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前言1

第1章　概论1

1.1　计算机控制系统的基本原理与组成1

1.1.1　计算机控制系统的基本原理1

目录1

1.1.2　计算机控制系统的组成2

1.2　计算机控制系统的分类4

1.2.1　按控制方式分类4

1.2.2　按功能和系统构成分类5

1.3.1　计算机技术对控制技术的影响10

1.2.3　按控制规律分类10

1.3　计算机控制系统的发展10

1.3.2　计算机控制理论的发展11

1.3.3　计算机控制系统的发展趋势13

习题15

第2章　计算机控制系统的分析16

2.1　计算机控制系统中信号的变换16

2.1.1　模数转换（ADC）与采样定理16

2.1.1.1　采样定理17

2.1.1.2　采样信号的量化与编码21

2.1.2　数模转换器（DAC）与零阶保持器23

2.1.2.1　DAC23

2.1.2.2　保持器23

2.1.3　计算机控制系统的简化框图25

2.2　计算机控制系统的z传递函数26

2.2.1　数字控制器的z传递函数27

2.2.1.1　在z域中设计的数字控制器的z传递函数27

2.2.1.2　在s域中设计的数字控制器的z传递函数28

2.2.2　连续部分的z传递函数30

2.2.3　闭环z传递函数31

2.3　计算机控制系统的特性分析32

2.3.1　稳定性32

2.3.1.1　s域到z域的变换33

2.3.1.2　线性定常离散系统稳定的充分必要条件34

2.3.1.3　采样周期对闭环系统稳定性的影响35

2.3.1.4　离散系统的稳定性判据36

2.3.2　稳态误差39

2.3.3　动态性能41

2.3.3.1　离散系统的时间响应42

2.3.3.2　闭环极点与动态响应的关系43

习题46

第3章　数字PID控制器49

3.1　PID控制算法49

3.1.1　模拟PID调节器49

3.1.1.1　比例调节器50

3.1.1.2　比例积分调节器51

3.1.1.3　比例积分微分调节器51

3.1.2.1　数字PID位置算式52

3.1.2　数字PID控制算法52

3.1.2.2　数字PID增量算式53

3.1.2.3　增量算式和位置算式比较54

3.2　标准PID控制算法的改进56

3.2.1 “饱和”作用的抑制56

3.2.1.1　PID位置算式积分饱和的56

抑制56

3.2.1.2　微分饱和的作用及抑制——不完全微分法58

3.2.2.2　一阶惯性滤波60

3.2.2.3　四点中心差分法60

3.2.2　干扰的抑制60

3.2.2.1　算术平均滤波60

3.2.3　给定值突变时增加控制量阻尼的算法61

3.2.3.1　前置滤波61

3.2.3.2　微分先行PID61

3.2.3.3　IPD控制61

3.2.4.3　梯形积分62

3.3.1　带死区的PID控制算法62

3.3　非线性PID控制器62

3.2.4.2　消除积分不灵敏区的PID控制62

3.2.4.1　PID增量算式中动态过程的加速62

3.2.4　其他修改算法62

3.3.2　时间最优PID控制63

3.4　数字PID控制器参数的整定63

3.4.1　整定的基本步骤64

3.4.2　经验法64

3.4.3　实验法65

3.4.3.1　扩充临界比例法65

3.4.3.2　阶跃曲线法66

3.4.4　参数的自整定66

3.4.4.1　自校正调节器67

3.4.4.2　极限环法（继电型自整定）68

3.4.5　PID参数寻优69

3.4.6　采样周期的选择72

3.5　纯滞后的补偿——Smith预估补偿73

3.6　PID串级控制74

3.6.1　串级控制系统的分析76

3.6.2　数字PID串级控制系统78

3.6.3　主、副调节器控制规律的选择79

3.6.4　串级调节器整定方法80

3.6.5　副回路微分先行串级控制81

习题82

第4章　数字控制器的直接设计方法84

4.1　数字控制器的直接设计步骤84

4.2　最少拍随动系统设计（最少拍有波纹控制器设计）87

4.2.1　最少拍闭环z传递函数87

4.2.2　最少拍控制器的可实现性89

4.2.3　最少拍设计的稳定性考虑90

4.3　有限拍无纹波随动系统设计97

4.3.1　纹波产生的原因97

4.3.2　有限拍无纹波设计98

4.4.1　有限拍系统的局限性100

4.4　惯性因子法100

4.4.2　惯性因子法102

4.5　大林算法104

4.5.1　大林算法的基本形式104

4.5.2　振铃的强弱及振铃消除方法105

习题108

第5章　基于状态空间模型的设计法110

5.1　控制系统的离散状态空间描述110

5.1.1　连续系统的精确离散化概述110

5.1.2　线性系统的离散化111

5.1.3　一类仿射非线性系统的精确离散化116

5.1.4　离散系统的解119

5.2　离散系统的能控性、能观性与稳定性120

5.2.1　离散系统的可控性120

5.2.2　离散系统的可观性121

5.2.3　稳定性分析123

5.2.3.1　基于状态空间模型的外部123

稳定性判别123

5.2.3.2　Liapunov稳定性124

5.3　极点配置设计法129

5.3.1　基于极点配置的状态反馈控制律设计129

5.3.1.1　单输入单输出系统的极点配置130

5.3.1.2　多输入多输出系统的极点配置134

5.3.2　基于极点配置的观测器设计134

5.3.2.1　全维观测器的设计134

5.3.2.2　降维观测器的设计137

5.3.3　基于极点配置的控制器设计139

5.3.3.1　比例控制器设计139

5.3.3.2　积分控制设计141

5.4.1　LQR问题的描述143

5.4　线性二次型最优控制143

5.4.2　二次型性能指标函数的离散化144

5.4.3　LQR最优控制律计算145

5.4.4　LQR与Liapunov最优状态反馈设计的关系149

5.4.5　LQ设计与极点配置设计的比较150

习题151

第6章　滑模变结构控制153

6.1　滑模变结构控制的基本原理153

6.1.1　控制系统的相轨迹153

6.1.2　变结构控制154

6.1.3.1　滑动模态157

6.1.3　滑模变结构控制系统的动态品质和稳定性分析157

6.1.3.2　滑动模态的存在性及可达性159

6.1.3.3　滑模变结构控制系统的动态品质161

6.1.3.4　滑模运动的稳定性分析163

6.1.4　滑模控制器的基本设计方法165

6.1.4.1　控制策略165

6.1.4.2　单输入二阶滑模变结构控制系统的设计实例166

6.2　离散系统的滑模变结构控制169

6.2.1　离散滑动模态的存在性及可达性170

6.2.2　等效控制170

6.2.3.1　基于等效控制的离散滑模控制171

6.2.3　离散滑模变结构控制策略171

6.2.3.2　基于趋近率的离散滑模控制174

6.2.4　离散系统滑模变结构控制系统的设计步骤176

6.3　滑模变结构控制系统的抖振问题176

6.3.1　造成抖振的因素分析176

6.3.2　各种引起抖振的因素及其特点177

6.3.3　削弱抖振的方法178

习题179

第7章　模糊控制180

7.1.1　模糊集合182

7.1.1.1　模糊集合的定义182

7.1　模糊控制的数学基础182

7.1.1.2　模糊集合的表示方法183

7.1.1.3　模糊集合的运算184

7.1.1.4　隶属函数186

7.1.2　模糊关系与模糊矩阵189

7.1.2.1　模糊关系189

7.1.2.2　模糊矩阵190

7.1.3　模糊逻辑与模糊推理191

7.1.3.1　模糊命题191

7.1.3.3　模糊蕴涵关系192

7.1.3.2　模糊逻辑192

7.1.3.4　模糊推理193

7.2　模糊控制系统196

7.2.1　模糊控制的基本原理196

7.2.1.1　模糊控制原理196

7.2.1.2　模糊控制器的组成197

7.2.1.3　模糊控制系统的工作原理199

7.2.1.4　模糊控制器的结构203

7.2.2　模糊控制系统的分类204

7.2.3.1　模糊控制器的设计步骤205

7.2.3　模糊控制器设计的基本方法205

7.2.3.2　模糊控制器的设计举例207

7.3　从实例中看模糊控制208

7.3.1　基于Mamdani模糊推理的温度和压力过程控制208

7.3.2　洗衣机洗涤时间的自动调节设计210

7.3.3　模糊自适应整定PID控制214

7.3.4　基于Sugeno模糊推理的倒立摆模糊控制216

7.4　模糊集成控制221

7.5　模糊控制的优点及所面临的主要任务223

8.1　数控的基本概念225

8.1.1　顺序控制225

第8章　数控技术225

8.1.2　数字程序控制230

8.2　逐点比较法插补原理231

8.2.1　逐点比较法直线插补运算232

习题234

8.2.2　逐点比较法圆弧插补运算235

8.3　步进电动机控制技术238

8.3.1　步进电动机的工作原理238

8.3.2　步进电动机的控制系统239

8.3.3　步进电动机走步程序设计240

习题241

第9章　控制用计算机简介242

9.1　工业控制计算机242

9.1.1　工控机的特点242

9.1.2　工控机系统的组成243

9.1.3　工控机总线介绍244

9.2　可编程序控制器（PLC）245

9.2.1　PLC的基本组成245

9.2.2　PLC的工作原理246

9.2.3　PLC控制系统247

9.3　单片机248

9.3.1　单片机控制系统248

9.3.2　ATMEL51系列单片机简介252

9.4　数字信号处理器（DSP）253

9.4.1　DSP芯片概述253

9.4.2　DSP芯片的基本结构253

9.4.3　TMS320C2000系列DSP简介254

9.5　ARM处理器256

9.5.1　ARM处理器概述256

9.5.2　ARM体系结构257

9.5.3　三星S3C44BOX处理器简介258

习题259

第10章　过程通道260

10.1　过程通道的作用260

10.2　模拟量输出通道260

10.2.1　模拟量输出通道的结构形式260

10.2.2　D/A转换器261

10.2.2.1　D/A转换器性能指标261

10.2.2.2　双极性模拟量输出的实现262

10.2.2.3　D/A转换器与计算机（微处理器）的接口263

10.3.1　信号处理器265

10.3　模拟量输入通道265

10.3.2　多路转换器（多路开关）266

10.3.3　放大器266

10.3.4　采样保持器266

10.3.5　A/D转换器269

10.3.5.1　A/D转换器性能指标269

10.3.5.2　输入模拟电压的连接270

10.3.5.3　A/D输出与计算机（微处理器）的连接271

10.4　开关量（数字量）输入输出通道274

10.4.1　数字量输入调理274

10.4.2　数字量输出调理276

10.5.1　数字滤波技术278

10.5　过程通道的抗干扰技术278

10.5.2　开关量的软件抗干扰技术281

10.5.3　指令冗余技术281

10.5.4　软件陷阱技术282

习题282

第11章　控制网络技术283

11.1　控制网络与信息网络的区别283

11.2　控制网络体系结构284

11.3.1　分解-协调的基本原理286

11.3　分级递阶控制策略286

11.3.2　多目标最优决策288

11.4　控制网络配置结构288

11.4.1　控制网络的硬件体系288

11.4.2　控制网络的组态软件289

11.5　局部控制网络291

11.5.1　拓扑结构292

11.5.2　信道访问控制方式292

11.5.3　传输介质294

11.5.4　接口296

11.6　现场总线技术297

11.6.1　现场总线的技术特点297

11.6.2　现场总线的通信标准298

11.6.3　几种有影响的现场总线298

11.7　基于Internet的远程控制300

第12章　计算机控制系统的电磁兼容技术302

12.1　电磁兼容概述302

12.1.1　干扰源及其作用形式303

12.1.2.1　传导耦合304

12.1.2　干扰的传播途径304

12.1.2.2　辐射耦合305

12.2　电磁干扰抑制技术307

12.2.1　滤波307

12.2.2　屏蔽308

12.2.2.1　静电屏蔽308

12.2.2.2　电磁屏蔽310

12.2.3　接地311

12.2.3.1　单点接地312

12.2.3.3　混合接地314

12.2.4　隔离314

12.2.3.2　多点接地314

12.3　信号的长线传输316

12.3.1　串扰噪声316

12.3.2　信号反射318

习题320

第13章　计算机控制系统设计321

13.1　计算机控制系统设计的基本要求和特点321

13.1.1　系统设计的基本要求321

13.1.2　系统设计的特点323

13.2.2　建模和控制方法确定324

13.2　系统设计的一般步骤324

13.2.1　确定任务324

13.2.3　总体方案设计325

13.2.4　硬件和软件的具体设计327

13.2.5　软硬件联调330

13.2.6　离线仿真——实验室模拟运行331

13.2.7　现场调试、试运行331

13.2.8　验收或鉴定——系统性能评估332

13.3　计算机控制系统设计实例332

13.3.1　啤酒发酵过程计算机控制系统332

13.3.2　高精度位置伺服系统336

13.3.3　教学演示型大学智能机器人340

习题346

第14章　实验347

14.1　实验装置简介347

14.2　计算机算法编程指导347

14.2.1　样本算法的修改348

14.2.2　新实验算法的实现349

14.3　A/D和D/A卡调试说明350

14.4　计算机控制系统典型实验351

14.4.1　D/A转换实验351

14.4.3　数字PID控制352

14.4.2　A/D转换实验352

14.4.4　状态反馈与状态观测器354

14.4.5　数字滤波器实验355

14.4.6　大林算法实验357

14.5　对实际对象的控制实验358

14.5.1　炉温控制实验358

14.5.2　电动机调速实验360

14.5.3　步进电动机控制实验361

附录　常用函数的拉氏变换和z变换表362

参考文献363