計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及控制理論的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)領(lǐng)域產(chǎn)生了新的理論和方法；另外，為了適應(yīng)國家對高等學(xué)校人才培養(yǎng)的需要，編寫符合自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)改革要求的新型教材，我們對2004年5月出版的教材《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》（冶金工業(yè)出版社）在內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了較大的修改，增加了新的內(nèi)容，突出了理論與技術(shù)工程化應(yīng)用的特色，使之與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的要求。本書共分10章。第1章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念、組成與結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論，以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類。第2章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號變換問題，以香農(nóng)采樣定理為基礎(chǔ)，用z變換和z反變換的數(shù)學(xué)方法來描述變換過程，用頻譜分析的方法，討論信號變換的可行性和可靠性。第3章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述問題，并根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述對系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，包括時(shí)域的差分方程、復(fù)數(shù)域脈沖傳遞函數(shù)、頻域的頻率特性，以及從時(shí)域特性和頻域特性兩方面對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能的詳細(xì)分析。第4章介紹數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法，具體包括模擬控制器的離散化方法、數(shù)字PID控制算法及其工程化改進(jìn)、Smith預(yù)估控制算法及其工程化改進(jìn)。第5章介紹數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法，包括最小拍控制設(shè)計(jì)方法和大林（Dahlin）算法，以及兩種方法在工程應(yīng)用過程中面臨的問題和解決方法。第6章介紹基于狀態(tài)空間模型的極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)方法，包括狀態(tài)空間的基本概念、狀態(tài)空間模型的建立與求解、按極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)控制規(guī)律和觀測器等。第7章簡要介紹4種先進(jìn)的控制規(guī)律，即線性二次型最優(yōu)控制、自校正控制、預(yù)測控制和模糊控制。第8章介紹新興的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制方法。第9章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中的若干實(shí)用技術(shù)。第10章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。

內(nèi)容概要

本書從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換開始，詳細(xì)闡述了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的建模、性能分析、控制器設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的理論、方法和實(shí)用技術(shù)。全書共分10章，具體內(nèi)容包括：信號轉(zhuǎn)換與z變換，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述與性能分析，基于傳遞函數(shù)模型的數(shù)字控制器兩類設(shè)計(jì)方法——模擬化設(shè)計(jì)方法和直接設(shè)計(jì)方法，基于狀態(tài)空間模型的極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)方法，先進(jìn)控制規(guī)律的設(shè)計(jì)方法，基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)分析和控制器設(shè)計(jì)方法，以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)和應(yīng)用實(shí)例。全書理論聯(lián)系實(shí)際，注重理論的詳盡和控制方法的工程化改進(jìn)，便于讀者理解、掌握和實(shí)際應(yīng)用。    本書可作為高等院校自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)本科生的教材或參考書，也可供有關(guān)教師、科研人員以及工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

書籍目錄

前言第1章  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述  1.1  引言  1.2  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念    1.2.1  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成    1.2.2  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求    1.2.3  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)  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)    1.3.1  過程通道    1.3.2  總線接口技術(shù)  1.4  模擬與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換    1.4.1  D/A轉(zhuǎn)換及其誤差    1.4.2  A/D轉(zhuǎn)換及其誤差  1.5  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論問題    1.5.1  信號變換問題    1.5.2  對象建模與性能分析    1.5.3  控制算法設(shè)計(jì)    1.5.4  控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)  1.6  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本類型  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第2章  信號轉(zhuǎn)換與z變換  2.1  引言  2.2  信號變換原理    2.2.1  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換分析    2.2.2  采樣過程及采樣函數(shù)的數(shù)學(xué)表示    2.2.3  采樣函數(shù)的頻譜分析及采樣定理    2.2.4  采樣周期T的討論  2.3  采樣信號恢復(fù)與保持器    2.3.1  零階保持器    2.3.2  一階保持器  2.4  信號轉(zhuǎn)換的工程化技術(shù)    2.4.1  A/D轉(zhuǎn)換的基本工程化技術(shù)    2.4.2  D/A轉(zhuǎn)換的基本工程化技術(shù)  2.5  z變換    2.5.1  z變換的定義    2.5.2  z變換方法    2.5.3  z變換的基本定理  2.6  z反變換    2.6.1  長除法      z.6.2  部分分式法    2.6.3  留數(shù)法    2.7  擴(kuò)展z變換    2.7.1  擴(kuò)展z變換定義    2.7.2  幾種典型函數(shù)的擴(kuò)展z變換  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第3章  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述與性能分析  3.1  引言  3.2  線性常系數(shù)差分方程    3.2.1  離散系統(tǒng)與差分方程    3.2.2  差分方程求解  3.3  脈沖傳遞函數(shù)    3.3.1  脈沖傳遞函數(shù)的定義    3.3.2  脈沖傳遞函數(shù)的推導(dǎo)    3.3.3  離散系統(tǒng)的框圖分析    3.3.4  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)  3.4  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析    3.4.1  離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件    3.4.2  s平面與z平面的映射分析    3.4.3  采樣周期與系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系  3.5  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)    3.5.1  勞斯穩(wěn)定性判據(jù)    3.5.2  朱利穩(wěn)定性判據(jù)  3.6  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程分析    3.6.1  穩(wěn)態(tài)誤差與誤差系數(shù)    3.6.2  系統(tǒng)類型與穩(wěn)態(tài)誤差    3.6.3  采樣周期對穩(wěn)態(tài)誤差的影響  3.7  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)暫態(tài)過程分析    3.7.1  z平面極點(diǎn)分布與暫態(tài)響應(yīng)的關(guān)系    3.7.2  采樣周期對暫態(tài)響應(yīng)的影響  3.8  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的頻域特性分析    3.8.1  離散系統(tǒng)的頻域描述    3.8.2  離散系統(tǒng)頻域穩(wěn)定性分析    3.8.3  離散系統(tǒng)伯德圖分析  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第4章  數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法  4.1  引言  4.2  模擬化設(shè)計(jì)方法基本原理  4.3  連續(xù)控制器的離散化方法    4.3.1  z變換法    4.3.2  差分變換法    4.3.3  雙線性變換法    4.3.4  零極點(diǎn)匹配法  4.4  數(shù)字PID控制器    4.4.1  基本數(shù)字PID控制算法    4.4.2  數(shù)字PID控制算法的工程化改進(jìn)    4.4.3  數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定  4.5  Smith預(yù)估控制    4.5.1  純滯后問題的提出    4.5.2  Smith預(yù)估控制設(shè)計(jì)原理    4.5.3  Smith預(yù)估控制算法的工程化改進(jìn)  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第5章  數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法  5.1  引言  5.2  直接設(shè)計(jì)方法基本原理  5.3  最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法    5.3.1  簡單對象最小拍控制器設(shè)計(jì)    5.3.2  復(fù)雜對象最小拍控制器設(shè)計(jì)  5.4  最小拍控制器的工程化改進(jìn)    5.4.1  最小拍控制系統(tǒng)存在的問題    5.4.2  最小拍無紋波控制器的設(shè)計(jì)    5.4.3  針對輸入信號類型敏感問題的改進(jìn)    5.4.4  針對模型參數(shù)變化敏感問題的改進(jìn)  5.5  大林算法    5.5.1  大林算法設(shè)計(jì)原理    5.5.2  振鈴現(xiàn)象及其消除方法  5.6  大林算法工程應(yīng)用中關(guān)鍵參數(shù)的選擇    5.6.1  解決振鈴現(xiàn)象中關(guān)鍵參數(shù)的選擇      5.6.2  解決分?jǐn)?shù)時(shí)滯問題中關(guān)鍵參數(shù)的選擇  5.7  數(shù)字控制器的程序?qū)崿F(xiàn)    5.7.1  直接程序設(shè)計(jì)法      5.7.2  串聯(lián)程序設(shè)計(jì)法      5.7.3  并行程序設(shè)計(jì)法    本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第6章  基于狀態(tài)空間模型的極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)方法  6.1  引言  6.2  狀態(tài)空間描述的基本概念    6.2.1  系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的兩類描述    6.2.2  有關(guān)狀態(tài)空間描述的基本定義  6.3  離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型    6.3.1  離散狀態(tài)空間模型的建立    6.3.2  離散狀態(tài)方程的求解    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  6.4  系統(tǒng)的能控性與能觀性    6.4.1  能控性與能觀性的概念    6.4.2  能控性判據(jù)與能觀性判據(jù)    6.4.3  能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀標(biāo)準(zhǔn)型    6.5  狀態(tài)可測時(shí)按極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)控制規(guī)律  6.6  按極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)觀測器    6.6.1  預(yù)報(bào)觀測器    6.6.2  現(xiàn)時(shí)觀測器    6.6.3  降階觀測器  6.7  狀態(tài)不可測時(shí)控制器的設(shè)計(jì)    6.7.1  分離性原理    6.7.2  控制器設(shè)計(jì)  6.8  隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第7章  先進(jìn)控制規(guī)律的設(shè)計(jì)方法  7.1  引言  7.2  線性二次型最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)    7.2.1  概述    7.2.2  LQR最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)      7.2.3  跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)  7.3  自校正控制器的設(shè)計(jì)    7.3.1  概述    7.3.2  最小二乘參數(shù)辨識算法    7.3.3  自校正控制器設(shè)計(jì)  7.4  模型預(yù)測控制器的設(shè)計(jì)    7.4.1  概述    7.4.2  預(yù)測模型    7.4.3  預(yù)測控制算法  7.5  模糊控制器的設(shè)計(jì)    7.5.1  概述    7.5.2  模糊控制原理    7.5.3  模糊PID控制器設(shè)計(jì)  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第8章  基于網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù)  8.1  引言  8.2  網(wǎng)絡(luò)控制概述    8.2.1  網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)基本概念    8.2.2  網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究內(nèi)容  8.3  實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)    8.3.1  控制網(wǎng)絡(luò)的基本概念    8.3.2  EtherNet網(wǎng)絡(luò)    8.3.3  CAN網(wǎng)絡(luò)    8.3.4  ControlNet網(wǎng)絡(luò)    8.3.5  CC-Link網(wǎng)絡(luò)  8.4  網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)特性分析    8.4.1  網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延特性    8.4.2  網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析  8.5  網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)    8.5.1  PID網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)    8.5.2  極點(diǎn)配置網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第9章  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)  9.1  引言  9.2  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則與方法    9.2.1  設(shè)計(jì)原則    9.2.2  設(shè)計(jì)方法  9.3  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)    9.3.1  執(zhí)行機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)技術(shù)    9.3.2  檢測機(jī)構(gòu)與傳感器技術(shù)  9.4  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)    9.4.1  控制對象分析    9.4.2  數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn)問題    9.4.3  信號的數(shù)字濾波技術(shù)  9.5  數(shù)字控制器程序?qū)崿F(xiàn)的性能分析    9.5.1  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)值誤差來源      9.5.2  數(shù)字控制器的精度確定原則及保證措施    9.5.3  微分環(huán)節(jié)的處理措施與工程實(shí)現(xiàn)方法    9.5.4  數(shù)字控制器誤差及執(zhí)行時(shí)間的檢驗(yàn)方法    9.5.5  控制算法不同編排結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)分析  9.6  量化效應(yīng)與采樣周期誤差分析    9.6.1  A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差與孔徑誤差    9.6.  2采樣周期造成的誤差  9.7  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù)    9.7.1  提高可靠性的措施    9.7.2  干擾的來源及傳播途徑    9.7.3  消除或抑制干擾影響的方法  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題第10章  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例  10.1  引言  10.2  電阻爐溫度控制系統(tǒng)    10.2.1  系統(tǒng)總體描述    10.2.2  硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)    10.2.3  控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)    10.2.4  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)    10.2.5  系統(tǒng)的實(shí)際控制效果  10.3  伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)    10.3.1  伺服系統(tǒng)概述    10.3.2  伺服系統(tǒng)的工作原理與硬件設(shè)計(jì)    10.3.3  伺服系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì)  本章小結(jié)  習(xí)題與思考題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.1引言計(jì)算機(jī)控制是以控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的一門新的工程科學(xué)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域。隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及工程技術(shù)人員對計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷總結(jié)和創(chuàng)新，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)理論和方法不斷得以完善和發(fā)展，并成為從事自動(dòng)化技術(shù)工作的科技人員必須掌握的一門專業(yè)技術(shù)。1946年世界上第一臺數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生，從此引起了一場深刻的科學(xué)技術(shù)革命。20世紀(jì)50年代初產(chǎn)生了將數(shù)字計(jì)算機(jī)用于控制的思想，1955年美國TRW航空公司與美國一個(gè)煉油廠合作，開始進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制的研究，這一開創(chuàng)性工作為計(jì)算機(jī)控制奠定了基礎(chǔ)；1962年英國的帝國化學(xué)工業(yè)公司應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接控制（DDC）被控過程的變量；1972年開始，微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，推動(dòng)計(jì)算機(jī)控制進(jìn)入了嶄新的發(fā)展階段，并逐步取代模擬系統(tǒng)而成為主流控制系統(tǒng)。80年代以后，微型處理器件的迅速發(fā)展對計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，相互關(guān)聯(lián)的微計(jì)算機(jī)組合、共同負(fù)擔(dān)工作負(fù)荷的系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，計(jì)算機(jī)控制得到更為普及地應(yīng)用，并快速向集散型、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。另外，控制理論也從20世紀(jì)40年代以傳遞函數(shù)模型為基礎(chǔ)的古典控制理論，逐漸發(fā)展到60年代以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論，進(jìn)而從80年代開始出現(xiàn)了以人工智能為基礎(chǔ)的智能控制理論；與此同時(shí)，以最優(yōu)控制、多變量控制、系統(tǒng)辨識及自適應(yīng)控制、魯棒控制、預(yù)測控制為代表的一系列先進(jìn)控制理論和方法也得到了迅速發(fā)展，為計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。與常規(guī)模擬控制相比，計(jì)算機(jī)參與的控制系統(tǒng)，也稱數(shù)字控制系統(tǒng)，在性能上得到大幅提高的同時(shí)，也產(chǎn)生了一系列新的基本理論和分析、設(shè)計(jì)方法。本書將從信號變換、對象建模與性能分析、控制算法設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等4個(gè)方面系統(tǒng)講述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本理論和方法，其中在信號變換的工程化、控制算法的工程化，以及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工程化部分進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。

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