第1章 计算机控制系统概论 1
1.1 模拟电路控制与计算机控制 1
1.1.1 模拟电路控制过程与控制系统 2
1.1.2 计算机控制系统 3
1.1.3 计算机控制的技术优势 3
1.2 计算机控制系统的发展历程 4
1.3 计算机控制系统的典型形式 8
1.3.1 操作指导式计算机控制系统 8
1.3.2 直接数字控制系统 8
1.3.3 计算机监督控制系统 9
1.3.4 集散型计算机控制系统 11
1.3.5 现场总线控制系统 12
1.3.6 计算机递阶控制系统 13
1.4 计算机控制系统构成的基本要素 14
1.4.1 硬件系统 14
1.4.2 软件系统 16
1.4.3 通信链路 16
1.5 计算机控制系统设计方法论 16
1.5.1 控制系统与控制理论 17
1.5.2 控制系统设计的一般方法 17
1.5.3 人-机系统中计算机装置的角色和作用 20
1.6 计算机控制系统的可靠性、安全性与容错性 22
1.6.1 系统的可靠性 22
1.6.2 系统的安全性 23
1.6.3 系统的容错性 24
1.7 本书主要研究内容与结果 27
第2章 计算机控制系统多面向建模 29
2.1 预备知识：Z-变换与L-变换 29
2.1.1 Z-变换 29
2.1.2 Z-反变换 29
2.1.3 L-变换 30
2.1.4 L-反变换 30
2.2 计算机控制系统的信号转换 31
2.3 面向被控对象的系统建模 32
2.3.1 输入-输出过程模型 32
2.3.2 动态测量系统的状态空间模型 34
2.3.3 输入-输出与状态空间的模型转换 35
2.4 面向计算机装置的系统建模 40
2.4.1 输入-输出差分方程模型 40
2.4.2 离散时间状态空间模型 41
2.4.3 线性定常系统传递函数与特征方程的不变性 46
2.4.4 连续时间系统的采样离散化模型 48
2.5 带随机分量的计算机控制系统数学模型 53
2.5.1 带随机分量的CAR与CARMA模型 54
2.5.2 带随机分量的状态空间模型 54
2.6 过程故障与故障过程的数学建模 55
2.6.1 计算机控制系统故障分析 55
2.6.2 故障分量模型 58
2.6.3 带故障过程的数学建模 59
2.7 小结 60
第3章 过程参数的容错辨识技术 61
3.1 系统辨识与系统容错辨识概论 61
3.2 渐近二次偏改变灵敏度与Minmax估计 63
3.2.1 GLS估计族 64
3.2.2 渐近二次偏改变灵敏度 65
3.2.3 基于ASBS的Minmax估计 65
3.2.4 Minmax估计在CAR过程中的应用 67
3.3 CAR过程的递阶容错辨识 68
3.3.1 模型系数的递阶LS估计 68
3.3.2 误差方差的递阶估计 69
3.3.3 CAR模型的自适应定阶与建模 71
3.4 受控自回归模型系数的在线容错辨识 72
3.4.1 线性模型参数的有界影响容错辨识 72
3.4.2 受控自回归模型系数的在线LS辨识 77
3.4.3 受控自回归模型参数的在线容错辨识 78
3.5 小结 79
第4章 过程采样与容错滤波技术 80
4.1 数据采集与信号获取 80
4.1.1 测控系统数据采样 80
4.1.2 测控数据信号获取 81
4.1.3 频率混叠与前置滤波 83
4.2 几种简易容错滤波算法 84
4.2.1 数字滤波简介 84
4.2.2 几种简易数字滤波算法 85
4.2.3 不同滤波算法的比较分析 88
4.2.4 常用数值滤波算法的容错改进 91
4.2.5 容错改进效果的仿真分析 92
4.3 双重中值容错滤波器的设计与仿真 94
4.3.1 双重中值容错滤波算法设计 94
4.3.2 双重中值容错滤波的崩溃点分析 95
4.3.3 滤波算法去噪性能的仿真分析 96
4.3.4 双重中值容错滤波容错能力的仿真分析 97
4.4 采样信号的检错与纠错 99
4.4.1 平稳序列的检错与纠错 99
4.4.2 非平稳序列的检错与纠错 100
4.4.3 门限参数的设定方法 101
4.5 小结 101
第5章 离散时间信号容错重构算法 102
5.1 几种典型重构方法简介 102
5.1.1 Shannon重构 102
5.1.2 零阶保持 103
5.1.3 一阶保持 103
5.1.4 预测一阶保持 103
5.2 二阶无偏保持与二阶无偏容错保持 104
5.2.1 采样时间序列的三点插值 104
5.2.2 一步预报与二阶无偏保持 104
5.2.3 二阶保持算法的容错改进 105
5.3 容错递推预测与信号容错重构 106
5.3.1 模型系数递推LS估计 106
5.3.2 模型系数的递推容错辨识 107
5.3.3 基于一步容错递推预测的二阶容错重构 107
5.4 小结 108
第6章 系统状态的容错重构 109
6.1 采样故障数据模型 109
6.2 状态Kalman滤波的容错能力分析 111
6.2.1 状态Kalman滤波的抗野值能力分析 111
6.2.2 状态Kalman滤波的抗模型扰动能力分析 113
6.3 状态向量M-型滤波重构算法 114
6.3.1 状态M-型滤波 114
6.3.2 状态M-型滤波的迭代算法 115
6.3.3 迭代算法收敛性定理的论证 116
6.4 状态向量有界影响滤波 118
6.4.1 过失误差对Kalman滤波的影响分析 118
6.4.2 含野值样本序列的处理对策 119
6.4.3 最佳Φk（·）函数的选取 120
6.4.4 仿真计算 123
6.5 小结 124
第7章 系统巡回检测的容错设计 125
7.1 巡回检测系统的处理逻辑和局限性 125
7.2 设定值控制系统容错巡回检测算法 126
7.2.1 平稳过程的滑动中值巡回检测算法 127
7.2.2 平稳过程的容错均值巡回检测算法 127
7.3 操作指导式控制系统循环容错检测算法 128
7.3.1 自适应巡回检测的基本思路 129
7.3.2 操作指导信号的模型逼近 129
7.3.3 操作指导信号的容错滤波估计 131
7.3.4 操作指导式自适应巡回容错检测算法 132
7.4 操作指导式控制系统容错算法仿真分析 133
7.5 小结 134
第8章 数字PID控制的容错设计 135
8.1 模拟PID与数字PID 135
8.1.1 模拟PID控制 135
8.1.2 数字PID控制 136
8.2 增量型数字PID控制算法设计与整定 138
8.2.1 基于一阶差分与矩形积分的增量型数值PID 138
8.2.2 基于一阶差分与梯形积分的增量型数值PID 139
8.2.3 基于插值微分与梯形积分的增量型数值PID 139
8.3 数字PID控制算法的容错设计 140
8.3.1 有效偏差PID算法 140
8.3.2 有限偏差PID算法 142
8.4 小结 143
第9章 随机系统的最优容错控制 144
9.1 最优容错控制设计概述 144
9.2 LQG控制与Kalman预报 145
9.2.1 线性系统LQG控制 146
9.2.2 状态向量的Kalman预报 146
9.3 状态容错预报与过程容错控制 147
9.4 小结 149
第10章 系统冗余与容错控制 150
10.1 计算机控制系统的冗余与容错 150
10.2 冗余的典型形式和类别 151
10.2.1 直接冗余与硬件冗余 151
10.2.2 软件冗余与解析冗余 152
10.2.3 数据冗余与信息冗余 153
10.2.4 时间冗余与通信链路冗余 155
10.3 基于冗余的主动容错与被动容错 155
10.3.1 被动容错 156
10.3.2 主动容错 156
10.4 几种典型的冗余式容错控制系统设计 157
10.4.1 基于硬件冗余与静态冗余的容错设计 158
10.4.2 基于功能冗余的容错设计 160
10.4.3 基于自动检测的容错设计 161
10.4.4 基于自动切换的容错设计 161
10.4.5 基于自动恢复的容错设计 162
10.4.6 基于动态冗余的容错设计 162
10.4.7 基于软-硬件混合冗余的容错设计 163
10.4.8 基于软件N版本和块复员的容错设计 164
10.5 小结 164
第11章 容错技术在航天姿态控制中的应用 165
11.1 问题描述 165
11.2 姿态控制问题的数学建模 166
11.3 基于有界影响辨识的姿态容错估计 167
11.3.1 随机误差协方差阵的容错估计 167
11.3.2 姿态角修正量和测姿固偏的最小二乘估计 168
11.3.3 姿态角修正量和测姿固偏的在线容错估计 170
11.3.4 飞行器姿态角的容错估计 171
11.4 基于容错Kalman滤波的姿态容错控制 172
11.4.1 状态空间模型的建立 172
11.4.2 状态向量的Kalman滤波算法 173
11.4.3 状态向量的容错Kalman滤波算法 173
11.5 小结 174
参考文献 175