目錄
前言
第1章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 1
1.1 引言 1
1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念 1
1.2.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 1
1.2.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求 3
1.2.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 4
1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過程通道和總線接口技術(shù) 4
1.3.1 過程通道 5
1.3.2 總線接口技術(shù) 7
1.4 模擬與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換 9
1.4.1 D/A轉(zhuǎn)換及其誤差 9
1.4.2 A/D轉(zhuǎn)換及其誤差 11
1.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本內(nèi)容 13
1.5.1 信號變換問題 13
1.5.2 對象建模與性能分析 13
1.5.3 控制算法設(shè)計(jì) 13
1.5.4 控制系統(tǒng)仿真分析 13
1.5.5 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù) 14
1.6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本類型 14
本章小結(jié) 18
習(xí)題與思考題 18
第2章 信號轉(zhuǎn)換與z變換 19
2.1 引言 19
2.2 信號變換原理 19
2.2.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換分析 19
2.2.2 采樣過程及采樣函數(shù)的數(shù)學(xué)表示 20
2.2.3 采樣函數(shù)的頻譜分析及采樣定理 22
2.2.4 采樣周期 T的討論 24
2.3 采樣信號恢復(fù)與保持器 25
2.3.1 零階保持器 27
2.3.2 一階保持器 29
2.4 信號轉(zhuǎn)換的工程化技術(shù) 30
2.4.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本工程化技術(shù) 30
2.4.2 D/A轉(zhuǎn)換的基本工程化技術(shù) 34
2.5 z變換 37
2.5.1 z變換的定義 37
2.5.2 z變換的方法 39
2.5.3 z變換的基本定理 43
2.6 z反變換 49
2.6.1 長除法 49
2.6.2 部分分式法 50
2.6.3 留數(shù)法 53
2.7 擴(kuò)展z變換 55
2.7.1 擴(kuò)展z變換的定義 55
2.7.2 幾種典型函數(shù)的擴(kuò)展z變換 57
本章小結(jié) 59
習(xí)題與思考題 60
第3章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述與性能分析 62
3.1 引言 62
3.2 線性常系數(shù)差分方程 62
3.2.1 離散系統(tǒng)與差分方程 62
3.2.2 差分方程求解 63
3.3 脈沖傳遞函數(shù) 67
3.3.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義 68
3.3.2 脈沖傳遞函數(shù)的推導(dǎo) 68
3.3.3 離散系統(tǒng)的框圖分析 70
3.3.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) 74
3.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 77
3.4.1 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件 77
3.4.2 s平面與z平面的映射分析 78
3.4.3 采樣周期與系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系 81
3.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 82
3.5.1 勞斯穩(wěn)定性判據(jù) 82
3.5.2 朱利穩(wěn)定性判據(jù) 84
3.6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程分析 88
3.6.1 穩(wěn)態(tài)誤差與誤差系數(shù) 88
3.6.2 系統(tǒng)類型與穩(wěn)態(tài)誤差 90
3.6.3 采樣周期對穩(wěn)態(tài)誤差的影響 91
3.7 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)暫態(tài)過程分析 93
3.7.1 z平面極點(diǎn)分布與暫態(tài)響應(yīng)的關(guān)系 93
3.7.2 采樣周期對暫態(tài)響應(yīng)的影響 95
3.8 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的頻域特性分析 98
3.8.1 離散系統(tǒng)的頻域描述 98
3.8.2 離散系統(tǒng)頻域穩(wěn)定性分析 98
3.8.3 離散系統(tǒng)伯德圖分析 100
本章小結(jié) 103
習(xí)題與思考題 103
第4章 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法 106
4.1 引言 106
4.2 模擬化設(shè)計(jì)方法基本原理 106
4.3 連續(xù)控制器的離散化方法 108
4.3.1 z變換法 108
4.3.2 差分變換法 109
4.3.3 雙線性變換法 112
4.3.4 零極點(diǎn)匹配法 114
4.4 數(shù)字PID控制器 115
4.4.1 基本數(shù)字PID控制算法 115
4.4.2 數(shù)字PID控制算法的工程化改進(jìn) 117
4.4.3 數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定 121
4.5 Smith預(yù)估控制 124
4.5.1 純滯后問題的提出 124
4.5.2 Smith預(yù)估控制設(shè)計(jì)原理 125
4.5.3 Smith預(yù)估控制算法的工程化改進(jìn) 128
本章小結(jié) 131
習(xí)題與思考題 131
第5章 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法 133
5.1 引言 133
5.2 直接設(shè)計(jì)方法基本原理 133
5.3 最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法 135
5.3.1 簡單對象最小拍控制器設(shè)計(jì) 135
5.3.2 復(fù)雜對象最小拍控制器設(shè)計(jì) 140
5.4 昀小拍控制器的工程化改進(jìn) 145
5.4.1 最小拍控制系統(tǒng)存在的問題 145
5.4.2 最小拍無紋波控制器的設(shè)計(jì) 146
5.4.3 針對輸入信號類型敏感問題的改進(jìn) 150
5.4.4 針對模型參數(shù)變化敏感問題的改進(jìn) 154
5.5 大林算法 157
5.5.1 大林算法設(shè)計(jì)原理 157
5.5.2 振鈴現(xiàn)象及其消除方法 160
5.6 大林算法工程應(yīng)用中關(guān)鍵參數(shù)的選擇 163
5.6.1 解決振鈴現(xiàn)象中關(guān)鍵參數(shù)的選擇 163
5.6.2 解決分?jǐn)?shù)時(shí)滯問題中關(guān)鍵參數(shù)的選擇 165
5.7 數(shù)字控制器的程序?qū)崿F(xiàn) 169
5.7.1 直接程序設(shè)計(jì)法 169
5.7.2 串聯(lián)程序設(shè)計(jì)法 170
5.7.3 并行程序設(shè)計(jì)法 171
本章小結(jié) 173
習(xí)題與思考題 173
第6章 基于狀態(tài)空間模型的極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)方法 175
6.1 引言 175
6.2 狀態(tài)空間描述的基本概念 175
6.2.1 系統(tǒng)動態(tài)過程的兩類描述 175
6.2.2 有關(guān)狀態(tài)空間描述的基本定義 176
6.3 離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型 177
6.3.1 離散狀態(tài)空間模型的建立 177
6.3.2 離散狀態(tài)方程的求解 183
6.3.3 離散狀態(tài)空間模型與z傳遞函數(shù)之間的關(guān)系 184
6.4 系統(tǒng)的能控性與能觀性 185
6.4.1 能控性與能觀性的概念 185
6.4.2 能控性判據(jù)與能觀性判據(jù) 186
6.4.3 能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀標(biāo)準(zhǔn)型 187
6.5 狀態(tài)可測時(shí)按極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)控制規(guī)律 189
6.6 按極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)觀測器 195
6.6.1 預(yù)報(bào)觀測器 195
6.6.2 現(xiàn)時(shí)觀測器 198
6.6.3 降階觀測器 200
6.7 狀態(tài)不可測時(shí)控制器的設(shè)計(jì) 201
6.7.1 分離性原理 201
6.7.2 控制器設(shè)計(jì) 203
6.8 隨動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 205
本章小結(jié) 206
習(xí)題與思考題 206
第7章先進(jìn)控制規(guī)律的設(shè)計(jì)方法 208
7.1 引言 208
7.2 線性二次型昀優(yōu)控制器的設(shè)計(jì) 208
7.2.1 概述 208
7.2.2 LQR**控制器設(shè)計(jì) 209
7.2.3 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 213
7.3 自校正控制器的設(shè)計(jì) 214
7.3.1 概述 214
7.3.2 最小二乘參數(shù)辨識算法 215
7.3.3 自校正控制器設(shè)計(jì) 219
7.4 模型預(yù)測控制器的設(shè)計(jì) 222
7.4.1 概述 222
7.4.2 預(yù)測模型 224
7.4.3 預(yù)測控制算法 227
7.5 模糊控制器的設(shè)計(jì) 232
7.5.1 概述 232
7.5.2 模糊控制原理 235
7.5.3 模糊PID控制器設(shè)計(jì) 239
本章小結(jié) 243
習(xí)題與思考題 243
第8章 基于網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù) 244
8.1 引言 244
8.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)概述 244
8.2.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基本概念 244
8.2.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容 246
8.3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計(jì) 247
8.3.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延特性 247
8.3.2 PID網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì) 249
8.4 云控制系統(tǒng)概述 252
8.4.1 云控制系統(tǒng)的基本概念 252
8.4.2 云控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容 254
8.5 云控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計(jì) 255
8.5.1 云控制系統(tǒng)時(shí)延特性 255
8.5.2 極點(diǎn)配置云控制器設(shè)計(jì) 261
本章小結(jié) 267
習(xí)題與思考題 268
第9章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仿真分析 269
9.1 引言 269
9.2 系統(tǒng)仿真的概念及分類 269
9.2.1 系統(tǒng)仿真的基本概念 269
9.2.2 系統(tǒng)仿真的分類 269
9.2.3 計(jì)算機(jī)仿真的基本過程 270
9.2.4 MATLAB仿真軟件簡介 272
9.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)信號仿真分析 274
9.3.1 信號的種類 274
9.3.2 脈沖采樣與MATLAB仿真 276
9.3.3 保持器與MATLAB仿真 277
9.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模型描述與性能仿真分析 280
9.4.1 離散傳遞函數(shù)模型 280
9.4.2 離散狀態(tài)空間模型 281
9.4.3 離散系統(tǒng)的模型辨識 282
9.4.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模 288
9.4.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)頻域性能的仿真分析 290
9.5 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)及其仿真 293
9.5.1 比例控制器設(shè)計(jì) 293
9.5.2 比例積分控制器設(shè)計(jì) 296
9.5.3 比例積分微分控制器設(shè)計(jì) 300
本章小結(jié) 302
習(xí)題與思考題 303
第10章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 304
10.1 引言 304
10.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)方法 304
10.2.1 設(shè)計(jì)原則 304
10.2.2 設(shè)計(jì)方法 305
10.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 306
10.3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與驅(qū)動技術(shù) 306
10.3.2 檢測機(jī)構(gòu)與傳感器技術(shù) 306
10.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 307
10.4.1 控制對象分析 307
10.4.2 數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn)問題 308
10.4.3 信號的數(shù)字濾波技術(shù) 309
10.5 數(shù)字控制器程序?qū)崿F(xiàn)的性能分析 310
10.5.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)值誤差來源 310
10.5.2 數(shù)字控制器的精度確定原則及保證措施 312
10.5.3 微分環(huán)節(jié)的處理措施與工程實(shí)現(xiàn)方法 316
10.5.4 數(shù)字控制器誤差及執(zhí)行時(shí)間的檢驗(yàn)方法 320
10.5.5 控制算法不同編排結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)分析 321
10.6 量化效應(yīng)與采樣周期誤差分析 322
10.6.1 A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差與孔徑誤差 322
10.6.2 采樣周期造成的誤差 322
10.7 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 326
10.7.1 提高可靠性的措施 326
10.7.2 干擾的來源及傳播途徑 327
10.7.3 消除或抑制干擾影響的方法 328
本章小結(jié) 331
習(xí)題與思考題 332
參考文獻(xiàn) 333