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1.1 计算机控制系统的组成 1

1.1.1 计算机反馈控制系统 1

第1章 计算机控制系统概述 1

1.1.2 计算机控制系统的组成 2

1.2 计算机控制系统的类型和特点 4

1.2.1 计算机控制系统的类型 4

1.2.2 计算机控制的主要特点 7

1.3 计算机控制的发展概况及趋势 7

习题 9

2.1 数字信号和A/D转换 10

第2章 信号转换与Z变换 10

2.2 采样信号 14

2.2.1 理想采样信号 14

2.2.2 实际采样信号 16

2.2.3 采样信号分析 17

2.3 采样定理与采样周期选取 21

2.3.1 采样定理 21

2.3.2 重构公式说明 22

2.3.3 采样周期T选取 23

2.4 信号恢复与保持器 26

2.4.1 零阶保持器特性分析 27

2.4.2 一阶保持器特性分析 29

2.5 Z变换 32

2.5.1 采样信号拉氏变换 32

2.5.2 Z变换定义与说明 36

2.5.3 Z平面与S平面的映射关系 37

2.6 Z变换性质、定理和Z变换及其反变换求法 40

2.6.1 Z变换基本性质和定理 40

2.6.2 Z变换求法 46

2.6.3 Z反变换 50

2.7 修正Z变换 56

2.7.1 修正Z变换定义 57

2.7.2 求修正Z变换的方法 58

习题 60

第3章 计算机控制系统数学描述 62

3.1 离散系统与差分方程 62

3.1.1 离散系统有关定义 62

3.1.2 差分方程 63

3.1.3 差分方程求解 64

3.2 Z传递函数 68

3.2.1 Z传递函数定义 68

3.2.2 Z传递函数与差分方程相互转换 69

3.2.3 Z传递函数与单位脉冲响应序列的相互转换 70

3.3 离散系统的状态空间表示式 74

3.3.1 动态系统的状态空间描述 74

3.3.2 由差分方程求离散系统状态空间表示式 76

3.3.3 由Z传递函数求离散系统状态空间表示式 81

3.3.4 状态线性变换与状态空间表示式的规范型 90

3.3.5 离散状态方程的求解 93

3.3.6 离散系统的特征方程 94

3.4 计算机控制系统连续部分的离散化状态空间表示式 95

3.5.1 数字部分的Z传递函数 98

3.5 计算机控制系统的Z传递函数 98

3.5.2 连续部分的Z传递函数 99

3.5.3 计算机控制系统的闭环Z传递函数 101

习题 103

第4章 计算机控制系统特性分析 106

4.1 计算机控制系统稳定性分析 106

4.1.1 离散系统稳定性及稳定条件 106

4.1.2 离散系统代数稳定性判据 109

4.1.3 离散系统频率特性与乃氏（Nyquist）稳定性判据 114

4.1.4 离散系统李亚普诺夫稳定性判据 117

4.2 计算机控制系统的稳态误差分析 119

4.2.1 计算机控制系统的稳态误差与稳态误差系数 120

4.2.2 计算机控制系统的误差级数与动态误差系数 124

4.2.3 计算机控制系统对干扰输入的稳态误差 126

4.3 计算机控制系统的暂态响应分析 127

4.3.1 Z平面上极点分布与暂态响应的关系 127

4.3.2 采样周期T对暂态响应特性的影响 132

4.3.3 计算机控制系统的连续输出响应的计算 136

4.3.4 含有延迟的计算机控制系统的输出响应 139

4.3.5 非同步采样和信号转换延迟的处理 140

4.4 双速率采样控制系统分析 141

4.4.1 开关分解Z域分析法 142

4.4.2 串级双速率采样控制系统时域分析法 143

习题 146

第5章 计算机控制系统基于输入输出模型设计法 149

5.1 连续化设计和模拟控制器离散化 150

5.1.1 连续化设计 150

5.1.2 模拟控制器的离散化 152

5.2 数字PID控制 162

5.2.1 理想PID控制 162

5.2.2 实际PID控制 164

5.2.3 数字PID控制改进算法 166

5.2.4 Smith预估补偿PID控制 169

5.2.5 数字PID控制算法参数的整定 170

5.3 根轨迹和伯德（Bode）图设计法 173

5.3.1 根轨迹设计法 174

5.3.2 伯德图设计法 174

5.4 极点配置设计法 176

5.4.1 单位反馈控制系统的极点配置设计 177

5.4.2 复合控制系统的极点配置设计 181

5.4.3 大林（Dahlin）控制器设计 188

5.5.1 最少拍控制系统的设计 190

5.5 最少拍控制系统的设计 190

5.5.2 最少拍无纹波控制系统的设计 201

5.5.3 最少拍无纹波复合控制系统的设计 206

5.5.4 卡尔曼（Kalman）控制器设计 210

5.6 计算机控制系统的最优化设计 211

5.6.1 随机干扰模型 212

5.6.2 最小方差控制 217

5.6.3 广义最小方差控制 223

5.7 自校正控制器的设计 226

5.7.1 系统参数辨识的最小二乘法 227

5.7.2 最小方差自校正控制器的设计 235

习题 239

第6章 计算机控制系统的状态空间设计法 242

6.1 系统的能控性和能观性 242

6.1.1 系统的能控性及其判别 242

6.1.2 系统的能观性及其判别 244

6.2 状态反馈极点配置设计法 246

6.2.1 状态反馈律设计 246

6.2.2 给定输入不为零系统的控制律设计 255

6.2.3 重构状态反馈控制系统闭环分析 258

6.3.1 全阶观测器及其设计 261

6.3 状态观测器设计 261

6.3.2 降阶观测器及其设计 266

6.3.3 最优观测器——Kalman滤波器 267

6.4 基于二次型性能指标状态反馈最优化设计 271

6.4.1 二次型性能指标函数及其最优化控制问题 272

6.4.2 线性二次型最优调节问题的求解 273

6.4.3 线性二次型稳态最优控制 279

6.4.4 线性随机系统二次型最优控制 281

习题 282

第7章 模型预测控制算法及设计 285

7.1 概述 285

7.2.1 MAC（模型算法控制）的基本算法 290

7.2 MPC的基本算法 290

7.2.2 IMAC（增量模型算法控制）的基本算法 296

7.2.3 DMC（动态矩阵控制）的基本算法 299

7.2.4 GPC（广义预测控制）的基本算法 304

7.3 MPC系统的内模控制结构及其分析 310

7.3.1 内模控制及其基本特征 311

7.3.2 单步预测MAC系统的内模控制结构及其分析 314

7.3.3 多步预测MAC系统的内模控制结构及其分析 318

7.4 MPC算法的预测状态空间形式 323

7.4.1 MAC算法的预测状态空间形式 324

7.4.2 DMC算法的预测状态空间形式 333

7.4.3 GPC算法的预测状态空间形式 337

7.4.4 无自平衡系统的MAC和DMC算法 341

7.4.5 可减小模型截断误差的MAC和DMC改进算法 343

7.5 多变量系统的MPC算法 348

7.5.1 多变量DMC集中预测集中优化算法 348

7.5.2 多变量DMC分散预测分散优化算法 351

7.6 基于Laguerre函数模型的预测控制 357

7.6.1 动态系统的Laguerre函数模型 358

7.6.2 预测控制算法 364

习题 366

8.1 计算机控制系统的总体设计 368

第8章 计算机控制系统的工程实现 368

8.2.1 早期的计算机控制系统结构 372

8.2 计算机控制系统的结构 372

8.2.2 分布式计算机控制系统及其结构 373

8.2.3 分布式计算机控制系统与早期计算机控制系统的比较 375

8.2.4 现场总线式计算机控制系统及其结构 376

8.3 计算机控制系统的软件实现 382

8.3.1 概述 382

8.3.2 人机界面的要求和实现 383

8.3.3 数据管理和数据通信 386

8.4 计算机控制系统的硬件实现 389

8.3.4 数据输入和输出 389

8.4.1 实现计算机控制的基本系统 390

8.4.2 输入／输出技术 390

8.5 计算机控制系统的抗干扰技术 392

8.5.1 干扰源 392

8.5.2 干扰的耦合方式 393

8.5.3 干扰的抑制 394

8.5.4 系统供电技术 395

习题 397

参考文献 398