微型计算机控制技术（第3版）

l  于海生教授主编的《微型计算机控制技术（第3版）》是“十二五”*规划教材、国家精品课程和精品资源共享课程教材、高等院校信息技术规划教材、高等教育面向二十一世纪教学内容和课程体系改革计划立项教材，曾获全国普通高等学校优秀教材二等奖。l  重印近40次，发行40余万册，已被两百余所高校选作教材，使用效果极好，是微型计算机控制课程的经典教材。l  本书为第3版，主要是基于计算机控制技术的发展，利用工业界、科技界和教育界所取得的经验对第2版进行了修订。教材以主流机型ISA/PCI/PCI-E总线工业控制机为控制工具，系统地阐述了计算机控制系统的设计技术与工程实现方法。l  全书内容丰富，体系新颖，理论联系实际，实践性、工程性、系统性、集成性强，可作为高等院校自动化类、电气类、电子信息类、计算机类、机械类、仪器类等专业本科生的教材，也可供有科技人员参考。l  本书已建设MOOC课程资源，在清华大学出版社的数字教学平台www.izhixue.cn已经上线。 

本书是普通高等教育“十二五”*规划教材、*精品课程教材、*精品资源共享课程教材、高等院校信息技术规划教材。本书以主流机型ISA/PCI/PCIE总线工业控制机为控制工具，系统地阐述了计算机控制系统的设计技术与工程实现方法。全书分9章，内容包括计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势，计算机控制系统的输入输出接口与过程通道，数字控制技术，常规及复杂控制技术，现代控制技术，应用程序设计与实现技术，HMI/SCADA技术与监控组态软件，分布式测控网络技术，计算机控制系统设计与实现。全书内容丰富，体系新颖，理论联系实际，实践性、工程性、系统性、集成性强。
本书可作为高等院校自动化类、电气类、电子信息类、计算机类、机械类、仪器类等专业高年级本科生的教材，也可作为相关学科专业低年级研究生的教材，还可供有关科技人员参考。
本书配有电子教案，欢迎选用本书作教材的老师索取，索取邮箱: [email protected]，也可以在清华大学出版社网站下载。

目录Contents

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2

1.1.2计算机控制系统的组成3

1.1.3常用的计算机控制系统主机3

1.2计算机控制系统的典型形式5

1.2.1操作指导控制系统5

1.2.2直接数字控制系统6

1.2.3监督控制系统6

1.2.4集散控制系统7

1.2.5现场总线控制系统8

1.2.6综合自动化系统8

1.3工业控制机的组成结构及特点9

1.3.1工业控制机的组成9

1.3.2工业控制机的总线结构11

1.3.3工业控制机的特点20

1.4计算机控制系统的发展概况和趋势21

1.4.1计算机控制系统的发展概况21

1.4.2计算机控制系统的发展趋势24

习题25

第2章输入输出接口与过程通道26

2.1总线接口扩展技术26

2.1.1系统总线接口扩展技术26

2.1.2外部总线接口扩展技术32

2.2输入输出接口与过程通道设计原理35

2.2.1数字量输入接口与过程通道35

2.2.2数字量输出接口与过程通道38

2.2.3模拟量输入接口与过程通道40

2.2.4模拟量输出接口与过程通道52

2.3基于系统总线的计算机控制系统硬件设计58

2.3.1基于系统总线的硬件设计方案58

2.3.2系统总线板卡58

2.4基于外部总线的计算机控制系统硬件设计64

2.4.1基于外部总线的硬件设计方案65

2.4.2远程I/O模块65

2.4.3其他测控装置69

2.5硬件抗干扰技术74

2.5.1过程通道抗干扰技术75

2.5.2主机抗干扰技术81

2.5.3系统供电与接发技术84

习题89

第3章数字控制技术90

3.1数字控制基础90

3.1.1数控技术发展概况90

3.1.2数字控制原理91

3.1.3数字控制方式92

3.1.4数字控制系统93

3.1.5数控系统的分类94

3.2运动轨迹插补原理95

3.2.1逐点比较法的直线插补96

3.2.2逐点比较法圆弧插补100

3.2.3数字积分插补法104

3.3进给速度与加减速控制109

3.3.1进给速度控制109

3.3.2加减速控制110

3.4电机驱动控制与位置伺服系统114

3.4.1电机驱动控制方式114

3.4.2位置伺服系统121

3.5多轴运动控制技术125

3.5.1PC 运动控制器/运动控制卡硬件方案125

3.5.2软件系统设计126

3.5.3数控系统设计举例——基于PC的多轴运动控制129

习题132

第4章常规及复杂控制技术133

4.1控制系统的性能指标133

4.1.1稳态性能指标133

4.1.2动态性能指标134

4.1.3抗干扰性能134

4.1.4对控制作用的限制134

4.2数字控制器的连续化设计技术135

4.2.1数字控制器的连续化设计步骤135

4.2.2数字PID控制器的设计138

4.2.3数字PID控制器的改进141

4.2.4数字PID控制器的参数整定146

4.3数字控制器的离散化设计技术151

4.3.1数字控制器的离散化设计步骤151

4.3.2根轨迹法152

4.3.3最少拍控制器的设计153

4.3.4最少拍有纹波控制器的设计157

4.3.5最少拍无纹波控制器的设计161

4.4纯滞后控制技术164

4.4.1施密斯预估控制164

4.4.2达林算法167

4.5串级控制技术171

4.5.1串级控制的结构和原理171

4.5.2数字串级控制算法172

4.5.3副回路微分先行串级控制算法172

4.6前馈反馈控制技术174

4.6.1前馈控制的结构和原理174

4.6.2前馈反馈控制结构175

4.6.3数字前馈反馈控制算法177

4.7解耦控制技术178

4.7.1解耦控制原理180

4.7.2数字解耦控制算法182

4.8模糊控制技术183

4.8.1模糊控制的数学基础183

4.8.2模糊控制原理188

4.8.3模糊控制器设计192

习题198

第5章现代控制技术200

5.1采用状态空间的输出反馈设计法200

5.1.1连续状态方程的离散化201

5.1.2最少拍无纹波系统的跟踪条件201

5.1.3输出反馈设计法的设计步骤202

5.2采用状态空间的极点配置设计法205

5.2.1按极点配置设计控制规律206

5.2.2按极点配置设计状态观测器208

5.2.3按极点配置设计控制器212

5.2.4跟踪系统设计216

5.3采用状态空间的最优化设计法218

5.3.1LQ最优控制器设计219

5.3.2状态最优估计器设计223

5.3.3LQG最优控制器设计227

5.3.4跟踪系统的设计228

习题229

第6章应用程序设计与实现技术230

6.1程序设计技术230

6.1.1模块化与结构化程序设计230

6.1.2面向过程与面向对象的程序设计232

6.1.3高级语言I/O控制台编程233

6.2测量数据预处理技术234

6.2.1误差自动标准234

6.2.2线性化处理和非线性补偿236

6.2.3标度变换方法237

6.2.4越限报警处理238

6.2.5量化误差来源239

6.2.6A/D、D/A及运算字长的选择241

6.3数字控制器的工程实现242

6.3.1给定值和被控量处理243

6.3.2偏差处理244

6.3.3控制算法的实现245

6.3.4控制量处理246

6.3.5自动/手动切换247

6.4软件抗干扰技术248

6.4.1数字滤波技术248

6.4.2开关量的软件抗干扰技术251

6.4.3指令冗余技术251

6.4.4软件陷阱技术252

习题252

第7章人机接口技术与监控组态软件254

7.1人机接口技术254

7.1.1HMI/SCADA的含义254

7.1.2基于VB/VC 语言设计人机交互界面255

7.2监控组态软件概述256

7.2.1监控组态软件的体系结构及功能256

7.2.2几种典型的自动化组态软件257

7.3基于监控组态软件设计人机交互界面258

7.4实时数据库260

7.4.1实时数据库简介260

7.4.2实时数据库的结构263

7.4.3实时数据库应用的新领域——数据仓库264

7.5监控组态软件的I/O设备驱动265

7.6监控组态软件的网络通信功能267

7.7监控组态软件的控制功能269

7.7.1监控组态软件的控制功能概述269

7.7.2监控组态软件控制功能模块270

7.7.3监控组态软件的策略生成器271

7.8计算机控制系统中的数据交换技术272

7.8.1DDE技术与应用272

7.8.2OPC技术与应用273

7.9监控组态软件应用举例277

7.9.1应用组态软件设计监控系统的步骤277

7.9.2组态王软件应用工程分析277

7.9.3基于组态王软件的串联双容水箱液位监控系统设计279

习题283

第8章分布式测控网络技术284

8.1工业网络技术284

8.1.1工业网络概述284

8.1.2数据通信编码技术292

8.1.3网络协议及其层次结构293

8.1.4IEEE 802标准295

8.1.5工业网络的性能评价和选型296

8.2分布式控制系统297

8.2.1DCS概述297

8.2.2DCS的分散控制级302

8.2.3DCS的集中监控级305

8.2.4DCS的综合管理级307

8.3现场总线控制系统310

8.3.1现场总线概述310

8.3.25种典型的现场总线315

8.3.3FF现场总线技术318

8.4工业以太网测控系统320

8.4.1工业以太网测控系统概述320

8.4.2工业以太网测控系统322

8.5系统集成与集成自动化系统325

8.5.1系统集成的含义与框架325

8.5.2集成自动化系统的体系结构328

8.6综合自动化技术331

8.6.15层Purdue模型331

8.6.2ERP/MES/PCS三层结构333

8.6.3综合自动化系统的实现336

习题340

第9章计算机控制系统设计与实现341

9.1系统设计的原则与步骤341

9.1.1系统设计的原则341

9.1.2系统设计的步骤343

9.2系统的工程设计与实现346

9.2.1系统总体方案设计346

9.2.2硬件的工程设计与实现347

9.2.3软件的工程设计与实现349

9.2.4系统的调试与运行352

9.3设计举例——啤酒发酵过程计算机控制系统355

9.3.1啤酒发酵工艺及控制要求355

9.3.2系统总体方案的设计356

9.3.3系统硬件和软件的设计357

9.3.4系统的安装调试运行及控制效果361

9.4设计举例——机器人计算机控制系统361

9.4.1PUMA560机器人的结构原理361

9.4.2机器人运动学方程362

9.4.3机器人动力学方程362

9.4.4机器人手臂的独立关节位置伺服控制363

参考文献366

前言Foreword
工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。微型计算机控制技术是我国高等学校自动化类、电气类、电子信息类、计算机类、机械类、仪器类等专业的主干专业课程。本书是普通高等教育“十二五”国家级规划教材、国家级精品课程教材、国家级精品资源共享课程教材、高等院校信息技术规划教材。本版主要是基于计算机控制技术的发展，利用工业界、科技界和教育界所取得的经验对第2版进行了修订。第1版曾获全国普通高等学校优秀教材二等奖（2002年），高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划立项教材。教材以主流机型ISA/PCI/PCIE总线工业控制机为控制工具，系统地阐述了计算机控制系统的设计技术与工程实现方法。教材第3版共分9章。第1章是绪论，介绍计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势；第2章讨论计算机控制系统的输入输出接口与过程通道；第3章讨论数字控制技术，重点介绍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章讨论常规及复杂控制技术，主要介绍数字控制器的各种控制算法；第5章讨论现代控制技术，主要介绍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章讨论应用程序设计与实现技术；第7章讨论HMI/SCADA技术与监控组态软件；第8章讨论分布式测控网络技术；第9章讨论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。书中配有习题可供选用，本书内容丰富，体系新颖，理论联系实际，实践性、工程性、系统性、集成性强。全书的编写工作由于海生教授主持，于海生和丁军航统稿；第1、第3至第6、第8、第9章内容由于海生编写，丁军航提供部分素材；第2章第1节内容由潘松峰、于金鹏编写；第2章第2至第5节内容由于海生编写；第3章第1、第2节内容由于海生编写；第3至第5节由于海生和吴贺荣编写；第7章内容由于海生、丁军航、吴贺荣编写。本书得到了清华大学出版社的大力支持，在此表示衷心的感谢。由于编著者水平有限，书中难免有许多欠妥之处，诚请读者批评指正。
于海生2017年1月

评论

·第5章chapter5
现代控制技术1.1微型计算机简介在经典控制理论中，用传递函数模型来设计和分析单输入单输出系统，但传递函数模型只能反映出系统的输出变量与输入变量之间的关系，而不能了解到系统内部的变化情况。在现代理论中，用状态空间模型来设计和分析多输入多输出系统，便于计算机求解，同时也为多变量系统的分析研究提供了有力的工具。5.1采用状态空间的输出反馈设计法设线性定常系统被控对象的连续状态方程为x·(t)=Ax(t) Bu(t)x(t)t=t0=x(t0)y(t)=Cx(t)（5.1.1）式中,x(t)是n维状态向量；u(t)是r维控制向量；y(t)是m维输出向量；A是n×n维状态矩阵；B是n×r维控制矩阵；C是n×m维输出矩阵。采用状态空间的输出反馈设计法的目的是: 利用状态空间表达式，设计出数字控制器D(z)，使得多变量计算机控制系统满足所需要的性能指标，即在控制器D(z)的作用下，系统输出y(t)经过N次采样(N拍)后，跟踪参考输入函数r(t)的瞬变响应时间为最小。设系统的闭环结构形式如图51所示。图51具有输出反馈的多变量计算机控制系统假设参考输入函数r(t)是m维阶跃函数向量，即r(t)=r0·1(t)=r01r02…r0mT·1(t)(5.1.2)先找出在D(z)的作用下，输出是最少N拍跟踪输入的条件。设计时，应首先把被控对象离散化，用离散状态空间方程表示被控对象。5.1.1连续状态方程的离散化在u(t)的作用下，式(5.1.1)的解为x(t)=eA(t－t0)x(t0) ∫tt0eA(t－τ)Bu(τ)dτ(5.1.3)其中，eA(t－t0)是被控对象的状态转移矩阵，x(t0)是初始状态向量。若已知被控对象的前面有一零阶保持器，即u(t)=u(k),kT≤tAFN－1GCFN－2G
AFN－2G

…

CG
AG0
B
u(0)u(1)u(N－1)u(N)=r0
0(5.1.17)若方程(5.1.17)有解，并设解为u(j)=P(j)r0(j=0,1,2,…,N)(5.1.18)当k=N时，控制信号u(k)应满足u(k)=u(N)=P(N)r0(k≥N)这样就由跟踪条件求得了控制序列{y(k)}，其Z变换为U(z)=∑∞k=0u(k)z－k=∑N－1k=0P(k)z－k P(N)∑∞k=Nz－kr0=∑N－1k=0P(k)z－k P(N)z－N1－z－1r0(5.1.19)3. 求取误差序列{e(k)}的Z变换E(z)误差向量为e(k)=r(k)－y(k)=r0－Cx(k)假定x(0)=0,将式(5.1.3)代入上式，得e(k)=r0－∑k－1j=0CF(k－j－1)Gu(j)再将式(5.1.18)代入上式，则e(k)=I－∑k－1j=0CF(k－j－1)GP(j)r0误差序列｛e(k)｝的Z变换为E(z)=∑∞k=0e(k)z－k=∑N－1k=0e(k)z－k ∑∞k=Ne(k)z－k式中∑∞k=Ne(k)z－k=0，因为满足跟踪条件式(5.1.8)和附加条件式(5.1.9)，即当k≥N时误差信号应消失，因此E(z)=∑N－1k=0e(k)z－k=∑N－1k=0I－∑k－1j=0CF(k－j－1)GP(j)r0z－k(5.1.20)4. 求控制器的脉冲传递函数D(z)根据式(5.1.19)和式(5.1.20)可求得D(z)为D(z)=U(z)E(z)(5.1.21)【例51】设二阶单输入单输出系统，其状态方程为x·(t)=Ax(t) Bu(t)y(t)=Cx(t)其中A=－1010，B=10，C=01，采样周期T=1s，试设计最少拍无纹波控制器D(z)。【解】F=eAT=e－101－e－11=0.36800.6321，G=∫T0eAtdtB=1－e－1e－1=0.6320.368离散状态方程为x(k 1)=Fx(k) Gu(k)y(k)=Cx(k)要设计无纹波系统，跟踪条件应满足(N 1)r≥(m n)而n=2,r=2,m=2,因此取N=2即可满足上式条件。由式(5.1.17)可得CFGCG0AFGAGBu(0)u(1)u(2)=r000即0.7680.3680－0.232－0.63210.2320.6320
u(0)u(1)u(2)=r000进一步得u(0)u(1)u(2)=P(0)P(1)P(2)r0=1.58－1.580r0P(0)=1.58,P(1)=－1.58,P(2)=0由式(5.1.19)和N=2知:U(z)=∑N－1k=0P(k)z－k P(N)z－N1－z－1r0=P(0) P(1)z－1 P(2)z－21－z－1r0=(1.58－1.58z－1)r0由式(5.1.20)和N=2知：E(z)=∑N－1k=0I－∑k－1j=0CF(k－j－1)GP(j)r0z－k=I I－CGP(0)z－1r0=(1 0.418z－1)r0所以数字控制器D(z)为D(z)=U(z)E(z)=1.58－1.58z－11 0.418z－15.2采用状态空间的极点配置设计法在计算机控制系统中，除了使用输出反馈控制外，还较多地使用状态反馈控制，因为由状态输入就可以完全地确定系统的未来行为。图52给出了计算机控制系统的典型结构。在5.1.1节中，讨论了连续的被控对象同零阶保持器一起进行离散化的问题，同时忽略数字控制器的量化效应，则图52可以简化为如图53所示的离散系统。图52计算机控制系统的典型结构图图53简化的离散系统结构图下面按离散系统的情况来讨论控制器的设计。本节讨论利用状态反馈的极点配置方法来进行设计控制规律，首先讨论调节系统(r(k)=0)的情况，然后讨论跟踪系统，即如何引入外界参考输入r(k)。按极点配置设计的控制器通常有两部分组成。一部分是状态观测器，它根据所量测到的输出量y(k)重构出全部状态x^(k)，另一部分是控制规律，它直接反馈重构的全部状态。图54给出了调节系统的情况(即r(k)=0)。图54调节系统(r(k)=0)中控制器的结构5.2.1按极点配置设计控制规律为了按极点配置设计控制规律，暂设控制规律反馈的是实际对象的全部状态，而不是重构的状态，如图55所示。图55按极点配置设计控制规律设连续被控对象的状态方程为x·(t)=Ax(t) Bu(t)y(t)=Cx(t)(5.2.1)由第5.1.1节知，相应的离散状态方程为x(k 1)=Fx(k) Gu(k)y(k)=Cx(k)(5.2.2)且F=eATG=∫T0eAtdtB(5.2.3)T为采样周期。若图55中的控制规律为线性状态反馈，即u(k)=－Lx(k)(5.2.4)则要设计出反馈控制规律L，以使闭环系统具有所需要的极点配置。将式(5.2.4)代入式(5.2.2)得到闭环系统的状态方程为x(k 1)=(F－GL)x(k)(5.2.5)显然，闭环系统的特征方程为zI－F GL=0(5.2.6)设给定所需要的闭环系统的极点为zi(i=1,2,…,n),则很容易求得要求的闭环系统特征方程为β(z)=(z－z1)(z－z2)…(z－zn)=zn β1zn－1 … βn=0(5.2.7)由式(5.2.6)和式(5.2.7)可知，反馈控制规律L应满足如下方程zI－F GL=β(z)(5.2.8)若将上式的行列式展开，并比较两边z的同次幂的系数，则一共可得到n个代数方程。对于单输入的情况，L中未知元素的个数与方程的个数相等，因此一般情况下可获得L的唯一解。而对于多输入的情况，仅根据式(5.2.8)并不能完全确定L，设计计算比较复杂，这时需同时附加其他的限制条件才能完全确定L。本节只讨论单输入的情况。可以证明，对于任意的极点配置，L具有唯一解的充分必要条件是被控对象完全能控，即rankGFG…Fn－1G=n(5.2.9)这个结论的物理意义也是很明显的，只有当系统的所有状态都是能控的，才能通过适当的状态反馈控制，使得闭环系统的极点配置在任意指定的位置。由于人们对于s平面中的极点分布与系统性能的关系比较熟悉，因此可首先根据相应连续系统性能指标的要求来给定s平面中的极点，然后再根据zi=esiT (i=1,2,…,n)的关系求得z平面中的极点分布，其中T为采样周期。【例52】被控对象的传递函数G(s)=1s2,采样周期T=0.1s，采用零阶保持器。现要求闭环系统的动态响应相当于阻尼系数为ξ=0.5,无阻尼自然振荡频率ωn=3.6的二阶连续系统，用极点配置方法设计状态反馈控制规律L，并求u(k)。【解】被控对象的微分方程为y··(t)=u(t)，定义两个状态变量分别为x1(t)=y(t),x2(t)=x·1(t)=y·(t)得到x·1(t)=x2(t),x·2(t)=y··(t)=u(t)，故有x·1(t)x·2(t)=0100 x1(t)x2(t) 01u(t)y(t)=10×1(t)x2(t)对应的离散状态方程为x(k 1)=1T01x(k) T22Tu(k)y(k)=10x(k)代入T=0.1s得 x(k 1)=10.101x(k) 0.0050.1u(k)y(k)=10x(k)且x·(t)=Ax(t) Bu(t)y(t)=Cx(t)GFG=0.0050.0150.10.1因为0.0050.0150.10.1≠0，所以系统能控。根据要求，求得s平面上两个期望的极点为s1,2=－ξωn±j1－ξ2ωn=－1.8±j3.12利用z=esT的关系，可求得z平面上的两个期望的极点为z1,2=0.835e±j0.312于是得到期望的闭环系统特征方程为β(z)=(z－z1)(z－z2)=z2－1.6z 0.7(5.2.10)若状态反馈控制规律为L=L1L2则闭环系统的特征方程为zI－F GL=z00z－10.101 0.0050.1L1L2=z2 (0.1L2 0.005L1－2)z 0.005L1－0.1L2 1(5.2.11)比较式 (5.2.10)和式(5.2.11)，可得0.1L2 0.005L1－2=－1.60.005L1－0.1L2 1=0.7求解上式，得L1=10,L2=3.5,即L=103.5u(k)=－Lx(k)=－103.5x(k)5.2.2按极点配置设计状态观测器前面讨论的按点配置设计控制规律时，假定全部状态均可直接用于反馈，实际上，难以做到，因为有些状态无法量测。因此必须设计状态观测器，根据所量测的输出y(k)和u(k)重构全部状态。因而实际反馈的是重构状态x^(k)，而不是真实的状态x(k)，即u(k)=－Lx^(k),如图52所示。常用的状态观测器有3种: 预报观测器、现时观测器和降阶观测器。1. 预报观测器 常用的观测器方程为x^(k 1)=Fx^(k) Gu(k) Ky(x)－Cx^(k)(5.2.12)其中，x^是x的状态重构，K为观测器的增益矩阵。由于(k 1)时刻的状态重构只用到了kT时刻的量测量y(k)，因此称式(5.2.12)为预报观测器，其结构如图56所示。图56预报观测器设计观测器的关键在于如何合理地选择观测器的增益矩阵K。定义状态重构误差为x~=x－x^(5.2.13)则x~(k 1)=x(k 1)－x^(k 1)=Fx(k) Gu(k)－Fx^(k)－Gu(k)－KCx(k)－Cx^(k)=F－KCx(k)－x^(k)=F－KCx~(k)(5.2.14)因此，如果选择K使系统式(5.2.14)渐近稳定，那么重构误差必定会收敛到0，即使系统式(5.2.2)是不稳定的，在重构中引入观测量反馈，也能使误差趋于0。式(5.2.14)称为观测器的误差动态方程，该式表明，可以通过选择K，使状态重构误差动态方程的极点配置在期望的位置上。如果出现观测器期望的极点Zi(i=1,2,…,n),那么求得观测器期望的特征方程为 α(z)=(z－z1)(z－z2)…(z－zn)=zn α1zn－1 … αn=0(5.2.15)由式(5.2.14)可得观测器的特征方程(即状态重构误差的特征方程)为zI－F KC=0(5.2.16)为了获得期望的状态重构性能，由式(5.2.15)和式(5.2.16)可得α(z)=zI－F KC(5.2.17)对于单输入单输出系统，通过比较式(5．2．17)两边Z的同次幂的系数，可求得K中n个未知数。对于任意的极点配置，K具有唯一解的充分必要条件是系统完全能观，即rankCCFCFn－1=n(5.2.18)2. 现时观测器 采用预报观测器时，现时的状态重构x^(k)只用了前一时刻的输出量y(k-1)，使得现时的控制信号u(k)中也包含了前一时刻的输出量。当采样周期较长时，这种控制方式将影响系统的性能。为此，可采用如下的观测器方程x-(k 1)=Fx^(k) Gu(k)x^(k 1)=x-(k 1) Ky(k 1)－Cx-(k 1)(5.2.19)由于(k 1)T时刻的状态重构x^(k 1)用到了现时刻的量测量y(k 1)，因此称式(5.2.19)为现时观测器。由式(5.2.2)和式(5.2.19)可得状态重构误差为x~(k 1)=x(k 1)－x^(k 1)=［Fx(k) Gu(k)］－x-(k 1) KCx(k 1)－Cx-(k 1)= F－KCFx~(k)(5.2.20)从而求得现时观测器状态重构误差的特征方程为zI－F KC=0(5.2.21)同样，为了获得期望的状态重构性能，可由下式确定K的值α(z)=zI－F KC(5.2.22)