数字控制系统原理 分析与设计PDF电子书下载

目录 1

第一章 引论 1

1.1 引言 1

1.2 采样数据控制系统 2

1.3 数字控制系统 3

1.3.1 数字控制系统的一般组成 3

1.3.2 数字控制系统的一般类型 4

第二章 信号的采样与复现 7

2.1 连续信号的采样和星号拉氏变换 7

2.1.1 连续信号的采样 7

2.1.2 理想采样开关的数学描述 7

2.1.3 利用卷积分计算星号拉氏变换 9

2.1.4 星号拉氏变换F＊（x）的特性 14

2.1.5 香农采样定理 15

2.2 信号的复现与保持器 16

2.2.1 信号的复现 16

2.2.2 零阶保持器 17

2.2.3 一阶保持器 20

2.3 过采样和不足采样 22

2.3.1 不足采样：频率混淆 22

2.3.2 选取采样周期的实际考虑 23

习题 24

第三章 Z变换 25

3.1 Z变换定理及计算方法 25

3.1.1 Z变换定义 25

3.1.2 基本函数的Z变换 25

3.1.3 求Z变换表达式的一般计算方法 27

3.1.4 Z变换的基本定理 31

3.2 Z反变换 39

3.2.1 幂级数法 39

3.2.2 部分分式法 39

3.2.3 反演积分法 41

3.2.4 用Z变换求解差分方程 44

3.3 线性离散系统的脉冲传递函数 46

3.3.1 脉冲传递函数的定义 46

3.3.2 脉冲传递函数的代数运算规则 48

3.3.3 Z变换法分析闭环系统的响应特性 54

3.4 采样时刻之间的响应 57

3.4.1 子倍数采样方法 58

3.4.2 修正Z变换 60

3.5 具有时间延迟的系统 63

习题 64

第四章 状态空间分析 71

4.1 离散时间控制系统的状态方程 71

4.1.1 线性离散时间控制系统的状态变量表示法 71

4.1.2 线性定常离散系统的状态方程 71

4.1.3 连续状态方程的离散等效 75

4.2 求解状态方程 78

4.2.1 用递推方法求解状态方程 78

4.2.2 用Z变换方法求解线性定常离散系统状态方程 78

4.3 状态变量表达式和脉冲传递函数的关系 82

4.4 特征方程、特征值和特征矢量 83

4.5 应用状态变量法确定采样时刻之间的响应 84

4.6 具有时间延迟系统的状态方程模型 87

习题 89

5.1.1 稳定性定义 92

5.1 离散系统的稳定性 92

第五章 离散时间控制系统的一般性质 92

5.1.2 离散线性定常系统的稳定性 93

5.1.3 朱利（Jury）判据 95

5.1.4 W变换的稳定性判据 98

5.1.5 李雅普诺夫第二方法 99

5.2 能控性、能观测性 101

5.2.1 离散线性定常系统的能控性 101

5.2.2 离散线性定常系统的能观测性 103

5.3 能控性、能观测性的几个特性 104

5.3.1 能控性不变性原理 104

5.3.2 能控性、能观测性同脉冲传递函数的关系 106

5.3.3 采样时间T对能控性和能观测性的影响 108

5.4 能控标准型和能观测标准型 109

5.3.4 能控性与能观测性的对偶性 109

5.4.1 能控标准型 110

5.4.2 能观测标准型 112

习题 112

第六章 时间域和频率域分析 116

6.1 s平面和z平面之间的变换 116

6.2 离散系统的稳态误差 120

6.2.1 离散系统的增益 120

6.2.2 采样时刻的稳态误差分析 121

6.2.3 采样周期对稳态误差的影响 125

6.3 离散系统的频率特性 125

6.3.1 离散定常系统的频率响应 126

6.3.2 幅相频率特性曲线 128

6.4.1 W变换 131

6.4 W变换和伯德图 131

6.4.2 伯德图 132

习题 134

第七章 数字控制器设计 137

7.1 控制系统的性能要求 137

7.1.1 数字控制系统的一般性能要求 137

7.1.2 参数灵敏度 137

7.1.3 干扰的抑制 138

7.2 离散与连续等效设计方法 140

7.2.1 各种离散化方法 140

7.2.2 离散与连续等效的设计方法 149

7.2.3 预先补偿零阶保持器相位迟后的系统设计方法 150

7.2.4 离散等效系统的稳态误差系数 152

7.2.5 采样周期T的选取 152

7.3.1 在W平面设计数字控制器一般步骤 153

7.3 W平面设计方法 153

7.3.2 串联相位迟后补偿 154

7.3.3 串联相位超前补偿 156

7.3.4 用解析法确定一阶补偿器 158

7.3.5 根据预期伪频率特性设计数字控制器 159

7.3.6 在W平面设计数字PID控制器 161

7.4 根轨迹设计方法 164

7.4.1 控制系统设计的z平面指标 164

7.4.2 根轨迹的绘制 166

7.4.3 采样周期T对根轨迹的影响 166

7.4.4 采用根轨迹法进行设计 170

7.5 数字PID控制器设计 175

7.5.1 数字PID控制算法 175

7.5.2 数字PID控制器基本结构 176

7.5.3 数字PID控制算法的改进 177

7.5.4 数字PID控制器参数选择 178

7.5.5 飞行自动着陆系统的数字PID控制器 180

7.6 数字控制器直接设计方法 184

7.6.1 最少拍随动系统设计 184

7.6.2 最少拍无波纹随动系统设计 189

7.6.3 达林算法 191

7.7 史密斯预估算法 194

7.8 模型算法控制 196

7.8.1 模型算法控制原理 196

7.8.2 开环与闭环预测 198

习题 200

8.1 极点配置 204

8.1.1 极点配置的基本定理 204

第八章 极点配置和观测器 204

8.1.2 极点配置的一般算法 205

8.1.3 极点配置的阿克曼公式 207

8.1.4 选取设计参数 209

8.1.5 多输入系统的极点配置 211

8.2 状态观测器 213

8.2.1 观测器设计 213

8.2.2 无延迟观测器 216

8.2.3 降阶观测器 218

8.3 伺服系统 220

习题 225

第九章 最优控制 227

9.1 离散系统变分法 227

9.1.1 离散系统的欧拉方程 227

9.1.2 一般形式的变分问题 229

9.1.3 有等式约束的变分问题 230

9.2 离散极大值原理 232

9.2.1 无约束离散系统的极大值原理 232

9.2.2 有约束离散系统的极大值原理 235

9.3 动态规划 237

9.3.1 多阶段决策过程 237

9.3.2 最优性原理 238

9.3.3 动态规划基本递推公式 238

9.3.4 动态规划的通用计算方法 243

习题 245

第十章 离散系统线性二次型最优控制 249

10.1 有限长时间线性数字调节器 249

10.1.1 二次型性能指标 249

10.1.2 有限长时间线性数字调节器 250

10.1.3 一般形式二次型性能指标 255

10.2 无限长时间线性数字调节器 256

10.3 输出调节器 258

10.4 伺服系统的二次型最优控制 259

10.5 采样数字系统的二次型最优控制 262

习题 265

第十一章 脉冲宽度调制控制系统 268

11.1 引言 268

11.1.1 单极式和双极式脉冲宽度采样 268

11.1.2 自然采样和均匀采样 271

11.1.3 脉冲宽度调制系统的特点 271

11.2 分析脉冲宽度调制控制系统的Z变换方法 272

11.2.1 等效面积原理 272

11.2.2 脉冲宽度调制系统的Z变换分析法 273

11.3.1 双极式脉冲宽度采样双描述函数模型 275

11.3 脉冲宽度调制的谐波模型 275

11.3.2 脉冲宽度调制控制系统的谐波模型分析 278

第十二章 多速率采样离散时间控制系统 281

12.1 引言 281

12.2 多速率采样的无穷级数表达式 282

12.3 多速率采样系统的Z变换分析法 283

12.3.1 慢—快多速率采样系统 283

12.3.2 快—慢多速率采样系统 285

12.3.3 全部为数字元件的多速率采样系统 288

12.3.4 不同采样速率的纯数字元件的联接 289

12.3.5 闭环多速率采样系统 290

12.4 多速率采样系统的时间域分析 292

12.4.1 慢—快多速率开环采样系统的输出响应 292

12.4.2 快—慢多速率开环采样系统的输出响应 293

12.4.3 多回路、多速率采样闭环系统状态方程及输出响应 295

习题 296

第十三章 数字控制器结构实现 299

13.1 直接实现形式 299

13.1.1 数字控制器的四种直接实现形式 299

13.1.2 二阶模型的四种直接实现形式 301

13.2 串联实现 303

13.3 并联实现 303

13.4 数字PID控制器结构实现 303

习题 304

第十四章 数字控制器的微机实现 306

14.1 数的表示法及量化误差 306

14.1.1 数的二进制表示 306

14.1.2 二进制数截尾和舍入 307

14.2 量化误差分析 309

14.2.1 模拟信号采样过程的量化误差 310

14.2.2 系数量化误差及其对系统性能的影响 312

14.2.3 乘法运算结果量化误差分析 316

14.3 输出量化噪声 317

14.3.1 数字控制器噪声模型 317

14.3.2 随机信号通过线性定常离散系统 318

14.3.3 不同实现结构的输出方差比较 320

14.4 量化非线性效应产生的极限环振荡 322

14.4.1 定点数实现数字控制器的零输入极限环 322

14.4.2 定点小数补码求和产生的溢出振荡 324

14.4.3 量化效应产生的闭环极限环 324

14.5 计算机字长的选取 325

14.5.1 A/D变换器字长 325

14.5.3 系数存贮字长 326

14.5.2 运算器字长 326

14.5.4 数模转换器字长 327

14.5.5 闭环系统的字长选择 327

14.6 在有限字长约束下实现数字控制器算法 328

14.6.1 二阶模型串联实现 328

14.6.2 二阶模型并联实现 333

14.7 干扰的滤波 334

14.8 计算机时延 335

习题 336

第十五章 数字控制系统设计举例 338

15.1 磁悬浮球数字控制系统 338

15.2 恒温箱温控数字控制系统 341

15.3 关节倒摆数字控制系统 343