第1章 计算机控制系统概述 1
1.1 引言 1
1.2 计算机控制系统的基本概念 1
1.2.1 计算机控制系统的组成 1
1.2.2 计算机控制系统的应用要求 3
1.2.3 计算机控制系统的性能指标 4
1.3 计算机控制系统的过程通道和总线接口技术 4
1.3.1 过程通道 5
1.3.2 总线接口技术 7
1.4 模拟与数字信号之间的相互转换 9
1.4.1 D/A转换及其误差 9
1.4.2 A/D转换及其误差 11
1.5 计算机控制系统的基本内容 13
1.5.1 信号变换问题 13
1.5.2 对象建模与性能分析 13
1.5.3 控制算法设计 13
1.5.4 控制系统仿真分析 13
1.5.5 控制系统实现技术 14
1.6 计算机控制系统的基本类型 14
本章小结 17
习题与思考题 17
第2章 信号转换与z变换 19
2.1 引言 19
2.2 信号变换原理 19
2.2.1 计算机控制系统信号转换分析 19
2.2.2 采样过程及采样函数的数学表示 20
2.2.3 采样函数的频谱分析及采样定理 22
2.2.4 采用周期T的讨论 24
2.3 采样信号恢复与保持器 25
2.3.1 零阶保持器 27
2.3.2 一阶保持器 29
2.4 信号转换的工程化技术 30
2.4.1 A/D转换的基本工程化技术 30
2.4.2 D/A转换的基本工程化技术 34
2.5 z变换 37
2.5.1 z变换的定义 37
2.5.2 z变换方法 39
2.5.3 z变换的基本定理 43
2.6 z反变换 49
2.6.1 长除法 49
2.6.2 部分分式法 50
2.6.3 留数法 53
2.7 扩展z变换 55
2.7.1 扩展z变换定义 55
2.7.2 几种典型函数的扩展z变换 57
本章小结 59
习题与思考题 60
第3章 计算机控制系统数学描述与性能分析 62
3.1 引言 62
3.2 线性常系数差分方程 62
3.2.1 离散系统与差分方程 62
3.2.2 差分方程求解 63
3.3 脉冲传递函数 67
3.3.1 脉冲传递函数的定义 68
3.3.2 脉冲传递函数的推导 68
3.3.3 离散系统的框图分析 70
3.3.4 计算机控制系统的脉冲传递函数 74
3.4 计算机控制系统稳定性分析 77
3.4.1 离散系统的稳定性条件 77
3.4.2 s平面与z平面的映射分析 78
3.4.3 采样周期与系统稳定性关系 81
3.5 计算机控制系统的代数稳定性判据 82
3.5.1 劳斯稳定性判据 82
3.5.2 朱利稳定性判据 84
3.6 计算机控制系统稳态过程分析 88
3.6.1 稳态误差与误差系数 88
3.6.2 系统类型与稳态误差 90
3.6.3 采样周期对稳态误差的影响 91
3.7 计算机控制系统暂态过程分析 93
3.7.1 z平面极点分布与暂态响应的关系 93
3.7.2 采样周期对暂态响应的影响 95
3.8 计算机控制系统的频域特性分析 98
3.8.1 离散系统的频域描述 98
3.8.2 离散系统频域稳定性分析 98
3.8.3 离散系统伯德图分析 100
本章小结 103
习题与思考题 103
第4章 数字控制器的模拟化设计方法 106
4.1 引言 106
4.2 模拟化设计方法基本原理 106
4.3 连续控制器的离散化方法 108
4.3.1 z变换法 108
4.3.2 差分变换法 109
4.3.3 双线性变换法 112
4.3.4 零极点匹配法 114
4.4 数字PID控制器 115
4.4.1 基本数字PID控制算法 115
4.4.2 数字PID控制算法的工程化改进 117
4.4.3 数字PID控制器的参数整定 121
4.5 Smith预估控制 124
4.5.1 纯滞后问题的提出 124
4.5.2 Smith预估控制设计原理 125
4.5.3 Smith预估控制算法的工程化改进 128
本章小结 131
习题与思考题 131
第5章 数字控制器的直接设计方法 133
5.1 引言 133
5.2 直接设计方法基本原理 133
5.3 最小拍控制器的设计方法 135
5.3.1 简单对象最小拍控制器设计 135
5.3.2 复杂对象最小拍控制器设计 140
5.4 最小拍控制器的工程化改进 145
5.4.1 最小拍控制系统存在的问题 145
5.4.2 最小拍无纹波控制器的设计 146
5.4.3 针对输入信号类型敏感问题的改进 150
5.4.4 针对模型参数变化敏感问题的改进 154
5.5 大林算法 157
5.5.1 大林算法设计原理 157
5.5.2 振铃现象及其消除方法 160
5.6 大林算法工程应用中关键参数的选择 163
5.6.1 解决振铃现象中关键参数的选择 163
5.6.2 解决分数时滞问题中关键参数的选择 165
5.7 数字控制器的程序实现 169
5.7.1 直接程序设计法 169
5.7.2 串联程序设计法 170
5.7.3 并行程序设计法 171
本章小结 173
习题与思考题 173
第6章 基于状态空间模型的极点配置设计方法 175
6.1 引言 175
6.2 状态空间描述的基本概念 175
6.2.1 系统动态过程的两类描述 175
6.2.2 有关状态空间描述的基本定义 176
6.3 离散系统的状态空间模型 177
6.3.1 离散状态空间模型的建立 177
6.3.2 离散状态方程的求解 183
6.3.3 离散状态空间模型与z传递函数之间的关系 184
6.4 系统的能控性与能观性 185
6.4.1 能控性与能观性的概念 185
6.4.2 能控性判据与能观性判据 186
6.4.3 能控标准型与能观标准型 187
6.5 状态可测时按极点配置设计控制规律 189
6.6 按极点配置设计观测器 195
6.6.1 预报观测器 195
6.6.2 现时观测器 198
6.6.3 降阶观测器 200
6.7 状态不可测时控制器的设计 201
6.7.1 分离性原理 201
6.7.2 控制器设计 203
6.8 随动系统的设计 205
本章小结 206
习题与思考题 206
第7章 先进控制规律的设计方法 208
7.1 引言 208
7.2 线性二次型最优控制器的设计 208
7.2.1 概述 208
7.2.2 LQR最优控制器设计 209
7.2.3 跟踪系统设计 213
7.3 自校正控制器的设计 214
7.3.1 概述 214
7.3.2 最小二乘参数辨识算法 215
7.3.3 自校正控制器设计 219
7.4 模型预测控制器的设计 222
7.4.1 概述 222
7.4.2 预测模型 224
7.4.3 预测控制算法 227
7.5 模糊控制器的设计 232
7.5.1 概述 232
7.5.2 模糊控制原理 235
7.5.3 模糊PID控制器设计 239
本章小结 243
习题与思考题 243
第8章 基于网络的控制技术 244
8.1 引言 244
8.2 网络控制概述 244
8.2.1 网络控制系统基本概念 244
8.2.2 网络控制系统研究内容 247
8.3 实时控制网络 249
8.3.1 控制网络的基本概念 249
8.3.2 EtherNet网络 253
8.3.3 CAN网络 256
8.3.4 ControlNet网络 258
8.3.5 CC-Link网络 259
8.4 网络控制系统特性分析 261
8.4.1 网络控制系统时延特性 262
8.4.2 网络控制系统的稳定性分析 264
8.5 网络控制系统控制器的设计 266
8.5.1 PID网络控制器的设计 266
8.5.2 极点配置网络控制器的设计 269
本章小结 274
习题与思考题 275
第9章 计算机控制系统仿真分析 276
9.1 引言 276
9.2 系统仿真的概念及分类 276
9.2.1 系统仿真的基本概念 276
9.2.2 系统仿真的分类 276
9.2.3 计算机仿真的基本过程 277
9.2.4 MATLAB仿真软件简介 279
9.3 计算机控制系统信号仿真分析 281
9.3.1 信号的种类 281
9.3.2 脉冲采样与MATLAB仿真 283
9.3.3 保持器与MATLAB仿真 284
9.4 计算机控制系统模型描述与性能仿真分析 287
9.4.1 离散传递函数模型 287
9.4.2 离散状态空间模型 288
9.4.3 离散系统的模型辨识 289
9.4.4 神经网络建模 295
9.4.5 计算机控制系统频域性能的仿真分析 297
9.5 数字控制器设计及其仿真 300
9.5.1 比例控制器设计 300
9.5.2 比例积分控制器设计 303
9.5.3 比例积分微分控制器设计 307
本章小结 309
习题与思考题 310
第10章 计算机控制系统的设计与实现 311
10.1 引言 311
10.2 计算机控制系统的基本设计原则与方法 311
10.2.1 设计原则 311
10.2.2 设计方法 312
10.3 计算机控制系统的硬件设计 313
10.3.1 执行机构与驱动技术 313
10.3.2 检测机构与传感器技术 313
10.4 计算机控制系统的软件设计 314
10.4.1 控制对象分析 314
10.4.2 数字控制器的实现问题 315
10.4.3 信号的数字滤波技术 316
10.5 数字控制器程序实现的性能分析 317
10.5.1 计算机控制系统的数值误差来源 317
10.5.2 数字控制器的精度确定原则及保证措施 319
10.5.3 微分环节的处理措施与工程实现方法 323
10.5.4 数字控制器误差及执行时间的检验方法 327
10.5.5 控制算法不同编排结构的优缺点分析 328
10.6 量化效应与采样周期误差分析 329
10.6.1 A/D转换的量化误差与孔径误差 329
10.6.2 采样周期造成的误差 329
10.7 计算机控制系统的可靠性与抗干扰技术 333
10.7.1 提高可靠性的措施 333
10.7.2 干扰的来源及传播途径 334
10.7.3 消除或抑制干扰影响的方法 335
本章小结 338
习题与思考题 339
参考文献 340