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计算机控制技术

自动化

《计算机控制技术》教材、参考书库

第一版

李伟波

2010-3-1

《计算机控制技术》教材及参考书库

课程编号：

13209203

学时：

44（其中理论36学时，实验8学时）

学分：

2.5

课程类别：

专业必修课

面向对象：

自动化专业本科学生

课程英文名称：

ComputerControlTechnology

教材库：

[1]席爱民编著．《计算机控制系统》．北京：

高等教育出版社．2004

【教育科学“十五”国家规划课题研究成果】

内容简介

该书为“教育科学‘十五’国家规划课题研究成果”。

从工程的角度出发，系统地介绍计算机控制系统的最基本理论，重点突出，简明易懂。

与MATLAB紧密结合。

书中的每道例题都经过MATLAB仿真并给出仿真结果，具有严谨性和可信性。

该书从第2章开始讨论计算机控制系统中信号的类型，并通过对离散信号的频谱分析弓i出采样定理。

第3章介绍计算机控制系统的数学基础——z变换。

重点介绍z变换定义及其重要性质和定理。

第4章讲述计算机控制系统的数学描述及脉冲传递函数，弓l出描述离散系统的差分方程及脉冲传递函数的概念，讨论离散系统方框图变换方法。

第5章介绍计算机控制系统特性分析及系统稳定性判定方法。

第6章、第7章讨论有关数字控制器设计问题。

第6章讲述连续域一离散化设计方法，即在已设计出连续控制器后，采用适当的方法将连续控制器离散化。

本章对一些离散化方法作了重点讨论，同时，还对当前用得较多的数字PID控制器的设计进行了详细的研究，讨论了改进方法。

第7章讲述直接离散化设计方法。

它是根据所要求的性能指标以及过程的脉冲传递函数，直接设计出数字控制器。

这种设计方法目前正在大力探讨和发展。

另外，还讲述了快速对象的最少拍控制系统的设计以及具有大惯性、纯滞后被控对象的慢速系统的设计，对一些有效的预估控制决策进行了探讨。

第8章介绍数字控制器的实现问题，根据实现方框图，可以编写控制程序。

第8章的内容，是学习第9章内容的基础。

第9章讲述计算机控制系统的状态空间分析方法和有限拍系统设计。

该书适用于高等院校电气信息类专业，也可供职业技术学院、专科学校、成人高校相关专业学生参考。

目录

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

3.1Z变换定义35

3.1.1Z变换定义及表达式35

3.1.2简单函数的Z变换37

3.2Z变换的重要性质和定理43

3.3Z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

5.1.2S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

6.3.3PID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

[2]于海生编著．《计算机控制技术》．北京：

机械工业出版社．2008

【普通高等教育“十一五”国家级规划教材】

内容简介

该书是“十一五”国家级规划教材。

教材以主流机型ISA/PCI总线工业控制机或IBM-PC系列微型计算机为控制工具，系统地阐述了计算机控制系统的设计和工程实现方法。

全书共分9章。

第1章是绪论，介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型型式、计算机控制系统的发展概况和趋势；第2章讨论了计算机控制系统的硬件设计技术；第3章讨论了数字控制技术，重点介绍了逐点比较法插补原理、多轴步进驱动控制技术和多轴伺服驱动控制技术；第4章讨论了常规及复杂控制技术，主要介绍了数字控制器的各种控制算法；第5章讨论了现代控制技术，主要介绍了采用状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计法；第6章讨论了先进控制技术，重点介绍了模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术和预测控制技术；第7章讨论了计算机控制系统的软件设计技术；第8章讨论了分布式测控网络技术；第9章讨论了计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出了设计实例。

全书内容丰富，体系新颖，理论联系实际，系统性和实践性强。

该书可作为高等院校各类自动化、电子与电气工程、计算机应用、机电一体化等专业高年级本科生的教材，也可供有关技术人员参考和自学。

目录

前言

第1章绪论

　1.1计算机控制系统概述

　　1.1.1自动控制系统

　　1.1.2计算机控制系统

　　1.1.3计算机控制系统的组成

　　1.1.4常用的计算机控制系统主机

　1.2计算机控制系统的典型型式

　　1.2.1操作指导控制系统

　　1.2.2直接数字控制系统

　　1.2.3监督控制系统

　　1.2.4集散控制系统

　　1.2.5现场总线控制系统

　　1.2.6综合自动化系统

　1.3计算机控制系统的发展概况和趋势

　　1.3.1计算机控制系统的发展概况

　　1.3.2计算机控制系统的发展趋势

　习题

第2章计算机控制系统的硬件设计技术

　2.1总线技术

.　　2.1.1总线的定义、层次结构及种类

　　2.1.2PC/ISA/EISA总线简介

　　2.1.3PCI/CompactPCI总线简介

　　2.1.4其它总线简介

　　2.1.5串行外部总线简介

　2.2总线扩展技术

　　2.2.1微型计算机系统VO端口与地址分配

　　2.2.2I/O端口地址译码技术

　　2.2.3基于ISA总线端口扩展

　2.3数字量输入输出接口与过程通道

　　2.3.1数字量输入输出接口技术

　　2.3.2数字量输入通道

　　2.3.3数字量输出通道

　　2.3.4数字（开关）量输入/输出通道模板举例

　2.4模拟量输入接口与过程通道

　　2.4.1模拟量输入通道的组成

　　2.4.2信号调理和VV变换

　　2.4.3多路转换器

　　2.4.4采样、量化及采样/保持器

　　2.4.5A/D转换器及其接口技术

　　2.4.6模拟量输入通道模板举例

　2.5模拟量输出接口与过程通道

　　2.5.1模拟量输出通道的结构型式

　　2.5.2D/A转换器及其接口技术

　　2.5.3单极性与双极性电压输出电路

　　2.5.4V/I变换

　　2.5.5模拟量输出通道模板举例

　2.6基于串行总线的计算机控制系统硬件技术

　　2.6.1智能远程U0模块

　　2.6.2智能调节器

　　2.6.3可编程序控制器（PLC）

　　2.6.4运动控制器

　2.7硬件抗干扰技术

　　2.7.1过程通道抗干扰技术

　　2.7.2主机抗干扰技术

　　2.7.3系统供电与接地技术

　习题

第3章数字控制技术

　3.1数字控制基础

　　3.1.1数控技术发展概况

　　3.1.2数字控制原理

　　3.1.3数字控制方式

　　3.1.4数字控制系统

　　3.1.5数控系统的分类

　3.2逐点比较法插补原理

　　3.2.1逐