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第1章 计算机控制系统概述1

1.1 计算机控制系统的组成1

1.1.1 计算机反馈控制系统及其中信号类型1

1.1.2 计算机控制系统的组成3

1.2 计算机控制系统的类型和特点5

1.2.1 计算机控制系统的类型5

1.2.2 计算机控制的主要特点8

1.3 计算机控制系统的分析设计理论简介9

1.4 计算机控制的发展概况及趋势12

习题14

第2章 信号转换与Z变换15

2.1 数字信号和A/D转换15

2.2 采样信号19

2.2.1 理想采样信号19

2.2.2 实际采样信号22

2.2.3 采样信号分析23

2.3 采样定理与采样周期选取26

2.3.1 采样定理26

2.3.2 重构公式说明27

2.3.3 采样周期T选取29

2.4 信号恢复与保持器32

2.4.1 零阶保持器特性分析33

2.4.2 一阶保持器特性分析35

2.5 Z变换37

2.5.1 采样信号拉氏变换37

2.5.2 Z变换定义与说明41

2.5.3 Z平面与S平面的映射关系44

2.6 Z变换性质、定理和Z变换及其反变换求法45

2.6.1 Z变换基本性质和定理45

2.6.2 Z变换求法51

2.6.3 Z反变换55

2.7 修正Z变换61

2.7.1 修正Z变换定义61

2.7.2 求修正Z变换的方法62

习题64

第3章 计算机控制系统数学描述67

3.1 离散系统与差分方程68

3.1.1 离散系统有关定义68

3.1.2 差分方程68

3.1.3 差分方程求解70

3.2 Z传递函数74

3.2.1 Z传递函数定义74

3.2.2 Z传递函数与差分方程相互转换75

3.2.3 Z传递函数与单位脉冲响应序列的相互转换76

3.3 离散系统的状态空间表示式79

3.3.1 动态系统的状态空间描述79

3.3.2 由差分方程求离散系统状态空间表示式81

3.3.3 由Z传递函数求离散系统状态空间表示式87

3.3.4 状态线性变换与状态空间表示式的规范型95

3.3.5 离散状态方程的求解99

3.3.6 离散系统的特征方程100

3.4 计算机控制系统连续部分的离散化状态空间表示式100

3.5 计算机控制系统的Z传递函数103

3.5.1 数字部分的Z传递函数104

3.5.2 连续部分的Z传递函数104

3.5.3 计算机控制系统的闭环Z传递函数106

习题109

第4章 计算机控制系统特性分析111

4.1 计算机控制系统稳定性分析111

4.1.1 离散系统稳定性及稳定条件111

4.1.2 离散系统代数稳定性判据114

4.1.3 离散系统频率特性与奈氏（Nyquist）稳定性判据119

4.1.4 离散系统李亚普诺夫稳定性判据121

4.2 计算机控制系统的稳态误差分析124

4.2.1 计算机控制系统的稳态误差与稳态误差系数125

4.2.2 计算机控制系统的误差级数与动态误差系数129

4.2.3 计算机控制系统对干扰输入的稳态误差131

4.3 计算机控制系统的暂态响应分析132

4.3.1 Z平面上极点分布与暂态响应的关系132

4.3.2 采样周期T对暂态响应特性的影响137

4.3.3 计算机控制系统的连续输出响应的计算141

4.3.4 含有延迟的计算机控制系统的输出响应144

4.3.5 非同步采样和信号转换延迟的处理144

4.4 双速率采样控制系统分析146

4.4.1 开关分解Z域分析法146

4.4.2 串级双速率采样控制系统时域分析法148

习题151

第5章 计算机控制系统基于输入输出模型设计法153

5.1 连续化设计和模拟控制器离散化154

5.1.1 连续化设计154

5.1.2 模拟控制器的离散化156

5.2 数字PID控制165

5.2.1 理想PID控制166

5.2.2 实际PID控制167

5.2.3 数字PID控制改进算法169

5.2.4 Smith预估补偿PID控制172

5.2.5 数字PID控制算法参数的整定174

5.3 根轨迹和伯德（Bode）图设计法177

5.3.1 根轨迹设计法177

5.3.2 伯德图设计法178

5.4 极点配置设计法180

5.4.1 单位反馈控制系统的极点配置设计180

5.4.2 复合控制系统的极点配置设计184

5.4.3 大林（Dahlin）控制器设计192

5.5 最少拍控制系统的设计193

5.5.1 最少拍控制系统的设计194

5.5.2 最少拍无纹波控制系统的设计204

5.5.3 最少拍无纹波复合控制系统的设计209

5.5.4 卡尔曼（Kalman）控制器设计212

5.6 计算机控制系统的最优化设计214

5.6.1 随机干扰模型215

5.6.2 最小方差控制220

5.6.3 广义最小方差控制226

5.7 自校正控制器的设计229

5.7.1 系统参数辨识的最小二乘法230

5.7.2 最小方差自校正控制器的设计238

习题242

第6章 计算机控制系统的状态空间设计法245

6.1 系统的能控性和能观性245

6.1.1 系统的能控性及其判别246

6.1.2 系统的能观性及其判别247

6.2 状态反馈极点配置设计法249

6.2.1 状态反馈律设计250

6.2.2 给定输入不为零系统的控制律设计259

6.2.3 重构状态反馈控制系统闭环分析262

6.3 状态观测器设计265

6.3.1 全阶观测器及其设计265

6.3.2 降阶观测器及其设计270

6.3.3 最优观测器——Kalman滤波器271

6.4 基于二次型性能指标状态反馈最优化设计276

6.4.1 二次型性能指标函数及其最优化控制问题276

6.4.2 线性二次型最优调节问题的求解277

6.4.3 线性二次型稳态最优控制283

6.4.4 线性随机系统二次型最优控制285

习题286

第7章 模型预测控制算法及设计289

7.1 概述289

7.2 MPC的基本算法295

7.2.1 MAC（模型算法控制）的基本算法295

7.2.2 IMAC（增量模型算法控制）的基本算法300

7.2.3 DMC（动态矩阵控制）的基本算法303

7.2.4 GPC（广义预测控制）的基本算法308

7.3 MPC系统的内模控制结构及其分析315

7.3.1 内模控制及其基本特征315

7.3.2 单步预测MAC系统的内模控制结构及其分析319

7.3.3 多步预测MAC系统的内模控制结构及其分析323

7.4 MPC算法的预测状态空间形式328

7.4.1 MAC算法的预测状态空间形式328

7.4.2 DMC算法的预测状态空间形式337

7.4.3 GPC算法的预测状态空间形式341

7.4.4 无自平衡系统的MAC和DMC算法345

7.4.5 可减小模型截断误差的MAC和DMC改进算法347

7.5 多变量系统的MPC算法352

7.5.1 多变量DMC集中预测集中优化算法352

7.5.2 多变量DMC分散预测分散优化算法355

7.6 基于Laguerre函数模型的预测控制361

7.6.1 动态系统的Laguerre函数模型361

7.6.2 预测控制算法368

习题370

第8章 计算机控制系统的工程实现372

8.1 计算机控制系统工程实现的步骤及其任务372

8.2 计算机控制系统的结构377

8.2.1 集中式计算机控制系统的结构377

8.2.2 分布式计算机控制系统及其结构378

8.2.3 现场总线式计算机控制系统及其结构380

8.3 计算机控制系统的软件实现386

8.3.1 概述386

8.3.2 人机界面的要求和实现387

8.3.3 数据管理和数据通信391

8.3.4 数据输入和输出393

8.3.5 控制器的算法实现及其计算时延减少394

8.4 计算机控制系统的硬件实现398

8.4.1 控制计算机硬件系统的技术要求398

8.4.2 控制机主机的选择400

8.4.3 模拟输出通道及D/A选择401

8.4.4 模拟输入通道及A/D选择403

8.4.5 数字输入输出通道的实现404

8.5 计算机控制系统的抗干扰技术405

8.5.1 干扰源405

8.5.2 干扰的耦合方式406

8.5.3 干扰的抑制407

8.5.4 系统供电技术409

习题411

参考文献412