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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1

第1章 计算机控制系统概述1

1.1.2 计算机控制系统的组成2

1.2 计算机控制系统的类型和特点4

1.2.1 计算机控制系统的类型4

1.2.2 计算机控制的主要特点7

1.3 计算机控制的发展概况及趋势7

习题9

2.1 数字信号和A/D转换10

第2章 信号转换与Z变换10

2.2 采样信号14

2.2.1 理想采样信号14

2.2.2 实际采样信号16

2.2.3 采样信号分析17

2.3 采样定理与采样周期选取21

2.3.1 采样定理21

2.3.2 重构公式说明22

2.3.3 采样周期T选取23

2.4 信号恢复与保持器26

2.4.1 零阶保持器特性分析27

2.4.2 一阶保持器特性分析29

2.5 Z变换32

2.5.1 采样信号拉氏变换32

2.5.2 Z变换定义与说明36

2.5.3 Z平面与S平面的映射关系37

2.6 Z变换性质、定理和Z变换及其反变换求法40

2.6.1 Z变换基本性质和定理40

2.6.2 Z变换求法46

2.6.3 Z反变换50

2.7 修正Z变换56

2.7.1 修正Z变换定义57

2.7.2 求修正Z变换的方法58

习题60

第3章 计算机控制系统数学描述62

3.1 离散系统与差分方程62

3.1.1 离散系统有关定义62

3.1.2 差分方程63

3.1.3 差分方程求解64

3.2 Z传递函数68

3.2.1 Z传递函数定义68

3.2.2 Z传递函数与差分方程相互转换69

3.2.3 Z传递函数与单位脉冲响应序列的相互转换70

3.3 离散系统的状态空间表示式74

3.3.1 动态系统的状态空间描述74

3.3.2 由差分方程求离散系统状态空间表示式76

3.3.3 由Z传递函数求离散系统状态空间表示式81

3.3.4 状态线性变换与状态空间表示式的规范型90

3.3.5 离散状态方程的求解93

3.3.6 离散系统的特征方程94

3.4 计算机控制系统连续部分的离散化状态空间表示式95

3.5.1 数字部分的Z传递函数98

3.5 计算机控制系统的Z传递函数98

3.5.2 连续部分的Z传递函数99

3.5.3 计算机控制系统的闭环Z传递函数101

习题103

第4章 计算机控制系统特性分析106

4.1 计算机控制系统稳定性分析106

4.1.1 离散系统稳定性及稳定条件106

4.1.2 离散系统代数稳定性判据109

4.1.3 离散系统频率特性与乃氏（Nyquist）稳定性判据114

4.1.4 离散系统李亚普诺夫稳定性判据117

4.2 计算机控制系统的稳态误差分析119

4.2.1 计算机控制系统的稳态误差与稳态误差系数120

4.2.2 计算机控制系统的误差级数与动态误差系数124

4.2.3 计算机控制系统对干扰输入的稳态误差126

4.3 计算机控制系统的暂态响应分析127

4.3.1 Z平面上极点分布与暂态响应的关系127

4.3.2 采样周期T对暂态响应特性的影响132

4.3.3 计算机控制系统的连续输出响应的计算136

4.3.4 含有延迟的计算机控制系统的输出响应139

4.3.5 非同步采样和信号转换延迟的处理140

4.4 双速率采样控制系统分析141

4.4.1 开关分解Z域分析法142

4.4.2 串级双速率采样控制系统时域分析法143

习题146

第5章 计算机控制系统基于输入输出模型设计法149

5.1 连续化设计和模拟控制器离散化150

5.1.1 连续化设计150

5.1.2 模拟控制器的离散化152

5.2 数字PID控制162

5.2.1 理想PID控制162

5.2.2 实际PID控制164

5.2.3 数字PID控制改进算法166

5.2.4 Smith预估补偿PID控制169

5.2.5 数字PID控制算法参数的整定170

5.3 根轨迹和伯德（Bode）图设计法173

5.3.1 根轨迹设计法174

5.3.2 伯德图设计法174

5.4 极点配置设计法176

5.4.1 单位反馈控制系统的极点配置设计177

5.4.2 复合控制系统的极点配置设计181

5.4.3 大林（Dahlin）控制器设计188

5.5.1 最少拍控制系统的设计190

5.5 最少拍控制系统的设计190

5.5.2 最少拍无纹波控制系统的设计201

5.5.3 最少拍无纹波复合控制系统的设计206

5.5.4 卡尔曼（Kalman）控制器设计210

5.6 计算机控制系统的最优化设计211

5.6.1 随机干扰模型212

5.6.2 最小方差控制217

5.6.3 广义最小方差控制223

5.7 自校正控制器的设计226

5.7.1 系统参数辨识的最小二乘法227

5.7.2 最小方差自校正控制器的设计235

习题239

第6章 计算机控制系统的状态空间设计法242

6.1 系统的能控性和能观性242

6.1.1 系统的能控性及其判别242

6.1.2 系统的能观性及其判别244

6.2 状态反馈极点配置设计法246

6.2.1 状态反馈律设计246

6.2.2 给定输入不为零系统的控制律设计255

6.2.3 重构状态反馈控制系统闭环分析258

6.3.1 全阶观测器及其设计261

6.3 状态观测器设计261

6.3.2 降阶观测器及其设计266

6.3.3 最优观测器——Kalman滤波器267

6.4 基于二次型性能指标状态反馈最优化设计271

6.4.1 二次型性能指标函数及其最优化控制问题272

6.4.2 线性二次型最优调节问题的求解273

6.4.3 线性二次型稳态最优控制279

6.4.4 线性随机系统二次型最优控制281

习题282

第7章 模型预测控制算法及设计285

7.1 概述285

7.2.1 MAC（模型算法控制）的基本算法290

7.2 MPC的基本算法290

7.2.2 IMAC（增量模型算法控制）的基本算法296

7.2.3 DMC（动态矩阵控制）的基本算法299

7.2.4 GPC（广义预测控制）的基本算法304

7.3 MPC系统的内模控制结构及其分析310

7.3.1 内模控制及其基本特征311

7.3.2 单步预测MAC系统的内模控制结构及其分析314

7.3.3 多步预测MAC系统的内模控制结构及其分析318

7.4 MPC算法的预测状态空间形式323

7.4.1 MAC算法的预测状态空间形式324

7.4.2 DMC算法的预测状态空间形式333

7.4.3 GPC算法的预测状态空间形式337

7.4.4 无自平衡系统的MAC和DMC算法341

7.4.5 可减小模型截断误差的MAC和DMC改进算法343

7.5 多变量系统的MPC算法348

7.5.1 多变量DMC集中预测集中优化算法348

7.5.2 多变量DMC分散预测分散优化算法351

7.6 基于Laguerre函数模型的预测控制357

7.6.1 动态系统的Laguerre函数模型358

7.6.2 预测控制算法364

习题366

8.1 计算机控制系统的总体设计368

第8章 计算机控制系统的工程实现368

8.2.1 早期的计算机控制系统结构372

8.2 计算机控制系统的结构372

8.2.2 分布式计算机控制系统及其结构373

8.2.3 分布式计算机控制系统与早期计算机控制系统的比较375

8.2.4 现场总线式计算机控制系统及其结构376

8.3 计算机控制系统的软件实现382

8.3.1 概述382

8.3.2 人机界面的要求和实现383

8.3.3 数据管理和数据通信386

8.4 计算机控制系统的硬件实现389

8.3.4 数据输入和输出389

8.4.1 实现计算机控制的基本系统390

8.4.2 输入／输出技术390

8.5 计算机控制系统的抗干扰技术392

8.5.1 干扰源392

8.5.2 干扰的耦合方式393

8.5.3 干扰的抑制394

8.5.4 系统供电技术395

习题397

参考文献398