物联网控制基础PDF电子书下载

绪论 1

第1部分 经典控制理论 13

第1章 自动控制系统的基本概念 13

1.1 引言 13

1.2 开环控制系统与闭环控制系统 14

1.2.1 基本概念 14

1.2.2 自动控制系统结构框图 15

1.2.3 开环控制系统与闭环控制系统 17

1.3 对闭环控制系统的基本要求 19

1.3.1 基本概念 19

1.3.2 对控制系统的基本要求 19

1.3.3 自动控制系统的类型 21

习题 23

第2章 自动控制系统的数学模型 24

2.1 数学模型及建模的基本概念 24

2.1.1 动态微分方程的编写 25

2.1.2 非线性系统（数模）的线性化 27

2.1.3 运动方程无量纲化 27

2.1.4 典型系统微分方程的列写 28

2.2 传递函数 29

2.3 典型环节传递函数分析 31

2.3.1 比例环节（放大环节） 32

2.3.2 惯性环节 32

2.3.3 积分环节 33

2.3.4 微分环节 34

2.3.5 振荡环节 35

2.3.6 延迟环节 36

2.4 环节的连接方式 36

2.4.1 串联 36

2.4.2 并联 37

2.4.3 反馈 37

习题 39

第3章 控制系统的时域分析 40

3.1 时域分析法介绍 40

3.2 时域性能指标 40

3.2.1 系统的动态和稳态性能指标 41

3.2.2 典型输入信号 41

3.2.3 脉冲响应函数 42

3.3 一阶系统的动态响应 42

3.3.1 单位阶跃响应 43

3.3.2 单位斜坡响应 43

3.3.3 单位脉冲响应 43

3.3.4 单位阶跃、单位斜坡、单位脉冲响应的关系 43

3.4 二阶系统的动态响应 44

3.4.1 二阶系统的数学模型 44

3.4.2 欠阻尼情况下二阶系统的动态性能指标的计算 47

3.4.3 改善二阶系统性能的措施 49

3.5 高阶系统的动态响应和简化分析 49

3.6 自动控制系统的稳定性分析及代数判据 50

3.6.1 稳定性的基本概念 50

3.6.2 控制系统稳定的充分必要条件 50

3.6.3 系统稳定性代数判据 51

3.7 控制系统的稳态误差分析 56

3.7.1 系统稳态误差的概念 56

3.7.2 控制系统按开环结构中积分环节数分类 59

3.7.3 给定值输入下的稳态误差计算 59

3.7.4 扰动输入下稳态误差的计算 63

习题 64

第4章 控制系统的频域分析 66

4.1 频率特性的基本概念 66

4.1.1 频域分析法的基本思想 66

4.1.2 频域分析法的特点 66

4.1.3 频率特性的定义 67

4.2 频率特性的表示方法 68

4.2.1 频率特性的解析式方法 68

4.2.2 频率特性的图示方法 69

4.3 典型环节的频率特性 70

4.3.1 比例环节 70

4.3.2 积分环节 71

4.3.3 微分环节 72

4.3.4 惯性环节 73

4.3.5 振荡环节 74

4.3.6 延时环节 76

4.4 控制系统的开环频率特性 77

4.4.1 开环频率特性的极坐标图 77

4.4.2 开环频率特性的对数频率特性图 78

4.5 控制系统的稳定性分析 79

4.5.1 奈奎斯特判据的优点 79

4.5.2 奈奎斯特判据的理论依据 79

4.5.3 奈奎斯特判据 80

4.5.4 相对稳定性 81

4.6 频域分析法中的系统性能指标 83

4.6.1 静态性能指标在奈奎斯特曲线或伯德曲线上的呈现形式 83

4.6.2 控制系统的动态频域指标 83

4.6.3 频域指标的计算 83

习题 87

第5章 控制系统的校正方法 88

5.1 校正的基本概念 88

5.1.1 控制系统的校正及其思路 88

5.1.2 设计指标 89

5.1.3 控制系统设计的结构及特点 89

5.1.4 系统校正的方法 90

5.2 串联校正典型环节特性 91

5.2.1 超前校正环节特性 91

5.2.2 滞后校正环节特性 91

5.2.3 滞后-超前校正环节特性 92

5.3 用频域法设计串联校正环节 92

5.3.1 希望的开环频率特性 92

5.3.2 串联超前校正的一般步骤 92

习题 94

第2部分 现代控制理论 95

第6章 系统描述 95

6.1 状态空间表达式 95

6.1.1 能控标准形 96

6.1.2 能观测标准形 97

6.1.3 对角线标准形 98

6.1.4 Jordan标准形 98

6.2 线性时不变系统的特征结构 99

6.2.1 系统矩阵4的特征值 99

6.2.2 n维系统矩阵的对角线化 100

6.2.3 特征值的不变性 102

6.2.4 状态变量组的非唯一性 102

6.3 系统模型之间的相互变换 103

6.3.1 传递函数系统的状态空间表达式 103

6.3.2 由状态空间表达式到传递函数的变换 104

习题 106

第7章 线性多变量系统的运动分析 108

7.1 线性系统状态方程的解 108

7.2 状态转移矩阵的性质 109

7.3 向量矩阵分析中的若干结果 110

7.3.1 凯莱-哈密尔顿定理 110

7.3.2 最小多项式 111

7.4 矩阵指数函数eAt的计算 111

7.4.1 方法一：直接计算法（矩阵指数函数） 112

7.4.2 方法二：对角线标准形与Jordan标准形法 112

7.4.3 方法三：拉氏变换法 113

7.4.4 方法四：化eAt为A的有限项法 114

习题 116

第8章 Lyapuov稳定性分析 117

8.1 引言 117

8.2 Lyapunov意义下的稳定性问题 117

8.2.1 平衡状态、给定运动与扰动方程的原点 118

8.2.2 Lyapunov意义下的稳定性定义 118

8.2.3 预备知识 120

8.3 Lyapunov稳定性理论 122

8.3.1 Lyapunov第一法 122

8.3.2 Lyapunov第二法 123

8.3.3 线性系统的稳定性与非线性系统的稳定性比较 126

8.4 线性定常系统的Lapunov稳定性分析 126

习题 130

第9章 线性多变量系统的综合与设计 132

9.1 引言 132

9.1.1 问题的提法 132

9.1.2 性能指标的类型 133

9.1.3 研究综合问题的主要内容 133

9.1.4 工程实现中的一些理论问题 134

9.2 极点配置问题 134

9.2.1 问题的提法 134

9.2.2 可配置条件 135

9.2.3 极点配置的算法 138

9.2.4 低阶系统的极点配置问题 139

习题 139

第3部分 计算机控制系统 140

第10章 计算机控制系统概述 140

10.1 计算机控制系统的组成 140

10.2 计算机控制系统的特点 141

10.3 计算机控制系统的典型形式 142

10.4 计算机控制系统的发展方式 144

习题 144

第11章 常规及复杂控制技术 145

11.1 数字控制器的连续化设计技术 145

11.2 PID控制 148

11.2.1 PID控制算法 148

11.2.2 数字PID控制算法的改进 150

11.2.3 数字PID控制参数整定 153

11.3 纯滞后系统控制 155

11.3.1 大林算法 156

11.3.2 史密斯预估算法 158

11.4 最少拍控制 160

11.4.1 史密斯预估算法 160

11.4.2 最少拍控制器设计 161

11.4.3 最少拍无纹波控制 163

习题 163

第12章 分散性测控网络技术 165

12.1 分散控制系统 165

12.2 现场总线控制系统 167

12.3 计算机集成制造系统 167

习题 170

第13章 计算机控制系统的设计与实施 171

13.1 计算机控制系统的设计原则 171

13.2 计算机控制系统的设计步骤 173

习题 175

第4部分 无线传感器网络中的控制技术 176

第14章 无线传感器网络中的控制技术 176

14.1 无线传感器网络概述 176

14.1.1 无线传感器网络体系结构 176

14.1.2 无线传感器网络的特征 177

14.2 无线传感器网络中的路由控制技术 178

14.2.1 路由协议的分类 179

14.2.2 能量感知路由协议 180

14.2.3 基于查询的路由协议 181

14.2.4 地理位置路由 184

14.2.5 基于服务质量的路由协议 186

14.3 无线传感器网络的链路层技术 188

14.3.1 无线传感器网络MAC协议 188

14.3.2 基于时分复用的MAC协议 193

14.4 定位跟踪控制技术 195

14.4.1 定位技术概述 195

14.4.2 节点位置计算的常见方法 195

14.4.3 定位算法分类 197

14.5 目标跟踪控制 208

14.6 覆盖控制 212

14.6.1 虚拟势场力方法 213

14.6.2 粒子群方法 214

14.7 移动传感网动态建模和控制技术 218

习题 221

第5部分 网络控制系统 222

第15章 网络控制系统 222

15.1 网络控制系统概述 222

15.2 网络控制系统概念和结构 223

15.3 网络控制系统的时序 226

15.3.1 采样速率分析 226

15.3.2 延迟与抖动分析 226

15.3.3 NCSs的节点驱动方式 226

15.4 网络控制系统模型 227

15.4.1 NCSs中的基本假设 227

15.4.2 连续系统模型 227

15.4.3 离散系统模型 228

15.4.4 混合系统模型 231

15.4.5 有数据包丢失时NCSs的模型 231

15.4.6 时滞系统模型 232

15.4.7 其他模型 232

15.5 通信约束下的网络控制系统稳定性分析 233

15.5.1 网络控制系统稳定的通信约束 233

15.5.2 量化反馈系统的稳定性分析 233

15.5.3 基于状态观测的量化反馈稳定性分析 236

15.6 网络控制系统控制器设计 238

15.6.1 控制器设计方法 238

15.6.2 随机最优控制技术 238

15.6.3 增广确定控制技术 239

15.6.4 基于QoS的控制方法 240

15.6.5 鲁棒控制方法 240

15.6.6 其他控制方法 241

习题 241

参考文献 242