计算机控制系统

第1章 绪 论 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1
1.1 概述┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1
1.1.1 计算机控制系统┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1
1.1.2 计算机控制系统组成┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄2
1.2 计算机控制系统的类型、特点┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄4
1.2.1 计算机控制系统的类型┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄4
1.2.2 计算机控制系统的主要特点┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7
1.3 计算机控制系统发展概况及趋势┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄8
1.4 计算机控制理论的发展 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄10
1.5 本书的安排┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄12
习题┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄13
第2章计算机控制系统的信号特征 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14
2.1信息变换原理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14
2.1.1 数字控制系统方框图及系统信息┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14
2.1.2 采样过程及理想采样信号的特征┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄15
2.1.3 采样定理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄21
2.2 采样信号的恢复与保持器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄24
2.2.1 理想滤波器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄25
2.2.2 零阶保持器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄26
2.2.3 一阶保持器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄29
习题┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄33
第3章 Z变换 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄35
3.1 Z变换定义┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄35
3.1.1 Z变换定义及表达式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄35
3.1.2 简单函数的Z变换┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄37
3.2 Z变换的重要性质和定理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄43
3.3 Z反变换┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄52
3.3.1 幂级数展开法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄53
3.3.2 部分分式法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄55
3.3.3 反演积分法（留数法）┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄61
习题┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄65
第4章 计算机控制系统的数学描述及脉冲传递函数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄68
4.1 离散系统┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄68
4.2 差分方程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄69
4.2.1 线性常系数差分方程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄69
4.2.2 差分方程求解┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄70
4.3 脉冲传递函数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄76
4.3.1 脉冲传递函数的定义┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄76
4.3.2 脉冲传递函数的求取┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄77
4.4 计算机控制系统脉冲传递函数及系统方框图变换方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄80
4.4.1 计算机控制系统脉冲传递函数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄80
4.4.2 计算机控制系统方框图分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄86
习题┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄92
第5章 计算机控制系统特性分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄95
5.1 计算机控制系统稳定性分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄95
5.1.1 连续系统稳定性及稳定条件┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄95
5.1.2 S平面与Z平面的映射关系┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄96
5.1.3 计算机控制系统的稳定性┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄97
5.2 计算机控制系统的稳定性分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄101
5.2.1 通过双线性变换进行稳定性分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄101
5.2.2 朱里（JURY）稳定性准则┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄105
5.2.3 采样周期对闭环系统稳定性的影响┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄110
5.3 计算机控制系统动态过程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄112
5.3.1 闭环离散系统的暂态响应┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄113
5.3.2 修正Z变换┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄117
5.3.3 含有滞后环节的计算机控制系统的输出响应┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄121
5.3.4 利用修正Z变换求采样点之间的信息┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄123
5.4 计算机控制系统的稳态误差分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄127
5.4.1 计算机控制系统的稳态误差与稳态误差系数┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄127
5.4.2 计算机控制系统对干扰输入作用的响应┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄133
习题┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄136
第6章 计算机控制系统连续域—离散化设计方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄139
6.1 连续域—离散化设计的基本原理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄139
6.2 连续控制器的离散化方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄141
6.2.1 后向差分法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄142
6.2.2 前向差分法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄145
6.2.3 双线性变换法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄146
6.2.4 具有频率预畸的双线性变换法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄148
6.2.5 脉冲响应不变法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄153
6.2.6 阶跃响应不变法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄154
6.2.7 匹配零、极点映射法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄155
6.3 数字PID控制器设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄160
6.3.1 典型PID控制┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄161
6.3.2 数字PID控制器参数的整定┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄169
6.3.3 PID数字控制器算法的改进┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄172
习题┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄175
第7章 计算机控制系统的直接设计方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄179
7.1 最少拍数字控制器设计方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄180
7.1.1 控制量初值不加规定的最少拍数字控制器设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄180
7.1.2 规定控制量的最少拍数字控制器设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄188
7.2 最少拍数字控制器的一般设计方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄193
7.2.1 最少拍有纹波系统确定闭环脉冲传递函数 的一般方法┄┄┄┄┄┄┄193
7.2.2 最少拍无纹波系统设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄200
7.3 纯滞后系统数字控制器的设计（Dahlin算法）┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄204
7.3.1 数字控制器 的形┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄204
7.3.2 振铃现象及其消除┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄206
7.3.3 具有纯滞后系统数字控制器直接设计的步骤┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄212
7.4 施密斯（Smith）预估补偿算法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄212
7.5 滞后过程的预估控制系统设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄215
习题┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄218
第8章 数字控制器的实现┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄221
8.1 直接结构法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄221
8.1.1 直接程序法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄221
8.1.2 标准程序法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄222
8.2 间接结构法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄224
8.2.1 串联程序法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄224
8.2.2 并联程序法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄225
8.2.3 梯形程序法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄227
8.3 无限脉冲响应数字控制器和有限脉冲响应数字控制器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄231
8.3.1 无限脉冲响应数字控制器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄231
8.3.2 有限脉冲响应数字控制器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄232
8.3.3 有限脉冲响应数字控制器的实现┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄232
习题┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄237
第9章 线性离散系统的离散状态空间分析、设计方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄240
9.1 线性离散系统的离散状态空间分析法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄240
9.1.1 线性离散系统的离散状态空间表达式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄240
9.1.2 由差分方程导出离散状态空间表达式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄242
9.1.3 线性离散系统状态方程的求解┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄247
9.1.4 线性离散系统的Z传递矩阵┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄251
9.1.5 线性离散系统的Z特征方程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄253
9.1.6 计算机控制系统的离散状态空间表达式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄257
9.1.7 用离散状态空间法分析系统的稳定性┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄261
9.2 线性系统离散状态空间设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄264
9.2.1 离散系统的能控性和能观性┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄264
9.2.2 离散状态空间有限拍系统设计法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄269
习题┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄282
参考文献 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄286