Control Systems Engineering（控制系统工程）

引用

Nise, N. S. (2019). Control Systems Engineering (8th ed.). Wiley.

章节概要

全书约800页，共13章。每章以学习目标开头，以小结、复习题和参考文献结尾，多数章节带有案例研究，并且每章都以“Cyber Exploration Laboratory”（软件实验）收尾。贯穿各章的是一个天线方位角位置控制系统的案例，附录中有专门介绍。

第1章：Introduction（绪论）

给出控制系统的定义，说明构建控制系统的理由（功率放大、远程控制、输入形式的便利、对扰动的补偿），并引入两个基本性能指标：瞬态响应与稳态误差。本章还简述控制系统的历史、系统构型、分析与设计目标、设计过程以及计算机辅助设计的作用。

第2章：Modeling in the Frequency Domain（频域建模）

复习拉普拉斯变换并定义传递函数，随后推导电网络、平移与旋转机械系统、带齿轮的系统以及机电系统的传递函数，最后讨论电路类比、非线性与线性化。

第3章：Modeling in the Time Domain（时域建模）

与第2章对应的状态空间方法：一般状态空间表示、其在物理系统中的应用、传递函数与状态空间之间的转换，以及线性化。

第4章：Time Response（时间响应）

利用传递函数的极点和零点预测响应。内容包括一阶系统、二阶系统（先作介绍，再讨论一般情形与欠阻尼情形）、附加极点与零点的影响、非线性的影响，以及用拉普拉斯变换和时域方法求解状态方程。

第5章：Reduction of Multiple Subsystems（多子系统的简化）

说明如何用方框图、信号流图和梅森公式把多个子系统合并为一个模型，并讨论状态方程的信号流图、状态空间的其他表示形式和相似变换。

第6章：Stability（稳定性）

介绍劳斯-赫尔维茨判据、其特殊情形与更多例题，然后讨论状态空间中的稳定性。

第7章：Steady-State Errors（稳态误差）

涵盖单位反馈系统的稳态误差、静态误差常数与系统型别、误差指标、扰动与非单位反馈系统的误差、灵敏度，以及状态空间系统的稳态误差。

第8章：Root Locus Techniques（根轨迹技术）

定义根轨迹及其性质，说明草图的绘制与修正步骤，并用它通过增益调整进行瞬态响应设计。后续小节涉及广义根轨迹、正反馈系统和极点灵敏度。

第9章：Design via Root Locus（根轨迹设计）

在根轨迹上用串联补偿改善稳态误差、瞬态响应或两者兼顾，然后讨论反馈补偿以及补偿器的物理实现。

第10章：Frequency Response Techniques（频率响应技术）

通过渐近近似引入伯德图，并介绍奈奎斯特判据，包括奈奎斯特图的绘制、稳定性、增益裕度和相位裕度。后面的小节把开环与闭环频率响应同瞬态响应、稳态误差联系起来，并讨论含时滞的系统以及用实验方法获得传递函数。

第11章：Design via Frequency Response（频率响应设计）

在频域中设计补偿器：先是通过增益调整改善瞬态响应，然后是滞后、超前和滞后-超前补偿。

第12章：Design via State Space（状态空间设计）

涵盖控制器设计、可控性、其他控制器设计方法、观测器设计、可观性、其他观测器设计方法，以及通过积分控制设计稳态误差。

第13章：Digital Control Systems（数字控制系统）

对回路中的数字计算机建模，引入z变换与离散传递函数，然后把方框图简化、稳定性、稳态误差、瞬态响应和增益设计推广到z平面，最后讨论经由s平面的串联补偿以及数字补偿器的实现。

核心概念

第1–3章：绪论与建模

• 瞬态响应与稳态误差：构成此后所有分析和设计框架的两个性能指标。
• 传递函数：线性系统在频域中的输入输出描述，书中针对电气、机械和机电元件逐一建立。
• 状态空间表示：时域模型，也能处理多输入多输出。
• 线性化：在工作点附近用线性系统近似非线性系统。

第4–7章：分析

• 极点与零点：其位置决定响应的形式。
• 劳斯-赫尔维茨判据：根据特征多项式判断稳定性。
• 系统型别与静态误差常数：预测标准输入下稳态误差的方法。

第8–11章：经典设计

• 根轨迹：增益变化时闭环极点的轨迹。
• 伯德与奈奎斯特方法：判断稳定性、增益裕度和相位裕度的频率响应工具。
• 滞后、超前与滞后-超前补偿：用于改善稳态误差和瞬态响应的串联补偿器。

第12–13章：状态空间与数字设计

• 可控性与可观性：状态反馈和状态估计得以实现的条件。
• 观测器设计：估计未被测量的状态。
• z变换：拉普拉斯变换在离散时间的对应工具，用于计算机控制系统。

评析

优点

• 贯穿全书的设计导向。 出版社称本书不止于理论和抽象数学，而是把概念转化为实际的控制系统设计，并给出逐步的方法。目录与此相符：第9、11、12章分别专讲三大领域内的设计。
• 案例研究与贯穿示例。 各章带有案例研究，天线方位角位置控制系统从一章延续到下一章，读者可以看到同一个系统如何用每种新技术来分析。
• 软件与硬件实践。 每章以Cyber Exploration Laboratory结尾，数章还带有Hardware Interface Laboratory，附录提供MATLAB、Simulink、LabVIEW等工具的教程。
• 自学辅助。 每章都有复习题；第八版（出版社注明为新增内容）在更新的章末习题之外配有完整解答的练习题；书中还有部分习题答案和术语表。

局限

• 篇幅长、范围广。 全书约800页，兼顾经典控制与现代控制，一学期课程必须取舍；状态空间与数字控制章节排在经典设计之后，一门入门课未必讲得到。
• 依赖软件的部分。 实验练习和若干附录需要使用MATLAB、Simulink或LabVIEW，部分附录仅在电子版中提供。
• 偏重方法步骤。 如出版社的介绍所言，本书强调逐步方法和应用而非抽象数学；希望看到更理论化处理的读者需要另备一本教材。

在课程中的定位

在本课程书单中，Nise是面向控制入门课的主要应用型教材。Oppenheim和Willsky的 Signals and Systems 涵盖拉普拉斯变换和z变换并以反馈入门收尾，适合作为Nise第2章和第13章的准备；Sadiku的入门读本和Downey的 Think DSP 则是通往同样变换思想的更轻松、以例子为主的途径。

Åström与Murray的 Feedback Systems 是一本现代入门书，把反馈思想推广到生物和信息系统，并强调建模、状态空间与鲁棒性；学完经典技术后，可作为第二种视角与Nise搭配阅读。Craig的 Introduction to Robotics 把控制用于机器人手臂，并预设读者已有控制基础，最好在读完Nise第1–10章之后再读。

如何使用本书

本书适合已学过微分方程、拉普拉斯变换、线性代数以及基础动力学或电路的二、三年级工科学生。出版社将其定位为机械、电气、航空航天、生物医学和化学工程等专业核心控制课程的教材。

一门入门课的实用安排：

• 核心： 按顺序读第1–10章。第2、4、6、7章建立了建模、响应、稳定性和误差这套词汇，之后所有设计章节都以此为前提。
• 设计： 先读第8章再读第9章，先读第10章再读第11章，以便在用于补偿之前先理解分析技术。
• 后续或选读： 第3章和第5章中的状态空间部分，以及第12、13章。如果课程以状态空间为主线，可把第3章提前阅读。

先做复习题，再做练习题，最后做章末习题。每章的案例研究都可借助Cyber Exploration Laboratory在计算机上重做，并把软件结果与手工绘制的根轨迹或伯德图相比较。