计算机控制系统 理论、技术与应用PDF电子书下载

前言 1

第1章　概论 1

1.1　计算机控制系统的基本原理与组成 1

1.1.1　计算机控制系统的基本原理 1

目录 1

1.1.2　计算机控制系统的组成 2

1.2　计算机控制系统的分类 4

1.2.1　按控制方式分类 4

1.2.2　按功能和系统构成分类 5

1.3.1　计算机技术对控制技术的影响 10

1.2.3　按控制规律分类 10

1.3　计算机控制系统的发展 10

1.3.2　计算机控制理论的发展 11

1.3.3　计算机控制系统的发展趋势 13

习题 15

第2章　计算机控制系统的分析 16

2.1　计算机控制系统中信号的变换 16

2.1.1　模数转换（ADC）与采样定理 16

2.1.1.1　采样定理 17

2.1.1.2　采样信号的量化与编码 21

2.1.2　数模转换器（DAC）与零阶保持器 23

2.1.2.1　DAC 23

2.1.2.2　保持器 23

2.1.3　计算机控制系统的简化框图 25

2.2　计算机控制系统的z传递函数 26

2.2.1　数字控制器的z传递函数 27

2.2.1.1　在z域中设计的数字控制器的z传递函数 27

2.2.1.2　在s域中设计的数字控制器的z传递函数 28

2.2.2　连续部分的z传递函数 30

2.2.3　闭环z传递函数 31

2.3　计算机控制系统的特性分析 32

2.3.1　稳定性 32

2.3.1.1　s域到z域的变换 33

2.3.1.2　线性定常离散系统稳定的充分必要条件 34

2.3.1.3　采样周期对闭环系统稳定性的影响 35

2.3.1.4　离散系统的稳定性判据 36

2.3.2　稳态误差 39

2.3.3　动态性能 41

2.3.3.1　离散系统的时间响应 42

2.3.3.2　闭环极点与动态响应的关系 43

习题 46

第3章　数字PID控制器 49

3.1　PID控制算法 49

3.1.1　模拟PID调节器 49

3.1.1.1　比例调节器 50

3.1.1.2　比例积分调节器 51

3.1.1.3　比例积分微分调节器 51

3.1.2.1　数字PID位置算式 52

3.1.2　数字PID控制算法 52

3.1.2.2　数字PID增量算式 53

3.1.2.3　增量算式和位置算式比较 54

3.2　标准PID控制算法的改进 56

3.2.1 “饱和”作用的抑制 56

3.2.1.1　PID位置算式积分饱和的 56

抑制 56

3.2.1.2　微分饱和的作用及抑制——不完全微分法 58

3.2.2.2　一阶惯性滤波 60

3.2.2.3　四点中心差分法 60

3.2.2　干扰的抑制 60

3.2.2.1　算术平均滤波 60

3.2.3　给定值突变时增加控制量阻尼的算法 61

3.2.3.1　前置滤波 61

3.2.3.2　微分先行PID 61

3.2.3.3　IPD控制 61

3.2.4.3　梯形积分 62

3.3.1　带死区的PID控制算法 62

3.3　非线性PID控制器 62

3.2.4.2　消除积分不灵敏区的PID控制 62

3.2.4.1　PID增量算式中动态过程的加速 62

3.2.4　其他修改算法 62

3.3.2　时间最优PID控制 63

3.4　数字PID控制器参数的整定 63

3.4.1　整定的基本步骤 64

3.4.2　经验法 64

3.4.3　实验法 65

3.4.3.1　扩充临界比例法 65

3.4.3.2　阶跃曲线法 66

3.4.4　参数的自整定 66

3.4.4.1　自校正调节器 67

3.4.4.2　极限环法（继电型自整定） 68

3.4.5　PID参数寻优 69

3.4.6　采样周期的选择 72

3.5　纯滞后的补偿——Smith预估补偿 73

3.6　PID串级控制 74

3.6.1　串级控制系统的分析 76

3.6.2　数字PID串级控制系统 78

3.6.3　主、副调节器控制规律的选择 79

3.6.4　串级调节器整定方法 80

3.6.5　副回路微分先行串级控制 81

习题 82

第4章　数字控制器的直接设计方法 84

4.1　数字控制器的直接设计步骤 84

4.2　最少拍随动系统设计（最少拍有波纹控制器设计） 87

4.2.1　最少拍闭环z传递函数 87

4.2.2　最少拍控制器的可实现性 89

4.2.3　最少拍设计的稳定性考虑 90

4.3　有限拍无纹波随动系统设计 97

4.3.1　纹波产生的原因 97

4.3.2　有限拍无纹波设计 98

4.4.1　有限拍系统的局限性 100

4.4　惯性因子法 100

4.4.2　惯性因子法 102

4.5　大林算法 104

4.5.1　大林算法的基本形式 104

4.5.2　振铃的强弱及振铃消除方法 105

习题 108

第5章　基于状态空间模型的设计法 110

5.1　控制系统的离散状态空间描述 110

5.1.1　连续系统的精确离散化概述 110

5.1.2　线性系统的离散化 111

5.1.3　一类仿射非线性系统的精确离散化 116

5.1.4　离散系统的解 119

5.2　离散系统的能控性、能观性与稳定性 120

5.2.1　离散系统的可控性 120

5.2.2　离散系统的可观性 121

5.2.3　稳定性分析 123

5.2.3.1　基于状态空间模型的外部 123

稳定性判别 123

5.2.3.2　Liapunov稳定性 124

5.3　极点配置设计法 129

5.3.1　基于极点配置的状态反馈控制律设计 129

5.3.1.1　单输入单输出系统的极点配置 130

5.3.1.2　多输入多输出系统的极点配置 134

5.3.2　基于极点配置的观测器设计 134

5.3.2.1　全维观测器的设计 134

5.3.2.2　降维观测器的设计 137

5.3.3　基于极点配置的控制器设计 139

5.3.3.1　比例控制器设计 139

5.3.3.2　积分控制设计 141

5.4.1　LQR问题的描述 143

5.4　线性二次型最优控制 143

5.4.2　二次型性能指标函数的离散化 144

5.4.3　LQR最优控制律计算 145

5.4.4　LQR与Liapunov最优状态反馈设计的关系 149

5.4.5　LQ设计与极点配置设计的比较 150

习题 151

第6章　滑模变结构控制 153

6.1　滑模变结构控制的基本原理 153

6.1.1　控制系统的相轨迹 153

6.1.2　变结构控制 154

6.1.3.1　滑动模态 157

6.1.3　滑模变结构控制系统的动态品质和稳定性分析 157

6.1.3.2　滑动模态的存在性及可达性 159

6.1.3.3　滑模变结构控制系统的动态品质 161

6.1.3.4　滑模运动的稳定性分析 163

6.1.4　滑模控制器的基本设计方法 165

6.1.4.1　控制策略 165

6.1.4.2　单输入二阶滑模变结构控制系统的设计实例 166

6.2　离散系统的滑模变结构控制 169

6.2.1　离散滑动模态的存在性及可达性 170

6.2.2　等效控制 170

6.2.3.1　基于等效控制的离散滑模控制 171

6.2.3　离散滑模变结构控制策略 171

6.2.3.2　基于趋近率的离散滑模控制 174

6.2.4　离散系统滑模变结构控制系统的设计步骤 176

6.3　滑模变结构控制系统的抖振问题 176

6.3.1　造成抖振的因素分析 176

6.3.2　各种引起抖振的因素及其特点 177

6.3.3　削弱抖振的方法 178

习题 179

第7章　模糊控制 180

7.1.1　模糊集合 182

7.1.1.1　模糊集合的定义 182

7.1　模糊控制的数学基础 182

7.1.1.2　模糊集合的表示方法 183

7.1.1.3　模糊集合的运算 184

7.1.1.4　隶属函数 186

7.1.2　模糊关系与模糊矩阵 189

7.1.2.1　模糊关系 189

7.1.2.2　模糊矩阵 190

7.1.3　模糊逻辑与模糊推理 191

7.1.3.1　模糊命题 191

7.1.3.3　模糊蕴涵关系 192

7.1.3.2　模糊逻辑 192

7.1.3.4　模糊推理 193

7.2　模糊控制系统 196

7.2.1　模糊控制的基本原理 196

7.2.1.1　模糊控制原理 196

7.2.1.2　模糊控制器的组成 197

7.2.1.3　模糊控制系统的工作原理 199

7.2.1.4　模糊控制器的结构 203

7.2.2　模糊控制系统的分类 204

7.2.3.1　模糊控制器的设计步骤 205

7.2.3　模糊控制器设计的基本方法 205

7.2.3.2　模糊控制器的设计举例 207

7.3　从实例中看模糊控制 208

7.3.1　基于Mamdani模糊推理的温度和压力过程控制 208

7.3.2　洗衣机洗涤时间的自动调节设计 210

7.3.3　模糊自适应整定PID控制 214

7.3.4　基于Sugeno模糊推理的倒立摆模糊控制 216

7.4　模糊集成控制 221

7.5　模糊控制的优点及所面临的主要任务 223

8.1　数控的基本概念 225

8.1.1　顺序控制 225

第8章　数控技术 225

8.1.2　数字程序控制 230

8.2　逐点比较法插补原理 231

8.2.1　逐点比较法直线插补运算 232

习题 234

8.2.2　逐点比较法圆弧插补运算 235

8.3　步进电动机控制技术 238

8.3.1　步进电动机的工作原理 238

8.3.2　步进电动机的控制系统 239

8.3.3　步进电动机走步程序设计 240

习题 241

第9章　控制用计算机简介 242

9.1　工业控制计算机 242

9.1.1　工控机的特点 242

9.1.2　工控机系统的组成 243

9.1.3　工控机总线介绍 244

9.2　可编程序控制器（PLC） 245

9.2.1　PLC的基本组成 245

9.2.2　PLC的工作原理 246

9.2.3　PLC控制系统 247

9.3　单片机 248

9.3.1　单片机控制系统 248

9.3.2　ATMEL51系列单片机简介 252

9.4　数字信号处理器（DSP） 253

9.4.1　DSP芯片概述 253

9.4.2　DSP芯片的基本结构 253

9.4.3　TMS320C2000系列DSP简介 254

9.5　ARM处理器 256

9.5.1　ARM处理器概述 256

9.5.2　ARM体系结构 257

9.5.3　三星S3C44BOX处理器简介 258

习题 259

第10章　过程通道 260

10.1　过程通道的作用 260

10.2　模拟量输出通道 260

10.2.1　模拟量输出通道的结构形式 260

10.2.2　D/A转换器 261

10.2.2.1　D/A转换器性能指标 261

10.2.2.2　双极性模拟量输出的实现 262

10.2.2.3　D/A转换器与计算机（微处理器）的接口 263

10.3.1　信号处理器 265

10.3　模拟量输入通道 265

10.3.2　多路转换器（多路开关） 266

10.3.3　放大器 266

10.3.4　采样保持器 266

10.3.5　A/D转换器 269

10.3.5.1　A/D转换器性能指标 269

10.3.5.2　输入模拟电压的连接 270

10.3.5.3　A/D输出与计算机（微处理器）的连接 271

10.4　开关量（数字量）输入输出通道 274

10.4.1　数字量输入调理 274

10.4.2　数字量输出调理 276

10.5.1　数字滤波技术 278

10.5　过程通道的抗干扰技术 278

10.5.2　开关量的软件抗干扰技术 281

10.5.3　指令冗余技术 281

10.5.4　软件陷阱技术 282

习题 282

第11章　控制网络技术 283

11.1　控制网络与信息网络的区别 283

11.2　控制网络体系结构 284

11.3.1　分解-协调的基本原理 286

11.3　分级递阶控制策略 286

11.3.2　多目标最优决策 288

11.4　控制网络配置结构 288

11.4.1　控制网络的硬件体系 288

11.4.2　控制网络的组态软件 289

11.5　局部控制网络 291

11.5.1　拓扑结构 292

11.5.2　信道访问控制方式 292

11.5.3　传输介质 294

11.5.4　接口 296

11.6　现场总线技术 297

11.6.1　现场总线的技术特点 297

11.6.2　现场总线的通信标准 298

11.6.3　几种有影响的现场总线 298

11.7　基于Internet的远程控制 300

第12章　计算机控制系统的电磁兼容技术 302

12.1　电磁兼容概述 302

12.1.1　干扰源及其作用形式 303

12.1.2.1　传导耦合 304

12.1.2　干扰的传播途径 304

12.1.2.2　辐射耦合 305

12.2　电磁干扰抑制技术 307

12.2.1　滤波 307

12.2.2　屏蔽 308

12.2.2.1　静电屏蔽 308

12.2.2.2　电磁屏蔽 310

12.2.3　接地 311

12.2.3.1　单点接地 312

12.2.3.3　混合接地 314

12.2.4　隔离 314

12.2.3.2　多点接地 314

12.3　信号的长线传输 316

12.3.1　串扰噪声 316

12.3.2　信号反射 318

习题 320

第13章　计算机控制系统设计 321

13.1　计算机控制系统设计的基本要求和特点 321

13.1.1　系统设计的基本要求 321

13.1.2　系统设计的特点 323

13.2.2　建模和控制方法确定 324

13.2　系统设计的一般步骤 324

13.2.1　确定任务 324

13.2.3　总体方案设计 325

13.2.4　硬件和软件的具体设计 327

13.2.5　软硬件联调 330

13.2.6　离线仿真——实验室模拟运行 331

13.2.7　现场调试、试运行 331

13.2.8　验收或鉴定——系统性能评估 332

13.3　计算机控制系统设计实例 332

13.3.1　啤酒发酵过程计算机控制系统 332

13.3.2　高精度位置伺服系统 336

13.3.3　教学演示型大学智能机器人 340

习题 346

第14章　实验 347

14.1　实验装置简介 347

14.2　计算机算法编程指导 347

14.2.1　样本算法的修改 348

14.2.2　新实验算法的实现 349

14.3　A/D和D/A卡调试说明 350

14.4　计算机控制系统典型实验 351

14.4.1　D/A转换实验 351

14.4.3　数字PID控制 352

14.4.2　A/D转换实验 352

14.4.4　状态反馈与状态观测器 354

14.4.5　数字滤波器实验 355

14.4.6　大林算法实验 357

14.5　对实际对象的控制实验 358

14.5.1　炉温控制实验 358

14.5.2　电动机调速实验 360

14.5.3　步进电动机控制实验 361

附录　常用函数的拉氏变换和z变换表 362

参考文献 363