数字控制系统 设计、辨识和实现PDF电子书下载

第1章 连续控制系统——回顾 1

1.1 连续时间模型 1

1.1.1 时域 1

1.1.2 频域 2

1.1.3 稳定性 3

1.1.4 时间响应 5

1.1.5 频率响应 6

1.1.6 二阶系统 7

1.1.7 时延系统 10

1.1.8 非最小相位系统 11

1.2 闭环系统 12

1.2.1 级联系统 12

1.2.2 闭环系统的传递函数 12

1.2.3 稳态误差 13

1.2.4 扰动抑制 14

1.2.5 闭环系统的频域分析——奈奎斯特图和稳定性判据 15

1.3 PI控制器和PID控制器 17

1.3.1 PI控制器 17

1.3.2 PID控制器 17

1.4 本章小结 18

参考文献 18

第2章 计算机控制系统 19

2.1 计算机控制简介 19

2.2 离散化和采样系统概述 21

2.2.1 离散化和采样频率的选择 21

2.2.2 控制系统采样频率的选择 23

2.3 离散时间模型 25

2.3.1 时域模型 25

2.3.2 频域模型 29

2.3.3 线性离散时间模型的一般形式 31

2.3.4 离散时间系统的稳定性 33

2.3.5 稳态增益 34

2.3.6 带有保持器的采样系统模型 35

2.3.7 一阶时延系统分析 36

2.3.8 二阶系统分析 39

2.4 闭环离散时间系统 41

2.4.1 闭环系统传递函数 41

2.4.2 稳态误差 42

2.4.3 扰动抑制 42

2.5 数字控制器设计的基本原则 43

2.5.1 数字控制器的结构 43

2.5.2 数字控制器的规范结构 45

2.5.3 使用PI数字控制器的控制系统 48

2.6 闭环采样系统的频域分析 49

2.6.1 闭环系统稳定性 49

2.6.2 闭环系统的鲁棒性 51

2.7 本章小结 60

参考文献 62

第3章 鲁棒数字控制器设计方法 64

3.1 引言 64

3.2 PID数字控制器 65

3.2.1 第1型数字PID控制器结构 66

3.2.2 第1型数字PID控制器的设计 67

3.2.3 第1型数字PID控制器示例 71

3.2.4 第2型数字PID控制器 75

3.2.5 辅助极点的作用 77

3.2.6 数字PID控制器——结论 79

3.3 极点配置 79

3.3.1 结构 79

3.3.2 选择闭环极点P（q-1） 80

3.3.3 调节控制 81

3.3.4 跟踪控制 84

3.3.5 极点配置示例 87

3.4 独立目标的跟踪与调节 88

3.4.1 结构 90

3.4.2 调节控制 90

3.4.3 跟踪控制 92

3.4.4 独立目标的跟踪与调节示例 93

3.5 内模控制——跟踪与调节 96

3.5.1 调节控制 97

3.5.2 跟踪控制 98

3.5.3 内模控制的一种解释 98

3.5.4 灵敏度函数 99

3.5.5 部分内模控制——跟踪与调节 100

3.5.6 对象模型具有稳定零点时的内模控制 100

3.5.7 时延系统的控制示例 101

3.6 基于灵敏度函数塑形的极点配置 105

3.6.1 输出灵敏度函数的性质 106

3.6.2 输入灵敏度函数的性质 113

3.6.3 灵敏度函数模板的定义 114

3.6.4 灵敏度函数的塑形 116

3.6.5 灵敏度函数的塑形示例1 118

3.6.6 灵敏度函数的塑形示例2 120

3.7 本章小结 122

参考文献 123

第4章 随机扰动下数字控制器的设计 125

4.1 随机扰动的模型 125

4.1.1 扰动的描述 125

4.1.2 随机扰动模型 128

4.1.3 ARMAX模型 131

4.1.4 最优预测 132

4.2 最小方差跟踪与调节 134

4.2.1 示例 135

4.2.2 一般情况 137

4.2.3 最小方差跟踪和调节示例 140

4.3 不稳定零点的情况 142

4.3.1 控制器的设计 142

4.3.2 示例 143

4.4 广义最小方差跟踪和调节 144

4.5 本章小结 145

参考文献 146

第5章 系统辨识——基础 148

5.1 系统模型的辨识原则 148

5.2 参数估计算法 152

5.2.1 简介 152

5.2.2 梯度算法 154

5.2.3 最小二乘算法 158

5.2.4 自适应增益的选择 163

5.3 选择系统辨识的输入序列 166

5.3.1 问题描述 166

5.3.2 伪随机二进制序列 169

5.4 随机扰动对于参数估计的影响 172

5.5 递归辨识方法的结构 174

5.6 本章小结 180

参考文献 181

第6章 系统辨识方法 183

6.1 基于白化预测误差的辨识方法——类型Ⅰ 183

6.1.1 递归最小二乘法 183

6.1.2 增广最小二乘法 183

6.1.3 递归极大似然法 185

6.1.4 基于增广预测模型的输出误差法 187

6.1.5 广义最小二乘法 188

6.2 验证类型Ⅰ方法辨识得到的模型 189

6.3 基于观测向量和预测误差的不相关性的辨识方法——类型Ⅱ 191

6.3.1 基于辅助模型的辅助变量法 192

6.3.2 基于固定补偿器的输出误差法 193

6.3.3 基于（自适应）滤波观测的输出误差法 195

6.4 验证类型Ⅱ方法辨识得到的模型 196

6.5 模型复杂度估计 198

6.5.1 模型复杂度估计示例 198

6.5.2 理想情况 200

6.5.3 有噪声情况 201

6.5.4 复杂度估计指标 203

6.6 本章小结 204

参考文献 205

第7章 系统辨识的实践问题 207

7.1 输入／输出数据采集 207

7.1.1 采集协议 207

7.1.2 抗混叠滤波 209

7.1.3 过采样 209

7.2 信号调整 210

7.2.1 消除直流分量 210

7.2.2 辨识包含纯积分环节的对象 211

7.2.3 辨识包含纯微分环节的对象 211

7.2.4 输入和输出的缩放 211

7.3 选择或估计模型的复杂度 211

7.4 仿真模型的辨识示例 215

7.5 辨识实例 221

7.5.1 热风机 221

7.5.2 蒸馏塔 225

7.5.3 直流电机 230

7.5.4 挠性传动 234

7.6 本章小结 238

参考文献 238

第8章 数字控制的实践问题 239

8.1 数字控制器的实现 239

8.1.1 选择期望性能 239

8.1.2 计算时延的影响 241

8.1.3 数-模转换的影响 241

8.1.4 饱和的影响——抗积分饱和装置 242

8.1.5 开环到闭环的无扰切换 245

8.1.6 数字级联控制 246

8.1.7 控制器的硬件实现 247

8.1.8 控制回路的性能度量 248

8.1.9 自适应控制 250

8.2 热风机的数字控制 252

8.3 直流电机的速度控制 258

8.4 直流电机转轴的位置级联控制 261

8.5 挠性传动的位置控制 268

8.6 360°柔性机械臂的控制 274

8.7 热浸镀锌过程中的锌堆积控制 279

8.7.1 过程描述 279

8.7.2 过程模型 280

8.7.3 模型辨识 281

8.7.4 控制器设计 282

8.7.5 开环自适应 284

8.7.6 结果 284

8.8 本章小结 286

参考文献 286

第9章 闭环辨识 288

9.1 简介 288

9.2 闭环输出误差辨识法 289

9.2.1 原理 289

9.2.2 CLOE、F-CLOE和AF-CLOE方法 291

9.2.3 扩展闭环输出误差 293

9.2.4 闭环辨识含有积分环节的系统 294

9.2.5 闭环中的模型验证 295

9.3 闭环辨识中的其他方法 297

9.4 闭环辨识仿真示例 298

9.5 闭环辨识和控制器再设计 301

9.6 本章小结 305

参考文献 306

第10章 降低控制器的复杂度 307

10.1 简介 307

10.2 通过闭环辨识估计降阶控制器 310

10.2.1 闭环输入匹配 310

10.2.2 闭环输出匹配 312

10.2.3 考虑标称控制器的固定部件 313

10.2.4 多项式T（q-1）的再设计 313

10.3 降阶控制器的验证 314

10.3.1 采用仿真数据 314

10.3.2 采用真实数据 314

10.4 实际应用 315

10.5 挠性传动的控制——降低控制器复杂度 315

10.6 本章小结 319

参考文献 320

附录A 信号与概率论几个结论的概要回顾 321

A.1 几种基本信号 321

A.2 z变换 322

A.3 高斯钟 323

附录B RST数字控制器的时域设计 325

B.1 引言 325

B.2 离散时间系统的预测器 326

B.3 单步前向模型预测控制 329

B.4 时延控制系统的一种阐述 331

B.5 远程模型预测控制 333

参考文献 336

附录C 状态空间的RST控制器设计方法 338

C.1 状态空间设计 338

C.2 线性二次型控制 343

参考文献 344

附录D 广义稳定裕度和两个传递函数之间的标准化距离 345

D.1 广义稳定裕度 345

D.2 两个传递函数之间的标准化距离 346

D.3 鲁棒稳定条件 347

参考文献 347

附录E Youla-Kucera控制器参数化 349

参考文献 351

附录F 自适应增益的更新——U-D分解 352

参考文献 353

附录G 实验环节 354

G.1 采样数据系统 354

G.2 数字PID控制器 355

G.3 系统辨识 355

G.4 数字控制 357

G.5 闭环辨识 358

G.6 控制器降阶 358

附录H函数列表——MATLAB、Scilab和C＋＋ 359