Digital Control of Dynamic Systems (3rd Edition) (Hardcover)

Stanford&IBM牛人经典之作  -    Digital  Control  of  Dynamic  SystemsEditorial  Reviews

Product  Description

This  well-respected,  market-leading  text  discusses  the  use  of  digital  computers  in  the  real-time  control  of  dynamic  systems.  The  emphasis  is  on  the  design  of  digital  controls  that  achieve  good  dynamic  response  and  small  errors  while  using  signals  that  are  sampled  in  time  and  quantized  in  amplitude.  Both  classical  and  modern  control  methods  are  described  and  applied  to  illustrative  examples.  The  strengths  and  limitations  of  each  method  are  explored  to  help  the  reader  develop  solid  designs  with  the  least  effort.  Two  new  chapters  have  been  added  to  the  third  edition  offering  a  review  of  feedback  control  systems  and  an  overview  of  digital  control  systems.  Updated  to  be  fully  compatible  with  MATLAB  versions  4  and  5,  the  text  thoroughly  integrates  MATLAB  statements  and  problems  to  offer  readers  a  complete  design  picture.  The  new  edition  contains  up-to-date  material  on  state-space  design  and  twice  as  many  end-of-chapter  problems  to  give  students  more  opportunities  to  practice  the  material.  From  the  Inside  FlapThis  book  is  about  the  use  of  digital  computers  in  hte  real-time  control  of  dynamic  systems  such  as  servomechanisms,  chemical  processes,  and  vehicles  that  mover  over  water,  land,  air  or  space.  The  material  requires  some  understanding  of  controls.  The  special  topics  of  discrete  and  sampled-data  system  analysis  are  introduced,  and  considerable  emphasis  is  given  to  the  z-transform  and  the  close  connections  between  the  z-transform  and  the  Laplace  transform.  The  book\\\'s  emphasis  is  on  designing  digital  controls  to  achieve  good  dynamic  response  and  small  errors  while  using  signals  that  are  sampled  in  time  and  quantized  in  amplitude.  Both  transform  (classical  control  and  state-space  (modern  control)  methods  are  described  and  applied  to  illustrative  examples.  the  transform  methods  emphasized  are  the  root-locus  method  of  evans  and  frequency  response.  The  root-locus  method  can  be  used  virtually  unchanged  for  the  discrete  case;  however,  Bode\\\'s  frequency  response  methods  require  modification  for  use  with  discrete  systems.  The  state-space  methods  developed  are  the  technique  of  pole  assignment  augmented  by  an  estimator  (observer)  and  optimal  quadratic  loss  control.  The  optimal  control  problems  use  the  steady-state  constant-gain  solutions;  the  results  of  the  separateion  theorem  in  the  presence  of  noise  are  stated  but  not  proved.  Each  of  these  design  methods-classical  and  modern  alike  -  has  advantages  and  disadvantages,  strengths  and  limitations.  It  is  our  philosophy  that  a  designer  must  understand  all  of  them  to  develop  a  satisfactory  design  with  the  least  effort.  Closely  related  to  the  mainstream  of  ideas  for  designing  linear  systems  that  result  in  satisfactory  dynamic  response  are  the  issues  of  sample-rate  selection,  model  identification,  and  consideration  of  nonlinear  phonomena.  Sample-rate  selection  is  discussed  in  the  context  of  evaluating  the  increase  in  a  least-squared  performance  measures  as  the  sample  rate  is  reduced.  The  topic  of  model  making  is  treated  as  measurment  of  frequency  response,  as  well  as  least-sqwuared  parameter  estimation.  Finally,  every  designer  should  be  aware  that  all  models  are  nonlinear  and  be  fimiliar  with  the  concepts  of  the  describing  functions  of  nonlinear  systems,  methods  of  studying  stability  of  nonlinear  systems,  and  the  basic  concepts  of  nonlinear  design.  Material  that  may  be  new  to  the  student  is  the  treatment  of  signals  which  are  discrete  in  time  and  amplitude  and  which  must  coexist  with  those  that  are  continuous  in  both  dimensions.  The  philosophy  of  presentation  is  that  new  material  should  be  closely  related  to  material  already  familiar,  and  yet,  by  the  end,  indicate  a  direction  toward  wider  horizons.  This  approach  leads  us,  for  example,  to  relate  the  z-transform  to  the  Laplace  transform  and  to  describe  the  implications  of  poles  and  zeros  in  the  z-plane  to  the  known  meanings  attached  to  poles  and  zeros  in  the  s-plane.  Also,  in  developing  the  design  methods,  we  relate  the  digital  control  design  methods  to  those  of  continuous  systems.  For  moer  sophisticated  methods,  we  present  the  elementary  parts  of  quadratic-loss  Guassian  design  with  minimal  proofs  to  give  some  idea  of  how  this  powerful  method  is  used  and  to  motivate  further  study  of  its  theory.  The  use  of  computer-aided  design  (CAD)  is  universal  for  practicing  engineers  in  this  field,  as  in  most  other  fields.  We  have  recognized  this  fact  and  provided  guidance  to  the  reader  so  that  learning  the  controls  analysis  material  can  be  integrated  with  learning  how  to  compute  the  answers  with  Matlab,  the  most  widely  used  CAD  software  package  in  universities.  In  many  cases,  especially  in  the  earlier  chapters,  actual  Matlab  scripts  are  included  in  the  text  to  explain  how  to  carry  out  a  calculation.  In  other  cases,  the  Matlab  routine  is  simply  named  for  reference.  All  the  routines  given  are  tabulated  in  Appendix  E  for  easy  reference;  therefore,  this  book  can  be  used  as  a  reference  for  learning  how  to  use  Matlab  in  control  calculations  as  well  as  for  control  systems  analysis.  In  short,  we  have  tried  to  describe  the  entiere  process,  from  learning  the  concepts  to  computeing  the  desired  results.  But  we  hasten  to  add  that  it  is  mandatory  that  the  student  retain  the  ability  to  compute  simple  answers  by  hand  so  that  the  computer\\\'s  reasonableness  can  be  judged.  The  First  Law  of  Computers  for  engineers  remains  \\\"Garbage  In,  Garbage  Out.\\\"  Most  of  the  graphical  figures  in  this  third  edition  were  generated  using  Matlab®  supplied  by  The  Mathworks,  Inc.  The  files  that  created  the  figures  are  available  from  Addison  Wesley  Longman  at  ftp.aw  or  from  The  Mathworks,  Inc.  at  ftp.mathworks/pub/books/franklin.  The  reader  is  encouraged  to  use  these  Matlab  figure  files  as  an  additional  guide  in  learning  how  to  perform  the  various  calculations.  To  review  the  chapters  briefly:  Chapter  1  contains  introductory  comments.  Chapters  2  and  2  are  new  to  the  third  edition.  Chapter  2  is  a  review  of  the  prerequisite  continuous  control;  Chapter  3  introduces  the  key  effects  of  sampling  in  order  to  elucidate  many  of  the  topics  that  follow.  Methods  of  linear  analysis  are  presented  in  Chapters  4  through  6.  Chapter  4  presents  the  z-transform.  Chapter  5  introduces  combined  discrete  and  continuous  systems,  the  sampling  theorem,  and  the  phenomenon  of  aliasing.  Chapter  6  shows  methods  by  which  to  generate  discrete  equations  that  will  approximate  continuous  dynamics.  The  basic  deterministic  design  methods  are  presented  in  Chapters  7  and  8  -  the  root-locus  and  frequency  response  methods  in  Chapter  7  and  pole  placement  and  estimators  in  Chapter  8.  The  state-space  material  assumes  no  previous  acquaintance  with  the  phase  plane  or  state  space,  and  the  necessary  analysis  is  developed  from  the  ground  up.  Some  familiarity  with  simultaneous  linear  equations  and  matrix  notation  is  expected,  and  a  few  unusual  or  more  advanced  topics  such  as  eigenvalues,  eigenvectors,  and  the  Cayley-Hamilton  theorem  are  presented  in  Appendix  C.  Chapter  9  introduces  optimal  quadratic-loss  control:  First  the  control  by  state  feedback  is  presents  methods  of  analysis  and  design  guidelines  for  the  selection  of  the  sampling  period  in  a  digital  control  system.  It  utilizes  the  design  methods  discussed  in  Chapters  7,8  and  9,  in  examples  illustrating  the  effects  of  sample  rate.  Chapter  12  introduces  both  nonparametric  and  parametric  identification.  Nonparametric  methods  are  based  on  spectral  estimation.  Parametric  methods  are  introduced  by  starting  with  deterministic  lease  quares,  indroducing  random  errors,  and  completing  the  solution  with  an  algorithm  for  maximum  likelihood.  Sub-space  methods  are  also  introduced  for  estimating  the  state  matrices  directly.  Nonlinear  control  is  the  subject  of  Chapter  13,  including  examples  of  plant  nonlinearities  and  methods  for  the  analysis  and  design  of  controllers  for  nonlinear  models.  Simulation,  stability  analysis,  and  performance  enhancement  by  nonlinear  controllers  and  by  adaptive  design  are  also  included  in  Chapter  13.  The  chapter  ends  with  a  nonlinear  design  optimization  alternative  to  the  techniques  presented  in  Chapter  9.  The  final  chapter,  14,  is  a  detailed  design  example  of  a  digital  servo  for  a  disk  drive  head.  Table  P.1  shows  the  differences  between  teh  second  and  third  editions  of  the  book.  For  purposes  of  organization  a  course,  Fig.  P.1  shows  the  dependence  of  material  in  each  chapter  on  previous  chapters.  By  following  the  solid  lines,  the  reader  will  have  all  the  background  required  to  understand  the  material  in  a  particular  chapter,  even  if  the  path  omits  some  chapters.  Furthermore,  sections  with  a  star  (*)  are  optional  and  may  be  skipped  with  no  loss  of  continuity.  Chapters  may  also  be  skipped,  as  suggested  by  the  dashed  lines,  if  the  reader  is  willing  to  take  some  details  on  faith;  however,  the  basic  ideas  fo  the  later  chapters  will  be  understood  along  these  paths.  The  first  seven  chapters  (skipping  or  quickly  reviewing  Chapter  2)  constitute  a  comfortable  one-quarter  course  that  would  follow  a  course  in  continuous  linear  control  using  a  text  such  as  Frankli,  Powell,  and  Emami-Naeini  (1994).  For  a  one-semester  course,  the  first  eight  chapters  represent  a  comfortable  load.  The  content  of  a  second  course  has  many  possibilities.  One  possibility  is  to  combine  Chapters  8  and  9  with  Chapter  10,  11,  or  12.  As  can  be  seen  from  the  figure,  many  options  exist  for  including  the  material  in  the  last  five  chapters.  For  a  full  year  course,  all  fourteen  chapters  can  be  covered.  One  of  the  changes  made  in  this  third  edition  is  that  the  optimal  control  material  no  longer  depends  on  the  least-squares  development  in  the  system  identification  chapter,  thus  allowing  for  more  flexibiltiy  in  the  sequence  of  teaching.  It  has  been  found  at  Stanford  that  it  is  very  useful  to  supplement  the  lecturers  with  laboratory  work  to  enhance  learning.  A  very  satisfactory  complement  of  laboratory  equipment  is  a  digital  computer  having  an  A/D  and  a  D/A  converter,  an  analog  computer  (or  equivalent)  with  ten  operational  amplifiers,  a  digital  storage  scope,  and  a  CAD  package  capable  fo  performing  the  basic  computations  and  plotting  graphs.  A  description  of  the  laboratory  equipment  and  experiments  at  Standord  is  described  in  Franklin  and  Powell,  Control  Systems  Magazine(1989).  There  are  many  important  topics  in  crontrol  that  we  have  not  been  able  to  include  in  this  book.  There  is,  for  example,  no  discussion  of  mu  analysis  or  design,  linear  matrix  inequalitits,  or  convex  optimization.  It  is  our  expectation,  however,  that  careful  study  of  theis  book  will  provide  the  sutdent  engineer  with  a  sound  basis  for  design  of  sampled-data  controls  and  a  foundation  for  the  study  of  these  and  many  other  advanced  topics  in  this  most  exciting  field.  As  do  all  authors  of  technical  works,  we  wish  to  acknowledge  the  vast  array  of  contibutors  on  whose  work  our  own  presentaiton  is  based.  The  list  of  references  gives  some  indication  of  theose  to  whom  we  are  in  debt.  On  a  more  personal  level,  we  wish  to  express  our  appreciation  to  Profs.  S.  Boyd,  A.  Bryson,  R.  Cannon,  S.  Citron,  J.  How,  and  S.  Rock  for  their  valuable  suggestions  for  the  book  and  especially  to  our  long-time  colleague,  Prof.  Dan  DeBra,  for  his  careful  reading  and  many  spirited  suggestions.  We  also  wish  to  express  our  appreciation  for  many  valuable  suggestions  to  the  current  and  former  students  of  E207  and  E208,  for  whom  this  book  was  written.  In  addition,  we  want  to  thatnk  the  fjollowing  people  for  their  helpful  reviews  of  the  manuscript:  Fred  Bailey,  University  of  Minnesota;  John  Fleming,  Texas  A&M  University;  J.B.  Pearson,  Rice  University;  William  Perkins,  University  of  Illinois;  James  Carroll,  Clarkson  University;  Walter  Higgins,  Jr.,  Arizona  State  University;  Stanley  Johnson,  Lehigh  University;  Thomas  Kurfess,  Georgia  Institute  of  Technology;  Stephan  Phillips,  Case  WEstern  Reserve  University;  Chris  Rahn,  Clemson  University;  T.  Srinivasan,  Wilkes  University;  Hal  Tharp,  University  of  Arizona;  Russell  Trahan,  Jr.,  University  of  New  Orleans;  and  Gary  Young,  Oklahoma  State  University.  We  also  wish  to  express  our  appreciation  to  Laura  Cheu,  Emile  Bauer,  and  all  the  staff  at  Addison-Wesley  for  their  quality  production  of  the  book.Stanford,  California  G.F.F.

J.D.P.

M.L.W.  --------------------------------------------------------------------------------

Product  Details

Hardcover:  850  pages 

Publisher:  Prentice  Hall;  3  edition  (December  29,  1997) 

Language:  English 

ISBN-10:  0201820544 

ISBN-13:  978-0201820546 

Product  Dimensions:  9.6  x  7.6  x  1.4  inches 

Shipping  Weight:  2.7  pounds