計算機控制系統(第二版)（簡體書）

本書從電腦控制系統的信號轉換開始，詳細闡述了電腦控制系統的建模、性能分析、控制器設計、控制系統實現的理論、方法和實用技術。全書分10章，內容包括：信號轉換與z變換，電腦控制系統的數學描述與性能分析，基於傳遞函數模型的數位控制器兩類設計方法--模擬化設計方法和直接離散化設計方法，基於狀態空間模型的極點配置設計方法，包含了線性二次型最優控制、自校正控制、模型預測控制和模糊控制的先進控制規律的設計方法，基於網路的控制系統分析和控制器設計方法，以及電腦控制系統的設計、實現技術和應用實例。全書理論聯繫實際，注重理論的詳盡和控制方法的工程化改進，便於讀者理解、掌握和實際應用。

《計算機控制系統(第二版)》可作為高等院校自動化及其相關專業本科生的教材或參考書，也可供有關教師、科研人員以及工程技術人員學習參考。

計算機控制系統是一門理論與實際相結合的課程，採用計算機控制是工業現代化的重要標誌。為了適應國家對高等學校人才培養的需要，創建符合自動化專業培養目標和教學改革要求的新型教材，同時涵蓋計算機控制領域新的理論和技術成果，我們於2009年8月出版了《計算機控制系統》教材，突出了理論與技術工程化應用的特色，使之與時俱進，適應國家經濟和社會發展的要求。
2012年，本書列入“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材。編寫團隊所在的課程組，承擔東北大學自動化專業本科生課程“計算機控制系統”教學工作。課程組在國家級精品課程的基礎上，又建設成國家級精品資源共享課和中國大學慕課課程，並建立了豐富的數字課程資源。為配合課程的實驗教學環節，課程組設計開發了與本課程教學內容密切結合的“仿真與控制一體化實驗系統”和“便攜式計算機控制實驗系統”，並提供詳細的實驗設計方案和實驗例程，加深學生對所學內容的理解，方便學生在不同的實驗場所使用。因此使用本書可以更多更有效地分享課程的網上資源和實驗系統資源，給授課教師和學生帶來更多的便利。
本書第一版出版後，得到了使用者的廣泛好評。第二版對第一版中的部分內容進行了修改，並增加了“計算機控制系統仿真分析”一章內容，使本書更好地從計算機控制系統理論、控制器設計、控制系統仿真、控制系統實現與應用等方面滿足使用者的要求。同時，為了便於使用者更好地理解書中的內容，增加本書的可讀性和趣味性，書中部分關鍵知識點增加了多媒體視頻演示和講解（用手機微信“掃一掃”功能掃描書中相應的二維碼，即可在線觀看），這部分工作將在未來重印過程中逐步加以完善。
本書共10章。第1章介紹計算機控制系統的基本概念、組成與結構、計算機控制系統理論，以及計算機控制系統分類。第2章介紹計算機控制系統的信號變換問題，以香農採樣定理為基礎，用z變換和z反變換的數學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章介紹計算機控制系統的數學描述問題，並根據系統的數學描述對系統進行性能分析，包括時域的差分方程、複數域脈衝傳遞函數、頻域的頻率特性，以及從時域特性和頻域特性兩方面對計算機控制系統穩定性、穩態性能和暫態性能的詳細分析。第4章介紹數字控制器的模擬化設計方法，具體包括模擬控制器的離散化方法、數字PID控制算法及其工程化改進、Smith預估控制算法及其工程化改進。第5章介紹數字控制器的直接設計方法，包括最小拍控制設計方法和大林（Dahlin）算法，以及兩種方法在工程應用過程中面臨的問題和解決方法。第6章介紹基於狀態空間模型的極點配置設計方法，包括狀態空間的基本概念、狀態空間模型的建立與求解、按極點配置設計控制規律和觀測器等。第7章簡要介紹4種先進的控制規律，即線性二次型最優控制、自校正控制、預測控制和模糊控制。第8章介紹新興的網絡控制系統的建模與控制方法。第9章介紹計算機控制系統仿真技術，包括信號特性仿真分析、模型描述與性能仿真分析，以及數字控制器性能仿真分析。第10章介紹計算機控制系統工程設計與實現中的若干實用技術。
本書作為本科生教材使用時，建議將教學內容分為基本教學模塊（第1～6章內容）、擴展教學模塊（第7、8章內容）和仿真與設計教學模塊（第9、10章內容），其中基本教學模塊建議學時為64（包括課程實驗學時），擴展教學模塊建議學時為12，仿真與設計教學模塊建議學時為14。不同學校可以根據各自的教學要求和計劃學時數對教學內容進行取捨。
本書第1、2章由周瑋編寫；第3、5、8章由關守平編寫；第4章由劉建昌編寫；第6、7、9章由尤富強編寫；第10章由陳宏誌編寫。全書由劉建昌和關守平統稿，顧樹生教授主審。東北大學信息科學與工程學院王洪海、譚樹彬為本書第二版的修訂做了很多工作，在此一併表示感謝。本書在編寫過程中參考並引用了有關文獻內容，這些文獻均列入本書的參考文獻目錄中，在此對文獻作者表示誠摯的謝意。
由於作者水平有限.書中難免存在不足之處，誠請讀者批評指正。

前言

第1章計算機控制系統概述
1．1 引言
1．2 計算機控制系統的基本概念
1．2．1 計算機控制系統的組成
1．2．2 計算機控制系統的應用要求
1．2．3 計算機控制系統的性能指標
1．3 計算機控制系統的過程通道和總線接口技術
1．3．1 過程通道
1．3．2 總線接口技術
1．4 模擬與數字信號之間的相互轉換
1．4．1 D/A轉換及其誤差
1．4．2 A/D轉換及其誤差
1．5 計算機控制系統的基本內容
1．5．1 信號變換問題
1．5．2 對象建模與性能分析
1．5．3 控制算法設計
1．5．4 控制系統仿真分析
1．5．5 控制系統實現技術
1．6 計算機控制系統的基本類型
本章小結
習題與思考題

第2章信號轉換與z變換
2．1 引言
2．2 信號變換原理
2．2．1 計算機控制系統信號轉換分析
2．2．2 採樣過程及採樣函數的數學表示
2．2．3 採樣函數的頻譜分析及採樣定理
2．2．4 採用周期T的討論
2．3 採樣信號恢復與保持器
2．3．1 零階保持器
2．3．2 一階保持器
2．4 信號轉換的工程化技術
2．4．1 A/D轉換的基本工程化技術
2．4．2 D/A轉換的基本工程化技術
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
2．6．2 部分分式法
2．6．3 留數法
2．7 擴展z變換
2．7．1 擴展z變換定義
2．7．2 幾種典型函數的擴展z變換
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習題與思考題

第3章計算機控制系統數學描述與性能分析
3．1 引言
3．2 線性常係數差分方程
3．2．1 離散系統與差分方程
3．2．2 差分方程求解
3．3 脈衝傳遞函數
3．3．1 脈衝傳遞函數的定義
3．3．2 脈衝傳遞函數的推導
3．3．3 離散系統的框圖分析
3．3．4 計算機控制系統的脈衝傳遞函數
3．4 計算機控制系統穩定性分析
3．4．1 離散系統的穩定性條件
3．4．2 s平面與z平面的映射分析
3．4．3 採樣週期與系統穩定性關係
3．5 計算機控制系統的代數穩定性判據
3．5．1 勞斯穩定性判據
3．5．2 朱利穩定性判據
3．6 計算機控制系統穩態過程分析
3．6．1 穩態誤差與誤差係數
3．6．2 系統類型與穩態誤差
3．6．3 採樣週期對穩態誤差的影響
3．7 計算機控制系統暫態過程分析
3．7．1 z平面極點分佈與暫態響應的關係
3．7．2 採樣週期對暫態響應的影響
3．8 計算機控制系統的頻域特性分析
3．8．1 離散系統的頻域描述
3．8．2 離散系統頻域穩定性分析
3．8．3 離散系統伯德圖分析
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習題與思考題

第4章數字控制器的模擬化設計方法
4．1 引言
4．2 模擬化設計方法基本原理
4．3 連續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 零極點匹配法
4．4 數字PID控制器
4．4．1 基本數字PID控制算法
4．4．2 數字PID控制算法的工程化改進
4．4．3 數字PID控制器的參數整定
4．5 Smith預估控制
4．5．1 純滯後問題的提出
4．5．2 Smith預估控制設計原理
4．5．3 Smith預估控制算法的工程化改進
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習題與思考題

第5章數字控制器的直接設計方法
5．1 引言
5．2 直接設計方法基本原理
5．3 最小拍控制器的設計方法
5．3．1 簡單對象最小拍控制器設計
5．3．2 複雜對象最小拍控制器設計
5．4 最小拍控制器的工程化改進
5．4．1 最小拍控制系統存在的問題
5．4．2 最小拍無紋波控制器的設計
5．4．3 針對輸入信號類型敏感問題的改進
5．4．4 針對模型參數變化敏感問題的改進
5．5 大林算法
5．5．1 大林算法設計原理
5．5．2 振鈴現象及其消除方法
5．6 大林算法工程應用中關鍵參數的選擇
5．6．1 解決振鈴現像中關鍵參數的選擇
5．6．2 解決分數時滯問題中關鍵參數的選擇
5．7 數字控制器的程序實現
5．7．1 直接程序設計法
5．7．2 串聯程序設計法
5．7．3 並行程序設計法
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習題與思考題

第6章基於狀態空間模型的極點配置設計方法
6．1 引言
6．2 狀態空間描述的基本概念
6．2．1 系統動態過程的兩類描述
6．2．2 有關狀態空間描述的基本定義
6．3 離散系統的狀態空間模型
6．3．1 離散狀態空間模型的建立
6．3．2 離散狀態方程的求解
6．3．3 離散狀態空間模型與z傳遞函數之間的關係
6．4 系統的能控性與能觀性
6．4．1 能控性與能觀性的概念
6．4．2 能控性判據與能觀性判據
6．4．3 能控標準型與能觀標準型
6．5 狀態可測時按極點配置設計控制規律
6．6 按極點配置設計觀測器
6．6．1 預報觀測器
6．6．2 現時觀測器
6．6．3 降階觀測器
6．7 狀態不可測時控制器的設計
6．7．1 分離性原理
6．7．2 控制器設計
6．8 隨動系統的設計
本章小結
習題與思考題

第7章先進控制規律的設計方法
7．1 引言
7．2 線性二次型最優控制器的設計
7．2．1 概述
7．2．2 LQR最優控制器設計
7．2．3 跟踪系統設計
7．3 自校正控制器的設計
7．3．1 概述
7．3．2 最小二乘參數辨識算法
7．3．3 自校正控制器設計
7．4 模型預測控制器的設計
7．4．1 概述
7．4．2 預測模型
7．4．3 預測控制算法
7．5 模糊控制器的設計
7．5．1 概述
7．5．2 模糊控制原理
7．5．3 模糊PID控制器設計
本章小結
習題與思考題

第8章基於網絡的控制技術
8．1 引言
8．2 網絡控制概述
8．2．1 網絡控制系統基本概念
8．2．2 網絡控制系統研究內容
8．3 實時控製網絡
8．3．1 控製網絡的基本概念
8．3．2 EtherNet網絡
8．3．3 CAN網絡
8．3．4 ControlNet網絡
8．3．5 CC-Link網絡
8．4 網絡控制系統特性分析
8．4．1 網絡控制系統時延特性
8．4．2 網絡控制系統的穩定性分析
8．5 網絡控制系統控制器的設計
8．5．1 PID網絡控制器的設計
8．5．2 極點配置網絡控制器的設計
本章小結
習題與思考題

第9章計算機控制系統仿真分析
9．1 引言
9．2 系統仿真的概念及分類
9．2．1 系統仿真的基本概念
9．2．2 系統仿真的分類
9．2．3 計算機仿真的基本過程
9．2．4 MATLAB仿真軟件簡介
9．3 計算機控制系統信號仿真分析
9．3．1 信號的種類
9．3．2 脈衝採樣與MATLAB仿真
9．3．3 保持器與MATLAB仿真
9．4 計算機控制系統模型描述與性能仿真分析
9．4．1 離散傳遞函數模型
9．4．2 離散狀態空間模型
9．4．3 離散系統的模型辨識
9．4．4 神經網絡建模
9．4．5 計算機控制系統頻域性能的仿真分析
9．5 數字控制器設計及其仿真
9．5．1 比例控制器設計
9．5．2 比例積分控制器設計
9．5．3 比例積分微分控制器設計
本章小結
習題與思考題

第10章計算機控制系統的設計與實現
10．1 引言
10．2 計算機控制系統的基本設計原則與方法
10．2．1 設計原則
10．2．2 設計方法
10．3 計算機控制系統的硬件設計
10．3．1 執行機構與驅動技術
10．3．2 檢測機構與傳感器技術
10．4 計算機控制系統的軟件設計
10．4．1 控制對象分析
10．4．2 數字控制器的實現問題
10．4．3 信號的數字濾波技術
10．5 數字控制器程序實現的性能分析
10．5．1 計算機控制系統的數值誤差來源
10．5．2 數字控制器的精度確定原則及保證措施
10．5．3 微分環節的處理措施與工程實現方法
10．5．4 數字控制器誤差及執行時間的檢驗方法
10．5．5 控制算法不同編排結構的優缺點分析
10．6 量化效應與採樣週期誤差分析
10．6．1 A/D轉換的量化誤差與孔徑誤差
10．6．2 採樣週期造成的誤差
10．7 計算機控制系統的可靠性與抗干擾技術
10．7．1 提高可靠性的措施
10．7．2 干擾的來源及傳播途徑
10．7．3 消除或抑制干擾影響的方法
本章小結
習題與思考題

參考文獻