計算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)

前言

本教材是為非自動控制專業(yè)本科生編寫的教材；去掉帶*號的章節(jié)后，適合計算機(jī)、電子工程、通信工程和機(jī)械學(xué)科中的機(jī)電控制與自動化專業(yè)的大專生使用；從教材的深度和廣度，也適合于成人教育中工科專業(yè)使用。本書是總結(jié)了多年來教學(xué)、科研和開發(fā)工作的經(jīng)驗(yàn)，并參考了近年來國內(nèi)外最新教科書和有關(guān)文獻(xiàn)，精心編寫而成。試圖利用較少的篇幅，深入淺出、系統(tǒng)地介紹計算機(jī)控制系統(tǒng)最基本的內(nèi)容及其應(yīng)用。內(nèi)容以計算機(jī)控制系統(tǒng)為主。計算機(jī)控制（離散控制）理論是連續(xù)控制理論的延伸。要學(xué)習(xí)和掌握計算機(jī)控制理論，必須具備連續(xù)控制系統(tǒng)的基本概念，了解經(jīng)典控制理論的框架。這是學(xué)習(xí)計算機(jī)控制系統(tǒng)不可或缺的內(nèi)容。連續(xù)和離散兩種控制系統(tǒng)是先后發(fā)展起來的。本教材把兩者結(jié)合起來，系統(tǒng)地加以介紹，并突出其中最主要的內(nèi)容。本教材考慮到?jīng)]有學(xué)習(xí)過經(jīng)典控制理論的讀者，引導(dǎo)他們從最基本的自動控制知識開始學(xué)習(xí)計算機(jī)控制系統(tǒng)。如果已經(jīng)學(xué)過這些內(nèi)容，可以跳過連續(xù)系統(tǒng)，直接進(jìn)入離散系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。本教材還利用了相當(dāng)?shù)钠?，補(bǔ)充數(shù)學(xué)知識。這不僅可使學(xué)生和讀者深入掌握本教材的內(nèi)容，而且也是掌握計算機(jī)控制理論與技術(shù)必要的基本訓(xùn)練。具有相應(yīng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的讀者，可以免學(xué)這部分。在控制現(xiàn)場，總是存在干擾信號?？刂葡到y(tǒng)的輸入信號中，均有噪聲和干擾，必須用濾波器來抑制信號通道中的這些擾動。本教材簡要地介紹了濾波器的概念，以及模擬和數(shù)字濾波器的設(shè)計方法。PID控制是很早就發(fā)展起來的控制策略。PID控制由于算法簡單、可靠性高、魯棒性好，被廣泛應(yīng)用于過程控制。設(shè)立單獨(dú)的章節(jié)，系統(tǒng)地論述了連續(xù)和離散PID控制的理論與技術(shù)，并且深入地介紹了PID控制的變型結(jié)構(gòu)PDF和PDFF控制，使讀者能夠了解、掌握和應(yīng)用這些帶有明顯特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)?？删幊绦蚩刂破鳎ê喎QPC），是隨著自動控制技術(shù)和通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動化控制裝置。它是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，在工業(yè)生產(chǎn)的順序控制和過程控制中，顯示出較大的優(yōu)越性。它現(xiàn)在應(yīng)用在許多行業(yè)中，經(jīng)濟(jì)效益顯著，已成為自動控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。本書從應(yīng)用的角度，對它作了通俗的介紹。為了使學(xué)生鞏固所學(xué)的內(nèi)容，并為自學(xué)提供方便，每章后面均附有習(xí)題，書后附有絕大部分習(xí)題的參考答案。本書使用的MATLAB程序均在MATLAB 4.0版本運(yùn)行過。全書共分7章。第1章引論，概括介紹了全書的基本框架，回顧了控制理論發(fā)展的歷史，指出了控制理論發(fā)展的動向，將讀者引入書中所論述的內(nèi)容。第2章連續(xù)控制系統(tǒng)，主要論述經(jīng)典控制理論，涉及系統(tǒng)、信號和模型諸多方面。第3章離散時間系統(tǒng)，主要闡述了計算機(jī)控制的基本概念、基本理論和基本方法。第4章數(shù)字濾波器的基本原理與設(shè)計，介紹模擬與數(shù)字濾波器的基本原理，以及IIR數(shù)字濾器的設(shè)計。第5章為計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計。第6章PID控制，系統(tǒng)地論述了模擬和數(shù)字PID控制器的結(jié)構(gòu)、算法和參數(shù)整定，同時深入闡述了PID控制的變型結(jié)構(gòu)——PDF和PDFF控制的結(jié)構(gòu)、算法和參數(shù)整定。這也是本書的重要內(nèi)容。第7章為可編程序控制器。本書在教學(xué)過程中，可根據(jù)學(xué)生情況和學(xué)時多少，刪減有關(guān)的內(nèi)容。如果已學(xué)過自動控制原理，可以略去第2章；已學(xué)過濾波器，可以略去第4章；已學(xué)過積分變換，可略去2.2節(jié)。本書在編寫過程中，北京航空航天大學(xué)侯木玉高級工程師、北京航空航天大學(xué)出版社的許多同志幫助整理了圖稿，在此一并表示感謝。北京航空航天大學(xué)出版社許傳安編審對本書的出版給予了大力支持，并對書稿進(jìn)行了精心加工和修改，對此深表謝意。由于作者的水平所限，書中難免存在不足之處，歡迎讀者批評指正。

內(nèi)容概要

《高校計算機(jī)教學(xué)系列教材?計算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)》主要內(nèi)容是：以計算機(jī)控制系統(tǒng)為主，深入淺出地論述了計算機(jī)控制系統(tǒng)的理論和應(yīng)用。包括：作為學(xué)習(xí)離散系統(tǒng)的前提條件，概括地介紹了連續(xù)控制系統(tǒng)；將連續(xù)和離散PID控制及其變型結(jié)構(gòu)PDF和PDFF控制單獨(dú)列為一章，進(jìn)行了系統(tǒng)分析，深入地闡述了這類控制器的結(jié)構(gòu)、算法和參數(shù)整定；還從應(yīng)用的角度，介紹了可編程序控制器（簡稱PC）。每章都附有習(xí)題，書后附有絕大部分習(xí)題的參考答案。
《高校計算機(jī)教學(xué)系列教材?計算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)》可作為非自動控制專業(yè)大學(xué)本科生的教材；刪去帶*號的部分，可作為計算機(jī)、電子工程、通信工程和機(jī)械學(xué)科機(jī)電控制與自動化等專業(yè)大專學(xué)生使用的教材；就《高校計算機(jī)教學(xué)系列教材?計算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)》的深度和廣度，也適合于作為成人教育工科專業(yè)學(xué)生的教材；還可供有關(guān)教師和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 引 論1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念(1)1.1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)(1)1.1.2 控制系統(tǒng)的分類(1)1.1.3 計算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(7)1.1.4 計算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的實(shí)際問題(11)1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容和對系統(tǒng)的基本要求1.2.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容(15)1.2.2 對計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求(16)1.3 歷史回顧(16)1.4 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(20)習(xí) 題(21)第2章 連續(xù)控制系統(tǒng)2.1 引言(22)2.1.1 單輸入單輸出控制系統(tǒng)(22)2.1.2 常用輸入信號(23)2.2 拉普拉斯變換(28)2.2.1 拉普拉斯變換的定義(28)2.2.2 拉普拉斯變換定理(30)2.2.3 拉普拉斯反變換(36)2.2.4 用拉普拉斯變換法解線性常系數(shù)微分方程(45)2.3 物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(46)2.3.1 線性元件的微分方程(47)2.3.2 隨動系統(tǒng)的微分方程(51)2.4 傳遞函數(shù)和方框圖(53)2.4.1 傳遞函數(shù)和微分方程(53)2.4.2 電子網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)(54)2.4.3 簡單方框圖的傳遞函數(shù)(55)2.4.4 方框圖簡化(59)2.5 傳遞函數(shù)和信號流圖(64)2.5.1 信號流圖定義(64)2.5.2 梅遜增益公式(65)2.6 控制系統(tǒng)的時域分析(69)2.6.1 沖擊響應(yīng)和階躍響應(yīng)(69)2.6.2 時域性能指標(biāo)(70)2.6.3 一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)(72)2.6.4 二階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)(74)2.6.5 高階系統(tǒng)分析(83)2.6.6 穩(wěn)態(tài)誤差分析(85)2.6.7 用MATLAB繪制單位階躍響應(yīng)和沖擊響應(yīng)曲線2.6.8 穩(wěn)定性分析(94)2.7 根軌跡(101)2.7.1 根軌跡法(101)2.7.2 根軌跡圖的繪制(103)2.7.3 用MATLAB繪制根軌跡圖(106)2.8 頻率響應(yīng)的概念(111)2.8.1 頻率響應(yīng)法(112)2.8.2 頻率特性的圖形表示(114)2.8.3 典型環(huán)節(jié)的頻率特性(116)2.8.4 頻域性能指標(biāo)(122)2.8.5 開環(huán)傳遞函數(shù)的頻率特性(124)2.8.6 時域和頻域響應(yīng)之間的關(guān)系(132)2.8.7 用MATLAB進(jìn)行頻域分析(134)* 2.9 復(fù)合控制系統(tǒng)(141)2.9.1 對輸入前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)(141)2.9.2 對擾動前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)(142)2.10 控制系統(tǒng)設(shè)計(143)2.10.1 校正裝置的結(jié)構(gòu)(143)2.10.2 校正裝置的特性(144)2.10.3 根軌跡校正(151)2.10.4 頻率校正(156)習(xí)題(164)第3章 離散時間系統(tǒng)3.1 引言(170)3.2 差分方程(173)3.3 采樣定理(174)3.3.1 采樣過程及采樣信號的頻譜(174)3.3.2 香農(nóng)采樣定理(178)3.3.3 零階保持器(178)3.4 z變換(181)3.4.1 z變換定義(181)3.4.2 z變換定理(182)3.4.3 z反變換(187)3.4.4 用z變換求解差分方程(190)3.5 離散系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和方框圖(191)3.5.1 離散傳遞函數(shù)與差分方程(191)3.5.2 開環(huán)Z傳遞函數(shù)(194)3.5.3 閉環(huán)Z傳遞函數(shù)(197)3.5.4 離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差(205)3.6 離散系統(tǒng)的極點(diǎn)、零點(diǎn)和穩(wěn)定性(207)3.6.1 離散系統(tǒng)的極點(diǎn)與零點(diǎn)(207)3.6.2 S平面到Z平面的映射(208)3.6.3 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性(209)3.6.4 雙線性變換(212)3.6.5 勞斯穩(wěn)定性判據(jù)(213)3.6.6 朱利穩(wěn)定性判據(jù)(215)3.7 離散系統(tǒng)的根軌跡(219)3.7.1 根軌跡圖(219)3.7.2 Z平面上的等阻尼比線(221)3.8 離散系統(tǒng)的頻率響應(yīng)(222)3.8.1 對數(shù)頻率特性(223)3.8.2 極坐標(biāo)頻率特性(224)3.8.3 用MATLAB繪制離散系統(tǒng)的頻率特性曲線習(xí)題第4章 數(shù)字濾波器的基本原理與設(shè)計4.1 引言(233)4.2 數(shù)字濾波器原理(233)4.3 模擬濾波器(235)4.3.1 巴特沃斯濾波器(236)4.3.2 二項(xiàng)式濾波器(238)4.3.3 ITAE和貝塞爾濾波器(238)4.3.4 其它類型的模擬濾波器(239)4.4 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(240)4.4.1 沖擊不變性方法(240)4.4.2 階躍不變性方法(241)4.4.3 極零點(diǎn)匹配法(242)4.4.4 雙線性變換法(243)習(xí)題(246)第5章 計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計5.1 引言(247)5.1.1 計算機(jī)控制系統(tǒng)連續(xù)化設(shè)計方法(247)5.1.2 計算機(jī)控制系統(tǒng)離散化設(shè)計方法(251)5.2 有限拍控制(252)5.2.1 有限拍控制系統(tǒng)設(shè)計(252)5.2.2 有限拍無紋波控制系統(tǒng)(264)5.2.3 有限拍設(shè)計的改進(jìn)(266)*5.3 根軌跡法(269)5.4 雙線性變換法(272)*5.5 參數(shù)優(yōu)化法(276)*5.6 帶純滯后被控對象的控制系統(tǒng)設(shè)計(276)5.6.1 大林算法(277)5.6.2 史密斯預(yù)報器(282)習(xí)題(284)第6章 PID控制6.1 引言(286)6.2 模擬和數(shù)字PID算法(289)6.2.1 模擬PID算法(289)6.2.2 數(shù)字PID算法(290)6.3 數(shù)字PID的改進(jìn)算法(293)6.3.1 積分分離PID控制算法(293)6.3.2 不完全微分PID控制算法(293)6.3.3 帶死區(qū)的PID控制算法(296)6.4 模擬和數(shù)字PID參數(shù)整定(297)6.4.1 模擬PID參數(shù)整定(297)6.4.2 數(shù)字PID參數(shù)整定(303)6.4.3 PID控制的自整定方法(305)6.5 模擬和數(shù)字PDF與PDFF算法(305)6.5.1 PDF算法(305)6.5.2 PDFF算法(306)6.5.3 PID，PDF和PDFF控制系統(tǒng)(309)6.6 PDF和PDFF參數(shù)整定(313)6.6.1 用標(biāo)準(zhǔn)濾波器進(jìn)行參數(shù)整定(313)6.6.2 被控對象為單積分(314)6.6.3 被控對象為雙積分(316)習(xí)題(317)第7章 可編程序控制器7.1 引言(318)7.2 可編程序控制器的組成和工作原理(319)7.2.1 可編程序控制器的組成(319)7.2.2 可編程序控制器的工作原理(320)7.3 可編程序控制器的編程方式(320)7.3.1 可編程序控制器的編程語言(320)7.3.2 可編程序控制器的指令及編程方法(322)7.4 可編程序控制器通信與網(wǎng)絡(luò)功能(333)7.4.1 可編程序控制器與計算機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)7.4.2 可編程序控制器網(wǎng)絡(luò)(333)7.4.3 制造自動化協(xié)議(334)習(xí)題(334)附錄 部分習(xí)題參考答案（336）參考文獻(xiàn)（341）

章節(jié)摘錄

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編輯推薦

《高校計算機(jī)教學(xué)系列教材?計算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)》是由北京航空航天大學(xué)出版社出版。

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