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第1章 计算机控制概论 1

1.1 典型的计算机控制系统 2

1.2 计算机控制系统的分类 9

1.3 计算机控制系统的结构和组成 13

1.3.1 控制对象 16

1.3.2 执行器 17

1.3.3 测量环节 18

1.3.4 数字调节器及输入、输出通道 19

1.4 计算机控制系统的性能及其指标 27

1.4.1 计算机控制系统的稳定性 27

1.4.2 计算机控制系统的能控性和能观测性 28

1.4.3 动态指标 28

1.4.4 稳态指标 29

1.4.5 综合指标 30

1.5 对象特性对控制性能的影响 31

1.5.1 对象放大系数对控制性能的影响 32

1.5.2 对象的惯性时间常数对控制性能的影响 32

1.5.3 对象的纯滞后时间对控制性能的影响 32

1.6 计算机控制研究的课题 32

1.7 计算机控制的发展方向 34

1.8 计算机控制的发展前景 35

1.9 练习题 37

第2章 线性离散系统的Z变换分析法 38

2.1 概述 38

2.1.1 线性离散系统的数学描述和分析方法 38

2.1.2 差分方程的解法 40

2.2 Z变换 41

2.2.1 Z变换的定义 41

2.2.2 Z变换的性质和定理 43

2.3 Z反变换 46

2.3.1 部分分式法 46

2.3.2 长除法 47

2.3.3 留数计算法 48

2.4 用Z变换求解差分方程 49

2.5 Z传递函数 50

2.5.1 Z传递函数的定义 50

2.5.2 连续环节（或系统）的离散化 51

2.5.3 Z传递函数的性质 55

2.5.4 用Z传递函数来分析离散系统的过渡过程特性 61

2.5.5 用Z传递函数来分析离散系统的误差特性 62

2.6 线性离散系统的稳定性分析 65

2.6.1 S平面与Z平面的映射关系 65

2.6.2 线性离散系统的稳定域 66

2.6.3 线性离散系统的稳定判据 67

2.7 线性离散系统的性能分析 72

2.8 线性离散系统的根轨迹分析法 74

2.8.1 根轨迹分析法 74

2.8.2 开环零点、极点的分布对根轨迹的影响 79

2.8.3 Z平面上的等阻尼比线及其应用 79

2.9 线性离散系统的频率特性分析法 81

2.9.1 极坐标法 81

2.9.2 对数频率特性法 83

2.10 练习题 85

第3章 线性离散系统的离散状态空间分析法 90

3.1 概述 90

3.2 线性离散系统的离散状态空间表达式 90

3.2.1 由差分方程导出离散状态空间表达式 91

3.2.2 由Z传递函数建立离散状态空间表达式 95

3.3 线性离散系统离散状态方程的求解 105

3.4 线性离散系统的Z传递矩阵 107

3.5 线性离散系统的Z特征方程 109

3.6 计算机控制系统的离散状态空间表达式 110

3.7 用离散状态空间法分析系统的稳定性 114

3.8 练习题 115

第4章 计算机控制系统的离散化设计 118

4.1 有限拍设计概述 118

4.2 有限拍调节器的设计 123

4.3 采样频率的选择 125

4.4 有限拍无纹波设计 127

4.5 有限拍设计的改进 132

4.6 扰动系统的有限拍设计 137

4.7 有限拍设计的小结 139

4.8 W变换设计法 140

4.9 根轨迹设计法 143

4.10 练习题 144

第5章 计算机控制系统的模拟化设计 147

5.1 概述 147

5.2 对数频率特性法校正 148

5.3 数字PID控制 150

5.4 数字PID控制的改进 155

5.4.1 积分分离PID控制算法 156

5.4.2 不完全微分PID算法 157

5.4.3 微分先行PID算法 159

5.4.4 带死区的PID控制 160

5.5 数字PID调节器参数的整定 161

5.5.1 PID调节器参数对控制性能的影响 161

5.5.2 采样周期T的选择 164

5.5.3 扩充临界比例度法选择PID参数 165

5.5.4 扩充响应曲线法选择PID参数 166

5.5.5 PID归一参数的整定法 166

5.5.6 变参数的PID控制 167

5.6 数字PID调节器参数的自寻最优控制 168

5.6.1 性能指标的选择 168

5.6.2 寻优方法 169

5.6.3 自寻最优数字调节器的设计 170

5.7 练习题 171

第6章 模糊控制 173

6.1 概述 173

6.2 模糊逻辑的基本概念 173

6.3 模糊逻辑控制器的设计方法 175

6.4 模糊控制器的动态特性 177

6.5 用于机械手的混合模糊控制系统 181

6.6 模糊控制器的优化方法 187

6.7 基于行为分类的模糊控制器的设计方法 192

6.8 小结 198

6.9 练习题 198

第7章 离散状态空间设计法 199

7.1 概述 199

7.2 离散系统的能控性和能观测性 199

7.2.1 离散系统的能控性 200

7.2.2 离散系统的能观测性 202

7.3 离散状态空间设计法 205

7.4 最小能量控制系统的设计 215

7.5 离散二次型指标的最优控制 219

7.6 离散系统的最大值原理 223

7.7 离散时间线性调节器 224

7.8 几个矩阵运算的结果 226

7.9 练习题 226

第8章 复杂规律计算机控制系统的设计 228

8.1 串级控制 228

8.1.1 串级控制系统的组成和工作原理 228

8.1.2 串级控制系统的特点 230

8.1.3 串级控制系统的应用范围 233

8.1.4 计算机串级控制系统 235

8.1.5 串级控制系统的设计原则 237

8.1.6 串级主控和副控调节器的选择 237

8.1.7 副控回路微分先行串级控制系统 239

8.1.8 多回路串级控制系统 241

8.2 前馈控制 242

8.2.1 前馈控制的工作原理 242

8.2.2 前馈控制的类型 244

8.2.3 计算机前馈控制 250

8.2.4 多变量前馈控制 253

8.2.5 前馈控制的设计原则 256

8.2.6 前馈调节器参数的整定 257

8.3 纯滞后对象的控制 259

8.3.1 大林算法 259

8.3.2 纯滞后补偿控制 263

8.4 多变量解耦控制 273

8.4.1 解耦控制原理 273

8.4.2 多变量解耦控制的综合方法 275

8.4.3 计算机多变量解耦控制 278

8.4.4 计算机多变量解耦控制举例 282

8.5 其他复杂规律控制系统的简介 289

8.5.1 比值控制 289

8.5.2 均匀控制 291

8.5.3 分程控制 292

8.5.4 自动选择性控制 293

8.6 练习题 295

第9章 集散型控制系统 297

9.1 概述 297

9.1.1 典型的集散型控制系统 297

9.1.2 集散型控制系统的特点 309

9.1.3 集散型控制系统的发展概况 311

9.2 典型的集散型控制系统简介 313

9.2.1 山武-霍尼威尔的TDCS-2000系统 313

9.2.2 美国贝利控制公司的NETWORK-90 322

9.2.3 德国西门子公司TELEPERM M集散型控制系统 332

9.2.4 新型的集散型信息管理控制系统TDCS-3000 338

9.3 集散型控制系统的可靠性 340

9.3.1 可靠性指标 340

9.3.2 加强硬件质量管理提高系统的利用率 341

9.3.3 由系统的结构提高系统的利用率 344

9.3.4 系统的利用率 346

9.4 集散型控制系统数据通信概要 349

9.4.1 概述 349

9.4.2 局域网络通信协议简介 352

9.4.3 工业控制局域网络的选型 356

9.5 集散型控制系统的应用 357

9.5.1 TDCS-2000在蒸馏塔最优化系统中的应用 357

9.5.2 TDCS-2000在钢铁燃烧炉上的应用 358

9.5.3 TDCS-2000用于锅炉控制 363

9.6 练习题 368

第10章 计算机控制系统的设计与实现 369

10.1 总体设计概述 369

10.2 体系结构设计、系统总线选择和计算机机型选择 370

10.3 输入、输出通道设计概要 375

10.3.1 模拟量输入模板TH-IPC-7401 376

10.3.2 模拟量输出模板TH-IPC-7410 382

10.3.3 数字量输入模板TH-IPC-7601 383

10.3.4 数字量输出模板TH-IPC-7600 384

10.3.5 信号调理模板TH-IPC-7431 384

10.3.6 继电器输出模板TH-IPC-7620 386

10.4 工业控制机提高可靠性的措施 386

10.4.1 系统的结构设计 386

10.4.2 元器件的选择，老化筛选 388

10.4.3 信号、电源、接地的抗干扰措施 389

10.4.4 感性负载回路的抗干扰措施 390

10.4.5 多重化结构技术 390

10.4.6 信号隔离技术 393

10.4.7 看门狗（Watchdog）及电源掉电检测技术 404

10.4.8 软件设计的可靠性措施 405

10.5 数字调节器的计算机实现 406

10.5.1 直接实现法 406

10.5.2 直接实现的正则形式Ⅰ 407

10.5.3 直接实现的正则形式Ⅱ 407

10.5.4 串接实现法 409

10.5.5 并接实现法 409

10.5.6 数字调节器实现方法小结 410

10.6 数学模型的转换 411

10.6.1 传递函数与Z传递函数间的相互转换 412

10.6.2 微分方程转换为差分方程——差分变换法 419

10.6.3 连续与离散状态方程的相互转换 420

10.7 控制系统的计算机辅助设计、计算和数字仿真 423

10.7.1 控制系统的计算机辅助设计 423

10.7.2 计算机的辅助计算 430

10.7.3 控制系统的数字仿真 433

10.8 计算机控制程序设计概要 443

10.8.1 程序设计的功能要求 443

10.8.2 结构程序设计 443

10.9 计算机控制系统的设计 445

10.9.1 农药生产过程的计算机控制 445

10.9.2 智能移动机器人的设计与实现 456

10.10 练习题 459

附录A 拉氏变换及Z变换表 461

参考文献 464