
遗憾的是，这一版并不介绍基于各种优化方法的混合控制或设计的重要内容。
·挑战：学生需要掌握大量信息。
大量系统在应用反馈控制，而且解决控制问题可用的方法也越来越多，这意味着当今学习反馈控制的学生必须了解许多新的思想。如何让学生在钻研冗长而复杂的教科书内容时能够保持清晰的思路?他们如何能辨认重点并得出结论?他们该如何复习考试?帮助大家完成这些任务是本版的一个原则。本页的附表总结了这些特点。
·挑战：反馈控制专业的学生来自于广泛的学科。
反馈控制是一个跨学科的领域，因为在每一个工程领域的系统中均可应用反馈控制。因此，一些学校在各标准学科中都开设了单独的关于控制的导论课程，还有一些学校，像斯坦福大学，开设了一系列可供许多学科的学生选修的课程。然而，把应用实例限制在某个领域内就会对反馈控制的应用范围及威力得不到全面认识，但要想覆盖所有的应用领域也很难。本书介绍了该专业跨学科的特性，并提供几种最常用技术的复习材料，以使各学科的学生都能够顺利掌握本书介绍的内容。第2章为具有良好变换分析基础的电子工程专业学生纳入了一些列写机械机构运动方程的内容；第3章为机械专业的学生介绍了拉普拉斯变换及控制中需要用到的动态响应。另外，我们也简要地介绍了一些其他技术，经常给出一些物理系统的运动方程，虽然没有推导过程，但给出了从响应的角度足可以理解的物理描述。本书给出的一些物理系统的例子，包括计算机磁带驱动读泻磁头系统、卫星跟踪系统、汽车发动机中燃料—空气比系统及飞机自动驾驶系统。
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