計算機(jī)控制理論與應(yīng)用

內(nèi)容概要

　　《計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科研究生系列教材?中文版"十一五"國家重點(diǎn)圖書?計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科前沿叢書?計算機(jī)控制理論與應(yīng)用(第2版)》系統(tǒng)地介紹了計算機(jī)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、建模、仿真及實現(xiàn)方面的問題?！队嬎銠C(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科研究生系列教材?中文版"十一五"國家重點(diǎn)圖書?計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科前沿叢書?計算機(jī)控制理論與應(yīng)用(第2版)》共分10章，分別介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計方法、基于狀態(tài)方程和傳遞函數(shù)模型的極點(diǎn)配置與最優(yōu)控制的設(shè)計方法、系統(tǒng)辨識和自適應(yīng)控制、計算機(jī)控制系統(tǒng)仿真和性能計算、采樣周期選擇和量化效應(yīng)分析、數(shù)字控制器的實現(xiàn)及設(shè)計舉例等內(nèi)容?！队嬎銠C(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科研究生系列教材?中文版"十一五"國家重點(diǎn)圖書?計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科前沿叢書?計算機(jī)控制理論與應(yīng)用(第2版)》注重理論聯(lián)系實際，不僅系統(tǒng)介紹理論結(jié)果，而且給出實用算法和對實際問題的討論，因而內(nèi)容易于理解和便于應(yīng)用。

作者簡介

　　孫增圻，1966年畢業(yè)于清華大學(xué)自動控制系，留校工作至今。1981年在瑞典獲博士學(xué)位?，F(xiàn)為清華大學(xué)計算機(jī)系教授，博士生導(dǎo)師，中國人工智能學(xué)會副理事長，中國自動化學(xué)會常務(wù)理事，中國自動化學(xué)會智能自動化專業(yè)委員會主任，中國自動化學(xué)會機(jī)器人競賽工作委員會主任，RoboCup中國委員會主席，《中國科學(xué)》、《控制理論與應(yīng)用》、《機(jī)器人》、《系統(tǒng)仿真學(xué)報》、《微計算機(jī)信息》及《International Journal of Control，Automation and Systems》編委，《智能系統(tǒng)學(xué)報》編委會副主任。歷任計算機(jī)系副主任（1995-2001），計算機(jī)系學(xué)位委員會主席（1995-2003），863計劃航天領(lǐng)域遙科學(xué)及空間機(jī)器人專家組成員（1993-1997）、組長（1997-2001），IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會北京分會副主席（1997-2005），《自動化學(xué)報》編委（1999-2005）?！　￠L期從事智能控制及機(jī)器人方面的教學(xué)和研究工作。在智能控制、機(jī)器人、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)控制理論及應(yīng)用等方面較有研究。10余項科研成果獲得教育部或北京市科技進(jìn)步獎?！　〕霭娴闹饔小犊刂葡到y(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計》、《計算機(jī)控制理論及應(yīng)用》、《機(jī)器人智能控制》、《系統(tǒng)分析與控制》、《智能控制理論與技術(shù)》等，在國內(nèi)外刊物及國際會議共發(fā)表論文300余篇。

書籍目錄

第1章 緒論11.1 什么是計算機(jī)控制系統(tǒng)11.2 計算機(jī)控制的發(fā)展概況21.3 計算機(jī)控制理論41.4 計算機(jī)控制系統(tǒng)的分類6第2章 常規(guī)設(shè)計方法82.1 連續(xù)與離散傳遞函數(shù)的轉(zhuǎn)換82.1.1 雙線性變換法82.1.2 零極點(diǎn)匹配法102.1.3 沖擊響應(yīng)不變法122.1.4 零階保持法142.2 性能指標(biāo)162.2.1 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)162.2.2 動態(tài)指標(biāo) 192.2.3 抗干擾性能202.2.4 對控制作用的限制202.2.5 參數(shù)變化的靈敏度212.3 基于連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計方法212.3.1 連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計的離散等效212.3.2 離散PID控制器252.3.3 w變換設(shè)計法282.4 直接離散化的設(shè)計方法312.4.1 根軌跡法312.4.2 參數(shù)尋優(yōu)法322.4.3 解析設(shè)計法332.4.4 有限拍控制422.4.5 Smith預(yù)報控制45第3章 基于狀態(tài)空間模型的極點(diǎn)配置設(shè)計法473.1 連續(xù)控制對象模型的離散化473.1.1 不帶延時的連續(xù)控制對象模型的離散化473.1.2 包含延時的連續(xù)控制對象模型的離散化483.2 矩陣指數(shù)及其積分的計算523.2.1 拉普拉斯反變換法523.2.2 凱萊-哈密爾頓法533.2.3 特征值和特征向量法553.2.4 直接級數(shù)求和法553.3 按極點(diǎn)配置設(shè)計控制規(guī)律583.4 按極點(diǎn)配置設(shè)計觀測器633.4.1 預(yù)報觀測器643.4.2 現(xiàn)時觀測器673.4.3 降階觀測器693.5 控制器設(shè)計723.5.1 分離性原理723.5.2 控制器設(shè)計步驟733.5.3 設(shè)計舉例743.5.4 引入積分控制753.6 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計783.6.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)與跟蹤系統(tǒng)783.6.2 參考輸入的引入方式793.6.3 閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)及零極點(diǎn)803.6.4 根據(jù)靜態(tài)增益選擇?N?813.6.5 一般控制器結(jié)構(gòu)時?M和N?的選擇823.6.6 設(shè)計舉例833.6.7 積分控制的引入86第4章 基于傳遞函數(shù)模型的極點(diǎn)配置設(shè)計法904.1 設(shè)計問題904.1.1 設(shè)計問題描述904.1.2 干擾問題924.1.3 設(shè)計問題的求解924.1.4 零極點(diǎn)相消的考慮934.2 Diophantine方程954.2.1 Diophantine方程的一般解954.2.2 Diophantine方程的求解算法964.2.3 Diophantine方程的最小階解984.3 設(shè)計方法1004.3.1 設(shè)計參數(shù)的給定1004.3.2 設(shè)計步驟1034.3.3 設(shè)計舉例1034.3.4 設(shè)計方法的進(jìn)一步解釋1064.4 設(shè)計中的其他實際問題1084.4.1 模型誤差的靈敏度1084.4.2 控制量的幅度限制1104.4.3 過程干擾和測量誤差的影響111第5章 基于狀態(tài)空間模型的最優(yōu)化設(shè)計法1125.1 離散系統(tǒng)的最優(yōu)控制1125.1.1 有限時間最優(yōu)調(diào)節(jié)器問題1135.1.2 無限時間最優(yōu)調(diào)節(jié)器問題1155.1.3 具有指定衰減速度的離散最優(yōu)控制1175.1.4 PI調(diào)節(jié)器1195.2 采樣系統(tǒng)的最優(yōu)控制1205.2.1 問題的描述1215.2.2 連續(xù)對象模型及性能函數(shù)的離散化算法1225.2.3 最優(yōu)控制規(guī)律的計算1265.2.4 最優(yōu)控制的存在性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性1275.3 包含延時的采樣系統(tǒng)的最優(yōu)控制1285.3.1 問題的描述1295.3.2 延遲時間是采樣周期整數(shù)倍（?=0?）的情況1295.3.3 延遲時間是采樣周期非整數(shù)倍（?≠0?）的情況1305.3.4 最優(yōu)控制存在性的討論1335.3.5 計算舉例1335.4 Riccati方程的求解及加權(quán)陣的選擇1345.4.1 離散Riccati方程的求解1345.4.2 加權(quán)矩陣的選擇1365.5 狀態(tài)最優(yōu)估計1395.5.1 離散系統(tǒng)1395.5.2 采樣系統(tǒng)1485.6 控制器的設(shè)計1515.6.1 分離性原理1515.6.2 跟蹤系統(tǒng)1535.6.3 一些實際問題1545.7 部分狀態(tài)反饋的次最優(yōu)控制1565.7.1 問題的描述1565.7.2 性能指標(biāo)對控制器參數(shù)靈敏度的計算1575.7.3 部分狀態(tài)反饋的選擇1645.7.4 次最優(yōu)控制器的計算1655.7.5 計算舉例170第6章 基于傳遞函數(shù)模型的最優(yōu)化設(shè)計法1736.1 設(shè)計問題1736.1.1 對象及干擾模型1736.1.2 性能指標(biāo)及容許控制1766.2 最小方差控制1776.2.1 最優(yōu)預(yù)報1776.2.2 最小方差控制1796.2.3 對象具有單位圓外零點(diǎn)時的最小方差控制1826.3 廣義最小方差控制1866.3.1 廣義最小方差控制的計算1876.3.2 計算舉例1886.3.3 與極點(diǎn)配置設(shè)計法的比較1906.4 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計192第7章 系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制1957.1 最小二乘估計辨識系統(tǒng)模型1957.1.1 最小二乘估計的批處理算法1957.1.2 最小二乘估計的遞推算法1997.1.3 廣義最小二乘估計算法2027.1.4 最小二乘估計的輔助變量法2067.1.5 最小二乘估計的增廣矩陣法2077.2 極大似然估計辨識系統(tǒng)模型2097.2.1 概述2097.2.2 最大似然估計的批處理算法2107.2.3 最大似然估計的遞推算法2137.3 自適應(yīng)控制2157.3.1 概述2157.3.2 最小方差自校正控制器2177.3.3 極點(diǎn)配置自校正控制器2197.3.4 自適應(yīng)控制的應(yīng)用221第8章 計算機(jī)控制系統(tǒng)仿真及性能計算2238.1 離散系統(tǒng)的仿真2238.1.1 面向系統(tǒng)的離散系統(tǒng)仿真2238.1.2 面向環(huán)節(jié)的離散系統(tǒng)仿真2258.2 采樣控制系統(tǒng)仿真2288.2.1 狀態(tài)空間模型表示2288.2.2 傳遞函數(shù)模型表示2318.2.3 連續(xù)控制對象的仿真2328.2.4 其余環(huán)節(jié)的仿真2328.2.5 仿真計算舉例2338.3 隨機(jī)采樣控制系統(tǒng)的仿真2348.3.1 問題的描述2348.3.2 連續(xù)控制對象的仿真2358.3.3 其余部分的仿真2368.3.4 輸入傳遞函數(shù)參數(shù)的仿真2378.4 數(shù)字控制系統(tǒng)仿真2388.4.1 問題的描述2388.4.2 仿真方法2398.4.3 仿真舉例2438.5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真2448.5.1 問題的描述2458.5.2 仿真方法2468.5.3 仿真舉例2488.6 確定性系統(tǒng)中性能指標(biāo)函數(shù)的計算2508.6.1 問題的描述2508.6.2 直接狀態(tài)反饋時?J?的計算2518.6.3 一般動態(tài)反饋時?J?的計算2518.7 隨機(jī)系統(tǒng)中性能指標(biāo)函數(shù)的計算2548.7.1 問題的描述2548.7.2 連續(xù)狀態(tài)方程和性能指標(biāo)函數(shù)的離散化2548.7.3 ?P?v?的計算2568.7.4 直接狀態(tài)反饋時?J?的計算2578.7.5 動態(tài)反饋時?J?的計算259第9章 采樣周期選擇及量化效應(yīng)2639.1 采樣周期選擇的一般考慮原則2639.1.1 考慮跟蹤響應(yīng)性能2639.1.2 考慮抗干擾性能2649.1.3 考慮開環(huán)特性2659.1.4 考慮前置濾波器2659.1.5 考慮設(shè)計方法2669.2 考慮控制量幅度受限時采樣周期和加權(quán)系數(shù)的選擇2669.2.1 問題的描述2669.2.2 加權(quán)系數(shù)的選擇2679.2.3 采樣周期的選擇2739.2.4 舉例2759.3 量化效應(yīng)的線性分析2779.3.1 量化誤差來源及分析方法2779.3.2 變量量化誤差的確定性分析2799.3.3 變量量化誤差的隨機(jī)分析2819.3.4 參數(shù)量化誤差分析2849.4 量化效應(yīng)的非線性分析2869.4.1 量化的非線性效應(yīng)舉例2869.4.2 量化效應(yīng)的圖解分析法2899.4.3 量化效應(yīng)的描述函數(shù)分析法2909.5 量化效應(yīng)與控制規(guī)律的實現(xiàn)方式及采樣周期的關(guān)系2919.5.1 控制規(guī)律的實現(xiàn)方式2919.5.2 量化效應(yīng)與控制規(guī)律實現(xiàn)方式之間的關(guān)系2959.5.3 量化效應(yīng)與采樣周期的關(guān)系296第10章 數(shù)字控制器實現(xiàn)中的實際問題及設(shè)計舉例29810.1 數(shù)字控制器的輸入和輸出29810.1.1 測量輸入29810.1.2 控制量輸出30010.1.3 計算延時30410.2 數(shù)字控制器的操作和編程30510.2.1 操作方面的問題30510.2.2 控制算法編程30710.3 設(shè)計舉例一——飛機(jī)縱向運(yùn)動的最優(yōu)控制31210.3.1 問題和設(shè)計方法的簡單描述31210.3.2 飛機(jī)縱向運(yùn)動模型31310.3.3 飛機(jī)速度和縱向航行角的控制31510.4 設(shè)計舉例二——精餾塔的次最優(yōu)控制32010.4.1 問題的描述32010.4.2 全部狀態(tài)反饋的PI控制器32210.4.3 部分狀態(tài)反饋的選擇32510.4.4 部分狀態(tài)反饋的次最優(yōu)控制326參考文獻(xiàn)329

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　1.1 什么是計算機(jī)控制系統(tǒng)　　隨著計算機(jī)應(yīng)用的日益普及，計算機(jī)在控制工程領(lǐng)域中也發(fā)揮著越來越重要的作用。它在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要可分為以下兩個方面?！　。?）利用計算機(jī)幫助工程設(shè)計人員對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計、仿真以及建模等工作，從而大大減輕了設(shè)計人員的繁雜勞動，縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計質(zhì)量。這方面的內(nèi)容簡稱為計算機(jī)輔助設(shè)計控制系統(tǒng)或控制系統(tǒng)CAD，這是計算機(jī)在控制系統(tǒng)方面的離線應(yīng)用?！　。?）利用計算機(jī)代替常規(guī)的模擬控制器，而使它成為控制系統(tǒng)的一個組成部分。對于這種有計算機(jī)參加控制的系統(tǒng)簡稱為計算機(jī)控制系統(tǒng)。這是計算機(jī)在控制系統(tǒng)中的在線應(yīng)用。　　計算機(jī)控制系統(tǒng)是強(qiáng)調(diào)計算機(jī)作為控制系統(tǒng)的一個重要組成部分而得名。計算機(jī)控制系統(tǒng)有時也稱為數(shù)字控制系統(tǒng)，這是強(qiáng)調(diào)在控制系統(tǒng)中包含有數(shù)字信號。控制系統(tǒng)按照它所包含的信號形式通?？梢詣澐譃橐韵?種類型?！　。?）連續(xù)控制系統(tǒng)。典型結(jié)構(gòu)如圖1.1（a）所示，系統(tǒng)中各處均為連續(xù)信號。　?。?）離散控制系統(tǒng)。典型結(jié)構(gòu)如圖1.1（b）所示，系統(tǒng)中各處均為時間離散信號。　?。?）采樣控制系統(tǒng)。典型結(jié)構(gòu)如圖1.1（C）所示，它是其中既包含有連續(xù)信號（u（t），y（t），r（t）和e（t）），也包含有離散信號（e（k）和U（k））的混合系統(tǒng)。如圖1.1（c）所示，采樣控制系統(tǒng)是由連續(xù)的控制對象、離散的控制器、采樣器和保持器等幾個環(huán)節(jié)組成。　?。?）數(shù)字控制系統(tǒng)。典型結(jié)構(gòu)如圖1.1（d）所示，其中包含有數(shù)字信號如e*（k）和u*（k）?！　∷^數(shù)字信號是指在時間上離散、幅值上量化的信號。　　顯然，計算機(jī)控制系統(tǒng)即為典型的數(shù)字控制系統(tǒng)。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，除了包含有數(shù)字信號外，由于控制對象是連續(xù)的，因此其中也包含有連續(xù)的信號。如果忽略幅值上的量化效應(yīng)，數(shù)字信號即為離散信號。因此，計算機(jī)控制系統(tǒng)若不考慮量化問題即為采樣控制系統(tǒng)。如果將連續(xù)的控制對象連同保持器一起進(jìn)行離散化，那么采樣控制系統(tǒng)即簡化為離散控制系統(tǒng)。因此，對于計算機(jī)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計常常首先從離散控制系統(tǒng)開始。

編輯推薦

　　本書從工程應(yīng)用的角度，系統(tǒng)地介紹了計算機(jī)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、建模和仿真的內(nèi)容。同時，對于一些實際問題，如采樣周期的選擇、量化效應(yīng)的分析以及數(shù)字控制器實現(xiàn)中的一些問題也進(jìn)行了較深入的討論。全書共分10章，第1章是緒論，第2章介紹基于經(jīng)典控制理論的常規(guī)設(shè)計方法，第3章到第6章介紹基于狀態(tài)方程和傳遞函數(shù)模型的極點(diǎn)配置與最優(yōu)控制的設(shè)計方法，第7章介紹系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制，第8章介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)仿真和性能計算，在該章中增加了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真的內(nèi)容，它體現(xiàn)了計算機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，李洪波參與了這部分新增內(nèi)容的編寫，第9章和第10章主要討論計算機(jī)控制系統(tǒng)中的一些實際問題。

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