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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