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第1章 绪论1

1.1计算机控制系统概述1

1.1.1计算机控制系统的一般概念1

1.1.2计算机控制系统的主要特点3

1.2计算机控制系统的组成3

1.2.1计算机控制系统的硬件组成4

1.2.2计算机控制系统的软件组成5

1.3计算机控制系统的典型应用形式5

1.3.1数据采集与操作指导系统5

1.3.2直接数字控制系统6

1.3.3监督计算机控制系统6

1.3.4计算机分级分布式控制系统7

1.3.5数据采集与监督控制系统8

1.3.6现场总线控制系统8

1.4计算机控制系统的发展概况9

1.4.1计算机控制系统的发展历程9

1.4.2计算机控制系统的发展趋势10

1.5计算机控制系统的理论与设计问题11

1.5.1计算机控制系统的理论问题11

1.5.2计算机控制系统的设计问题12

本章小结13

习题与思考题13

第2章 计算机控制系统的信号变换14

2.1模／数变换与数／模变换14

2.1.1信号类型14

2.1.2 A/D转换器14

2.1.3 D/A转换器16

2.1.4 A/D转换与D/A转换对系统性能的影响16

2.2采样过程的数学描述及特性分析17

2.2.1采样过程的一般描述17

2.2.2采样开关的数学描述17

2.2.3采样信号的时域描述18

2.2.4采样信号的频域描述与频域特性19

2.2.5采样定理21

2.3信号的恢复与重构22

2.3.1信号的理想恢复过程23

2.3.2信号的非理想重构过程24

2.3.3零阶保持器24

2.3.4后置滤波26

2.4信号的量化26

本章小结27

习题与思考题28

第3章 计算机控制系统的数学描述29

3.1 z变换理论29

3.1.1 z变换的定义29

3.1.2 z变换的方法29

3.1.3 z变换的性质和定理33

3.1.4 z反变换35

3.2差分方程37

3.2.1差分方程的一般形式37

3.2.2差分方程的求解37

3.3 z传递函数38

3.3.1 z传递函数的概念38

3.3.2 z传递函数与差分方程的关系38

3.3.3开环z传递函数39

3.3.4闭环z传递函数41

3.3.5计算机控制系统的输出响应计算41

3.4离散状态空间描述43

3.4.1线性定常离散系统的状态空间模型的建立43

3.4.2连续状态方程的离散化49

3.4.3计算机控制系统的闭环状态方程50

本章小结52

习题与思考题52

第4章 计算机控制系统的经典分析方法54

4.1计算机控制系统的稳定性分析54

4.1.1 s平面与z平面的关系54

4.1.2计算机控制系统稳定性条件56

4.1.3计算机控制系统稳定性的判断57

4.1.4采样周期与开环增益对稳定性的影响62

4.2计算机控制系统稳态误差分析64

4.2.1计算机控制系统稳态误差的定义64

4.2.2计算机控制系统稳态误差的计算64

4.2.3干扰作用下的稳态误差67

4.2.4 A/D转换器对稳态误差的影响67

4.2.5采样周期对稳态误差的影响68

4.3计算机控制系统的响应特性分析69

4.4 z平面根轨迹分析法70

4.4.1 z平面根轨迹绘制70

4.4.2 z平面根轨迹分析71

4.5计算机控制系统的频率特性分析法72

4.5.1计算机控制系统频率特性绘制方法72

4.5.2计算机控制系统频率特性分析方法75

本章小结76

习题与思考题77

第5章 基于连续系统理论的数字控制器设计78

5.1基于连续系统理论的数字控制器设计基本原理78

5.1.1连续域离散化设计基本思想78

5.1.2等效控制器De（s）的数学描述79

5.1.3数字控制器的设计步骤80

5.2连续控制器的离散化方法80

5.2.1脉冲响应不变法（z变换法）80

5.2.2阶跃响应不变法81

5.2.3前向差分法82

5.2.4后向差分法83

5.2.5双线性变换法85

5.2.6预畸变双线性变换法87

5.2.7零极点匹配法88

5.3数字PID控制91

5.3.1 PID控制的基本形式及数字化91

5.3.2数字PID控制算法93

5.4数字PID控制改进算法94

5.4.1抗积分饱和算法94

5.4.2微分算法的改进95

5.5数字PID控制参数整定98

5.5.1扩充临界比例系数法98

5.5.2扩充响应曲线法99

5.5.3试凑法99

5.6史密斯预测补偿控制100

5.6.1史密斯补偿原理100

5.6.2纯滞后补偿的数字实现101

本章小结103

习题与思考题103

第6章 数字控制器z域直接设计方法104

6.1基于z传递函数解析设计的基本原理104

6.1.1数字控制器D（z）的一般形式104

6.1.2解析设计对期望闭环传递函数Φ（z）的约束105

6.1.3基于z传递函数解析设计一般步骤106

6.2最少拍控制系统设计106

6.2.1特殊对象的最少拍控制系统设计106

6.2.2一般对象的最少拍控制系统设计110

6.3最少拍无纹波控制系统设计112

6.4最少拍控制系统的改进设计114

6.4.1惯性因子法114

6.4.2非最少的有限拍控制114

6.5扰动作用下最少拍控制系统设计115

6.5.1针对扰动作用的设计116

6.5.2抑制扰动作用的设计116

6.6大林算法设计118

6.6.1大林算法基本原理118

6.6.2大林算法数字控制器的一般形式119

6.6.3振铃现象的消除方法121

6.7复合控制系统设计122

6.7.1反馈控制中的扰动作用123

6.7.2复合控制系统基本原理123

6.7.3复合控制系统设计步骤124

6.8 z平面根轨迹设计124

6.9数字控制器的频域设计127

6.9.1 w变换127

6.9.2基于w变换的频域设计法129

本章小结132

习题与思考题132

第7章 计算机控制系统的状态空间分析134

7.1离散状态方程的解134

7.1.1递推法134

7.1.2 z变换法136

7.2 z传递函数矩阵与特征方程137

7.2.1矩阵的特征值137

7.2.2 z传递函数矩阵138

7.2.3离散系统的特征方程138

7.3李亚普洛夫稳定性分析139

7.3.1李亚普洛夫意义下的稳定性概念139

7.3.2李亚普洛夫第二法主要定理141

7.3.3线性定常连续系统渐近稳定判据142

7.3.4离散时间系统李亚普洛夫稳定性判据143

7.4可控性与可观性146

7.4.1可控性147

7.4.2输出可控性149

7.4.3可观性150

7.4.4可控性、可观性与z传递函数的关系153

7.4.5采样系统可控可观性与采样周期的关系154

7.5可控标准型与可观标准型155

7.5.1 z传递函数与可控标准型155

7.5.2 z传递函数与可观标准型156

7.5.3通过线性变换构造可控标准型156

7.5.4通过线性变换构造可观标准型158

本章小结159

习题与思考题160

第8章 计算机控制系统的状态空间设计162

8.1状态反馈设计162

8.1.1状态反馈系统结构及其特性162

8.1.2状态反馈与极点配置164

8.1.3单输入系统状态反馈极点配置设计164

8.1.4多输入系统状态反馈极点配置设计167

8.1.5有限拍控制168

8.2输出反馈设计169

8.2.1输出反馈的结构形式与特点169

8.2.2输出反馈与极点配置170

8.3状态观测器设计171

8.3.1开环状态观测器171

8.3.2闭环状态观测器设计172

8.3.3降维观测器设计176

8.3.4有限拍观测器178

8.4带状态观测器的状态反馈设计179

8.4.1带观测器的状态反馈控制系统的一般结构179

8.4.2带观测器的状态反馈控制系统设计的分离性原理180

8.4.3带观测器的状态反馈控制系统设计原则180

8.4.4带观测器的状态反馈控制系统的控制器181

8.4.5设计举例182

本章小结185

习题与思考题185

第9章 分级分布式计算机控制系统188

9.1分级分布式计算机控制系统基本原理188

9.1.1分级分布式计算机控制系统的产生188

9.1.2分级分布式计算机控制系统的组成原理190

9.1.3分级分布式计算机控制系统的评价192

9.2集散控制系统193

9.2.1集散控制系统的概念和特点194

9.2.2集散控制系统的层次结构194

9.2.3集散控制系统的基本控制器197

9.2.4集散控制系统的数据通信198

9.2.5集散控制系统的组态原理200

9.2.6集散控制系统的发展概况204

9.3现场总线控制系统205

9.3.1现场总线控制系统概述205

9.3.2现场总线控制系统的体系结构207

9.3.3现场总线控制系统与集散控制系统的比较208

9.3.4几种典型的现场总线209

本章小结214

习题与思考题215

第10章 计算机数值控制系统216

10.1计算机数值控制基础216

10.1.1计算机数值控制的基本概念216

10.1.2数值控制基本原理217

10.1.3计算机数值控制系统一般组成218

10.1.4计算机数值控制系统的控制结构219

10.1.5数值控制系统的控制方式220

10.2逐点比较法插补原理220

10.2.1逐点比较法直线插补原理220

10.2.2逐点比较法圆弧插补原理224

10.2.3八方向逐点比较法线性插值229

10.3步进电机的控制技术230

10.3.1步进电机工作原理230

10.3.2步进电机的计算机控制231

本章小结235

习题与思考题235

第11章 计算机控制系统的设计与实现237

11.1计算机控制系统的设计原则与步骤237

11.1.1计算机控制系统设计的一般原则237

11.1.2计算机控制系统的设计步骤239

11.2过程输入／输出通道设计242

11.2.1模拟量输入通道242

11.2.2模拟量输出通道248

11.2.3开关量（数字量）输入通道250

11.2.4开关量（数字量）输出通道251

11.3数字信号调理252

11.3.1数字滤波252

11.3.2非线性补偿254

11.3.3标度变换255

11.4数字控制器算法设计与实现256

11.4.1计算延时与控制算法设计256

11.4.2数字控制器D（z）的算法设计与实现258

11.4.3状态空间描述控制器算法设计与实现262

11.4.4控制算法中比例因子的设置264

11.5量化效应分析265

11.5.1计算机控制系统中量化误差来源265

11.5.2变量的量化误差分析266

11.5.3参数的量化误差分析269

11.5.4量化效应的非线性分析271

11.6采样周期选择274

11.6.1采样周期选择的一般考虑274

11.6.2采样周期选择的经验规则276

11.7计算机控制系统的抗干扰技术276

11.7.1干扰源276

11.7.2干扰的作用形式277

11.7.3串模干扰的抑制278

11.7.4共模干扰的抑制278

11.7.5长线传输干扰的抑制280

11.7.6电源系统的抗干扰措施280

11.7.7接地系统的抗干扰措施281

11.8计算机控制系统的可靠性设计282

11.8.1计算机控制系统可靠性设计的一般原则282

11.8.2计算机控制系统的硬件可靠性设计283

11.8.3计算机控制系统的软件可靠性设计284

本章小结287

习题与思考题288

参考文献289