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 5
1.3.1过程通道 5
1.3.2总线接口技术 8
1.4模拟与数字信号之间的相互转换 10
1.4.1 D/A转换及其误差 10
1.4.2 A/D转换及其误差 11
1.5计算机控制系统的理论问题 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控制系统实现技术 14
1.6计算机控制系统的基本类型 14
本章小结 18
习题与思考题 19
第2章 信号转换与z变换 20
2.1引言 20
2.2信号变换原理 20
2.2.1计算机控制系统信号转换分析 20
2.2.2采样过程及采样函数的数学表示 21
2.2.3采样函数的频谱分析及采样定理 23
2.2.4采样周期T的讨论 25
2.3采样信号恢复与保持器 27
2.3.1零阶保持器 28
2.3.2一阶保持器 30
2.4信号转换的工程化技术 31
2.4.1 A/D转换的基本工程化技术 31
2.4.2 D/A转换的基本工程化技术 35
2.5 z变换 39
2.5.1 z变换的定义 39
2.5.2 z变换方法 40
2.5.3 z变换的基本定理 45
2.6 z反变换 51
2.6.1长除法 51
2.6.2部分分式法 52
2.6.3留数法 55
2.7扩展z变换 57
2.7.1扩展z变换定义 57
2.7.2几种典型函数的扩展z变换 59
本章小结 61
习题与思考题 62
第3章 计算机控制系统数学描述与性能分析 64
3.1引言 64
3.2线性常系数差分方程 64
3.2.1离散系统与差分方程 64
3.2.2差分方程求解 66
3.3脉冲传递函数 70
3.3.1脉冲传递函数的定义 70
3.3.2脉冲传递函数的推导 71
3.3.3离散系统的框图分析 73
3.3.4计算机控制系统的脉冲传递函数 77
3.4计算机控制系统稳定性分析 79
3.4.1离散系统的稳定性条件 80
3.4.2s平面与z平面的映射分析 81
3.4.3采样周期与系统稳定性关系 84
3.5计算机控制系统的代数稳定性判据 85
3.5.1劳斯稳定性判据 85
3.5.2朱利稳定性判据 87
3.6计算机控制系统稳态过程分析 91
3.6.1稳态误差与误差系数 92
3.6.2系统类型与稳态误差 93
3.6.3采样周期对稳态误差的影响 95
3.7计算机控制系统暂态过程分析 97
3.7.1 z平面极点分布与暂态响应的关系 97
3.7.2采样周期对暂态响应的影响 99
3.8计算机控制系统的频域特性分析 101
3.8.1离散系统的频域描述 101
3.8.2离散系统频域稳定性分析 102
3.8.3离散系统伯德图分析 104
本章小结 107
习题与思考题 107
第4章 数字控制器的模拟化设计方法 110
4.1引言 110
4.2模拟化设计方法基本原理 110
4.3连续控制器的离散化方法 112
4.3.1 z变换法 112
4.3.2差分变换法 113
4.3.3双线性变换法 116
4.3.4零极点匹配法 118
4.4数字PID控制器 120
4.4.1基本数字PID控制算法 120
4.4.2数字PID控制算法的工程化改进 121
4.4.3数字PID控制器的参数整定 126
4.5 Smith预估控制 129
4.5.1纯滞后问题的提出 129
4.5.2 Smith预估控制设计原理 130
4.5.3 Smith预估控制算法的工程化改进 133
本章小结 136
习题与思考题 136
第5章 数字控制器的直接设计方法 138
5.1引言 138
5.2直接设计方法基本原理 138
5.3最小拍控制器的设计方法 140
5.3.1简单对象最小拍控制器设计 140
5.3.2复杂对象最小拍控制器设计 145
5.4最小拍控制器的工程化改进 151
5.4.1最小拍控制系统存在的问题 151
5.4.2最小拍无纹波控制器的设计 151
5.4.3针对输入信号类型敏感问题的改进 156
5.4.4针对模型参数变化敏感问题的改进 159
5.5大林算法 163
5.5.1大林算法设计原理 163
5.5.2振铃现象及其消除方法 166
5.6大林算法工程应用中关键参数的选择 169
5.6.1解决振铃现象中关键参数的选择 169
5.6.2解决分数时滞问题中关键参数的选择 170
5.7数字控制器的程序实现 175
5.7.1直接程序设计法 175
5.7.2串联程序设计法 176
5.7.3并行程序设计法 177
本章小结 179
习题与思考题 179
第6章 基于状态空间模型的极点配置设计方法 181
6.1引言 181
6.2状态空间描述的基本概念 181
6.2.1系统动态过程的两类描述 181
6.2.2有关状态空间描述的基本定义 182
6.3离散系统的状态空间模型 183
6.3.1离散状态空间模型的建立 183
6.3.2离散状态方程的求解 190
6.3.3离散状态空间模型与z传递函数之间的关系 191
6.4系统的能控性与能观性 191
6.4.1能控性与能观性的概念 192
6.4.2能控性判据与能观性判据 192
6.4.3能控标准型与能观标准型 193
6.5状态可测时按极点配置设计控制规律 196
6.6按极点配置设计观测器 201
6.6.1预报观测器 202
6.6.2现时观测器 205
6.6.3降阶观测器 207
6.7状态不可测时控制器的设计 208
6.7.1分离性原理 208
6.7.2控制器设计 210
6.8随动系统的设计 212
本章小结 213
习题与思考题 214
第7章 先进控制规律的设计方法 215
7.1引言 215
7.2线性二次型最优控制器的设计 215
7.2.1概述 215
7.2.2 LQR最优控制器设计 216
7.2.3跟踪系统设计 220
7.3自校正控制器的设计 222
7.3.1概述 222
7.3.2最小二乘参数辨识算法 222
7.3.3自校正控制器设计 227
7.4模型预测控制器的设计 230
7.4.1概述 230
7.4.2预测模型 232
7.4.3预测控制算法 235
7.5模糊控制器的设计 240
7.5.1概述 240
7.5.2模糊控制原理 243
7.5.3模糊PID控制器设计 248
本章小结 251
习题与思考题 252
第8章 基于网络的控制技术 253
8.1引言 253
8.2网络控制概述 253
8.2.1网络控制系统基本概念 253
8.2.2网络控制系统研究内容 256
8.3实时控制网络 258
8.3.1控制网络的基本概念 258
8.3.2 EtherNet网络 263
8.3.3 CAN网络 265
8.3.4 ControlNet网络 267
8.3.5 CC-Link网络 269
8.4网络控制系统特性分析 271
8.4.1网络控制系统时延特性 271
8.4.2网络控制系统的稳定性分析 273
8.5网络控制系统控制器的设计 276
8.5.1 PID网络控制器的设计 276
8.5.2极点配置网络控制器的设计 279
本章小结 285
习题与思考题 285
第9章 计算机控制系统的设计与实现 287
9.1引言 287
9.2计算机控制系统的基本设计原则与方法 287
9.2.1设计原则 287
9.2.2设计方法 288
9.3计算机控制系统的硬件设计 289
9.3.1执行机构与驱动技术 289
9.3.2检测机构与传感器技术 290
9.4计算机控制系统的软件设计 290
9.4.1控制对象分析 290
9.4.2数字控制器的实现问题 291
9.4.3信号的数字滤波技术 292
9.5数字控制器程序实现的性能分析 293
9.5.1计算机控制系统的数值误差来源 293
9.5.2数字控制器的精度确定原则及保证措施 296
9.5.3微分环节的处理措施与工程实现方法 300
9.5.4数字控制器误差及执行时间的检验方法 304
9.5.5控制算法不同编排结构的优缺点分析 305
9.6量化效应与采样周期误差分析 305
9.6.1 A/D转换的量化误差与孔径误差 305
9.6.2采样周期造成的误差 306
9.7计算机控制系统的可靠性与抗干扰技术 309
9.7.1提高可靠性的措施 310
9.7.2干扰的来源及传播途径 311
9.7.3消除或抑制干扰影响的方法 312
本章小结 316
习题与思考题 316
第10章 计算机控制系统应用实例 318
10.1引言 318
10.2电阻炉温度控制系统 318
10.2.1系统总体描述 318
10.2.2硬件系统设计 319
10.2.3控制系统设计 325
10.2.4系统软件设计 328
10.2.5系统的实际控制效果 330
10.3伺服运动控制系统 332
10.3.1伺服系统概述 332
10.3.2伺服系统的工作原理与硬件设计 333
10.3.3伺服系统的控制软件设计 335
本章小结 339
习题与思考题 339
参考文献 340