描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030766229丛书名: 普通高等学校机械类一流本科专业建设创新教材
内容简介
《计算机控制技术》以反馈控制理论为基础，从s域到z域的信号转换出发，详细阐述了计算机控制系统的模型分析、控制器设计及工程应用的理论和方法。《计算机控制技术》理论联系实际，既注重计算机控制的基础理论和基本方法，也涵盖预测、模糊与神经网络等先进控制技术，并进行了“本研贯通”模块化设计。为便于读者对知识的理解、掌握和运用，特别设置了对重要知识点的视频讲解和程序设计,同时依托爱课程(中国大学MOOC)平台共享国家精品在线开放课程资源。
目 录
目录
第1章 绪论1
1.1 引言1
1.2 计算机控制系统的基本概念2
1.2.1 计算机控制系统的组成2
1.2.2 计算机控制系统的主要特点3
1.3 计算机控制系统的基本类型4
1.3.1 操作指导控制系统4
1.3.2 直接数字控制系4
1.3.3 监督计算机控制系统5
1.3.4 集中控制系统6
1.3.5 分散控制系统6
1.3.6 现场总线控制系8
1.3.7 网络控制系统8
1.3.8 计算机集成制造过程控制系统9
1.4 计算机控制的理论与设计问题10
1.4.1 信号的采样与转换问题11
1.4.2 离散系统模型描述及特性分析13
1.4.3 数字控制器的设计与实现13
1.4.4 控制系统仿真及性能分析15
1.4.5 控制系统的工程设计与应用技术16
1.5 计算机控制系统的发展趋势16
本章小结17
习题与思考题18
第2章 计算机控制的信号转换及模型理论19
2.1 引言19
2.2 信号转换原理19
2.2.1 信号的采样过程20
2.2.2 采样定理24
2.2.3 信号的恢复过程与零阶保持器26
2.3 z变换30
2.3.1 z变换的定义30
2.3.2 z变换的方31
2.3.3 z变换的性质和定理35
2.4 z反变换39
2.4.1 长除法39
2.4.2 部分分式法40
2.43 留数法42
2.5 广义z变换43
2.5.1 广义z变换的定义43
2.5.2 广义z变换与z变换的关系44
2.6 线性定常离散系统的差分方程及求解45
2.6.1 离散系统差分方程的一般描述45
2.6.2 线性定常差分方程的求解46
2.7 z传递函数47
2.7.1 z传递函数的定义47
2.7.2 z传递函数的求法48
2.7.3 开环z传递函数49
2.7.4 闭环z传递函数52
2.7.5 z传递函数的物理可实现性53
本章小结54
习题与思考题54
第3章 计算机控制系统的分析57
3.1 引言57
3.2 稳定性分析57
3.2.1 s平面与z平面的关系57
3.2.2 离散系统稳定的充分必要条件62
3.2.3 修正的劳斯稳定性准则63
3.2.4 朱利稳定性准则65
3.3 暂态过程分析67
3.3.1 离散系统的阶跃响应分析67
3.3.2 z平面极点分布与暂态响应的关系68
3.3.3 采样周期对暂态误差的影响70
3.4 稳态过程分析74
3.4.1 基于误差系数的稳态误差74
3.4.2 针对系统类型的稳态误差75
3.4.3 采样周期对稳态误差的影响77
3.5 z平面根轨迹分析78
3.5.1 z平面根轨迹绘制78
3.5.2 基于z平面根轨迹的稳定性分析80
3.6 频率特性分析81
3.6.1 离散系统的频域描述81
3.6.2 稳定性分析82
本章小结86
习题与思考题86
第4章 数字控制器的模拟化设计方法88
4.1 引言88
4.2 模拟化设计方法基本原理88
4.2.1 模拟化设计方法的等效离散原理88
4.2.2 模拟化设计方法的步骤90
4.3 模拟控制器的离散化方法91
4.3.1 脉冲响应不变法91
4.3.2 阶跃响应不变法92
4.3.3 差分变换法93
4.3.4 双线性及预修正双线性变换法96
4.3.5 零极点匹配法100
4.3.6 各种离散化方法的对比评价101
4.4 数字PID控制器的设计102
4.4.1 PID控制器的基本形式及数字化标准算法102
4.4.2 数字PID控制算法的改进108
4.4.3 数字PID控制器的参数整定113
4.5 史密斯预估补偿控制116
4.5.1 纯滞后控制问题的提出116
4.5.2 史密斯预估补偿原理117
4.5.3 史密斯预估补偿器的数字算法119
4.5.4 史密斯预估补偿闭环数字控制算法及其存在的问题和解决思路121
4.6 串级控制124
4.6.1 串级控制的组成和工作原理124
4.6.2 数字串级控制系统设计126
4.7 前馈—反馈控制129
4.7.1 前馈—反馈控制系统组成130
4.7.2 数字前馈—反馈控制算法133
4.8 解耦控制134
4.8.1 解耦控制系统设计135
4.8.2 数字解耦控制算法138
本章小结139
习题与思考题139
第5章 数字控制器的z域直接设计方法141
5.1 引言141
5.2 数字控制器D(z)的一般形式141
5.3 *少拍控制器的设计143
5.3.1 *少拍控制器设计的基本原则143
5.3.2 任意广义被控对象的*少拍控制器设计149
5.4 *少拍控制器的工程化改进153
5.4.1 *少拍控制器存在的问题153
5.4.2 阻尼因子法设计153
5.4.3 误差平方和*小系统设计157
5.4.4 *少拍无纹波控制器设计160
5.4.5 干扰作用下*少拍控制器设计164
5.4.6 有限拍控制器设计166
5.5 大林算法168
5.5.1 大林算法基本原理169
5.5.2 大林算法与PID控制算法之间的关系176
5.5.3 大林算法应用中的问题及讨论178
5.6 数字控制器的根轨迹设计法180
5.7 数字控制器的频域设计法184
5.7.1 基于w变换的频域设计法184
5.7.2 w域控制器设计185
5.8 数字控制器的计算机程序实现189
5.8.1 直接法189
5.8.2 串行法190
5.8.3 并行法191
本章小结193
习题与思考题194
第6章 基于离散状态空间模型的控制系统设计196
6.1 引言196
6.2 线性离散状态空间模型及分析197
6.2.1 线性离散系统的状态空间模型197
6.2.2 离散时间规范化模型212
6.2.3 线性离散系统的稳定性、可控性与可测性215
6.3 线性离散系统输出反馈设计222
6.3.1 输出反馈极点配置设计法222
6.3.2 单变量*少拍设计法223
6.3.3 多变量*少拍设计法228
6.4 线性离散系统状态反馈与观测器设计233
6.4.1 基于状态反馈的单输入系统极点配置设计233
6.4.2 多输入系统状态反馈设计法238
6.4.3 按极点配置设计状态观测器239
6.4.4 带观测器的状态反馈控制系统设计244
6.5 Lyapunov*优状态反馈设计250
6.6 *小能量控制系统设计253
6.7 线性二次型*优控制器设计256
6.7.1 概述256
6.7.2 LQR问题的描述256
6.7.3 LQR*优控制器设计257
6.7.4 LQR与Lyapunov*优状态反馈控制的关系264
本章小结265
习题与思考题265
第7章 计算机先进控制规律设计270
7.1 引言270
7.2 内模控制271
7.2.1 内模控制的原理271
7.2.2 内模控制器的设计273
7.2.3 内模-PID控制276
7.2.4 内模控制的离散算式279
7.3 自适应控制281
7.3.1 概述282
7.3.2 *小二乘法284
7.3.3 模型参考自适应控制算法289
7.3.4 自校正控制器设计292
7.4 广义预测控制302
7.4.1 预测控制的基本结构303
7.4.2 广义预测控制的基本机理304
7.4.3 广义预测控制基本算法306
7.5 模糊控制312
7.5.1 概述312
7.5.2 模糊控制的数学基础313
7.5.3 模糊控制的原理325
7.5.4 模糊控制器的设计328
7.5.5 模糊控制器的改进338
7.6 神经网络控制339
7.6.1 概述339
7.6.2 神经网络理论基础340
7.6.3 神经网络模型与算法344
7.6.4 神经网络控制系统的设计354
本章小结364
习题与思考题364
第8章 计算机控制系统的应用技术366
8.1 引言366
8.2 计算机控制系统的基本设计原则与步骤366
8.2.1 设计原则366
8.2.2 设计步骤367
8.2.3 硬件选型设计369
8.3 计算机控制系统的软件设计369
8.3.1 数字控制器的设计与实现369
8.3.2 数据处理技术370
8.3.3 组态软件技术375
8.4 计算机网络控制技术377
8.4.1 网络控制系统概述377
8.4.2 网络控制系统特性分析378
8.4.3 PID网络控制器的设计382
8.5 计算机实时仿真技术384
8.5.1 概述384
8.5.2 硬件在环仿真的基本原理385
8.5.3 硬件在环仿真平台简介387
本章小结388
习题与思考题389
参考文献390
第1章 绪论1
1.1 引言1
1.2 计算机控制系统的基本概念2
1.2.1 计算机控制系统的组成2
1.2.2 计算机控制系统的主要特点3
1.3 计算机控制系统的基本类型4
1.3.1 操作指导控制系统4
1.3.2 直接数字控制系4
1.3.3 监督计算机控制系统5
1.3.4 集中控制系统6
1.3.5 分散控制系统6
1.3.6 现场总线控制系8
1.3.7 网络控制系统8
1.3.8 计算机集成制造过程控制系统9
1.4 计算机控制的理论与设计问题10
1.4.1 信号的采样与转换问题11
1.4.2 离散系统模型描述及特性分析13
1.4.3 数字控制器的设计与实现13
1.4.4 控制系统仿真及性能分析15
1.4.5 控制系统的工程设计与应用技术16
1.5 计算机控制系统的发展趋势16
本章小结17
习题与思考题18
第2章 计算机控制的信号转换及模型理论19
2.1 引言19
2.2 信号转换原理19
2.2.1 信号的采样过程20
2.2.2 采样定理24
2.2.3 信号的恢复过程与零阶保持器26
2.3 z变换30
2.3.1 z变换的定义30
2.3.2 z变换的方31
2.3.3 z变换的性质和定理35
2.4 z反变换39
2.4.1 长除法39
2.4.2 部分分式法40
2.43 留数法42
2.5 广义z变换43
2.5.1 广义z变换的定义43
2.5.2 广义z变换与z变换的关系44
2.6 线性定常离散系统的差分方程及求解45
2.6.1 离散系统差分方程的一般描述45
2.6.2 线性定常差分方程的求解46
2.7 z传递函数47
2.7.1 z传递函数的定义47
2.7.2 z传递函数的求法48
2.7.3 开环z传递函数49
2.7.4 闭环z传递函数52
2.7.5 z传递函数的物理可实现性53
本章小结54
习题与思考题54
第3章 计算机控制系统的分析57
3.1 引言57
3.2 稳定性分析57
3.2.1 s平面与z平面的关系57
3.2.2 离散系统稳定的充分必要条件62
3.2.3 修正的劳斯稳定性准则63
3.2.4 朱利稳定性准则65
3.3 暂态过程分析67
3.3.1 离散系统的阶跃响应分析67
3.3.2 z平面极点分布与暂态响应的关系68
3.3.3 采样周期对暂态误差的影响70
3.4 稳态过程分析74
3.4.1 基于误差系数的稳态误差74
3.4.2 针对系统类型的稳态误差75
3.4.3 采样周期对稳态误差的影响77
3.5 z平面根轨迹分析78
3.5.1 z平面根轨迹绘制78
3.5.2 基于z平面根轨迹的稳定性分析80
3.6 频率特性分析81
3.6.1 离散系统的频域描述81
3.6.2 稳定性分析82
本章小结86
习题与思考题86
第4章 数字控制器的模拟化设计方法88
4.1 引言88
4.2 模拟化设计方法基本原理88
4.2.1 模拟化设计方法的等效离散原理88
4.2.2 模拟化设计方法的步骤90
4.3 模拟控制器的离散化方法91
4.3.1 脉冲响应不变法91
4.3.2 阶跃响应不变法92
4.3.3 差分变换法93
4.3.4 双线性及预修正双线性变换法96
4.3.5 零极点匹配法100
4.3.6 各种离散化方法的对比评价101
4.4 数字PID控制器的设计102
4.4.1 PID控制器的基本形式及数字化标准算法102
4.4.2 数字PID控制算法的改进108
4.4.3 数字PID控制器的参数整定113
4.5 史密斯预估补偿控制116
4.5.1 纯滞后控制问题的提出116
4.5.2 史密斯预估补偿原理117
4.5.3 史密斯预估补偿器的数字算法119
4.5.4 史密斯预估补偿闭环数字控制算法及其存在的问题和解决思路121
4.6 串级控制124
4.6.1 串级控制的组成和工作原理124
4.6.2 数字串级控制系统设计126
4.7 前馈—反馈控制129
4.7.1 前馈—反馈控制系统组成130
4.7.2 数字前馈—反馈控制算法133
4.8 解耦控制134
4.8.1 解耦控制系统设计135
4.8.2 数字解耦控制算法138
本章小结139
习题与思考题139
第5章 数字控制器的z域直接设计方法141
5.1 引言141
5.2 数字控制器D(z)的一般形式141
5.3 *少拍控制器的设计143
5.3.1 *少拍控制器设计的基本原则143
5.3.2 任意广义被控对象的*少拍控制器设计149
5.4 *少拍控制器的工程化改进153
5.4.1 *少拍控制器存在的问题153
5.4.2 阻尼因子法设计153
5.4.3 误差平方和*小系统设计157
5.4.4 *少拍无纹波控制器设计160
5.4.5 干扰作用下*少拍控制器设计164
5.4.6 有限拍控制器设计166
5.5 大林算法168
5.5.1 大林算法基本原理169
5.5.2 大林算法与PID控制算法之间的关系176
5.5.3 大林算法应用中的问题及讨论178
5.6 数字控制器的根轨迹设计法180
5.7 数字控制器的频域设计法184
5.7.1 基于w变换的频域设计法184
5.7.2 w域控制器设计185
5.8 数字控制器的计算机程序实现189
5.8.1 直接法189
5.8.2 串行法190
5.8.3 并行法191
本章小结193
习题与思考题194
第6章 基于离散状态空间模型的控制系统设计196
6.1 引言196
6.2 线性离散状态空间模型及分析197
6.2.1 线性离散系统的状态空间模型197
6.2.2 离散时间规范化模型212
6.2.3 线性离散系统的稳定性、可控性与可测性215
6.3 线性离散系统输出反馈设计222
6.3.1 输出反馈极点配置设计法222
6.3.2 单变量*少拍设计法223
6.3.3 多变量*少拍设计法228
6.4 线性离散系统状态反馈与观测器设计233
6.4.1 基于状态反馈的单输入系统极点配置设计233
6.4.2 多输入系统状态反馈设计法238
6.4.3 按极点配置设计状态观测器239
6.4.4 带观测器的状态反馈控制系统设计244
6.5 Lyapunov*优状态反馈设计250
6.6 *小能量控制系统设计253
6.7 线性二次型*优控制器设计256
6.7.1 概述256
6.7.2 LQR问题的描述256
6.7.3 LQR*优控制器设计257
6.7.4 LQR与Lyapunov*优状态反馈控制的关系264
本章小结265
习题与思考题265
第7章 计算机先进控制规律设计270
7.1 引言270
7.2 内模控制271
7.2.1 内模控制的原理271
7.2.2 内模控制器的设计273
7.2.3 内模-PID控制276
7.2.4 内模控制的离散算式279
7.3 自适应控制281
7.3.1 概述282
7.3.2 *小二乘法284
7.3.3 模型参考自适应控制算法289
7.3.4 自校正控制器设计292
7.4 广义预测控制302
7.4.1 预测控制的基本结构303
7.4.2 广义预测控制的基本机理304
7.4.3 广义预测控制基本算法306
7.5 模糊控制312
7.5.1 概述312
7.5.2 模糊控制的数学基础313
7.5.3 模糊控制的原理325
7.5.4 模糊控制器的设计328
7.5.5 模糊控制器的改进338
7.6 神经网络控制339
7.6.1 概述339
7.6.2 神经网络理论基础340
7.6.3 神经网络模型与算法344
7.6.4 神经网络控制系统的设计354
本章小结364
习题与思考题364
第8章 计算机控制系统的应用技术366
8.1 引言366
8.2 计算机控制系统的基本设计原则与步骤366
8.2.1 设计原则366
8.2.2 设计步骤367
8.2.3 硬件选型设计369
8.3 计算机控制系统的软件设计369
8.3.1 数字控制器的设计与实现369
8.3.2 数据处理技术370
8.3.3 组态软件技术375
8.4 计算机网络控制技术377
8.4.1 网络控制系统概述377
8.4.2 网络控制系统特性分析378
8.4.3 PID网络控制器的设计382
8.5 计算机实时仿真技术384
8.5.1 概述384
8.5.2 硬件在环仿真的基本原理385
8.5.3 硬件在环仿真平台简介387
本章小结388
习题与思考题389
参考文献390
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