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第1章 计算机控制概论1

1.1 典型的计算机控制系统2

1.2 计算机控制系统的分类9

1.3 计算机控制系统的结构和组成13

1.3.1 控制对象16

1.3.2 执行器17

1.3.3 测量环节18

1.3.4 数字调节器及输入、输出通道19

1.4 计算机控制系统的性能及其指标27

1.4.1 计算机控制系统的稳定性27

1.4.2 计算机控制系统的能控性和能观测性28

1.4.3 动态指标28

1.4.4 稳态指标29

1.4.5 综合指标30

1.5 对象特性对控制性能的影响31

1.5.1 对象放大系数对控制性能的影响32

1.5.2 对象的惯性时间常数对控制性能的影响32

1.5.3 对象的纯滞后时间对控制性能的影响32

1.6 计算机控制研究的课题32

1.7 计算机控制的发展方向34

1.8 计算机控制的发展前景35

1.9 练习题37

第2章 线性离散系统的Z变换分析法38

2.1 概述38

2.1.1 线性离散系统的数学描述和分析方法38

2.1.2 差分方程的解法40

2.2 Z变换41

2.2.1 Z变换的定义41

2.2.2 Z变换的性质和定理43

2.3 Z反变换46

2.3.1 部分分式法46

2.3.2 长除法47

2.3.3 留数计算法48

2.4 用Z变换求解差分方程49

2.5 Z传递函数50

2.5.1 Z传递函数的定义50

2.5.2 连续环节（或系统）的离散化51

2.5.3 Z传递函数的性质55

2.5.4 用Z传递函数来分析离散系统的过渡过程特性61

2.5.5 用Z传递函数来分析离散系统的误差特性62

2.6 线性离散系统的稳定性分析65

2.6.1 S平面与Z平面的映射关系65

2.6.2 线性离散系统的稳定域66

2.6.3 线性离散系统的稳定判据67

2.7 线性离散系统的性能分析72

2.8 线性离散系统的根轨迹分析法74

2.8.1 根轨迹分析法74

2.8.2 开环零点、极点的分布对根轨迹的影响79

2.8.3 Z平面上的等阻尼比线及其应用79

2.9 线性离散系统的频率特性分析法81

2.9.1 极坐标法81

2.9.2 对数频率特性法83

2.10 练习题85

第3章 线性离散系统的离散状态空间分析法90

3.1 概述90

3.2 线性离散系统的离散状态空间表达式90

3.2.1 由差分方程导出离散状态空间表达式91

3.2.2 由Z传递函数建立离散状态空间表达式95

3.3 线性离散系统离散状态方程的求解105

3.4 线性离散系统的Z传递矩阵107

3.5 线性离散系统的Z特征方程109

3.6 计算机控制系统的离散状态空间表达式110

3.7 用离散状态空间法分析系统的稳定性114

3.8 练习题115

第4章 计算机控制系统的离散化设计118

4.1 有限拍设计概述118

4.2 有限拍调节器的设计123

4.3 采样频率的选择125

4.4 有限拍无纹波设计127

4.5 有限拍设计的改进132

4.6 扰动系统的有限拍设计137

4.7 有限拍设计的小结139

4.8 W变换设计法140

4.9 根轨迹设计法143

4.10 练习题144

第5章 计算机控制系统的模拟化设计147

5.1 概述147

5.2 对数频率特性法校正148

5.3 数字PID控制150

5.4 数字PID控制的改进155

5.4.1 积分分离PID控制算法156

5.4.2 不完全微分PID算法157

5.4.3 微分先行PID算法159

5.4.4 带死区的PID控制160

5.5 数字PID调节器参数的整定161

5.5.1 PID调节器参数对控制性能的影响161

5.5.2 采样周期T的选择164

5.5.3 扩充临界比例度法选择PID参数165

5.5.4 扩充响应曲线法选择PID参数166

5.5.5 PID归一参数的整定法166

5.5.6 变参数的PID控制167

5.6 数字PID调节器参数的自寻最优控制168

5.6.1 性能指标的选择168

5.6.2 寻优方法169

5.6.3 自寻最优数字调节器的设计170

5.7 练习题171

第6章 模糊控制173

6.1 概述173

6.2 模糊逻辑的基本概念173

6.3 模糊逻辑控制器的设计方法175

6.4 模糊控制器的动态特性177

6.5 用于机械手的混合模糊控制系统181

6.6 模糊控制器的优化方法187

6.7 基于行为分类的模糊控制器的设计方法192

6.8 小结198

6.9 练习题198

第7章 离散状态空间设计法199

7.1 概述199

7.2 离散系统的能控性和能观测性199

7.2.1 离散系统的能控性200

7.2.2 离散系统的能观测性202

7.3 离散状态空间设计法205

7.4 最小能量控制系统的设计215

7.5 离散二次型指标的最优控制219

7.6 离散系统的最大值原理223

7.7 离散时间线性调节器224

7.8 几个矩阵运算的结果226

7.9 练习题226

第8章 复杂规律计算机控制系统的设计228

8.1 串级控制228

8.1.1 串级控制系统的组成和工作原理228

8.1.2 串级控制系统的特点230

8.1.3 串级控制系统的应用范围233

8.1.4 计算机串级控制系统235

8.1.5 串级控制系统的设计原则237

8.1.6 串级主控和副控调节器的选择237

8.1.7 副控回路微分先行串级控制系统239

8.1.8 多回路串级控制系统241

8.2 前馈控制242

8.2.1 前馈控制的工作原理242

8.2.2 前馈控制的类型244

8.2.3 计算机前馈控制250

8.2.4 多变量前馈控制253

8.2.5 前馈控制的设计原则256

8.2.6 前馈调节器参数的整定257

8.3 纯滞后对象的控制259

8.3.1 大林算法259

8.3.2 纯滞后补偿控制263

8.4 多变量解耦控制273

8.4.1 解耦控制原理273

8.4.2 多变量解耦控制的综合方法275

8.4.3 计算机多变量解耦控制278

8.4.4 计算机多变量解耦控制举例282

8.5 其他复杂规律控制系统的简介289

8.5.1 比值控制289

8.5.2 均匀控制291

8.5.3 分程控制292

8.5.4 自动选择性控制293

8.6 练习题295

第9章 集散型控制系统297

9.1 概述297

9.1.1 典型的集散型控制系统297

9.1.2 集散型控制系统的特点309

9.1.3 集散型控制系统的发展概况311

9.2 典型的集散型控制系统简介313

9.2.1 山武-霍尼威尔的TDCS-2000系统313

9.2.2 美国贝利控制公司的NETWORK-90322

9.2.3 德国西门子公司TELEPERM M集散型控制系统332

9.2.4 新型的集散型信息管理控制系统TDCS-3000338

9.3 集散型控制系统的可靠性340

9.3.1 可靠性指标340

9.3.2 加强硬件质量管理提高系统的利用率341

9.3.3 由系统的结构提高系统的利用率344

9.3.4 系统的利用率346

9.4 集散型控制系统数据通信概要349

9.4.1 概述349

9.4.2 局域网络通信协议简介352

9.4.3 工业控制局域网络的选型356

9.5 集散型控制系统的应用357

9.5.1 TDCS-2000在蒸馏塔最优化系统中的应用357

9.5.2 TDCS-2000在钢铁燃烧炉上的应用358

9.5.3 TDCS-2000用于锅炉控制363

9.6 练习题368

第10章 计算机控制系统的设计与实现369

10.1 总体设计概述369

10.2 体系结构设计、系统总线选择和计算机机型选择370

10.3 输入、输出通道设计概要375

10.3.1 模拟量输入模板TH-IPC-7401376

10.3.2 模拟量输出模板TH-IPC-7410382

10.3.3 数字量输入模板TH-IPC-7601383

10.3.4 数字量输出模板TH-IPC-7600384

10.3.5 信号调理模板TH-IPC-7431384

10.3.6 继电器输出模板TH-IPC-7620386

10.4 工业控制机提高可靠性的措施386

10.4.1 系统的结构设计386

10.4.2 元器件的选择，老化筛选388

10.4.3 信号、电源、接地的抗干扰措施389

10.4.4 感性负载回路的抗干扰措施390

10.4.5 多重化结构技术390

10.4.6 信号隔离技术393

10.4.7 看门狗（Watchdog）及电源掉电检测技术404

10.4.8 软件设计的可靠性措施405

10.5 数字调节器的计算机实现406

10.5.1 直接实现法406

10.5.2 直接实现的正则形式Ⅰ407

10.5.3 直接实现的正则形式Ⅱ407

10.5.4 串接实现法409

10.5.5 并接实现法409

10.5.6 数字调节器实现方法小结410

10.6 数学模型的转换411

10.6.1 传递函数与Z传递函数间的相互转换412

10.6.2 微分方程转换为差分方程——差分变换法419

10.6.3 连续与离散状态方程的相互转换420

10.7 控制系统的计算机辅助设计、计算和数字仿真423

10.7.1 控制系统的计算机辅助设计423

10.7.2 计算机的辅助计算430

10.7.3 控制系统的数字仿真433

10.8 计算机控制程序设计概要443

10.8.1 程序设计的功能要求443

10.8.2 结构程序设计443

10.9 计算机控制系统的设计445

10.9.1 农药生产过程的计算机控制445

10.9.2 智能移动机器人的设计与实现456

10.10 练习题459

附录A 拉氏变换及Z变换表461

参考文献464