計算機控制系統(tǒng)

第1章 緒 論 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1
1.1 概述┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1
1.1.1 計算機控制系統(tǒng)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1
1.1.2 計算機控制系統(tǒng)組成┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄2
1.2 計算機控制系統(tǒng)的類型、特點┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄4
1.2.1 計算機控制系統(tǒng)的類型┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄4
1.2.2 計算機控制系統(tǒng)的主要特點┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7
1.3 計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概況及趨勢┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄8
1.4 計算機控制理論的發(fā)展 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄10
1.5 本書的安排┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄12
習題┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄13
第2章計算機控制系統(tǒng)的信號特征 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14
2.1信息變換原理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14
2.1.1 數(shù)字控制系統(tǒng)方框圖及系統(tǒng)信息┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14
2.1.2 采樣過程及理想采樣信號的特征┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄15
2.1.3 采樣定理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄21
2.2 采樣信號的恢復與保持器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄24
2.2.1 理想濾波器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄25
2.2.2 零階保持器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄26
2.2.3 一階保持器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄29
習題┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄33
第3章 Z變換 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄35
3.1 Z變換定義┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄35
3.1.1 Z變換定義及表達式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄35
3.1.2 簡單函數(shù)的Z變換┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄37
3.2 Z變換的重要性質(zhì)和定理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄43
3.3 Z反變換┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄52
3.3.1 冪級數(shù)展開法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄53
3.3.2 部分分式法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄55
3.3.3 反演積分法（留數(shù)法）┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄61
習題┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄65
第4章 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學描述及脈沖傳遞函數(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄68
4.1 離散系統(tǒng)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄68
4.2 差分方程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄69
4.2.1 線性常系數(shù)差分方程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄69
4.2.2 差分方程求解┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄70
4.3 脈沖傳遞函數(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄76
4.3.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄76
4.3.2 脈沖傳遞函數(shù)的求取┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄77
4.4 計算機控制系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)及系統(tǒng)方框圖變換方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄80
4.4.1 計算機控制系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄80
4.4.2 計算機控制系統(tǒng)方框圖分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄86
習題┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄92
第5章 計算機控制系統(tǒng)特性分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄95
5.1 計算機控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄95
5.1.1 連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定性及穩(wěn)定條件┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄95
5.1.2 S平面與Z平面的映射關(guān)系┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄96
5.1.3 計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄97
5.2 計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄101
5.2.1 通過雙線性變換進行穩(wěn)定性分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄101
5.2.2 朱里（JURY）穩(wěn)定性準則┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄105
5.2.3 采樣周期對閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄110
5.3 計算機控制系統(tǒng)動態(tài)過程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄112
5.3.1 閉環(huán)離散系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄113
5.3.2 修正Z變換┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄117
5.3.3 含有滯后環(huán)節(jié)的計算機控制系統(tǒng)的輸出響應(yīng)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄121
5.3.4 利用修正Z變換求采樣點之間的信息┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄123
5.4 計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄127
5.4.1 計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄127
5.4.2 計算機控制系統(tǒng)對干擾輸入作用的響應(yīng)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄133
習題┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄136
第6章 計算機控制系統(tǒng)連續(xù)域—離散化設(shè)計方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄139
6.1 連續(xù)域—離散化設(shè)計的基本原理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄139
6.2 連續(xù)控制器的離散化方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄141
6.2.1 后向差分法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄142
6.2.2 前向差分法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄145
6.2.3 雙線性變換法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄146
6.2.4 具有頻率預(yù)畸的雙線性變換法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄148
6.2.5 脈沖響應(yīng)不變法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄153
6.2.6 階躍響應(yīng)不變法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄154
6.2.7 匹配零、極點映射法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄155
6.3 數(shù)字PID控制器設(shè)計┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄160
6.3.1 典型PID控制┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄161
6.3.2 數(shù)字PID控制器參數(shù)的整定┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄169
6.3.3 PID數(shù)字控制器算法的改進┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄172
習題┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄175
第7章 計算機控制系統(tǒng)的直接設(shè)計方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄179
7.1 最少拍數(shù)字控制器設(shè)計方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄180
7.1.1 控制量初值不加規(guī)定的最少拍數(shù)字控制器設(shè)計┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄180
7.1.2 規(guī)定控制量的最少拍數(shù)字控制器設(shè)計┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄188
7.2 最少拍數(shù)字控制器的一般設(shè)計方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄193
7.2.1 最少拍有紋波系統(tǒng)確定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) 的一般方法┄┄┄┄┄┄┄193
7.2.2 最少拍無紋波系統(tǒng)設(shè)計┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄200
7.3 純滯后系統(tǒng)數(shù)字控制器的設(shè)計（Dahlin算法）┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄204
7.3.1 數(shù)字控制器 的形┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄204
7.3.2 振鈴現(xiàn)象及其消除┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄206
7.3.3 具有純滯后系統(tǒng)數(shù)字控制器直接設(shè)計的步驟┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄212
7.4 施密斯（Smith）預(yù)估補償算法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄212
7.5 滯后過程的預(yù)估控制系統(tǒng)設(shè)計┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄215
習題┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄218
第8章 數(shù)字控制器的實現(xiàn)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄221
8.1 直接結(jié)構(gòu)法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄221
8.1.1 直接程序法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄221
8.1.2 標準程序法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄222
8.2 間接結(jié)構(gòu)法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄224
8.2.1 串聯(lián)程序法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄224
8.2.2 并聯(lián)程序法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄225
8.2.3 梯形程序法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄227
8.3 無限脈沖響應(yīng)數(shù)字控制器和有限脈沖響應(yīng)數(shù)字控制器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄231
8.3.1 無限脈沖響應(yīng)數(shù)字控制器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄231
8.3.2 有限脈沖響應(yīng)數(shù)字控制器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄232
8.3.3 有限脈沖響應(yīng)數(shù)字控制器的實現(xiàn)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄232
習題┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄237
第9章 線性離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間分析、設(shè)計方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄240
9.1 線性離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間分析法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄240
9.1.1 線性離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間表達式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄240
9.1.2 由差分方程導出離散狀態(tài)空間表達式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄242
9.1.3 線性離散系統(tǒng)狀態(tài)方程的求解┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄247
9.1.4 線性離散系統(tǒng)的Z傳遞矩陣┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄251
9.1.5 線性離散系統(tǒng)的Z特征方程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄253
9.1.6 計算機控制系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間表達式┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄257
9.1.7 用離散狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄261
9.2 線性系統(tǒng)離散狀態(tài)空間設(shè)計┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄264
9.2.1 離散系統(tǒng)的能控性和能觀性┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄264
9.2.2 離散狀態(tài)空間有限拍系統(tǒng)設(shè)計法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄269
習題┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄282
參考文獻 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄286