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。
本书就数字控制系统的分析和设计问题进行全面系统的介绍，在对z变换等必要的数学问题做出适当铺垫和对采样-数据保持等特殊问题进行适当讲解之后，阐述数字控制系统的分析和数字控制系统的设计，最后给出了5个案例的设计例程：卫星控制、天线跟踪、瞄准系统、机器人控制系统和温度控制系统。
本书适合于本科高年级或研究生一年级的数字控制系统课程选用，也可作为控制工程师的自学读本。
本书特色
兼顾数字控制系统和模拟控制系统的关系。
注重从经典方法到现代方法的自然过渡。
强调计算机辅助分析及计算机辅助设计技术的讲解。
示例丰富且具有连贯性、习题配置充分。
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。
最后，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
数字控制系统
本书就数字控制系统的分析和设计问题进行全面系统的介绍。它从5个实际的控制问题切入，在对z-变换等必要的数学问题做出适当铺垫和采样-数据保持等特殊问题进行适当讲解之后，讲解数字控制系统的分析和数字控制系统的设计，最后给出了5个案例的设计例程：卫星控制、天线跟踪和瞄准系统、机器人控制系统和温度控制系统。
本书适合于本科高年级或研究生一年级的数字控制系统课程选用，也可作为控制工程师的自学读本。
本书特色：
兼顾数字控制系统和模拟控制系统的关系
注重从经典方法到现代方法的自然过渡
·强调计算机辅助分析及计算机辅助设计技术的讲解
示例丰富且具有连贯性、习题配置充分
[美] 查尔斯 L.菲利普斯（Charles L. Phillips） H. 特洛伊?内格尔(H.Troy Nagle) 阿兰尼亚?查克拉博蒂（Aranya Chakrabortty） 著：暂无简介
王萍 等译：暂无简介
数字控制系统是现代控制系统的主要类型，它以数字计算机为核心组建，也称为计算机控制系统。
从控制系统的组建方式上看，数字控制系统通过“采样”和A/D（模/数）转换、D/A（数/模）转换，将模拟控制系统中由硬件控制器完成的连续模拟运算转换为由计算机执行的离散数值运算；从理论意义上讲，控制系统问题是系统模型的求解问题，数值方法适用于离散系统模型求解，由于只求数值解，所以摆脱了解析方法的局限，同时可以实现快速求解，这使数字控制系统的应用领域更宽广；从工程角度看，控制系统是一种以控制器为核心组织起来的物理系统，在数字控制系统中，控制器的使命由数字计算机担当，它通过数值计算实现的系统控制的策略（算法）更丰富，例如数字滤波、数字PID，以及模糊和智能控制算法等。
计算机强大的运算能力和编程的灵活性为数字控制系统的设计、组织和实现提供了极大的灵活性，并为更高级的控制策略的实施和更复杂的特性补偿提供了可能，从而大大强化了控制器的功能，并使复杂控制系统的品质得以改善；计算机的联网通信功能为大系统的控制问题提供了多种现实的解决途径，使得大工业生产自动化的实现成为可能。现代工业控制工程中广泛应用分层、分布式、集生产管理与过程控制为一体的DCS（Distributed Control System）系统，即所谓的分散（集散）控制系统就是基于数字控制系统构建的。
奥本大学电气工程系Charles L.Phillips教授等撰写的这本著作对数字控制系统的分析和设计问题进行了全面介绍，并在以下方面具有鲜明特色：
1) 起止于实际案例的编写方式，使读者一开始就具有很强的代入感。教材在对必要的数学知识和特殊的“采样/数据保持”内涵讲解之后，分别介绍了数字控制系统分析和设计的基本概念、常用方法和贯穿始终的应用示例；章后习题与章内讲解配合紧密、章间内容前后呼应。当你带着解决实际问题的渴望开始本书的学习后，会发现，结束本书学习之时，你已有能力对类似于飞机自动着陆、新生儿的自动供氧等数字控制系统进行分析和设计。
2) 经典方法和现代方法相融合。将经典控制与现代控制组织成两门课程是形成目前比较常见的教材编写体系的客观背景。与此不同，本教材从一开始（第1章除外），就针对数字控制系统的具体分析和设计问题将这两种方法相融合，每一次从经典方法到现代方法的过渡自然、衔接顺畅，令人耳目一新。这一编写方法可为从事控制类课程的教师提供新的教学改革思路。
3) 计算机辅助分析与计算机辅助设计贯穿始终。为了方便读者对教材中基本概念和基本方法的掌握，删繁就简是许多控制类教材的通常做法。这会使学习者依然解决不了实际的复杂自动控制系统的分析问题，承担不起实际的控制系统的设计使命。本教材各章均强调使用MATLAB软件对相关问题的实现进行计算机辅助分析和设计，同时给出各段程序及程序运行结果，如此，在准确掌握数字控制系统分析和设计的基本概念、基本方法和要领的基础上，进一步领会计算机辅助方法，有助于学习者增强解决实际复杂问题的信心和能力。
参加本书翻译工作的有王萍、王娟、窦冰杰、王迪和石君志，其中，王娟博士完成对第3～6章的初译，窦冰杰完成对第9~11章的初译，王迪博士翻译了附录Ⅲ和附录Ⅳ，其余章节及附录由王萍翻译，同时也由她完成全书的统稿和审校。
由于译者水平所限，译文中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者不吝赐教。
王 萍
2017年4月于天津大学
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 最小二乘系统辨识257
10.6 部分零极点已知下的传递函数估计261
10.7 递归的最小二乘系统辨识法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 线性二次最优控制270
11.1 引言270
11.2 二次代价函数271
11.3 最优准则272
11.4 线性二次最优控制设计274
11.5 最小值原理279
11.6 最优稳态控制280
11.7 最优状态估计——卡尔曼滤波284
11.8 最小二乘函数的最小化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
