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第1章 计算机控制导论 1

1.1 计算机控制系统基本工作原理及组成 1

1.1.1 计算机控制系统基本工作原理 1

1.1.2 计算机控制系统基本组成 3

1.2 计算机控制系统的特点 5

1.3 计算机控制系统的优点 7

1.4 计算机控制系统的发展、应用与分类 8

1.4.1 计算机控制系统发展概况 8

1.4.2 计算机控制系统应用概况 10

1.4.3 计算机控制系统分类 12

1.5 计算机控制系统的理论与设计问题 14

1.5.1 计算机控制系统的理论问题 14

1.5.2 计算机控制系统的设计与实现 16

1.6 采样系统与离散系统概念 18

本章小结 19

习题 19

第2章 计算机控制系统的数学描述 23

2.1 计算机控制系统信号 23

2.1.1 采样过程数学描述及特性 23

2.1.2 采样定理 30

2.1.3 信号的恢复与重构 33

2.1.4 信号的整量化 37

2.2 离散系统的时域描述——差分方程 37

2.2.1 差分的定义 37

2.2.2 差分方程 38

2.2.3 线性差分方程的求解 38

2.3 离散系统z域描述——脉冲传递函数 40

2.3.1 脉冲传递函数的定义 40

2.3.2 脉冲传递函数特性 41

2.3.3 差分方程与脉冲传递函数 42

2.3.4 离散系统的方块图描述 43

2.4 离散系统频域描述——频率特性 50

2.4.1 离散系统频率特性定义 50

2.4.2 离散系统频率特性的计算 50

2.4.3 离散系统频率特性的特点 53

2.5 离散系统状态空间描述——状态方程 54

2.5.1 离散系统的状态方程 54

2.5.2 计算机控制系统状态方程 59

2.6 应用实例 62

本章小结 66

习题 66

第3章 计算机控制系统分析 74

3.1 稳定性分析 74

3.1.1 s平面和z平面之间的映射 74

3.1.2 离散系统的稳定条件 79

3.1.3 离散系统稳定性检测 80

3.1.4 采样周期与系统稳定性 84

3.2 稳态误差分析 85

3.2.1 离散系统稳态误差的定义 85

3.2.2 离散系统稳态误差的计算 86

3.2.3 采样周期对稳态误差的影响 89

3.3 时域特性分析 90

3.3.1 离散系统动态特性指标的提法及限制条件 90

3.3.2 离散系统极点、零点位置与时间响应的关系 91

3.3.3 采样系统动态响应的计算 95

3.4 频域特性分析 95

3.4.1 频域中系统稳定性分析 95

3.4.2 相对稳定性的检验 97

3.5 应用实例 97

本章小结 100

习题 101

第4章 计算机控制系统连续域-离散化设计 106

4.1 连续域-离散化设计原理与步骤 106

4.2 各种离散化方法 108

4.2.1 一阶向后差分法 109

4.2.2 一阶向前差分法 113

4.2.3 双线性变换法［Tustin（突斯汀）变换法］ 115

4.2.4 修正双线性变换 120

4.2.5 零、极点匹配法 122

4.2.6 其他方法 124

4.2.7 连续域-离散化方法小结 125

4.2.8 应用举例 125

4.3 数字PID控制器设计 129

4.3.1 数字PID基本算法 129

4.3.2 数字PID控制算法改进 131

4.3.3 PID调节参数的整定 136

本章小结 139

习题 139

第5章 计算机控制系统离散域经典设计 143

5.1 z平面设计的性能指标要求 143

5.1.1 离散系统的时域性能指标要求 143

5.1.2 频域性能指标要求 146

5.2 z平面根轨迹设计 146

5.2.1 z平面根轨迹 146

5.2.2 z平面根轨迹设计方法 149

5.3 w′变换及频率域设计 155

5.3.1 w′变换 155

5.3.2 w′域设计法 159

5.3.3 设计举例 160

5.4 解析设计方法 164

5.4.1 解析设计法概念 164

5.4.2 纯滞后系统数字控制器设计——大林算法 165

本章小结 168

习题 168

第6章 计算机控制系统离散域现代控制设计 175

6.1 概述 176

6.2 离散系统的可控性与可观性 177

6.2.1 可控性与可达性 177

6.2.2 可观性与可重构性 180

6.2.3 可控性、可观性与传递函数的关系 182

6.2.4 采样系统可控可观性与采样周期的关系 184

6.3 状态反馈控制律的极点配置设计 186

6.3.1 状态反馈控制 186

6.3.2 单输入系统的极点配置 189

6.3.3 多输入系统的极点配置 193

6.4 状态观测器设计 194

6.4.1 系统状态的开环估计 194

6.4.2 全阶状态观测器设计 195

6.4.3 降维状态观测器 200

6.5 调节器设计（控制律与观测器的组合） 202

6.5.1 调节器设计分离原理 202

6.5.2 调节器系统的控制器 203

6.5.3 控制律及观测器极点选择 203

6.6 计算机控制系统最优二次型设计 207

6.6.1 概述 207

6.6.2 无限时间离散二次型最优调节器 208

6.6.3 采样系统二次型最优调节器 210

6.6.4 离散最优二次型调节器 213

6.7 计算机控制系统的模糊控制器设计 213

6.7.1 模糊数学基础 213

6.7.2 模糊控制器设计 216

6.8 其他智能控制方法概述 223

6.8.1 神经网络控制方法 223

6.8.2 专家控制方法 229

6.8.3 组合智能控制技术 231

本章小结 235

习题 236

第7章 计算机控制系统的构建 242

7.1 计算机控制系统硬件配置 242

7.1.1 计算机控制系统基本硬件配置 242

7.1.2 对控制用计算机系统的一般要求 244

7.2 计算机控制系统计算机的选用 245

7.2.1 计算机运算速度的选择 246

7.2.2 计算机字长的确定 246

7.2.3 控制用计算机简介 247

7.3 计算机控制系统的过程通道 248

7.3.1 模拟量输出通道 249

7.3.2 模拟量输入通道 253

7.3.3 数字量输入输出通道 260

7.4 计算机控制系统总线技术 261

7.4.1 概述 261

7.4.2 几种通用总线简介 262

7.5 计算机控制系统实时软件设计 266

7.5.1 实时软件概述 266

7.5.2 实时控制程序设计语言 267

7.5.3 实时控制软件的设计 268

本章小结 280

习题 281

第8章 计算机控制系统工程设计的某些问题 283

8.1 量化效应分析 283

8.1.1 有限字长二进制特性 283

8.1.2 计算机控制系统中的量化 287

8.1.3 量化效应分析 287

8.1.4 减少量化效应的δ变换方法 293

8.2 采样周期的选用 296

8.2.1 采样频率对系统性能的影响 296

8.2.2 选择采样频率的经验规则 299

8.2.3 多采样频率系统 299

8.3 计算机控制系统的抗干扰技术 300

8.3.1 干扰源 300

8.3.2 抗干扰措施 301

8.3.3 干扰滤波技术 305

8.4 计算机控制系统的可靠性技术 307

8.4.1 概述 307

8.4.2 提高系统硬件可靠性措施 308

8.4.3 提高软件可靠性措施 310

8.5 计算机控制系统设计 313

8.5.1 计算机控制系统设计原则 313

8.5.2 计算机控制系统的设计步骤 314

8.5.3 系统调试 316

8.5.4 设计举例——双摆实验系统的计算机控制设计与实现 318

本章小结 328

习题 329

第9章 嵌入式系统在计算机控制中的应用 331

9.1 嵌入式系统概述 331

9.1.1 嵌入式系统定义和分类 331

9.1.2 嵌入式处理器 333

9.1.3 开发设计工具 333

9.1.4 系统开发环境 334

9.1.5 嵌入式系统的应用和发展趋势 334

9.2 软硬件协同设计技术 335

9.2.1 硬件体系结构 335

9.2.2 传统设计技术 336

9.2.3 软硬件协同设计技术 337

9.3 实时操作系统 339

9.3.1 实时操作系统定义及特点 339

9.3.2 实时操作系统的一些重要概念 340

9.3.3 μC/OS-Ⅱ实时操作系统 342

9.4 嵌入式系统的开发 345

9.4.1 嵌入式系统开发步骤 346

9.4.2 一类ARM仿真开发环境 348

9.4.3 基于μC/OS-Ⅱ建立实时操作系统 350

9.4.4 建立与调试用户应用程序 353

9.5 嵌入式温室环境计算机控制系统设计 355

9.5.1 系统组成 355

9.5.2 智能滴灌控制器工作原理及嵌入式控制器硬件结构 356

9.5.3 嵌入式控制器应用程序设计 357

本章小结 359

习题 359

第10章 可编程控制器 361

10.1 可编程控制器概述 361

10.1.1 可编程控制器的发展 361

10.1.2 可编程控制器的定义 363

10.1.3 可编程控制器的特点 363

10.1.4 可编程控制器与工业控制机的关系 364

10.2 PLC的结构和工作原理 365

10.2.1 PLC的组成和基本结构 365

10.2.2 PLC的工作原理 368

10.3 PLC常用编程语言 370

10.3.1 梯形图语言 371

10.3.2 命令语句表语言（助记符语言） 372

10.3.3 结构化文本语言ST（Structured Text） 372

10.3.4 SFC语言 373

10.3.5 功能模块图 374

10.4 可编程控制器的选用及其应用实例 376

10.4.1 可编程控制器的选用 376

10.4.2 应用举例 377

本章小结 380

习题 381

第11章 控制网络系统及网络控制技术 384

11.1 集散型控制系统 384

11.1.1 概述 384

11.1.2 功能分层体系及基本结构 386

11.1.3 集散控制系统的组态性 394

11.1.4 民用机场供油集散系统实例 396

11.2 现场总线控制系统 401

11.2.1 现场总线概述 401

11.2.2 现场总线控制系统的体系结构 403

11.2.3 现场总线技术特点 404

11.2.4 典型的几种现场总线 405

11.2.5 应用系统——汽车总线控制系统 408

11.3 以太控制网络系统 410

11.3.1 控制网络概述 410

11.3.2 以太控制网络系统的组成及其特点 411

11.3.3 以太网用于工业现场的关键技术 413

11.4 控制网络与信息网络集成技术 415

11.4.1 网络互联技术 416

11.4.2 动态数据交换技术 416

11.4.3 远程通信技术 417

11.4.4 数据库访问技术 418

11.5 网络控制系统设计 419

11.5.1 网络控制系统概述 419

11.5.2 闭环网络控制系统模型 422

11.5.3 闭环网络控制系统分析 424

11.5.4 闭环网络控制系统控制器设计 426

11.5.5 存在的问题 428

本章小结 428

习题 429

附录 z变换表 431

参考文献 435