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第1章 绪论1

1.1 计算机控制系统概述1

1.1.1 计算机控制系统的一般概念1

1.1.2 计算机控制系统的主要特点3

1.2 计算机控制系统的组成4

1.2.1 计算机控制系统的硬件组成4

1.2.2 计算机控制系统的软件组成5

1.3 计算机控制系统的典型应用形式5

1.3.1 数据采集与操作指导系统5

1.3.2 直接数字控制系统6

1.3.3 监督计算机控制系统6

1.3.4 计算机分级分布式控制系统7

1.3.5 数据采集与监督控制系统8

1.3.6 现场总线控制系统9

1.4 计算机控制系统的发展概况10

1.4.1 计算机控制系统的发展历程10

1.4.2 计算机控制系统的发展趋势11

1.5 计算机控制系统的理论与设计问题12

1.5.1 计算机控制系统的理论问题12

1.5.2 计算机控制系统的设计问题13

本章小结14

习题与思考题14

第2章 计算机控制系统的信号变换15

2.1 模数变换与数模变换15

2.1.1 信号类型15

2.1.2 A/D转换器16

2.1.3 D/A转换器17

2.1.4 A/D转换与D/A转换对系统性能的影响18

2.2 采样过程的数学描述及特性分析18

2.2.1 采样过程的一般描述18

2.2.2 采样开关的数学描述19

2.2.3 采样信号的时域描述20

2.2.4 采样信号的频域描述与频域特性21

2.2.5 采样定理22

2.3 信号的恢复与重构24

2.3.1 信号的理想恢复过程24

2.3.2 信号的非理想重构过程26

2.3.3 零阶保持器26

2.3.4 后置滤波28

2.4 信号的量化28

本章小结29

习题与思考题30

第3章 计算机控制系统的数学描述31

3.1 z变换理论31

3.1.1 z变换的定义31

3.1.2 z变换的方法32

3.1.3 z变换的性质和定理35

3.1.4 z反变换37

3.1.5 广义z变换40

3.2 线性定常离散系统的差分方程42

3.2.1 线性定常离散系统差分方程的一般形式42

3.2.2 线性定常差分方程的求解42

3.3 z传递函数43

3.3.1 z传递函数的概念43

3.3.2 z传递函数与差分方程的关系44

3.3.3 开环z传递函数44

3.3.4 闭环z传递函数47

3.3.5 计算机控制系统的输出响应计算48

3.4 离散状态空间描述49

3.4.1 线性定常离散系统的状态空间模型的建立49

3.4.2 连续状态方程的离散化55

3.4.3 计算机控制系统的闭环状态方程58

本章小结59

习题与思考题59

第4章 计算机控制系统的经典分析方法62

4.1 计算机控制系统的稳定性分析62

4.1.1 s平面与z平面的关系62

4.1.2 线性离散系统的稳定条件64

4.1.3 线性离散系统稳定性的判断66

4.1.4 采样周期对计算机控制系统稳定性的影响71

4.2 计算机控制系统稳态误差分析73

4.2.1 离散系统稳态误差的定义73

4.2.2 线性定常离散系统稳态误差的计算73

4.2.3 干扰作用下的稳态误差77

4.2.4 A/D转换器对稳态误差的影响77

4.2.5 采样周期对稳态误差的影响78

4.3 计算机控制系统的响应特性分析79

4.3.1 计算机控制系统的阶跃响应分析80

4.3.2 系统闭环极点分布与响应特性82

4.4 z平面根轨迹分析法84

4.4.1 z平面根轨迹绘制84

4.4.2 z平面根轨迹分析86

4.5 线性定常离散系统的频率特性分析法87

4.5.1 线性定常离散系统频率特性绘制方法87

4.5.2 线性定常离散系统频率特性分析方法90

本章小结92

习题与思考题92

第5章 基于连续系统理论的数字控制器设计94

5.1 基于连续系统理论的数字控制器设计基本原理94

5.1.1 连续域离散化设计基本思想94

5.1.2 等效控制器De（s）的数学描述94

5.1.3 数字控制器的设计步骤96

5.2 连续控制器的离散化方法96

5.2.1 脉冲响应不变法（z变换法）96

5.2.2 阶跃响应不变法97

5.2.3 前向差分法98

5.2.4 后向差分法100

5.2.5 双线性变换法102

5.2.6 预修正双线性变换法105

5.2.7 零极点匹配法106

5.2.8 各种离散化方法比较107

5.3 数字控制器设计举例107

5.4 数字PID控制110

5.4.1 PID控制的基本形式及数字化111

5.4.2 数字PID控制算法113

5.5 数字PID控制改进算法114

5.5.1 抗积分饱和算法114

5.5.2 微分算法的改进115

5.6 数字PID控制参数整定119

5.6.1 扩充临界比例系数法119

5.6.2 扩充响应曲线法120

5.6.3 试凑法120

5.7 史密斯预测补偿控制121

5.7.1 史密斯补偿原理121

5.7.2 纯滞后补偿的数字实现123

本章小结124

习题与思考题125

第6章 数字控制器z域直接设计方法126

6.1 基于z传递函数设计的基本原理126

6.1.1 数字控制器D（z）的一般形式126

6.1.2 对期望闭环传递函数Ф（z）的约束127

6.1.3 基于z传递函数设计一般步骤128

6.2 最少拍控制系统设计129

6.2.1 特殊对象的最少拍控制系统设计129

6.2.2 一般对象的最少拍控制系统设计133

6.3 最少拍无纹波控制系统设计136

6.4 最少拍控制系统的改进设计139

6.4.1 惯性因子法139

6.4.2 非最少的有限拍控制139

6.5 扰动作用下最少拍控制系统设计140

6.5.1 针对扰动作用的设计140

6.5.2 抑制扰动作用的设计141

6.6 大林算法设计143

6.6.1 大林算法基本原理143

6.6.2 大林算法数字控制器的一般形式144

6.6.3 振铃现象的消除方法146

6.7 复合控制系统设计148

6.7.1 反馈控制中的扰动作用148

6.7.2 复合控制系统基本形式与设计步骤148

6.8 z平面根轨迹设计151

6.9 数字控制器的频域设计153

6.9.1 w变换153

6.9.2 基于w变换的频域设计法155

本章小结159

习题与思考题159

第7章 计算机控制系统的状态空间分析161

7.1 离散状态方程的解161

7.1.1 递推法161

7.1.2 z变换法163

7.2 z传递函数矩阵与特征方程164

7.2.1 矩阵的特征值164

7.2.2 z传递函数矩阵165

7.2.3 离散系统的特征方程165

7.3 李亚普洛夫稳定性分析167

7.3.1 李亚普洛夫意义下的稳定性概念167

7.3.2 李亚普洛夫第二法主要定理168

7.3.3 线性定常连续系统渐近稳定判据170

7.3.4 离散时间系统李亚普洛夫稳定性判据170

7.4 可控性与可观性174

7.4.1 可控性174

7.4.2 输出可控性177

7.4.3 可观性178

7.4.4 可控性、可观性与z传递函数的关系181

7.4.5 采样系统可控可观性与采样周期的关系182

7.5 可控标准型与可观标准型183

7.5.1 z传递函数与可控标准型183

7.5.2 z传递函数与可观标准型184

7.5.3 通过线性变换构造可控标准型184

7.5.4 通过线性变换构造可观标准型186

本章小结187

习题与思考题188

第8章 计算机控制系统的状态空间设计190

8.1 状态反馈设计190

8.1.1 状态反馈系统结构及其特性190

8.1.2 状态反馈与极点配置192

8.1.3 单输入系统状态反馈极点配置设计193

8.1.4 多输入系统状态反馈极点配置设计196

8.1.5 有限拍控制197

8.2 输出反馈设计197

8.2.1 输出反馈的结构形式与特点198

8.2.2 输出反馈与极点配置199

8.3 状态观测器设计200

8.3.1 开环状态观测器200

8.3.2 闭环状态观测器设计201

8.3.3 降维观测器设计206

8.3.4 有限拍观测器207

8.4 带状态观测器的状态反馈设计208

8.4.1 带观测器的状态反馈控制系统的一般结构208

8.4.2 带观测器的状态反馈控制系统设计的分离性原理209

8.4.3 带观测器的状态反馈控制系统设计原则210

8.4.4 带观测器的状态反馈控制系统的控制器210

8.4.5 设计举例212

本章小结215

习题与思考题215

第9章 分级分布式计算机控制系统218

9.1 分级分布式计算机控制系统基本原理218

9.1.1 分级分布式计算机控制系统的产生218

9.1.2 分级分布式计算机控制系统的组成原理220

9.1.3 分级分布式计算机控制系统的评价222

9.2 集散控制系统223

9.2.1 集散控制系统的概念和特点224

9.2.2 集散控制系统的层次结构225

9.2.3 集散控制系统的基本控制器227

9.2.4 集散控制系统的数据通信228

9.2.5 集散控制系统的组态原理230

9.2.6 集散控制系统的发展概况234

9.3 现场总线控制系统235

9.3.1 现场总线控制系统概述235

9.3.2 现场总线控制系统的体系结构237

9.3.3 现场总线控制系统与集散控制系统的比较238

9.3.4 几种典型的现场总线239

本章小结245

习题与思考题246

第10章 计算机数值控制系统247

10.1 计算机数值控制基础247

10.1.1 计算机数值控制的基本概念247

10.1.2 数值控制基本原理248

10.1.3 计算机数值控制系统一般组成249

10.1.4 计算机数值控制系统的控制结构250

10.1.5 数值控制系统的控制方式251

10.2 逐点比较法插补原理251

10.2.1 逐点比较法直线插补原理251

10.2.2 逐点比较法圆弧插补原理255

10.2.3 八方向逐点比较法线性插值260

10.3 步进电机的控制技术261

10.3.1 步进电机工作原理261

10.3.2 步进电机的计算机控制263

本章小结267

习题与思考题268

第11章 计算机控制系统的设计与实现269

11.1 计算机控制系统的设计原则与步骤269

11.1.1 计算机控制系统设计的一般原则269

11.1.2 计算机控制系统的设计步骤271

11.2 过程输入／输出通道设计274

11.2.1 模拟量输入通道274

11.2.2 模拟量输出通道280

11.2.3 开关量（数字量）输入通道282

11.2.4 开关量（数字量）输出通道284

11.3 数字信号调理285

11.3.1 数字滤波285

11.3.2 非线性补偿287

11.3.3 标度变换288

11.4 数字控制器算法设计与实现289

11.4.1 计算延时与控制算法设计289

11.4.2 数字控制器D（z）的算法设计与实现291

11.4.3 状态空间描述控制器算法设计与实现296

11.4.4 控制算法中比例因子的设置298

11.5 量化效应分析298

11.5.1 计算机控制系统中量化误差来源299

11.5.2 变量的量化误差分析300

11.5.3 参数的量化误差分析302

11.5.4 量化效应的非线性分析304

11.6 采样周期选择307

11.6.1 采样周期选择的一般考虑307

11.6.2 采样周期选择的经验规则309

11.7 计算机控制系统的抗干扰技术310

11.7.1 干扰源310

11.7.2 干扰的作用形式311

11.7.3 串模干扰的抑制312

11.7.4 共模干扰的抑制313

11.7.5 长线传输干扰的抑制314

11.7.6 电源系统的抗干扰措施314

11.7.7 接地系统的抗干扰措施315

11.8 计算机控制系统的可靠性设计316

11.8.1 计算机控制系统可靠性设计的一般原则317

11.8.2 计算机控制系统的硬件可靠性设计317

11.8.3 计算机控制系统的软件可靠性设计319

本章小结322

习题与思考题322

参考文献324