译 者 序

今天， 各种自动化装置、 机器人、 无人工厂、 办公自动化设备、 农业自动化、 家庭自动化等形成的社会生产力， 在物联网技术革新和产业发展的浪潮助推下， 把人类社会引领到一个崭新的时代——智能自动化时代。虽然自动化装置的种类繁多并且应用领域十分广泛， 但是如何分析和设计自动控制系统的基本概念和基本理论却是不变的。因此， 控制工程师们需要对控制系统的特性和分析设计方法有一个基本的认识和了解。另外， 控制系统设计中所采用的许多技术和原理也在其他学科中有着广泛的应用。

本书在帮助读者掌握实际控制系统设计技术的全景过程中， 融会贯通了由基本概念到实际应用的思想。众所周知， 精通控制系统的具体分析和设计需要有一定的悟性和洞察力。坚实的理论基础只是确保充分地理解控制系统， 更为重要的是， 在实际工作中要能敏锐地判断系统的运行情况， 进而思考改进系统性能的方法， 而且要明白如何改进系统设计来满足期望的控制要求。本书的编排和讲解正是沿着这条有效的学习途径进行的， 即在对问题有一个很好理解的基础上， 再提出有效的系统设计方案， 并辅之以必要的仿真实验进行验证设计的结果。

本书涵盖了自动控制理论的基础知识， 重点强调了基本理论分析、 应用设计和技术案例实践， 具有以下鲜明的特点： ● 本书整合了自动化专业过去分散的专业课程， 将经典自动控制理论、 现代控制理论、 数字控制技术和非线性系统理论中的基础知识全部囊括其中， 知识体系清晰、 内容丰富， 适应当今社会对宽口径自动化专业学生的培养需求。

● 每章的开篇都提纲挈领地给出了本章的知识背景和控制要求， 也给出了全章的主要内容结构分布， 在每章末尾还给出了全章所讲述主题的发展历史， 并对关键的知识点及时地进行了小结， 有助于学生进一步理解所学知识， 形成完整的知识体系。

● 本书在介绍自动控制基础的分析和设计方法的同时， 还以丰富的设计实例配以翔实的设计步骤， 特别是第10章提供的来自实际问题的丰富而系统的案例研究， 让读者能充分体会到每一个设计细节， 有利于快速地培养起学生的分析和设计控制系统的能力。

● 配套网站若由于网络原因无法打开此网址， 读者也可登录华信教育资源网注册下载配套资源——编者注。提供了绘制本书中一系列图形的计算机仿真程序和学习帮助文件。书中和配套网站提供的MATLAB仿真程序为读者提供了验证、 分析和设计自动控制系统的范例， 让读者能够真实地体验到控制效果。本书的第1章和第2章由张拥杰翻译， 第3章和第4章由霍利超翻译， 第5章和第9章由黄桂英翻译， 第6章和第8章由刘贻杰翻译， 第7章由刘佰兰翻译， 第10章和附录由陈夏翻译。颜杰、 李坚明、 段鹏斌、 欧阳灿参与了本书译稿的整理和校对工作。全书由李中华负责统稿、 审校。

由于水平所限， 翻译不妥或错误之处在所难免， 敬请广大读者批评指正。

另外， 在本书付印之前， 我们得到了原书作者提供的勘误表， 因而在最短的时间内对其进行了逐一订正， 不尽之处请谅解。

前

本书第六版依然致力于控制理论的入门课程， 并且保留了过去版本的特点。在新版中， 我们实质上重写了描述反馈基本特性的第4章， 使得内容安排更合乎逻辑顺序， 组稿方式更为有效。还更新了使用计算机辅助设计方法的内容， 以更充分地反映当今的设计是如何实现的。同时， 我们还配备了控制系统工程师， 以更好地指导和检验计算机的计算结果。在内容的更新方面， 对MATLAB的使用也进行了更新， 包括了一些近期的软件功能。我们保留了第10章的案例研究， 并增加了关于新兴的生物工程领域的新案例。在每一章的增加了一个小节， 用于描述相关技术的发展历史， 这是为了阐述这些概念是如何提出的。

本书的基本架构保持不变， 依然包括利用根轨迹、 频率响应和状态变量方程三种途径实现的设计分析， 以及为阐明控制理论而精心准备的案例。跟过去一样， 为了帮助学生检验学习效果， 在每章的末尾提供了复习题， 并在书后附有答案。

在介绍设计方法的三个核心章节里， 我们依然希望学生能够掌握基本的手工计算方法， 并且能够快速地绘制出根轨迹或者伯德图的草图作为设计指导。鉴于MATLAB软件在控制分析与设计中的广泛应用， 本书较早地引入了MATLAB的使用。而且， 鉴于越来越多的控制器在嵌入式计算机中实现， 我们在第4章中还介绍了数字控制， 并且在大量的实例中对使用模拟控制器和数字控制器的反馈系统响应进行了比较研究。与以前一样， 给出了一系列的MATLAB文件(包括m文件和Simulink仿真文件)用来输出本书的图形。这些可用的文件， 可以通过网站找到。

对于Simulink文件， 通过相同网站上的链接可以获得等效的LabView文件。

我们删除了一些对于介绍控制设计入门知识帮助不大的内容。然而， 在意识到有些教师仍有可能讲授这些内容或者有些学生想要学习这部分内容， 因此， 将这部分内容放到了网站上。仅在目录中提供了相关题目。

第六版的内容安排符合教育学原理， 为学习控制理论提供了清晰的动机， 并为应对教学挑战打下坚实的基础。

教育挑战

在反馈控制学习中， 学生面对的有些挑战是长期存在的， 而有些挑战是近几年才新出现的。有些挑战伴随着他们的整个工科学习过程， 而有些挑战则是这门相对复杂的课程中所独有的。无论这些挑战是现存的还是新生的， 普通的还是特殊的， 它们对本书的不断修订都是非常关键的。下面介绍几个教育挑战， 并讨论我们的解决方法。● 挑战 学生必须掌握设计和分析方法设计是工程尤其是控制系统的核心工作。学生们将发现， 有机会解决实际应用问题的设计课题令人激动不已。但同时也将发现， 由于设计问题给定的描述不足以及解决方案的不， 所以导致设计变得困难起来。鉴于设计对学生固有的重要性和激励性， 整本书都对设计问题给予了相当的重视， 从头开始就树立解决设计问题的信心。

在学习了建模和动态响应后， 第4章将开始介绍设计问题。首先介绍的是反馈的基本思想， 描述了它对扰动抑制、 跟踪精度、 对参数变化的鲁棒性影响。随后， 在关于根轨迹、 频率响应和状态变量反馈方法的一致讨论中继续深入介绍设计方法。所有的论述旨在提供必要的知识， 以找到一个在数学上便于理解的优良反馈控制设计。

全书引用了大量的实例来比较或者对比采用不同设计方法得到的设计方案。在集中介绍案例研究的第10章， 我们将采用所有的方法来解决复杂的实际设计问题。● 挑战 不断地将新理念引入到控制中控制是一个活跃的研究领域， 因此， 不断有新的概念、 思想和技术涌入。其中一些内容很快就会发展成每个控制工程师都必须掌握的技术。本书将同时满足学生掌握传统和现代知识的双重要求。

在过去的每一个版本中， 我们都会尽力地赋予根轨迹、 频率响应和状态变量设计法对于控制的同等重要性。这一版继续强调对基本方法的掌握， 同时， 也重视用于详细运算的计算机实现方法。考虑到数字控制器在目前控制领域中的重要地位， 我们还将提前介绍数据采样和离散控制器。虽然跳过这部分内容对全书的流畅性并无损害， 但是我们认为， 让学生了解计算机控制的广泛应用程度以及计算机控制基本方法掌握的简易性， 这是十分重要的。● 挑战 学生需要管理大量的信息大量的系统应用到反馈控制， 而且控制问题的解决方案不断增多， 这意味着当今学习自动控制的学生必须掌握许多新的知识。学生们应该如何在冗长复杂的理论学习中保持敏锐性呢？如何确定重点和归纳总结？如何复习考试？帮助学生解决这些任务是第四版和第五版的准则， 同样也是第六版的准则。现将本书的特点列举如下。

特点

1. 章节开篇。每章以主题介绍和全章概述作为开始， 从整体上介绍该章的主题在学科中的位置， 并简要地概括该章各个小节的内容。

2. 页边注解"页边注解"和"蓝色强调"系指原英文版本的排本方式。在本翻译版本做了一些技术处理——编者注。。页边注解有助于提醒学生浏览每章的重点， 指出重要的定义、 公式和概念。

3. 加框显示。加框显示用于识别文中的重要概念。它们也用于总结重要的设计步骤中。

4. 章节小结。海报式的章节小结， 简要地重申关键的概念和结论， 有助于学生复习并区分重点。

5. 设计辅助大纲。为方便查阅， 将在设计和全书中用到的关系式集中地列出。

6. 蓝色强调。使用蓝色显示意义特别。(1)强调有用的教学特点； (2)强调在方框图中的特殊组件； (3)区分图中的曲线； (4)使物理系统的图像看起来更真实。

7. 复习题。在每章的末尾给出复习题， 并将答案附于书后， 用于指导学生自学。● 挑战 学习反馈控制的学生来自不同的学科控制可应用于工程中可以想到的任何领域， 因此反馈控制具有跨学科的特性。因此， 许多学校在各个传统学科中分别开设了控制导论课程， 而另一些学校(如斯坦福大学)开设了一系列供不同学科学生学习的课程。然而， 把实例限制在单一领域， 这牺牲了反馈的广度和影响力， 因此覆盖应用的整个范围是必然的趋势。本书体现了反馈控制的跨学科特性， 为许多最普遍的技术提供素材以方便各学科的学生使用。特别地， 针对在变换分析方面有良好背景知识的电气工程学科的学生， 我们在第2章介绍了机械运动方程。而针对机械工程师， 在第3章回顾了用于控制理论的拉普拉斯变换和动态响应。另外， 还简要地介绍了其他的技术。有时我们忽略了其推导过程， 而是从响应的角度， 运用易于理解足够的物理描述来列写物理系统的动态方程。本书介绍的物理系统实例， 包括计算机磁盘驱动器的读/写磁头控制、 卫星跟踪系统、 汽车引擎燃料空气比例控制和飞机自动导航系统。

内容提要

全书内容共分10章和3个附录。在一些章节的末尾， 使用△标注了高级的或增强的选学内容。在网站上还有附加的详细资料。基于上述内容的实例和问题也被标注了△。附录包括了背景资料和参考文献， 如拉普拉斯变换表、 每章末尾复习题的答案以及MATLAB命令列表。网站上的附录包括复数变量综述、 矩阵理论综述， 有关状态空间设计的一些重要结果、 MATLAB中RLTOOL命令的用法指导以及选学内容支持材料或几个章节的扩展知识。

第1章介绍了反馈的基本思想以及重要的设计问题。这一章还介绍了从古老的过程控制到飞行控制和电子反馈放大器的控制理论简史。希望这份简史能够阐明该领域的发展过程， 介绍对其发展起到重要作用的关键人物， 以此激发学生的学习热情。

第2章简要介绍了动态模型， 涉及机械、 电气、 机电、 流体以及热力学装置。这一章是可以跳过的， 或者可根据学生的需要来处理， 其出发点是作为复习要点来帮助学生厘清参差不齐的基础知识。

第3章阐述了用于控制理论的动态响应。尤其是对于电气工程专业的学生， 这一章的大部分内容已经学习过了。极点位置与暂态响应间的关系， 以及附加零点和极点对动态响应的影响， 对于许多学生来说还是新知识。动态系统的稳定性在本章也会涉及。这些都需要认真学习。

第4章介绍了反馈的基本方程和传递函数， 以及灵敏度函数的定义。利用这些工具， 可以通过扰动抑制、 精度跟踪以及误差敏感度对开环和闭环控制进行对比。根据跟踪多项式参考信号或者抑制多项式扰动的能力， 对系统分类和系统类型的概念一起做了描述。， 介绍了经典的比例、 积分、 微分(PID)控制结构， 讨论了控制器参数对系统特性的影响。在该章末尾的选修部分涉及了数字控制。

在第4章对反馈进行讲述后， 本书的核心内容， 即基于根轨迹、 频率响应和状态变量反馈的设计方法， 分别在第5章至第7章进行介绍。

第8章更详细地开发一些工具， 有助于在数字计算机中实现反馈控制设计。但是， 对于用数字计算机实现反馈控制的完整处理， 读者需要参阅Franklin、 Powell和Workman编写的同步教材Digital Control of Dynamic System(EllisKagle Press， 1998)。

第9章介绍了非线性内容， 涵盖运动方程的线性化方法、 变量增益的零记忆非线性分析、 描述函数的频率响应、 相平面、 李雅普诺夫稳定性定理和圆稳定性判据。

第10章将三种主要的设计方法综合应用在几个案例研究中， 建立了一个可应用于实际问题控制设计的设计框架。

课程结构

本书结构灵活。大多数初学控制理论的学生都掌握了动态方程和拉普拉斯变换。因此， 第2章和第3章的大部分对于他们可以起到复习的作用。用10周时间来复习第3章， 以及第1章、 第4章、 第5章和第6章的全部内容， 这是可能的。其中大部分的选学内容都可以跳过。在第二个10周的学习中， 可以顺利地完成第7章和第9章的学习， 包括选学的内容在内。若忽略选学的内容， 可以选择第8章的部分内容进行学习。一个学期能够顺利掌握第1章至第7章， 如有必要也可包含第2章、 第3章的复习内容。如果时间有余， 在学完这些核心内容后， 可以学习第8章关于数字控制的部分内容、 第9章关于非线性的部分内容和第10章的实例研究。

全书也可以实行三段10周教学法， 分为建模和动态响应(第2章、 第3章)， 经典控制(第4章至第6章)和现代控制(第7章至第10章)三个部分授课。

这两种基本的10周教学过程都已在斯坦福大学实践过， 可应用于高年级的控制学本科学生和没有学习过控制的航空航天类、 机械工程类和电气工程类的一年级的研究生。初级课程为复习第2章、 第3章并学习第4章至第6章。高级课程为研究生设计， 包括复习第4章至第6章， 并学习第7章至第10章。这些顺序化的安排， 弥补了研究生课程在线性系统方面的不足， 而且它们是数字控制、 非线性控制、 控制、 飞行器控制和智能产品设计的预备课程。许多的后续课程还包括了大量的实验。在学习本课程之前， 要求掌握动态系统或者电路分析和拉普拉斯变换的知识。

反馈控制课程的预备知识

本书针对所有工科专业的高年级学生。对于第4章至第7章的核心内容， 理解建模和动态响应的预备知识是必需的。通过过去的物理学、 电路和动态响应等方面的概念学习， 许多学生已经具有足够的背景知识来学习这门课程。对于需要复习的学生， 第2章和第3章可以弥补这一漏洞。

理解矩阵代数是理解状态空间的基础。尽管通过过去的数学课， 所有的学生都具备这方面的知识， 但是， 在网上的附录WE列写了一些基本的关系式， 对控制系统需要的特定知识也在第7章开始处给出。这里需要强调的是线性动态系统和线性代数之间的关系。

补充

前面提到的网站包括有可以用来输出本书所有MATLAB图形的m文件和mdl文件， 这些文件可以根据需要进行复制和使用。具有完整习题答案的教师手册也是可用的。网站同样包括了高级的内容和附录。

致谢

， 我们向为反馈控制理论发展到今天这个水平做出过贡献的学者， 特别是给予我们巨大帮助和建议的学生、 同事们致谢。尤其应该提到的是， 我们在与斯坦福大学控制理论导论教师A. E. Bryson、 Jr.、 R. H. Cannoon、 Jr.、 D. B. DeBra、 S. Rock、 S. Boyd、 C. Tomlin、 P. Enge和C. Gerdes的讨论过程中受益匪浅。其他帮助过我的同事还有D. Fraser、 N. C. Emami、 B. Silver、 M. Dorfman、 D. Brennan、 K. Rudie、 L. Pao、 F. Khorrami、 K. Lorell和P. D. Mathur。

还要特别地感谢为本书几乎全部的习题提供答案的同学们。

Gene F.Franklin

J.David Powell

Abbas EmamiNaeini

斯坦福大学， 加利福利亚