作 者 简 介
Richard C. Dorf是美国加利福尼亚大学戴维斯分校的电气与计算机工程教授。作为在电子工程专业及其应用领域内的知名学者，Dorf教授已经成功撰写和编著出版了多本工程类教科书和手册，其中，Engineering Handbook，Second Edition和Electrical Engineering Handbook, Third Edition两书畅销不衰。同时，Dorf教授还是Technology Ventures一书的合著者之一，这是技术创业领域中最具指导意义的书籍之一。Dorf教授是电气和电子工程师学会（IEEE）会士和美国工程教育者学会（ASEE）会士，一直活跃在控制系统设计和机器人等研究领域。Dorf教授还是PIDA控制器的专利持有者。Robert H. Bishop是美国马凯特大学工学院院长。在受聘马凯特大学之前，他在得克萨斯大学奥斯汀分校航天工程与机械工程系任教20年，是该校的杰出教授，拥有Joe J. King教授讲席。Bishop教授的工程职业生涯起始于麻省理工学院著名的Charles Stark Draper实验室。Bishop教授著有讲授图示化编程的畅销教材Learning with LabVIEW（由电子工业出版社翻译出版），并且还是Mechatronics Handbook的合著者。作为一名才华横溢的教育家，Bishop教授获得了多项教学奖励和荣誉，包括难得的洛克希德马丁战术航空系统公司的优秀工程教学奖，美国工程教育者学会（ASEE）和美国航空航天学会（AIAA）联合颁发的John Leland Atwood奖。John Leland Atwood奖定期授予“长期工作在航天工程教育一线并做出突出贡献的杰出人才”。Bishop教授是美国航空航天学会（AIAA）会士和美国航天学会（AAS）会士，并长期活跃在ASEE和IEEE等学会。

谢红卫。男，湖北洪湖人，1965年生。博士，国防科技大学教授，博士生导师。主要学术方向为自动控制理论、实验鉴定与评估技术、生物信息学。学校“自动控制原理”系列课程的负责人，负责建设的“自动控制原理”课程获评湖南省精品课程。获得军队院校“育才奖”银奖1项，省教学成果二等奖1项，编写、翻译出版教材和专著6部。承担完成科研项目30余项。发表论文100余篇，其中40余篇被SCI收录。获得国防科学技术奖二等奖1项，中国电子学会电子信息科学技术奖一等奖1项。

孙志强。男，山东即墨人，1978年生。博士，国防科技大学讲师。主要学术方向为系统安全性建模与分析、试验数据处理与分析。学校“自动控制原理”课程的主讲教师之一，参与了“自动控制原理”精品课程和MOOC课程的建设工作。承担自然科学基金项目1项，教育部博士点基金项目1项，装备横向合作项目4项；参与装备预先研究项目和预先研究基金项目多项。发表论文20余篇，出版教材3部。发挥了重大作用。承担教学改革项目2项，出版教学论文10余篇。目前，承担装备预先研究基金项目1项，装备横向合作项目3项，参与多项装备预先研究项目和自然科学基金项目。发表论文20余篇，出版教材3部。

宫二玲。女，河南郑州人。博士，国防科技大学副教授。主要学术方向为系统安全性建模与分析、试验数据处理与分析。是学校“自动控制原理”课程的骨干主讲教师，参与了“自动控制原理”精品课程和MOOC课程的建设工作，发挥了重大作用。承担教学改革项目2项，发表教学论文10余篇。目前，承担装备预先研究基金项目1项，装备横向合作项目3项，参与多项装备预先研究项目和自然科学基金项目。发表论文20余篇，出版教材3部。

张纪阳。男，河南泌阳人，1979年生。博士，国防科技大学副教授。主要学术方向为控制原理与工程、生物信息学。目前主要从事无人机飞行控制系统设计与实现、蛋白质组质谱数据分析方面的教学科研工作。承担自然科学基金项目1项，发表科研论文20余篇，参与编写教材2部。

译  者  序
源于应Robert H. Bishop教授邀请前往访问交流，2001年，我与同事们在高等教育出版社翻译出版了Richard C. Dorf和Robert H. Bishop所著的国际经典教材Modern Control Systems的第八版，后来又应电子工业出版社编辑马岚女士来电约稿，于2011年再次翻译出版了该教材的第十一版。
Modern Control Systems持续改进的成果参见原书前言。在此，我只就英文版第十二版的翻译过程做一些说明。在我们所译的每个版本中，译者序里都会写到： “译稿的欠妥之处在所难免，恭候专家和广大读者批评指正”。此话绝非虚言。这次的译稿又发现了以前两版译稿中的不少错误，择要说明如下：  第1章对术语做了较多的修订；  从第2章开始，全书规范改正了关于“质点”、“质量块”和“质量”的说法不一致的问题，改正了梅森公式部分的几处错误；  从第4章开始，照顾国内的习惯，全书将loop gain规范翻译成“开环传递函数”，而不再将“开环”和“环路”混用；  特别是第9章和第10章，改正了几处致命的翻译错误。至于全书新增内容的翻译，原有文字表述方面的改进，就不胜枚举了。
谢红卫翻译了本书的前言、第1章至第3章及其他附表等，张纪阳翻译了第4章至第6章，宫二玲翻译了第7章和第8章，孙志强翻译了第9章至第13章以及附录。谢红卫负责全书的修改和统稿。
我们在翻译过程中秉承精益求精的原则，追求“信、达、雅”的目标，力图译得严谨流畅，为国内同行献上一本精品译著。但我们还是要说：  译稿的欠妥之处在所难免，恭候专家和广大读者进一步批评指正。

谢红卫
于国防科技大学
2014年6月
前    言
本书内容
诸如气候变化、清洁水资源、废物管理、能源使用和可持续发展等全球性议题，促使许多工程师重新审视反省已有的工程设计方法和策略。工程设计策略改进演化的结果之一就是所谓的绿色工程。绿色工程的目的是使设计出的产品能够减少污染，降低对人类健康的风险，以及改善环境。采用绿色工程的设计原则，进一步突显了反馈控制系统的技术支撑作用。
为了减少温室气体排放和尽量降低污染，就需要从质和量两个方面改进环境监控系统。一个这样的例子是机器人控制的移动监测平台，它采用无线方式监测雨林的环境参数。另一个例子是通过测量超前和滞后功率因子、电压波动和谐波波形等参数，监测供电质量。许多绿色工程系统或部件都需要对电压和电流进行细致的监测。又例如，在相互连接的供电网络中，常常要用变流器来测量和调控电流。传感器是反馈控制系统中的重要部件，依据它测量提供的系统状态的信息，控制系统才能执行恰当的动作。
由于人类面临的全球性问题需要工程设备具有日益增长的自动化程度和精确度，自动控制系统在绿色工程中的应用将越来越广泛。本书选取了绿色工程中的一些主要应用实例，包括风力涡轮机控制和光伏发电机建模等。后者的目的是，使光伏发电机在阳光随时间变化的情况下，也能通过反馈控制实现最大功率的发电。
风力和太阳能是世界上重要的可再生能源。风能向电能的转化是通过连接到发电机的风力涡轮机实现的。风力的间歇性特性促进了智能电网的发展，风力发电有效工作时，智能电网要供风电上网； 风力发电无风或不能稳定工作时，智能电网要用其他来源来供电上网。智能电网就是在发电装置出现间歇或大的扰动时，仍然能够将电能可靠而高效地输送到家庭、企业、学校和其他用户的软硬件集成体。风力强度和方向的不规则特性也导致了有必要对风力涡轮机自身加以控制，以便产生可靠平稳的电能，这些控制系统或控制器件的直接目的就是减小风力间歇特性和风向改变对风力发电的影响。能量储备系统也是绿色工程的关键技术，我们要寻找更多类似燃料电池的可重用的能量储备系统。在高效的可重用能量储备系统中，主动控制也是一项关键的技术。
控制工程是一个充满新奇和挑战的领域，从本质上讲，它是一个跨学科的综合性领域，控制工程或控制原理课程则是工科专业的核心课程。我们可以采用不同的途径来学习和掌握控制工程的基础知识和技能。一方面，由于控制工程奠定在坚实的数学基础之上，我们可以将定理及其证明作为重点，从严格的理论的角度来学习控制工程的理论和方法； 另一方面，由于控制工程的终极目标是实现对实际系统的控制，因此，我们也可以在设计反馈控制系统的实践中，主要凭直觉和实践经验进行学习，不过这只是权宜之计。本节所采取的途径是，在介绍基本的数学工具和方法论的基础上，着重介绍物理系统的建模，以及满足实用性能指标要求的实际控制系统的设计。
作者坚信，对于我们每个人来说，最重要和最有成效的学习方法是对前人已经得到的答案和方法进行重新发现和创新。因此，理想的教学方法是向学生提出一系列问题，并给出部分过去已有的结果。传统方法不重视向学生提出问题而是直接给出完整的答案，剥夺了学生感受刺激和兴奋的机会，因而与创造冲动无缘，同时也将人类获得科技进步的探索变成了一堆干巴巴的定理。教学的最高境界则是向学生提供一些我们当前面临的、重要但尚无答案的问题，由学生自己去寻找答案。这样一来，他们可以自豪地宣称，他们所学到的知识都是自己所发现的。 
本书的目的在于，通过正文和习题，向学生介绍基本的反馈控制理论，提供一系列发现问题和解决问题的机会，帮助学生体验重新发展反馈控制系统理论及其应用实践。如果能够对此目的有所裨益，那就意味着本书取得了成功。
第十二版的更新
本书的最新版本进行了下列主要更新。
● 第1章增加了一节关于绿色工程的内容。解决人类面临的这一类全球性问题，需要自动化程度和精确度日益增长的工程设备，因此，自动控制系统在绿色工程中的应用将越来越广泛。
● 为了说明控制系统设计对绿色工程应用的支撑作用，在主要章节都新增加了有关的设计题，如智能电网、环境监控、风力发电和太阳能发电等。
● 每章都新增了一个名为“技能自测”的小节，以便于学生自行检查对基本原理、知识和技能的掌握情况。每章最后都给出了相应的答案，以便学生及时反馈学习效果。
● 增加了一节关于负增益根轨迹的内容。
● 增加了关于PID参数整定方法的内容，重点介绍了手工整定方法和齐格勒尼科尔斯整定法。
● 新增或者修改了超过20%的课后习题。本书第十二版总共提供了超过1000道基础练习题、一般习题、难题、设计题和计算机辅助设计题等各类题目，方便了教师根据进度布置不同的作业。
读者对象
本书是为工科类本科生编写的控制系统基础教材。控制系统在航天、化工、电气、机械等学科中的应用差异甚微，因此，本书的编写对任何工程学科无所偏倚这是美国的情况。在美国，尽管控制学会等团体的学术活动非常广泛和热烈，但控制工程既不是一个独立的工程学科，也不从属于某个工程学科，而在中国，控制科学与工程则是一个独立的一级学科。——译者注。所以，本书可望能够同样适用于所有工程学科，这正好有力地说明了控制工程的实用性。书中大量的习题和实例来自不同的学科领域，其中所举的关于社会学、生物学、生态学和经济学控制系统的实例，旨在使读者认识到，控制理论可以普遍应用于生活的诸多方面。我们认为，让学生接触其他学科的例子和习题，有利于拓宽他们的视野和思路，提高他们跨学科学习和研究的能力。事实上，许多学生将来要从事的技术工作并不等同于他们目前所学的学科专业，例如，许多电气工程师和机械工程师都和航天工程师一道，工作在航天工业部门。我们希望，这本控制工程的基础教程能让学生对控制系统的分析和设计有广泛的了解。
在美国，已经有400多所大学采用了本书的前版作为工科类的高年级本科教材。缺少控制工程基础的工科研究生，也常常选用它作为教材。
关于本书的第十二版
本书中用到的所有m脚本程序（即MATLAB程序脚本）和附录B至附录I，都需要从网上下载阅读登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）可注册下载本书相关资料。——编者注。各附录分别包括了拉普拉斯变换表、z变换表、矩阵代数、复数、符号、计量单位和变换因子，以及LabVIEW MathScript RT Module简介等方面的材料。书中提到这些资料时，页边将给出图标提示（参见段首图标）。

重视控制系统设计是本书历来的特色，第十二版延续并发展了这一特色。结合设计磁盘驱动器读取系统这样一个实际工程问题，我们设计了“循序渐进设计实例”（参见段首图标）。书中每章都将利用该章介绍的概念和方法，逐步对此实例进行研讨。磁盘驱动器广泛应用于各类计算机，是控制工程的一个重要的应用实例。书中各章分别研究了磁盘驱动器读取系统控制器设计的不同方面。例如，第1章确定了它的控制目标、受控变量、指标设计要求及基本的系统结构； 第2章建立了控制对象、传感器和执行机构的模型； 后续各章则利用该章介绍的知识要点，继续从不同方面研究磁盘驱动器的控制问题。

基于和“循序渐进设计实例”同样的思路，我们还编拟了一种连续性设计题（参见段首图标），给学生提供一个通过逐章的练习，最终完成设计任务的机会。精密加工对滑动工作台控制系统提出了严格的要求。在连续性设计题中，要求学生运用各章介绍的技术和方法，完成满足给定的性能指标要求的控制系统设计。
本书进一步完善了计算机辅助设计和分析方面的内容。每章后面的计算机辅助设计题都用图标进行了标识（参见段首图标）。同时，针对“循序渐进设计实例”中不同问题的解决方案，也给出了相应的m脚本程序。
本书第十二版的一个新特点是在每章的后面都新增了一个名为“技能自测”的小节，并用对号图标进行了标识（参见段首图标）。每个“技能自测”小节包括正误判断题、多项选择题和术语匹配题这三类题目，以便于学生自行检查对本章内容的掌握情况。每章最后还给出了相应的答案，以便学生及时反馈学习效果。
教学方法
全书围绕控制系统时域和频域理论的基本概念来展开和组织材料。在内容主题的选择，例题和习题中实际系统的选材上，尽量体现新颖性和先进性。这样一来，本书就包含了很多新的知识点，如鲁棒控制系统、系统灵敏度、状态空间模型、能控性和能观性、内模控制、鲁棒PID控制器、计算机控制系统、计算机辅助设计与分析等。同时，对于控制理论中那些已经得到验证的极具实用价值的经典问题，本书也予以保留并有所扩展。构建基础理论体系： 从经典到现代。本书旨在清晰地阐明时域和频域设计方法的基本原理。全书涵盖了控制工程的经典方法，如拉普拉斯变换和传递函数、根轨迹设计法和劳斯赫尔维茨稳定性分析； 也包括伯德图法、奈奎斯特法和尼科尔斯法等频域响应法； 还包括对标准测试信号的稳态跟踪误差，二阶系统近似，相角裕度、增益裕度和带宽等。此外，本书还把讨论的范围扩展到了状态空间法，讨论了状态空间模型的能控性和能观性的基本概念，介绍了用于极点配置的阿克曼公式，以及利用该公式进行全状态反馈设计的方法，同时也讨论了状态变量反馈设计的局限性。针对状态信息无法完整测量的情况，介绍了用于估计重建系统状态的观测器的概念。
在介绍上述基本原理的基础上，本书还介绍了许多超出经典的新内容。第12章介绍了鲁棒控制理论的新进展；  第13章讨论了数字计算机控制系统的实现问题。除第1章外，全书其余各章都介绍了计算机辅助分析与设计方面的内容。本书还按章节提供了大量的参考文献，以引导学生进一步研究有关控制工程的源头性信息。逐步提高解决问题的技能。阅读、听课、记笔记、推演例题都是学习过程的组成部分，但对学习效果的实际检验，则依赖于完成每章后面的习题。本书注重提高学生解决问题的能力，每章所附的习题包括以下5类： ● 基础练习题（以E开头）
● 一般习题（以P开头）
● 难题（以AP开头）
● 设计题（以DP开头）
● 计算机辅助设计题（以CP开头）例如，第7章就包括了28道基础练习题、39道一般习题、14道难题、14道设计题和10道计算机辅助设计题。基础练习题的目的是，让学生在解决复杂问题之前，直接运用各章所介绍的概念和方法解决相对简单的问题，约有1/3的基础练习题给出了答案。一般习题则要求学生灵活运用各章的概念，以解决新的问题。难题表示相对复杂的问题。设计题侧重于让学生完成设计任务。计算机辅助设计题则旨在培养学生运用计算机解决问题的能力。全书共有1000多道题目，学生通过完成从基础练习题到设计题和计算机辅助设计题的各类题目，将对自己解决问题的能力越来越自信。本书有相应的教学辅导手册供所有采用本书教学的教师使用。手册中包含了所有题目的完整答案采用本书作为教材的教师，可联系te_service@phei.com.cn（01088254555）申请获得相关资料。。
此外，作者还编写了名为“现代控制系统工具箱”(Modern Control Systems Toolbox)的教学辅助材料，包括每个计算机辅助设计例题的所有m脚本程序。阐释基本原理，强化设计训练。实际复杂控制系统的设计是贯穿全书的主题。强调实际应用系统的设计训练，有利于适应ABET（Accreditation Board for Engineering and Technology，美国工程技术认证委员会）的认证和工业设计的需要。控制系统的设计流程可以分为7个模块，这些模块又可以归为3大类： 1.确定控制目标和受控变量，并定义系统性能指标设计要求； 
2.系统定义和建模； 
3.控制系统设计，全系统集成的仿真和分析。本书的每一章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，目的在于通过实例来展示控制系统设计流程中不同方面的内容。本书设计了13个实例来逐次说明控制系统的设计流程，包括： ● 智能电网（见1.9节） 
● 光伏发电机（见2.8节）
● 空间站定向系统建模（见3.8节）
● 麻醉过程中的血压控制（见4.8节）
    ● 飞机姿态控制（见5.9节）
● 机器人自主驾驶摩托车（见6.5节）
● 风力发电机风力机转速控制（见7.8节）
● 光伏发电机的最大功率点跟踪（见8.6节）
● 风力机的PID控制（见9.8节）
● 铣床控制系统（见10.12节）
● 柴电动力机车控制（见11.9节）
● 数字音响磁带驱动器（见12.8节）
● 工作台运动控制（见13.10节）

本书每章都专门安排了一节来帮助学生学习计算机辅助分析和设计，并运用计算机辅助设计的手段，对本章中的实例和概念进行再分析和再设计。例如，第5章利用计算机辅助设计的方法对“循序渐进设计实例： 磁盘驱动器读取系统”进行了分析。设计方案对应的m脚本程序可以参见图5.47。通常，采用注释文字对每个m脚本程序中的要点进行了说明，与文本对应的运算输出结果（通常是曲线图）也采用注释文字进行了说明。以这些m脚本程序为基础，再稍加修改，就可以用来解决其他问题。提供学习帮助。每章开篇都有新修订的提要，介绍本章将要讨论的主要问题，每章末尾都附有小结、技能自测题以及主要概念和术语。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。
内容编排
第1章  控制系统导论。首先简要介绍了控制理论和实践的发展历史。其主要目的在于介绍设计和实现控制系统的一般流程和方法。
第2章  系统数学模型。介绍了实际物理系统的输入输出模型，或者说，以传递函数形式为主的数学模型，涵盖了各类实际受控系统，包括机械系统、电气系统和流体系统等。
第3章  状态空间模型。介绍了采用状态变量的系统状态空间模型。运用矩阵工具，讨论了控制系统的瞬态时间响应及其性能。
第4章  反馈控制系统的特性。介绍了反馈控制系统的特性，讨论了反馈的优点，引入了系统偏差信号的概念。
第5章  反馈控制系统的性能。仔细研究了反馈控制系统的性能指标，系统的性能与系统传递函数的零点和极点在s平面上的位置分布密切相关。
第6章  线性反馈系统的稳定性。研究了线性反馈系统的稳定性，考察了系统稳定性与系统传递函数的特征方程之间的关系，介绍了劳斯赫尔维茨稳定性判据。
第7章  根轨迹法。研究了当一个或两个系统参数变化时，系统特征根在s平面上的运动轨迹，讨论了如何用图解法来确定s平面上的根轨迹，还介绍了应用广泛的PID控制器和PID参数整定的齐格勒尼科尔斯法。
第8章  频率响应法。研究了当频率变化时，系统对正弦输入信号的稳态响应，讨论了伯德图等频率响应图。
第9章  频域稳定性。采用频率响应法研究系统的稳定性，讨论了系统的相对稳定性和奈奎斯特稳定性判据。
第10章  反馈控制系统设计。讨论了控制系统的几种设计和校正方法，介绍了多种实用的校正装置，并对它们改善系统性能的机理进行了说明。
第11章  状态变量反馈系统设计。主要讨论了如何利用状态空间模型设计控制系统，讨论了基于极点配置的全状态反馈设计和观测器设计方法，给出了系统能控性和能观性的判别方法，讨论了内模设计概念。
第12章  鲁棒控制系统。介绍了在存在不确定性的情况下，如何设计高精度控制系统的问题。讨论了5种鲁棒设计方法：根轨迹法、频域响应法、用于鲁棒PID控制器设计的ITAE方法、内模设计法和伪定量反馈设计法。
第13章  数字控制系统。介绍了描述和分析计算机控制系统及其性能的方法，讨论了数据采样控制系统的稳定性与其他性能。
附录A  MATLAB基础知识。
致谢
我们向对本书的十二版及以前各版本的撰写和出版给予过热情帮助的人士表示真诚的感谢，他们是： Mahmoud A. Abdalah（俄亥俄州立中部大学），John N. Chiasson（匹兹堡大学），Samy ElSawah（加州州立工业大学普莫纳分校），Peter J. Gorder（堪萨斯州立大学），Duane Hanselman（缅因大学），Ashok Iyer（内华达大学拉斯维加斯分校），Leslie R. Koval（密苏里大学罗拉分校），L.G. Kraft（新罕布什尔大学），Thomas Kurfess（佐治亚理工学院），Julio C. Mandojana和Luigi Mariani（州立曼科塔大学），Jure Medanic（伊利诺伊大学厄本那香槟分校），Eduardo A. Misawa（俄克拉荷马州立大学），Medhat M. Morcos（堪萨斯州立大学），Mark Nagurka（马凯特大学），D. Subbaram Naidu（爱达荷州立大学），Ron Perez（威斯康星大学密尔沃基分校），Carla Schwartz（MathWorks公司），Murat Tanyel（Dordt学院），Hal Tharp（亚利桑那大学），John Valasek（得克萨斯农工大学），Paul P. Wang（杜克大学），Ravi Warrier（GMI工程与管理研究所）。
联系方式
作者愿与本书的读者建立稳定的联系，我们热切希望读者能对本书及其未来的后续版本提出宝贵意见和建议。通过这种稳定的联系，我们可以及时地将读者普遍感兴趣的热点信息发送给您，也可以将其他读者对本书的意见或评论转告您。
请保持密切联系！
Richard C. Dorfdorf@ece.ucdavis.edu
Robert H. Bishoprhbishop@marquette.edu