第1章 绪论 1
1.1 计算机控制系统概述 1
1.1.1 计算机控制系统的一般概念 1
1.1.2 计算机控制系统的主要特点 3
1.2 计算机控制系统的组成 4
1.2.1 计算机控制系统的硬件组成 4
1.2.2 计算机控制系统的软件组成 5
1.3 计算机控制系统的典型应用形式 5
1.3.1 数据采集与操作指导系统 5
1.3.2 直接数字控制系统 6
1.3.3 监督计算机控制系统 6
1.3.4 计算机分级分布式控制系统 7
1.3.5 数据采集与监督控制系统 8
1.3.6 现场总线控制系统 9
1.4 计算机控制系统的发展概况 10
1.4.1 计算机控制系统的发展历程 10
1.4.2 计算机控制系统的发展趋势 11
1.5 计算机控制系统的理论与设计问题 12
1.5.1 计算机控制系统的理论问题 12
1.5.2 计算机控制系统的设计问题 13
本章小结 14
习题与思考题 14
第2章 计算机控制系统的信号变换 15
2.1 模数变换与数模变换 15
2.1.1 信号类型 15
2.1.2 A/D转换器 16
2.1.3 D/A转换器 17
2.1.4 A/D转换与D/A转换对系统性能的影响 18
2.2 采样过程的数学描述及特性分析 18
2.2.1 采样过程的一般描述 18
2.2.2 采样开关的数学描述 19
2.2.3 采样信号的时域描述 20
2.2.4 采样信号的频域描述与频域特性 21
2.2.5 采样定理 22
2.3 信号的恢复与重构 24
2.3.1 信号的理想恢复过程 24
2.3.2 信号的非理想重构过程 26
2.3.3 零阶保持器 26
2.3.4 后置滤波 28
2.4 信号的量化 28
本章小结 29
习题与思考题 30
第3章 计算机控制系统的数学描述 31
3.1 z变换理论 31
3.1.1 z变换的定义 31
3.1.2 z变换的方法 32
3.1.3 z变换的性质和定理 35
3.1.4 z反变换 37
3.1.5 广义z变换 40
3.2 线性定常离散系统的差分方程 42
3.2.1 线性定常离散系统差分方程的一般形式 42
3.2.2 线性定常差分方程的求解 42
3.3 z传递函数 43
3.3.1 z传递函数的概念 43
3.3.2 z传递函数与差分方程的关系 44
3.3.3 开环z传递函数 44
3.3.4 闭环z传递函数 47
3.3.5 计算机控制系统的输出响应计算 48
3.4 离散状态空间描述 49
3.4.1 线性定常离散系统的状态空间模型的建立 49
3.4.2 连续状态方程的离散化 55
3.4.3 计算机控制系统的闭环状态方程 58
本章小结 59
习题与思考题 59
第4章 计算机控制系统的经典分析方法 62
4.1 计算机控制系统的稳定性分析 62
4.1.1 s平面与z平面的关系 62
4.1.2 线性离散系统的稳定条件 64
4.1.3 线性离散系统稳定性的判断 66
4.1.4 采样周期对计算机控制系统稳定性的影响 71
4.2 计算机控制系统稳态误差分析 73
4.2.1 离散系统稳态误差的定义 73
4.2.2 线性定常离散系统稳态误差的计算 73
4.2.3 干扰作用下的稳态误差 77
4.2.4 A/D转换器对稳态误差的影响 77
4.2.5 采样周期对稳态误差的影响 78
4.3 计算机控制系统的响应特性分析 79
4.3.1 计算机控制系统的阶跃响应分析 80
4.3.2 系统闭环极点分布与响应特性 82
4.4 z平面根轨迹分析法 84
4.4.1 z平面根轨迹绘制 84
4.4.2 z平面根轨迹分析 86
4.5 线性定常离散系统的频率特性分析法 87
4.5.1 线性定常离散系统频率特性绘制方法 87
4.5.2 线性定常离散系统频率特性分析方法 90
本章小结 92
习题与思考题 92
第5章 基于连续系统理论的数字控制器设计 94
5.1 基于连续系统理论的数字控制器设计基本原理 94
5.1.1 连续域离散化设计基本思想 94
5.1.2 等效控制器De（s）的数学描述 94
5.1.3 数字控制器的设计步骤 96
5.2 连续控制器的离散化方法 96
5.2.1 脉冲响应不变法（z变换法） 96
5.2.2 阶跃响应不变法 97
5.2.3 前向差分法 98
5.2.4 后向差分法 100
5.2.5 双线性变换法 102
5.2.6 预修正双线性变换法 105
5.2.7 零极点匹配法 106
5.2.8 各种离散化方法比较 107
5.3 数字控制器设计举例 107
5.4 数字PID控制 110
5.4.1 PID控制的基本形式及数字化 111
5.4.2 数字PID控制算法 113
5.5 数字PID控制改进算法 114
5.5.1 抗积分饱和算法 114
5.5.2 微分算法的改进 115
5.6 数字PID控制参数整定 119
5.6.1 扩充临界比例系数法 119
5.6.2 扩充响应曲线法 120
5.6.3 试凑法 120
5.7 史密斯预测补偿控制 121
5.7.1 史密斯补偿原理 121
5.7.2 纯滞后补偿的数字实现 123
本章小结 124
习题与思考题 125
第6章 数字控制器z域直接设计方法 126
6.1 基于z传递函数设计的基本原理 126
6.1.1 数字控制器D（z）的一般形式 126
6.1.2 对期望闭环传递函数Ф（z）的约束 127
6.1.3 基于z传递函数设计一般步骤 128
6.2 最少拍控制系统设计 129
6.2.1 特殊对象的最少拍控制系统设计 129
6.2.2 一般对象的最少拍控制系统设计 133
6.3 最少拍无纹波控制系统设计 136
6.4 最少拍控制系统的改进设计 139
6.4.1 惯性因子法 139
6.4.2 非最少的有限拍控制 139
6.5 扰动作用下最少拍控制系统设计 140
6.5.1 针对扰动作用的设计 140
6.5.2 抑制扰动作用的设计 141
6.6 大林算法设计 143
6.6.1 大林算法基本原理 143
6.6.2 大林算法数字控制器的一般形式 144
6.6.3 振铃现象的消除方法 146
6.7 复合控制系统设计 148
6.7.1 反馈控制中的扰动作用 148
6.7.2 复合控制系统基本形式与设计步骤 148
6.8 z平面根轨迹设计 151
6.9 数字控制器的频域设计 153
6.9.1 w变换 153
6.9.2 基于w变换的频域设计法 155
本章小结 159
习题与思考题 159
第7章 计算机控制系统的状态空间分析 161
7.1 离散状态方程的解 161
7.1.1 递推法 161
7.1.2 z变换法 163
7.2 z传递函数矩阵与特征方程 164
7.2.1 矩阵的特征值 164
7.2.2 z传递函数矩阵 165
7.2.3 离散系统的特征方程 165
7.3 李亚普洛夫稳定性分析 167
7.3.1 李亚普洛夫意义下的稳定性概念 167
7.3.2 李亚普洛夫第二法主要定理 168
7.3.3 线性定常连续系统渐近稳定判据 170
7.3.4 离散时间系统李亚普洛夫稳定性判据 170
7.4 可控性与可观性 174
7.4.1 可控性 174
7.4.2 输出可控性 177
7.4.3 可观性 178
7.4.4 可控性、可观性与z传递函数的关系 181
7.4.5 采样系统可控可观性与采样周期的关系 182
7.5 可控标准型与可观标准型 183
7.5.1 z传递函数与可控标准型 183
7.5.2 z传递函数与可观标准型 184
7.5.3 通过线性变换构造可控标准型 184
7.5.4 通过线性变换构造可观标准型 186
本章小结 187
习题与思考题 188
第8章 计算机控制系统的状态空间设计 190
8.1 状态反馈设计 190
8.1.1 状态反馈系统结构及其特性 190
8.1.2 状态反馈与极点配置 192
8.1.3 单输入系统状态反馈极点配置设计 193
8.1.4 多输入系统状态反馈极点配置设计 196
8.1.5 有限拍控制 197
8.2 输出反馈设计 197
8.2.1 输出反馈的结构形式与特点 198
8.2.2 输出反馈与极点配置 199
8.3 状态观测器设计 200
8.3.1 开环状态观测器 200
8.3.2 闭环状态观测器设计 201
8.3.3 降维观测器设计 206
8.3.4 有限拍观测器 207
8.4 带状态观测器的状态反馈设计 208
8.4.1 带观测器的状态反馈控制系统的一般结构 208
8.4.2 带观测器的状态反馈控制系统设计的分离性原理 209
8.4.3 带观测器的状态反馈控制系统设计原则 210
8.4.4 带观测器的状态反馈控制系统的控制器 210
8.4.5 设计举例 212
本章小结 215
习题与思考题 215
第9章 分级分布式计算机控制系统 218
9.1 分级分布式计算机控制系统基本原理 218
9.1.1 分级分布式计算机控制系统的产生 218
9.1.2 分级分布式计算机控制系统的组成原理 220
9.1.3 分级分布式计算机控制系统的评价 222
9.2 集散控制系统 223
9.2.1 集散控制系统的概念和特点 224
9.2.2 集散控制系统的层次结构 225
9.2.3 集散控制系统的基本控制器 227
9.2.4 集散控制系统的数据通信 228
9.2.5 集散控制系统的组态原理 230
9.2.6 集散控制系统的发展概况 234
9.3 现场总线控制系统 235
9.3.1 现场总线控制系统概述 235
9.3.2 现场总线控制系统的体系结构 237
9.3.3 现场总线控制系统与集散控制系统的比较 238
9.3.4 几种典型的现场总线 239
本章小结 245
习题与思考题 246
第10章 计算机数值控制系统 247
10.1 计算机数值控制基础 247
10.1.1 计算机数值控制的基本概念 247
10.1.2 数值控制基本原理 248
10.1.3 计算机数值控制系统一般组成 249
10.1.4 计算机数值控制系统的控制结构 250
10.1.5 数值控制系统的控制方式 251
10.2 逐点比较法插补原理 251
10.2.1 逐点比较法直线插补原理 251
10.2.2 逐点比较法圆弧插补原理 255
10.2.3 八方向逐点比较法线性插值 260
10.3 步进电机的控制技术 261
10.3.1 步进电机工作原理 261
10.3.2 步进电机的计算机控制 263
本章小结 267
习题与思考题 268
第11章 计算机控制系统的设计与实现 269
11.1 计算机控制系统的设计原则与步骤 269
11.1.1 计算机控制系统设计的一般原则 269
11.1.2 计算机控制系统的设计步骤 271
11.2 过程输入／输出通道设计 274
11.2.1 模拟量输入通道 274
11.2.2 模拟量输出通道 280
11.2.3 开关量（数字量）输入通道 282
11.2.4 开关量（数字量）输出通道 284
11.3 数字信号调理 285
11.3.1 数字滤波 285
11.3.2 非线性补偿 287
11.3.3 标度变换 288
11.4 数字控制器算法设计与实现 289
11.4.1 计算延时与控制算法设计 289
11.4.2 数字控制器D（z）的算法设计与实现 291
11.4.3 状态空间描述控制器算法设计与实现 296
11.4.4 控制算法中比例因子的设置 298
11.5 量化效应分析 298
11.5.1 计算机控制系统中量化误差来源 299
11.5.2 变量的量化误差分析 300
11.5.3 参数的量化误差分析 302
11.5.4 量化效应的非线性分析 304
11.6 采样周期选择 307
11.6.1 采样周期选择的一般考虑 307
11.6.2 采样周期选择的经验规则 309
11.7 计算机控制系统的抗干扰技术 310
11.7.1 干扰源 310
11.7.2 干扰的作用形式 311
11.7.3 串模干扰的抑制 312
11.7.4 共模干扰的抑制 313
11.7.5 长线传输干扰的抑制 314
11.7.6 电源系统的抗干扰措施 314
11.7.7 接地系统的抗干扰措施 315
11.8 计算机控制系统的可靠性设计 316
11.8.1 计算机控制系统可靠性设计的一般原则 317
11.8.2 计算机控制系统的硬件可靠性设计 317
11.8.3 计算机控制系统的软件可靠性设计 319
本章小结 322
习题与思考题 322
参考文献 324