本書系統地闡述計算機控制系統的分析與設計方法及工程應用的一般問題，主要內容包括：計算機控制系統的一般概念與組成原理、計算機控制系統中的信號形式、計算機控制系統的描述方法、計算機控制系統的一般分析方法、計算機控制系統的模擬化設計方法、計算機控制系統的離散化設計方法、計算機控制系統狀態空間分析與設計、復雜控制規律設計、分布式計算機控制與現場總線控制系統、數字程序控制系統、計算機控制系統設計與實現等。
前 言
計算機控制系統是隨著計算機技術與相關控制理論的發展而不斷發展起來的，并已廣泛應用于社會生產與日常生活等各領域中。計算機控制已成為控制與自動化系統的主要方式。對計算機控制系統的分析與設計涉及與計算機控制相關的基礎理論、分析與設計方法及工程實現技術等各方面的內容。
本書重點針對大學本科自動化專業及其他相關專業對“計算機控制系統”課程的教學要求進行編寫。結合本科生的知識背景與教學特點，在教材內容的安排上既注重內容的完整性與系統性，還力求深入淺出、循序漸進、易于理解，同時通過合理安排例題和習題，有效地幫助學生熟練掌握相關的基礎知識與基本方法。
本書系統地闡述計算機控制系統的基礎理論、常規分析與設計方法以及工程實現技術等相關內容。第1章介紹計算機控制系統的基本概念、基本組成原理、主要類型與發展情況等 前 言
計算機控制系統是隨著計算機技術與相關控制理論的發展而不斷發展起來的，并已廣泛應用于社會生產與日常生活等各領域中。計算機控制已成為控制與自動化系統的主要方式。對計算機控制系統的分析與設計涉及與計算機控制相關的基礎理論、分析與設計方法及工程實現技術等各方面的內容。
本書重點針對大學本科自動化專業及其他相關專業對“計算機控制系統”課程的教學要求進行編寫。結合本科生的知識背景與教學特點，在教材內容的安排上既注重內容的完整性與系統性，還力求深入淺出、循序漸進、易于理解，同時通過合理安排例題和習題，有效地幫助學生熟練掌握相關的基礎知識與基本方法。
本書系統地闡述計算機控制系統的基礎理論、常規分析與設計方法以及工程實現技術等相關內容。第1章介紹計算機控制系統的基本概念、基本組成原理、主要類型與發展情況等；第2～3章為計算機控制系統的基礎理論，闡述計算機控制系統中的信號變換理論與計算機控制系統的數學描述，包括差分方程描述、z傳遞函數與離散狀態空間描述等；第4章討論計算機控制系統的經典分析方法，即基于z域的分析方法；第5～6章介紹計算機控制系統的經典設計方法，包括基于連續系統理論的設計與z域直接設計等兩大類方法；第7～8章系統地討論計算機控制系統的狀態空間分析方法與設計方法；第9章簡要介紹目前在工業控制領域應用較為廣泛的分級分布式控制原理及其兩種典型應用形式，即集散控制系統與現場總線控制系統；第10章介紹計算機數值控制基本原理與方法；第11章重點介紹計算機控制系統工程設計與實現的一般方法與相關問題。
本書作為本科自動化專業教材，內容全面，系統性強，既注重基本理論的理解與掌握，也強調具體工程實現技術的實踐。讀者通過本教材的學習，可以較為全面地掌握計算機控制系統的基本理論，并能夠對相關的計算機控制系統進行分析、設計與具體實現。在教學學時許可的情況下（如64學時），可講授教材的全部內容；如學時較少，可重點講授第1～8章及第11章部分內容，其余為課外自學。對于其他相關專業，如電氣工程及自動化、儀器儀表、計算機應用等，可根據各自教學要求，適當選取教材相關章節作為主要教學內容，通常可選擇第1～6章及第11章的相關內容。對于具有工業控制或數控技術背景的專業或教學需求，可適當增加第9章或第10章的相關內容。此外，本教材也可作為相關專業工程碩士的教材或參考書。
本書向使用本書作為教材的高校教師提供配套電子課件和部分習題參考答案，請登錄華信教育資源網注冊下載。
本書第1版自2011年出版以來，在編者所在學校及數十所高校作為“計算機控制系統”課程教材使用，取得了較好的效果，得到了廣大師生的較高評價。同時，也有部分熱心讀者和同學指出了本書存在的一些筆誤，或對不妥之處提出了疑問。第2版修訂在知識體系及章節安排上總體保持了第1版的框架，主要針對部分章節的內容進行了改寫、調整或適當補充，使得內容安排與相關論述上更具條理性與系統性。同時，對部分章節的例題與習題進行了調整與增補，使之與相關知識點更緊密結合，更利于讀者理解與鞏固相關知識。此外，還針對第1版中出現的一些筆誤與不妥之處進行了修訂。
本書是在編者所在的電子科技大學計算機控制系統教學團隊近20年來教學實踐的基礎上編寫的。本書的主要編寫人員多年來在計算機控制系統的教學與實際工程應用方面均積累了一定的實踐經驗，并力圖在教材的編寫思想與具體內容方面有所反映。本書由康波與李云霞共同編寫。康波具體負責編寫了第1、2、7、8、10、11章的全部內容及第4章、第6章的部分內容，并統編全書；李云霞具體負責編寫了第3、5、9章的全部內容及第4章、第6章的部分內容。作者所在教研室的有關教師和研究生也參與了本書的例題、習題資料的整理與相關圖表的繪制工作。
在本書編寫過程中，編者參考了大量與計算機控制理論相關的教材與專著，從中得到不少啟發，為本書的編寫提供了一定的支撐，編者對這些參考文獻的作者表示感謝。特別地，編者還要對指出本書第1版出現的筆誤或不妥之處的熱心讀者表示衷心感謝。同時，在本書的編寫過程中還得到了電子工業出版社相關領導與編輯的大力支持，在此一并致以謝意。
由于編者的知識水平與經驗有限，書中的錯誤與不妥之處在所難免，期望得到讀者的批評指正。
作 者
2015年2月
康波，1995年研究生畢業到電子科技大學自動化系任教至今，從事自動化及計算機技術等相關科研與教學工作，曾擔任控制科學與工程系主任等職，現任移動計算研究中心副主任。主要研究方向包括可穿戴計算、增強現實與可穿戴仿真、復雜系統的建模與優化等。
第1章 緒論 1
1.1 計算機控制系統概述 1
1.1.1 計算機控制系統的一般概念 1
1.1.2 計算機控制系統的主要特點 3
1.2 計算機控制系統的組成 4
1.2.1 計算機控制系統的硬件組成 4
1.2.2 計算機控制系統的軟件組成 5
1.3 計算機控制系統的典型應用形式 5
1.3.1 數據采集與操作指導系統 5
1.3.2 直接數字控制系統 6
1.3.3 監督計算機控制系統 6
1.3.4 計算機分級分布式控制系統 7
1.3.5 數據采集與監督控制系統 8
1.3.6 現場總線控制系統 9
1.4 計算機控制系統的發展概況 10 第1章 緒論 1
1.1 計算機控制系統概述 1
1.1.1 計算機控制系統的一般概念 1
1.1.2 計算機控制系統的主要特點 3
1.2 計算機控制系統的組成 4
1.2.1 計算機控制系統的硬件組成 4
1.2.2 計算機控制系統的軟件組成 5
1.3 計算機控制系統的典型應用形式 5
1.3.1 數據采集與操作指導系統 5
1.3.2 直接數字控制系統 6
1.3.3 監督計算機控制系統 6
1.3.4 計算機分級分布式控制系統 7
1.3.5 數據采集與監督控制系統 8
1.3.6 現場總線控制系統 9
1.4 計算機控制系統的發展概況 10
1.4.1 計算機控制系統的發展歷程 10
1.4.2 計算機控制系統的發展趨勢 11
1.5 計算機控制系統的理論與設計問題 12
1.5.1 計算機控制系統的理論問題 12
1.5.2 計算機控制系統的設計問題 13
本章小結 14
習題與思考題 14
第2章 計算機控制系統的信號變換 15
2.1 模/數變換與數/模變換 15
2.1.1 信號類型 15
2.1.2 A/D轉換器 16
2.1.3 D/A轉換器 17
2.1.4 A/D轉換與D/A轉換對系統性能
的影響 18
2.2 采樣過程的數學描述及特性分析 18
2.2.1 采樣過程的一般描述 18
2.2.2 采樣開關的數學描述 19
2.2.3 采樣信號的時域描述 20
2.2.4 采樣信號的頻域描述與頻域特性 21
2.2.5 采樣定理 22
2.3 信號的恢復與重構 24
2.3.1 信號的理想恢復過程 24
2.3.2 信號的非理想重構過程 26
2.3.3 零階保持器 26
2.3.4 后置濾波 28
2.4 信號的量化 28
本章小結 29
習題與思考題 30
第3章 計算機控制系統的數學描述 31
3.1 z變換理論 31
3.1.1 z變換的定義 31
3.1.2 z變換的方法 32
3.1.3 z變換的性質和定理 35
3.1.4 z反變換 37
3.1.5 廣義z變換 40
3.2 線性定常離散系統的差分方程 42
3.2.1 線性定常離散系統差分方程的
一般形式 42
3.2.2 線性定常差分方程的求解 42
3.3 z傳遞函數 43
3.3.1 z傳遞函數的概念 43
3.3.2 z傳遞函數與差分方程的關系 44
3.3.3 開環z傳遞函數 44
3.3.4 閉環z傳遞函數 47
3.3.5 計算機控制系統的輸出響應計算 48
3.4 離散狀態空間描述 49
3.4.1 線性定常離散系統的狀態空間模型
的建立 49
3.4.2 連續狀態方程的離散化 55
3.4.3 計算機控制系統的閉環狀態方程 58
本章小結 59
習題與思考題 59
第4章 計算機控制系統的經典分析方法 62
4.1 計算機控制系統的穩定性分析 62
4.1.1 s平面與z平面的關系 62
4.1.2 線性離散系統的穩定條件 64
4.1.3 線性離散系統穩定性的判斷 66
4.1.4 采樣周期對計算機控制系統穩定性
的影響 71
4.2 計算機控制系統穩態誤差分析 73
4.2.1 離散系統穩態誤差的定義 73
4.2.2 線性定常離散系統穩態誤差的
計算 73
4.2.3 干擾作用下的穩態誤差 77
4.2.4 A/D轉換器對穩態誤差的影響 77
4.2.5 采樣周期對穩態誤差的影響 78
4.3 計算機控制系統的響應特性分析 79
4.3.1 計算機控制系統的階躍響應分析 80
4.3.2 系統閉環極點分布與響應特性 82
4.4 z平面根軌跡分析法 84
4.4.1 z平面根軌跡繪制 84
4.4.2 z平面根軌跡分析 86
4.5 計算機控制系統的頻率特性分析法 87
4.5.1 線性定常離散系統頻率特性繪制
方法 87
4.5.2 線性定常離散系統頻率特性分析
方法 90
本章小結 92
習題與思考題 92
第5章 基于連續系統理論的數字控制器設計 94
5.1 基于連續系統理論的數字控制器設計
基本原理 94
5.1.1 連續域離散化設計基本思想 94
5.1.2 等效控制器De(s)的數學描述 94
5.1.3 數字控制器的設計步驟 96
5.2 連續控制器的離散化方法 96
5.2.1 脈沖響應不變法（z變換法） 96
5.2.2 階躍響應不變法 97
5.2.3 前向差分法 98
5.2.4 后向差分法 100
5.2.5 雙線性變換法 102
5.2.6 預修正雙線性變換法 105
5.2.7 零極點匹配法 106
5.2.8 各種離散化方法比較 107
5.3 數字控制器設計舉例 107
5.4 數字PID控制 110
5.4.1 PID控制的基本形式及數字化 111
5.4.2 數字PID控制算法 113
5.5 數字PID控制改進算法 114
5.5.1 抗積分飽和算法 114
5.5.2 微分算法的改進 115
5.6 數字PID控制參數整定 119
5.6.1 擴充臨界比例系數法 119
5.6.2 擴充響應曲線法 120
5.6.3 試湊法 120
5.7 史密斯預測補償控制 121
5.7.1 史密斯補償原理 121
5.7.2 純滯后補償的數字實現 123
本章小結 124
習題與思考題 125
第6章 數字控制器z域直接設計方法 126
6.1 基于z傳遞函數設計的基本原理 126
6.1.1 數字控制器D(z)的一般形式 126
6.1.2 對期望閉環傳遞函數 (z)
的約束 127
6.1.3 基于z傳遞函數設計一般步驟 128
6.2 最少拍控制系統設計 129
6.2.1 特殊對象的最少拍控制系統
設計 129
6.2.2 一般對象的最少拍控制系統
設計 133
6.3 最少拍無紋波控制系統設計 136
6.4 最少拍控制系統的改進設計 139
6.4.1 慣性因子法 139
6.4.2 非最少的有限拍控制 139
6.5 擾動作用下最少拍控制系統設計 140
6.5.1 針對擾動作用的設計 140
6.5.2 抑制擾動作用的設計 141
6.6 大林算法設計 143
6.6.1 大林算法基本原理 143
6.6.2 大林算法數字控制器的一般形式 144
6.6.3 振鈴現象的消除方法 146
6.7 復合控制系統設計 148
6.7.1 反饋控制中的擾動作用 148
6.7.2 復合控制系統基本形式與設計
步驟 148
6.8 z平面根軌跡設計 151
6.9 數字控制器的頻域設計 153
6.9.1 w變換 153
6.9.2 基于w變換的頻域設計法 155
本章小結 159
習題與思考題 159
第7章 計算機控制系統的狀態空間分析 161
7.1 離散狀態方程的解 161
7.1.1 遞推法 161
7.1.2 z變換法 163
7.2 z傳遞函數矩陣與特征方程 164
7.2.1 矩陣的特征值 164
7.2.2 z傳遞函數矩陣 165
7.2.3 離散系統的特征方程 165
7.3 李亞普洛夫穩定性分析 167
7.3.1 李亞普洛夫意義下的穩定性
概念 167
7.3.2 李亞普洛夫第二法主要定理 168
7.3.3 線性定常連續系統漸近穩定
判據 170
7.3.4 離散時間系統李亞普洛夫穩定性
判據 170
7.4 可控性與可觀性 174
7.4.1 可控性 174
7.4.2 輸出可控性 177
7.4.3 可觀性 178
7.4.4 可控性、可觀性與z傳遞函數的
關系 181
7.4.5 采樣系統可控可觀性與采樣周期
的關系 182
7.5 可控標準型與可觀標準型 183
7.5.1 z傳遞函數與可控標準型 183
7.5.2 z傳遞函數與可觀標準型 184
7.5.3 通過線性變換構造可控標準型 184
7.5.4 通過線性變換構造可觀標準型 186
本章小結 187
習題與思考題 188
第8章 計算機控制系統的狀態空間設計 190
8.1 狀態反饋設計 190
8.1.1 狀態反饋系統結構及其特性 190
8.1.2 狀態反饋與極點配置 192
8.1.3 單輸入系統狀態反饋極點配置
設計 193
8.1.4 多輸入系統狀態反饋極點配置
設計 196
8.1.5 有限拍控制 197
8.2 輸出反饋設計 197
8.2.1 輸出反饋的結構形式與特點 198
8.2.2 輸出反饋與極點配置 199
8.3 狀態觀測器設計 200
8.3.1 開環狀態觀測器 200
8.3.2 閉環狀態觀測器設計 201
8.3.3 降維觀測器設計 206
8.3.4 有限拍觀測器 207
8.4 帶狀態觀測器的狀態反饋設計 208
8.4.1 帶觀測器的狀態反饋控制系統的
一般結構 208
8.4.2 帶觀測器的狀態反饋控制系統設計
的分離性原理 209
8.4.3 帶觀測器的狀態反饋控制系統
設計原則 210
8.4.4 帶觀測器的狀態反饋控制系統
的控制器 210
8.4.5 設計舉例 212
本章小結 215
習題與思考題 21
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