计算机控制系统

1. 基于工程教育专业认证的理念，注重培养学生解决复杂工程问题的能力，将主要内容通过典型案例来体现。
2. 提供大量典型、实用的案例，案例源自作者20多年从事相关科学研究和计算机控制系统课程教学的经验积累。
3. 密切结合工程实际，从应用角度全面系统论述计算机控制系统的建模、分析设计和实现等问题。
4. 加入前沿理论，提高教材的高阶性和挑战度，启发读者继续探索研究相关问题，为教师开展研究型教学提供素材。
5. 新形态教材，配套资源丰富，包括教学大纲、PPT课件、电子教案、知识图谱、MATLAB源代码、完整的习题及答案等，可扫描书中二维码下载。
6. 配套中国大学MOOC“计算机控制系统”，共57个视频，便于混合式教学和自主学习，欢迎读者学习交流。

 

本书主要介绍计算机控制系统的基础理论、设计方法和工程实现，基于典型案例来体现主要内容，突出本课程理论联系实际的特点。将MATLAB用于计算机控制系统的分析和控制器的设计，引导读者循序渐进地进行计算机控制系统的分析、设计和实现。
本书供大量的设计及实现代码，以及电子教案、PPT课件、习题解答、知识图谱等电子材料，方便教师备课和学生自学参考。
本书可作为高校自动化类、电气类、仪器类等相关专业的本科及研究生教材，也可供相关领域的教师、科研人员以及工程技术人员学习参考。

张三同 ，北京交通大学副教授、硕士生导师。长期从事控制工程和故障诊断理论的教学和科研工作，讲授“计算机控制系统”“自动控制原理”“GPS技术及应用”等课程。主持航天科技重点项目1项，参与国家自然科学基金项目5项。出版自动控制理论方面教材1部。

张文静，北京交通大学副研究员、硕士生导师。长期从事控制理论及列车运行控制的教学和科研工作，讲授“控制系统设计”“计算机控制系统”“单片机原理及应用设计”等课程。近5年发表学术论文近20篇。主持国家重点研发计划项目3项，航空科学基金项目2项。出版列车运行控制方面的教材1部。

苗宇，北京交通大学副教授、硕士生导师。长期从事控制理论的教学和科研工作，讲授“自动控制原理”“计算机控制系统”等课程，出版自动控制原理方面的教材1部。

孙绪彬 ，北京交通大学副教授、硕士生导师。长期从事轨道交通控制的教学和科研工作，讲授“计算机控制系统”和“计算机原理与接口技术”等课程。近5年发表SCI源刊论文5篇。主持过国家自然科学基金项目1项、“863”项目子课题1项。获国际会议2012 ICAL物流类最佳论文，研究成果入选北京市科协主办的“2021年度北京地区广受关注学术成果”。所开发的列车驾驶辅助系统应用于大莱龙铁路。

 

 

 

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第1章绪论

1．1概述

1.1.1计算机控制系统

1.1.2计算机控制系统的组成

1.1.3计算机控制系统的控制器

1.2计算机控制系统的典型应用形式

1.2.1操作指导系统

1.2.2直接数字控制系统

1.2.3监督计算机控制系统

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历程和发展趋势

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

1.4计算机控制系统的理论与设计

1.4.1计算机控制系统的理论

1.4.2计算机控制系统的设计

1.5本章小结

习题

第2章计算机控制系统的数学描述

2.1计算机控制系统中的信号描述

2.2采样过程的数学描述

2.2.1理想采样过程的数学描述

2.2.2采样信号的拉普拉斯变换式

2.2.3采样信号拉普拉斯变换式的性质

2.2.4采样信号拉普拉斯变换式的频域特性

2.2.5采样定理

2.3信号保持

2.4z变换理论

2.4.1z变换定义

2.4.2z变换方法

2.4.3z变换性质

2.4.4z反变换

2.5离散系统的差分方程模型

2.5.1差分方程

2.5.2差分方程的迭代求解

2.5.3用z变换法求解差分方程

2.6脉冲传递函数

2.6.1脉冲传递函数的定义

2.6.2脉冲传递函数的物理意义

2.6.3脉冲传递函数与差分方程

2.6.4脉冲传递函数的求法 

2.6.5开环系统脉冲传递函数

2.6.6闭环离散系统脉冲传递函数

2.6.7计算机控制系统的闭环脉冲传递函数

2.7离散系统的频率特性

2.7.1离散系统频率特性的计算

2.7.2离散系统频率特性的图解表示

2.8离散系统的状态空间描述——状态方程

2.8.1由差分方程建立离散系统状态空间表达式

2.8.2由脉冲传递函数建立离散状态方程

2.8.3状态方程的求解

2.8.4计算机控制系统的开环状态空间表达式的建立

2.8.5计算机控制系统的闭环状态空间表达式的建立

2.9本章小结

习题

第3章计算机控制系统分析

3.1稳定性分析

3.1.1离散系统的稳定性

3.1.2离散系统的稳定性判据

3.2稳态性能分析

3.2.1稳态误差计算

3.2.2典型计算机控制系统稳态误差计算

3.3动态性能分析

3.4根轨迹法的应用

3.5频率法的应用

3.6本章小结

习题

第4章数字控制器的间接设计方法

4.1数字控制器的间接设计原理

4.2工程离散化方法

4.2.1前向差分变换法

4.2.2后向差分变换法

4.2.3双线性变换法

4.2.4频率预畸变双线性变换法

4.2.5脉冲响应不变法

4.2.6阶跃响应不变法

4.2.7零极点匹配法

4.3应用实例

4.4本章小结

习题

第5章数字PID控制器的设计方法

5.1数字PID控制基本算法

5.2数字PID控制的改进算法

5.2.1数字PID控制的微分改进算法

5.2.2数字PID控制的积分改进算法

5.2.3数字PID控制的其他改进算法

5.3Smith预估补偿数字PID控制器

5.3.1Smith预估补偿控制方法

5.3.2Smith预估补偿数字PID控制器设计

5.3.3设计实例

5.4分数阶数字PID控制器

5.4.1分数阶微积分简介

5.4.2分数阶控制器分类

5.4.3分数阶控制器参数整定

5.4.4设计实例

5.5数字PID控制器的参数整定

5.5.1PID参数对系统性能的影响

5.5.2试凑法整定PID参数

5.5.3经验法整定PID参数

5.5.4基于PID Tuner的控制器参数整定

5.6PID应用实例

5.7本章小结

习题

第6章数字控制器的直接设计方法

6.1离散化直接设计基本原理

6.1.1时域性能指标要求

6.1.2频域性能指标要求

6.1.3离散化直接设计基本过程及原则

6.2数字控制器的根轨迹设计

6.2.1z平面根轨迹

6.2.2根轨迹设计法

6.2.3设计实例

6.3数字控制器的频域设计

6.3.1w变换

6.3.2w域设计法

6.3.3设计实例

6.4最小拍控制器的设计

6.4.1简单对象的最小拍有纹波控制器设计

6.4.2复杂对象的最小拍有纹波控制器设计

6.4.3最小拍无纹波控制器设计

6.4.4调节时间的讨论

6.4.5最小拍控制器的改进

6.5大林算法

6.5.1大林算法原理

6.5.2振铃现象及其消除

6.5.3设计实例

6.6本章小结

习题

第7章状态空间法分析与设计

7.1系统状态空间表达式

7.1.1连续系统状态空间模型

7.1.2离散系统状态空间模型

7.2系统的可控性与可观性

7.2.1系统可控性

7.2.2系统可观性

7.3状态反馈极点配置法设计系统

7.3.1系数匹配法

7.3.2Ackermann公式

7.4系统状态观测器的设计

7.4.1预测观测器

7.4.2现值观测器

7.4.3降维观测器

7.5极点配置的控制器设计

7.5.1分离原理

7.5.2控制器设计

7.6有参考输入的极点配置的控制器设计

7.6.1带参考输入的状态反馈设计

7.6.2带参考输入的极点配置的控制器设计

7.7二次型最优设计

7.7.1二次型代价函数

7.7.2动态规划理论

7.7.3线性系统二次型最优控制

7.7.4二次型最优稳态调节器

7.8本章小结

习题

第8章计算机控制系统工程实现

8.1计算机控制系统组成

8.2输入和输出通道

8.2.1模拟量输入通道

8.2.2模拟量输出通道

8.2.3数字量输入通道

8.2.4数字量输出通道

8.2.5信号的滤波

8.3总线技术

8.3.1总线的分类

8.3.2常用总线接口

8.3.3现场总线与工业以太网

8.3.4交通行业的应用实例

8.4控制系统的软、硬件实现技术

8.4.1嵌入式控制系统

8.4.2可编程逻辑控制器系统

8.4.3分布式控制系统

8.4.4过程控制的软件系统

8.5先进控制算法的集成技术

8.5.1动态数据交换通信技术

8.5.2用于过程控制的OLE通信技术

8.5.3ActiveX通信方式

8.6可靠性及容错技术

8.6.1电磁抗干扰技术

8.6.2冗余设计

8.6.3看门狗计时器

8.7本章小结

习题

第9章嵌入式系统及可编程逻辑控制器

9.1嵌入式系统

9.1.1概述

9.1.2软、硬件协同设计技术

9.1.3实时操作系统

9.1.4嵌入式系统的开发

9.1.5嵌入式系统的设计实例

9.2可编程逻辑控制器

9.2.1概述

9.2.2PLC的结构和工作原理

9.2.3PLC常用编程语言

9.2.4PLC的选用及其应用实例

9.2.5PLC的网络系统

9.3本章小结

习题

参考文献

 

 

 

 

随着控制理论、计算机技术及网络通信技术的发展，计算机控制系统领域不断产生新的理论和方法； 另外，为适应“卓越工程师培养计划”“新工科建设”等教育教学改革新要求，需要编写符合自动化专业培养目标和教学改革要求的新型教材。

本书主要有以下特色： 

(1) 结合控制工程实际，系统论述计算机控制系统的建模、分析、设计和实现等计算机控制工程问题。强调实际工程应用,突出基本理论与实际应用之间的有机联系，使读者能更好地理解和掌握计算机控制系统的基础知识，并用于解决实际计算机控制系统的工程问题。

(2) 主要内容由工程实例体现。主要内容具有工程背景或是工程实例，具有典型性、代表性。例如，炉温控制系统、直流电动机位置与速度控制、直线电动机位置与速度控制、卫星单轴姿态控制和交通信号灯控制等。提供这些工程实例的实现程序（或代码），方便读者进一步理解计算机控制的主要内容并深入探索相关问题。

(3) 引入前沿理论，拓展传统基础理论的深度和广度。如在采样理论中引入“压缩感知”的理论，拓展采样定理的使用边界。在数字PID控制理论中增加“分数阶PID”内容，拓展PID控制理论和方法。在数字滤波器中引入“粒子滤波器”，增加滤波理论内涵等。前沿理论的引入提高了本书的高阶性和挑战度，启发读者继续探索研究相关问题，也可以为教师开展研究型教学提供素材。

本书主要包括基础理论、设计方法和工程实现三部分内容，主要内容全部基于典型案例体现，突出理论联系实际的特点。本书共9章，第1章介绍计算机控制系统的基本概念和组成、计算机控制系统理论，以及计算机控制系统发展趋势。第2章介绍计算机控制系统的数学描述问题，以香农采样定理为基础，用z变换和z反变换的数学方法描述变换过程，给出时域的差分方程、复数域脉冲传递函数、频域的频率特性、状态空间模型等基础模型理论及特点。第3章计算机控制系统分析，从时域特性和频域特性两方面对计算机控制系统稳定性、稳态性能和暂态性能进行分析，并讨论了模型不准确对系统性能的影响。第4章介绍数字控制器的间接设计原理及方法，深入分析几种常用工程离散化方法特点，结合案例完成控制器设计。第5章介绍数字PID控制理论及重要的设计方法和改进理论方法，引入先进的分数阶PID理论及方法。第6章数字控制器的直接设计方法，从时域和频域两方面进行数字控制器的设计，包括最小拍控制设计方法和大林算法，以及两种方法在工程应用过程中面临的问题和解决方法。第7章介绍基于状态空间模型离散系统的可控性、可观性、状态反馈、状态观测等基本理论，按极点配置设计控制规律和观测器，二次型最优控制的求解理论及方法。第8章计算机控制系统工程实现，介绍计算机控制系统工程设计与实现中的若干理论和实用技术。第9章介绍嵌入式系统及可编程逻辑控制器的特点，以及工程控制系统的设计理论和方法。

本书编写人员多年来在北京交通大学计算机控制系统的教学与实际工程应用方面均积累了一定的实践经验，力图在教材的编写思想与具体内容方面有所反映。本书编写坚持以工程案例为素材，反映基础理论、设计方法和工程实现，并提供大量相关案例的设计代码，便于读者更深入地理解本书内容，或继续进行相关研究工作。本书第1、7、9章由张三同编写，第4、5、6章由张文静编写，第2、3章由苗宇编写，第8章由孙绪彬编写，全书由张三同统稿。

学习本书的背景知识： 一般连续控制系统理论及微机原理与接口技术的基本知识。

 

在本书的编写过程中，编者参考了大量与计算机控制理论相关的教材与专著，特别是近年来国内出版的新教材
及国外的经典教材，从中得到了许多启发，在此对这些参考文献的作者表示感谢。本书的出版还得到了清华大学出版社的大力支持，在此致以衷心感谢。

由于编者的知识和经验有限，书中不妥之处在所难免，期望得到读者的批评指正。

 

编者
2023年10月