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第1章 绪论 1

1.1计算机控制系统概述 1

1.1.1计算机控制系统的一般概念 1

1.1.2计算机控制系统的主要特点 3

1.2计算机控制系统的组成 3

1.2.1计算机控制系统的硬件组成 4

1.2.2计算机控制系统的软件组成 5

1.3计算机控制系统的典型应用形式 5

1.3.1数据采集与操作指导系统 5

1.3.2直接数字控制系统 6

1.3.3监督计算机控制系统 6

1.3.4计算机分级分布式控制系统 7

1.3.5数据采集与监督控制系统 8

1.3.6现场总线控制系统 8

1.4计算机控制系统的发展概况 9

1.4.1计算机控制系统的发展历程 9

1.4.2计算机控制系统的发展趋势 10

1.5计算机控制系统的理论与设计问题 11

1.5.1计算机控制系统的理论问题 11

1.5.2计算机控制系统的设计问题 12

本章小结 13

习题与思考题 13

第2章 计算机控制系统的信号变换 14

2.1模／数变换与数／模变换 14

2.1.1信号类型 14

2.1.2 A/D转换器 14

2.1.3 D/A转换器 16

2.1.4 A/D转换与D/A转换对系统性能的影响 16

2.2采样过程的数学描述及特性分析 17

2.2.1采样过程的一般描述 17

2.2.2采样开关的数学描述 17

2.2.3采样信号的时域描述 18

2.2.4采样信号的频域描述与频域特性 19

2.2.5采样定理 21

2.3信号的恢复与重构 22

2.3.1信号的理想恢复过程 23

2.3.2信号的非理想重构过程 24

2.3.3零阶保持器 24

2.3.4后置滤波 26

2.4信号的量化 26

本章小结 27

习题与思考题 28

第3章 计算机控制系统的数学描述 29

3.1 z变换理论 29

3.1.1 z变换的定义 29

3.1.2 z变换的方法 29

3.1.3 z变换的性质和定理 33

3.1.4 z反变换 35

3.2差分方程 37

3.2.1差分方程的一般形式 37

3.2.2差分方程的求解 37

3.3 z传递函数 38

3.3.1 z传递函数的概念 38

3.3.2 z传递函数与差分方程的关系 38

3.3.3开环z传递函数 39

3.3.4闭环z传递函数 41

3.3.5计算机控制系统的输出响应计算 41

3.4离散状态空间描述 43

3.4.1线性定常离散系统的状态空间模型的建立 43

3.4.2连续状态方程的离散化 49

3.4.3计算机控制系统的闭环状态方程 50

本章小结 52

习题与思考题 52

第4章 计算机控制系统的经典分析方法 54

4.1计算机控制系统的稳定性分析 54

4.1.1 s平面与z平面的关系 54

4.1.2计算机控制系统稳定性条件 56

4.1.3计算机控制系统稳定性的判断 57

4.1.4采样周期与开环增益对稳定性的影响 62

4.2计算机控制系统稳态误差分析 64

4.2.1计算机控制系统稳态误差的定义 64

4.2.2计算机控制系统稳态误差的计算 64

4.2.3干扰作用下的稳态误差 67

4.2.4 A/D转换器对稳态误差的影响 67

4.2.5采样周期对稳态误差的影响 68

4.3计算机控制系统的响应特性分析 69

4.4 z平面根轨迹分析法 70

4.4.1 z平面根轨迹绘制 70

4.4.2 z平面根轨迹分析 71

4.5计算机控制系统的频率特性分析法 72

4.5.1计算机控制系统频率特性绘制方法 72

4.5.2计算机控制系统频率特性分析方法 75

本章小结 76

习题与思考题 77

第5章 基于连续系统理论的数字控制器设计 78

5.1基于连续系统理论的数字控制器设计基本原理 78

5.1.1连续域离散化设计基本思想 78

5.1.2等效控制器De（s）的数学描述 79

5.1.3数字控制器的设计步骤 80

5.2连续控制器的离散化方法 80

5.2.1脉冲响应不变法（z变换法） 80

5.2.2阶跃响应不变法 81

5.2.3前向差分法 82

5.2.4后向差分法 83

5.2.5双线性变换法 85

5.2.6预畸变双线性变换法 87

5.2.7零极点匹配法 88

5.3数字PID控制 91

5.3.1 PID控制的基本形式及数字化 91

5.3.2数字PID控制算法 93

5.4数字PID控制改进算法 94

5.4.1抗积分饱和算法 94

5.4.2微分算法的改进 95

5.5数字PID控制参数整定 98

5.5.1扩充临界比例系数法 98

5.5.2扩充响应曲线法 99

5.5.3试凑法 99

5.6史密斯预测补偿控制 100

5.6.1史密斯补偿原理 100

5.6.2纯滞后补偿的数字实现 101

本章小结 103

习题与思考题 103

第6章 数字控制器z域直接设计方法 104

6.1基于z传递函数解析设计的基本原理 104

6.1.1数字控制器D（z）的一般形式 104

6.1.2解析设计对期望闭环传递函数Φ（z）的约束 105

6.1.3基于z传递函数解析设计一般步骤 106

6.2最少拍控制系统设计 106

6.2.1特殊对象的最少拍控制系统设计 106

6.2.2一般对象的最少拍控制系统设计 110

6.3最少拍无纹波控制系统设计 112

6.4最少拍控制系统的改进设计 114

6.4.1惯性因子法 114

6.4.2非最少的有限拍控制 114

6.5扰动作用下最少拍控制系统设计 115

6.5.1针对扰动作用的设计 116

6.5.2抑制扰动作用的设计 116

6.6大林算法设计 118

6.6.1大林算法基本原理 118

6.6.2大林算法数字控制器的一般形式 119

6.6.3振铃现象的消除方法 121

6.7复合控制系统设计 122

6.7.1反馈控制中的扰动作用 123

6.7.2复合控制系统基本原理 123

6.7.3复合控制系统设计步骤 124

6.8 z平面根轨迹设计 124

6.9数字控制器的频域设计 127

6.9.1 w变换 127

6.9.2基于w变换的频域设计法 129

本章小结 132

习题与思考题 132

第7章 计算机控制系统的状态空间分析 134

7.1离散状态方程的解 134

7.1.1递推法 134

7.1.2 z变换法 136

7.2 z传递函数矩阵与特征方程 137

7.2.1矩阵的特征值 137

7.2.2 z传递函数矩阵 138

7.2.3离散系统的特征方程 138

7.3李亚普洛夫稳定性分析 139

7.3.1李亚普洛夫意义下的稳定性概念 139

7.3.2李亚普洛夫第二法主要定理 141

7.3.3线性定常连续系统渐近稳定判据 142

7.3.4离散时间系统李亚普洛夫稳定性判据 143

7.4可控性与可观性 146

7.4.1可控性 147

7.4.2输出可控性 149

7.4.3可观性 150

7.4.4可控性、可观性与z传递函数的关系 153

7.4.5采样系统可控可观性与采样周期的关系 154

7.5可控标准型与可观标准型 155

7.5.1 z传递函数与可控标准型 155

7.5.2 z传递函数与可观标准型 156

7.5.3通过线性变换构造可控标准型 156

7.5.4通过线性变换构造可观标准型 158

本章小结 159

习题与思考题 160

第8章 计算机控制系统的状态空间设计 162

8.1状态反馈设计 162

8.1.1状态反馈系统结构及其特性 162

8.1.2状态反馈与极点配置 164

8.1.3单输入系统状态反馈极点配置设计 164

8.1.4多输入系统状态反馈极点配置设计 167

8.1.5有限拍控制 168

8.2输出反馈设计 169

8.2.1输出反馈的结构形式与特点 169

8.2.2输出反馈与极点配置 170

8.3状态观测器设计 171

8.3.1开环状态观测器 171

8.3.2闭环状态观测器设计 172

8.3.3降维观测器设计 176

8.3.4有限拍观测器 178

8.4带状态观测器的状态反馈设计 179

8.4.1带观测器的状态反馈控制系统的一般结构 179

8.4.2带观测器的状态反馈控制系统设计的分离性原理 180

8.4.3带观测器的状态反馈控制系统设计原则 180

8.4.4带观测器的状态反馈控制系统的控制器 181

8.4.5设计举例 182

本章小结 185

习题与思考题 185

第9章 分级分布式计算机控制系统 188

9.1分级分布式计算机控制系统基本原理 188

9.1.1分级分布式计算机控制系统的产生 188

9.1.2分级分布式计算机控制系统的组成原理 190

9.1.3分级分布式计算机控制系统的评价 192

9.2集散控制系统 193

9.2.1集散控制系统的概念和特点 194

9.2.2集散控制系统的层次结构 194

9.2.3集散控制系统的基本控制器 197

9.2.4集散控制系统的数据通信 198

9.2.5集散控制系统的组态原理 200

9.2.6集散控制系统的发展概况 204

9.3现场总线控制系统 205

9.3.1现场总线控制系统概述 205

9.3.2现场总线控制系统的体系结构 207

9.3.3现场总线控制系统与集散控制系统的比较 208

9.3.4几种典型的现场总线 209

本章小结 214

习题与思考题 215

第10章 计算机数值控制系统 216

10.1计算机数值控制基础 216

10.1.1计算机数值控制的基本概念 216

10.1.2数值控制基本原理 217

10.1.3计算机数值控制系统一般组成 218

10.1.4计算机数值控制系统的控制结构 219

10.1.5数值控制系统的控制方式 220

10.2逐点比较法插补原理 220

10.2.1逐点比较法直线插补原理 220

10.2.2逐点比较法圆弧插补原理 224

10.2.3八方向逐点比较法线性插值 229

10.3步进电机的控制技术 230

10.3.1步进电机工作原理 230

10.3.2步进电机的计算机控制 231

本章小结 235

习题与思考题 235

第11章 计算机控制系统的设计与实现 237

11.1计算机控制系统的设计原则与步骤 237

11.1.1计算机控制系统设计的一般原则 237

11.1.2计算机控制系统的设计步骤 239

11.2过程输入／输出通道设计 242

11.2.1模拟量输入通道 242

11.2.2模拟量输出通道 248

11.2.3开关量（数字量）输入通道 250

11.2.4开关量（数字量）输出通道 251

11.3数字信号调理 252

11.3.1数字滤波 252

11.3.2非线性补偿 254

11.3.3标度变换 255

11.4数字控制器算法设计与实现 256

11.4.1计算延时与控制算法设计 256

11.4.2数字控制器D（z）的算法设计与实现 258

11.4.3状态空间描述控制器算法设计与实现 262

11.4.4控制算法中比例因子的设置 264

11.5量化效应分析 265

11.5.1计算机控制系统中量化误差来源 265

11.5.2变量的量化误差分析 266

11.5.3参数的量化误差分析 269

11.5.4量化效应的非线性分析 271

11.6采样周期选择 274

11.6.1采样周期选择的一般考虑 274

11.6.2采样周期选择的经验规则 276

11.7计算机控制系统的抗干扰技术 276

11.7.1干扰源 276

11.7.2干扰的作用形式 277

11.7.3串模干扰的抑制 278

11.7.4共模干扰的抑制 278

11.7.5长线传输干扰的抑制 280

11.7.6电源系统的抗干扰措施 280

11.7.7接地系统的抗干扰措施 281

11.8计算机控制系统的可靠性设计 282

11.8.1计算机控制系统可靠性设计的一般原则 282

11.8.2计算机控制系统的硬件可靠性设计 283

11.8.3计算机控制系统的软件可靠性设计 284

本章小结 287

习题与思考题 288

参考文献 289