本書系統(tǒng)地闡述計算機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法及工程應(yīng)用的一般問題，主要內(nèi)容包括：計算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念與組成原理、計算機(jī)控制系統(tǒng)中的信號形式、計算機(jī)控制系統(tǒng)的描述方法、計算機(jī)控制系統(tǒng)的一般分析方法、計算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計方法、計算機(jī)控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計方法、計算機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)空間分析與設(shè)計、復(fù)雜控制規(guī)律設(shè)計、分布式計算機(jī)控制與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、數(shù)字程序控制系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)等。
前 言
計算機(jī)控制系統(tǒng)是隨著計算機(jī)技術(shù)與相關(guān)控制理論的發(fā)展而不斷發(fā)展起來的，并已廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)與日常生活等各領(lǐng)域中。計算機(jī)控制已成為控制與自動化系統(tǒng)的主要方式。對計算機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計涉及與計算機(jī)控制相關(guān)的基礎(chǔ)理論、分析與設(shè)計方法及工程實現(xiàn)技術(shù)等各方面的內(nèi)容。
本書重點針對大學(xué)本科自動化專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)對“計算機(jī)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)要求進(jìn)行編寫。結(jié)合本科生的知識背景與教學(xué)特點，在教材內(nèi)容的安排上既注重內(nèi)容的完整性與系統(tǒng)性，還力求深入淺出、循序漸進(jìn)、易于理解，同時通過合理安排例題和習(xí)題，有效地幫助學(xué)生熟練掌握相關(guān)的基礎(chǔ)知識與基本方法。
本書系統(tǒng)地闡述計算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、常規(guī)分析與設(shè)計方法以及工程實現(xiàn)技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容。第1章介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念、基本組成原理、主要類型與發(fā)展情況等 前 言
計算機(jī)控制系統(tǒng)是隨著計算機(jī)技術(shù)與相關(guān)控制理論的發(fā)展而不斷發(fā)展起來的，并已廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)與日常生活等各領(lǐng)域中。計算機(jī)控制已成為控制與自動化系統(tǒng)的主要方式。對計算機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計涉及與計算機(jī)控制相關(guān)的基礎(chǔ)理論、分析與設(shè)計方法及工程實現(xiàn)技術(shù)等各方面的內(nèi)容。
本書重點針對大學(xué)本科自動化專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)對“計算機(jī)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)要求進(jìn)行編寫。結(jié)合本科生的知識背景與教學(xué)特點，在教材內(nèi)容的安排上既注重內(nèi)容的完整性與系統(tǒng)性，還力求深入淺出、循序漸進(jìn)、易于理解，同時通過合理安排例題和習(xí)題，有效地幫助學(xué)生熟練掌握相關(guān)的基礎(chǔ)知識與基本方法。
本書系統(tǒng)地闡述計算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、常規(guī)分析與設(shè)計方法以及工程實現(xiàn)技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容。第1章介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念、基本組成原理、主要類型與發(fā)展情況等；第2～3章為計算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論，闡述計算機(jī)控制系統(tǒng)中的信號變換理論與計算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述，包括差分方程描述、z傳遞函數(shù)與離散狀態(tài)空間描述等；第4章討論計算機(jī)控制系統(tǒng)的經(jīng)典分析方法，即基于z域的分析方法；第5～6章介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)的經(jīng)典設(shè)計方法，包括基于連續(xù)系統(tǒng)理論的設(shè)計與z域直接設(shè)計等兩大類方法；第7～8章系統(tǒng)地討論計算機(jī)控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法與設(shè)計方法；第9章簡要介紹目前在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的分級分布式控制原理及其兩種典型應(yīng)用形式，即集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；第10章介紹計算機(jī)數(shù)值控制基本原理與方法；第11章重點介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)工程設(shè)計與實現(xiàn)的一般方法與相關(guān)問題。
本書作為本科自動化專業(yè)教材，內(nèi)容全面，系統(tǒng)性強(qiáng)，既注重基本理論的理解與掌握，也強(qiáng)調(diào)具體工程實現(xiàn)技術(shù)的實踐。讀者通過本教材的學(xué)習(xí)，可以較為全面地掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本理論，并能夠?qū)ο嚓P(guān)的計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計與具體實現(xiàn)。在教學(xué)學(xué)時許可的情況下（如64學(xué)時），可講授教材的全部內(nèi)容；如學(xué)時較少，可重點講授第1～8章及第11章部分內(nèi)容，其余為課外自學(xué)。對于其他相關(guān)專業(yè)，如電氣工程及自動化、儀器儀表、計算機(jī)應(yīng)用等，可根據(jù)各自教學(xué)要求，適當(dāng)選取教材相關(guān)章節(jié)作為主要教學(xué)內(nèi)容，通�？蛇x擇第1～6章及第11章的相關(guān)內(nèi)容。對于具有工業(yè)控制或數(shù)控技術(shù)背景的專業(yè)或教學(xué)需求，可適當(dāng)增加第9章或第10章的相關(guān)內(nèi)容。此外，本教材也可作為相關(guān)專業(yè)工程碩士的教材或參考書。
本書向使用本書作為教材的高校教師提供配套電子課件和部分習(xí)題參考答案，請登錄華信教育資源網(wǎng)注冊下載。
本書第1版自2011年出版以來，在編者所在學(xué)校及數(shù)十所高校作為“計算機(jī)控制系統(tǒng)”課程教材使用，取得了較好的效果，得到了廣大師生的較高評價。同時，也有部分熱心讀者和同學(xué)指出了本書存在的一些筆誤，或?qū)Σ煌字幪岢隽艘蓡�。�?版修訂在知識體系及章節(jié)安排上總體保持了第1版的框架，主要針對部分章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行了改寫、調(diào)整或適當(dāng)補(bǔ)充，使得內(nèi)容安排與相關(guān)論述上更具條理性與系統(tǒng)性。同時，對部分章節(jié)的例題與習(xí)題進(jìn)行了調(diào)整與增補(bǔ)，使之與相關(guān)知識點更緊密結(jié)合，更利于讀者理解與鞏固相關(guān)知識。此外，還針對第1版中出現(xiàn)的一些筆誤與不妥之處進(jìn)行了修訂。
本書是在編者所在的電子科技大學(xué)計算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)團(tuán)隊近20年來教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上編寫的。本書的主要編寫人員多年來在計算機(jī)控制系統(tǒng)的教學(xué)與實際工程應(yīng)用方面均積累了一定的實踐經(jīng)驗，并力圖在教材的編寫思想與具體內(nèi)容方面有所反映。本書由康波與李云霞共同編寫。康波具體負(fù)責(zé)編寫了第1、2、7、8、10、11章的全部內(nèi)容及第4章、第6章的部分內(nèi)容，并統(tǒng)編全書；李云霞具體負(fù)責(zé)編寫了第3、5、9章的全部內(nèi)容及第4章、第6章的部分內(nèi)容。作者所在教研室的有關(guān)教師和研究生也參與了本書的例題、習(xí)題資料的整理與相關(guān)圖表的繪制工作。
在本書編寫過程中，編者參考了大量與計算機(jī)控制理論相關(guān)的教材與專著，從中得到不少啟發(fā)，為本書的編寫提供了一定的支撐，編者對這些參考文獻(xiàn)的作者表示感謝。特別地，編者還要對指出本書第1版出現(xiàn)的筆誤或不妥之處的熱心讀者表示衷心感謝。同時，在本書的編寫過程中還得到了電子工業(yè)出版社相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)與編輯的大力支持，在此一并致以謝意。
由于編者的知識水平與經(jīng)驗有限，書中的錯誤與不妥之處在所難免，期望得到讀者的批評指正。
作 者
2015年2月
康波，1995年研究生畢業(yè)到電子科技大學(xué)自動化系任教至今，從事自動化及計算機(jī)技術(shù)等相關(guān)科研與教學(xué)工作，曾擔(dān)任控制科學(xué)與工程系主任等職，現(xiàn)任移動計算研究中心副主任。主要研究方向包括可穿戴計算、增強(qiáng)現(xiàn)實與可穿戴仿真、復(fù)雜系統(tǒng)的建模與優(yōu)化等。
第1章 緒論 1
1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)概述 1
1.1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念 1
1.1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的主要特點 3
1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 4
1.2.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成 4
1.2.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成 5
1.3 計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用形式 5
1.3.1 數(shù)據(jù)采集與操作指導(dǎo)系統(tǒng) 5
1.3.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 6
1.3.3 監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng) 6
1.3.4 計算機(jī)分級分布式控制系統(tǒng) 7
1.3.5 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)督控制系統(tǒng) 8
1.3.6 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9
1.4 計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 10 第1章 緒論 1
1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)概述 1
1.1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念 1
1.1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的主要特點 3
1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 4
1.2.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成 4
1.2.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成 5
1.3 計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用形式 5
1.3.1 數(shù)據(jù)采集與操作指導(dǎo)系統(tǒng) 5
1.3.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 6
1.3.3 監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng) 6
1.3.4 計算機(jī)分級分布式控制系統(tǒng) 7
1.3.5 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)督控制系統(tǒng) 8
1.3.6 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 9
1.4 計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 10
1.4.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程 10
1.4.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 11
1.5 計算機(jī)控制系統(tǒng)的理論與設(shè)計問題 12
1.5.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的理論問題 12
1.5.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計問題 13
本章小結(jié) 14
習(xí)題與思考題 14
第2章 計算機(jī)控制系統(tǒng)的信號變換 15
2.1 模/數(shù)變換與數(shù)/模變換 15
2.1.1 信號類型 15
2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器 16
2.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器 17
2.1.4 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換對系統(tǒng)性能
的影響 18
2.2 采樣過程的數(shù)學(xué)描述及特性分析 18
2.2.1 采樣過程的一般描述 18
2.2.2 采樣開關(guān)的數(shù)學(xué)描述 19
2.2.3 采樣信號的時域描述 20
2.2.4 采樣信號的頻域描述與頻域特性 21
2.2.5 采樣定理 22
2.3 信號的恢復(fù)與重構(gòu) 24
2.3.1 信號的理想恢復(fù)過程 24
2.3.2 信號的非理想重構(gòu)過程 26
2.3.3 零階保持器 26
2.3.4 后置濾波 28
2.4 信號的量化 28
本章小結(jié) 29
習(xí)題與思考題 30
第3章 計算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 31
3.1 z變換理論 31
3.1.1 z變換的定義 31
3.1.2 z變換的方法 32
3.1.3 z變換的性質(zhì)和定理 35
3.1.4 z反變換 37
3.1.5 廣義z變換 40
3.2 線性定常離散系統(tǒng)的差分方程 42
3.2.1 線性定常離散系統(tǒng)差分方程的
一般形式 42
3.2.2 線性定常差分方程的求解 42
3.3 z傳遞函數(shù) 43
3.3.1 z傳遞函數(shù)的概念 43
3.3.2 z傳遞函數(shù)與差分方程的關(guān)系 44
3.3.3 開環(huán)z傳遞函數(shù) 44
3.3.4 閉環(huán)z傳遞函數(shù) 47
3.3.5 計算機(jī)控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)計算 48
3.4 離散狀態(tài)空間描述 49
3.4.1 線性定常離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型
的建立 49
3.4.2 連續(xù)狀態(tài)方程的離散化 55
3.4.3 計算機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)狀態(tài)方程 58
本章小結(jié) 59
習(xí)題與思考題 59
第4章 計算機(jī)控制系統(tǒng)的經(jīng)典分析方法 62
4.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 62
4.1.1 s平面與z平面的關(guān)系 62
4.1.2 線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 64
4.1.3 線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷 66
4.1.4 采樣周期對計算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性
的影響 71
4.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析 73
4.2.1 離散系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的定義 73
4.2.2 線性定常離散系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的
計算 73
4.2.3 干擾作用下的穩(wěn)態(tài)誤差 77
4.2.4 A/D轉(zhuǎn)換器對穩(wěn)態(tài)誤差的影響 77
4.2.5 采樣周期對穩(wěn)態(tài)誤差的影響 78
4.3 計算機(jī)控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性分析 79
4.3.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析 80
4.3.2 系統(tǒng)閉環(huán)極點分布與響應(yīng)特性 82
4.4 z平面根軌跡分析法 84
4.4.1 z平面根軌跡繪制 84
4.4.2 z平面根軌跡分析 86
4.5 計算機(jī)控制系統(tǒng)的頻率特性分析法 87
4.5.1 線性定常離散系統(tǒng)頻率特性繪制
方法 87
4.5.2 線性定常離散系統(tǒng)頻率特性分析
方法 90
本章小結(jié) 92
習(xí)題與思考題 92
第5章 基于連續(xù)系統(tǒng)理論的數(shù)字控制器設(shè)計 94
5.1 基于連續(xù)系統(tǒng)理論的數(shù)字控制器設(shè)計
基本原理 94
5.1.1 連續(xù)域離散化設(shè)計基本思想 94
5.1.2 等效控制器De(s)的數(shù)學(xué)描述 94
5.1.3 數(shù)字控制器的設(shè)計步驟 96
5.2 連續(xù)控制器的離散化方法 96
5.2.1 脈沖響應(yīng)不變法（z變換法） 96
5.2.2 階躍響應(yīng)不變法 97
5.2.3 前向差分法 98
5.2.4 后向差分法 100
5.2.5 雙線性變換法 102
5.2.6 預(yù)修正雙線性變換法 105
5.2.7 零極點匹配法 106
5.2.8 各種離散化方法比較 107
5.3 數(shù)字控制器設(shè)計舉例 107
5.4 數(shù)字PID控制 110
5.4.1 PID控制的基本形式及數(shù)字化 111
5.4.2 數(shù)字PID控制算法 113
5.5 數(shù)字PID控制改進(jìn)算法 114
5.5.1 抗積分飽和算法 114
5.5.2 微分算法的改進(jìn) 115
5.6 數(shù)字PID控制參數(shù)整定 119
5.6.1 擴(kuò)充臨界比例系數(shù)法 119
5.6.2 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 120
5.6.3 試湊法 120
5.7 史密斯預(yù)測補(bǔ)償控制 121
5.7.1 史密斯補(bǔ)償原理 121
5.7.2 純滯后補(bǔ)償?shù)臄?shù)字實現(xiàn) 123
本章小結(jié) 124
習(xí)題與思考題 125
第6章 數(shù)字控制器z域直接設(shè)計方法 126
6.1 基于z傳遞函數(shù)設(shè)計的基本原理 126
6.1.1 數(shù)字控制器D(z)的一般形式 126
6.1.2 對期望閉環(huán)傳遞函數(shù) (z)
的約束 127
6.1.3 基于z傳遞函數(shù)設(shè)計一般步驟 128
6.2 最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計 129
6.2.1 特殊對象的最少拍控制系統(tǒng)
設(shè)計 129
6.2.2 一般對象的最少拍控制系統(tǒng)
設(shè)計 133
6.3 最少拍無紋波控制系統(tǒng)設(shè)計 136
6.4 最少拍控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計 139
6.4.1 慣性因子法 139
6.4.2 非最少的有限拍控制 139
6.5 擾動作用下最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計 140
6.5.1 針對擾動作用的設(shè)計 140
6.5.2 抑制擾動作用的設(shè)計 141
6.6 大林算法設(shè)計 143
6.6.1 大林算法基本原理 143
6.6.2 大林算法數(shù)字控制器的一般形式 144
6.6.3 振鈴現(xiàn)象的消除方法 146
6.7 復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計 148
6.7.1 反饋控制中的擾動作用 148
6.7.2 復(fù)合控制系統(tǒng)基本形式與設(shè)計
步驟 148
6.8 z平面根軌跡設(shè)計 151
6.9 數(shù)字控制器的頻域設(shè)計 153
6.9.1 w變換 153
6.9.2 基于w變換的頻域設(shè)計法 155
本章小結(jié) 159
習(xí)題與思考題 159
第7章 計算機(jī)控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析 161
7.1 離散狀態(tài)方程的解 161
7.1.1 遞推法 161
7.1.2 z變換法 163
7.2 z傳遞函數(shù)矩陣與特征方程 164
7.2.1 矩陣的特征值 164
7.2.2 z傳遞函數(shù)矩陣 165
7.2.3 離散系統(tǒng)的特征方程 165
7.3 李亞普洛夫穩(wěn)定性分析 167
7.3.1 李亞普洛夫意義下的穩(wěn)定性
概念 167
7.3.2 李亞普洛夫第二法主要定理 168
7.3.3 線性定常連續(xù)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定
判據(jù) 170
7.3.4 離散時間系統(tǒng)李亞普洛夫穩(wěn)定性
判據(jù) 170
7.4 可控性與可觀性 174
7.4.1 可控性 174
7.4.2 輸出可控性 177
7.4.3 可觀性 178
7.4.4 可控性、可觀性與z傳遞函數(shù)的
關(guān)系 181
7.4.5 采樣系統(tǒng)可控可觀性與采樣周期
的關(guān)系 182
7.5 可控標(biāo)準(zhǔn)型與可觀標(biāo)準(zhǔn)型 183
7.5.1 z傳遞函數(shù)與可控標(biāo)準(zhǔn)型 183
7.5.2 z傳遞函數(shù)與可觀標(biāo)準(zhǔn)型 184
7.5.3 通過線性變換構(gòu)造可控標(biāo)準(zhǔn)型 184
7.5.4 通過線性變換構(gòu)造可觀標(biāo)準(zhǔn)型 186
本章小結(jié) 187
習(xí)題與思考題 188
第8章 計算機(jī)控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計 190
8.1 狀態(tài)反饋設(shè)計 190
8.1.1 狀態(tài)反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特性 190
8.1.2 狀態(tài)反饋與極點配置 192
8.1.3 單輸入系統(tǒng)狀態(tài)反饋極點配置
設(shè)計 193
8.1.4 多輸入系統(tǒng)狀態(tài)反饋極點配置
設(shè)計 196
8.1.5 有限拍控制 197
8.2 輸出反饋設(shè)計 197
8.2.1 輸出反饋的結(jié)構(gòu)形式與特點 198
8.2.2 輸出反饋與極點配置 199
8.3 狀態(tài)觀測器設(shè)計 200
8.3.1 開環(huán)狀態(tài)觀測器 200
8.3.2 閉環(huán)狀態(tài)觀測器設(shè)計 201
8.3.3 降維觀測器設(shè)計 206
8.3.4 有限拍觀測器 207
8.4 帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋設(shè)計 208
8.4.1 帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的
一般結(jié)構(gòu) 208
8.4.2 帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計
的分離性原理 209
8.4.3 帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)
設(shè)計原則 210
8.4.4 帶觀測器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)
的控制器 210
8.4.5 設(shè)計舉例 212
本章小結(jié) 215
習(xí)題與思考題 21
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