计算机控制系统

第1章计算机控制概论1

1.1典型的计算机控制系统2

1.2计算机控制系统的分类9

1.3计算机控制系统的结构和组成13

1.3.1控制对象16

1.3.2执行器17

1.3.3测量环节18

1.3.4数字调节器及输入、输出通道19

1.4计算机控制系统的性能及其指标27

1.4.1计算机控制系统的稳定性27

1.4.2计算机控制系统的能控性和能观测性28

1.4.3动态指标28

1.4.4稳态指标29

1.4.5综合指标30

1.5对象特性对控制性能的影响31

1.5.1对象放大系数对控制性能的影响32

1.5.2对象的惯性时间常数对控制性能的影响32

1.5.3对象的纯滞后时间对控制性能的影响32

1.6计算机控制研究的课题32

1.7计算机控制的发展方向34

1.8计算机控制的发展前景35

1.9练习题37

第2章线性离散系统的Z变换分析法38

2.1概述38

2.1.1线性离散系统的数学描述和分析方法38

2.1.2差分方程的解法40

2.2Z变换41

2.2.1Z变换的定义41

2.2.2Z变换的性质和定理43

2.3Z 反变换46

2.3.1部分分式法46

2.3.2长除法47

2.3.3留数计算法48

2.4用Z变换求解差分方程49

2.5Z传递函数50

2.5.1Z传递函数的定义50

2.5.2连续环节(或系统)的离散化51

2.5.3Z传递函数的性质55

2.5.4用Z传递函数来分析离散系统的过渡过程特性61

2.5.5用Z传递函数来分析离散系统的误差特性62

2.6线性离散系统的稳定性分析65

2.6.1S平面与Z平面的映射关系65

2.6.2线性离散系统的稳定域66

2.6.3线性离散系统的稳定判据67

2.7线性离散系统的性能分析72

2.8线性离散系统的根轨迹分析法74

2.8.1根轨迹分析法74

2.8.2开环零点、极点的分布对根轨迹的影响79

2.8.3Z平面上的等阻尼比线及其应用79

2.9线性离散系统的频率特性分析法81

2.9.1极坐标法81

2.9.2对数频率特性法83

2.10练习题85

第3章线性离散系统的离散状态空间分析法90

3.1概述90

3.2线性离散系统的离散状态空间表达式90

3.2.1由差分方程导出离散状态空间表达式91

3.2.2由Z传递函数建立离散状态空间表达式95

3.3线性离散系统离散状态方程的求解105

3.4线性离散系统的Z传递矩阵107

3.5线性离散系统的Z特征方程109

3.6计算机控制系统的离散状态空间表达式110

3.7用离散状态空间法分析系统的稳定性114

3.8练习题115

第4章计算机控制系统的离散化设计118

4.1有限拍设计概述118

4.2有限拍调节器的设计123

4.3采样频率的选择125

4.4有限拍无纹波设计127

4.5有限拍设计的改进132

4.6扰动系统的有限拍设计137

4.7有限拍设计的小结 139

4.8W变换设计法140

4.9根轨迹设计法143

4.10练习题144

第5章计算机控制系统的模拟化设计147

5.1概述147

5.2对数频率特性法校正148

5.3数字PID控制150

5.4数字PID控制的改进155

5.4.1积分分离PID控制算法156

5.4.2不完全微分PID算法157

5.4.3微分先行PID算法159

5.4.4带死区的PID控制160

5.5数字PID调节器参数的整定161

5.5.1PID调节器参数对控制性能的影响161

5.5.2采样周期T的选择164

5.5.3扩充临界比例度法选择PID参数165

5.5.4扩充响应曲线法选择PID参数166

5.5.5PID归一参数的整定法166

5.5.6变参数的PID控制167

5.6数字PID调节器参数的自寻最优控制168

5.6.1性能指标的选择168

5.6.2寻优方法169

5.6.3自寻最优数字调节器的设计170

5.7练习题171

第6章模糊控制173

6.1概述173

6.2模糊逻辑的基本概念173

6.3模糊逻辑控制器的设计方法175

6.4模糊控制器的动态特性177

6.5用于机械手的混合模糊控制系统181

6.6模糊控制器的优化方法187

6.7基于行为分类的模糊控制器的设计方法192

6.8小结198

6.9 练习题198

第7章离散状态空间设计法199

7.1概述199

7.2离散系统的能控性和能观测性199

7.2.1离散系统的能控性200

7.2.2离散系统的能观测性202

7.3离散状态空间设计法205

7.4最小能量控制系统的设计215

7.5离散二次型指标的最优控制219

7.6离散系统的最大值原理223

7.7离散时间线性调节器224

7.8几个矩阵运算的结果226

7.9 练习题226

第8章复杂规律计算机控制系统的设计228

8.1串级控制228

8.1.1串级控制系统的组成和工作原理228

8.1.2串级控制系统的特点230

8.1.3串级控制系统的应用范围233

8.1.4计算机串级控制系统235

8.1.5串级控制系统的设计原则237

8.1.6串级主控和副控调节器的选择237

8.1.7副控回路微分先行串级控制系统239

8.1.8多回路串级控制系统241

8.2前馈控制242

8.2.1前馈控制的工作原理242

8.2.2前馈控制的类型244

8.2.3计算机前馈控制250

8.2.4多变量前馈控制253

8.2.5前馈控制的设计原则256

8.2.6前馈调节器参数的整定257

8.3纯滞后对象的控制259

8.3.1大林算法259

8.3.2纯滞后补偿控制263

8.4多变量解耦控制273

8.4.1解耦控制原理273

8.4.2多变量解耦控制的综合方法275

8.4.3计算机多变量解耦控制278

8.4.4计算机多变量解耦控制举例282

8.5其他复杂规律控制系统的简介289

8.5.1比值控制289

8.5.2均匀控制291

8.5.3分程控制292

8.5.4自动选择性控制293

8.6练习题295

第9章集散型控制系统297

9.1 概述297

9.1.1典型的集散型控制系统297

9.1.2集散型控制系统的特点309

9.1.3集散型控制系统的发展概况311

9.2典型的集散型控制系统简介313

9.2.1山武霍尼威尔的TDCS2000系统313

9.2.2美国贝利控制公司的NETWORK90322

9.2.3德国西门子公司TELEPERM M集散型控制系统332

9.2.4新型的集散型信息管理控制系统TDCS3000338

9.3集散型控制系统的可靠性340

9.3.1可靠性指标340

9.3.2加强硬件质量管理提高系统的利用率341

9.3.3由系统的结构提高系统的利用率344

9.3.4系统的利用率346

9.4集散型控制系统数据通信概要349

9.4.1概述349

9.4.2局域网络通信协议简介352

9.4.3工业控制局域网络的选型356

9.5集散型控制系统的应用357

9.5.1TDCS2000在蒸馏塔最优化系统中的应用357

9.5.2TDCS2000在钢铁燃烧炉上的应用358

9.5.3TDCS2000用于锅炉控制363

9.6练习题368

第10章计算机控制系统的设计与实现369

10.1总体设计概述369

10.2体系结构设计、系统总线选择和计算机机型选择370

10.3输入、输出通道设计概要375

10.3.1模拟量输入模板THIPC7401376

10.3.2模拟量输出模板THIPC7410382

10.3.3数字量输入模板THIPC7601383

10.3.4数字量输出模板THIPC7600384

10.3.5信号调理模板THIPC7431384

10.3.6继电器输出模板THIPC7620386

10.4工业控制机提高可靠性的措施386

10.4.1系统的结构设计386

10.4.2元器件的选择，老化筛选388

10.4.3信号、电源、接地的抗干扰措施389

10.4.4感性负载回路的抗干扰措施390

10.4.5多重化结构技术390

10.4.6信号隔离技术393

10.4.7看门狗(Watchdog)及电源掉电检测技术404

10.4.8软件设计的可靠性措施405

10.5数字调节器的计算机实现406

10.5.1直接实现法406

10.5.2直接实现的正则形式Ⅰ407

10.5.3直接实现的正则形式Ⅱ407

10.5.4串接实现法409

10.5.5并接实现法409

10.5.6数字调节器实现方法小结410

10.6数学模型的转换411

10.6.1传递函数与Z传递函数间的相互转换412

10.6.2微分方程转换为差分方程——差分变换法419

10.6.3连续与离散状态方程的相互转换420

10.7控制系统的计算机辅助设计、计算和数字仿真423

10.7.1控制系统的计算机辅助设计423

10.7.2计算机的辅助计算430

10.7.3控制系统的数字仿真433

10.8计算机控制程序设计概要443

10.8.1程序设计的功能要求443

10.8.2结构程序设计443

10.9计算机控制系统的设计445

10.9.1农药生产过程的计算机控制445

10.9.2智能移动机器人的设计与实现456

10.10练习题459

附录A拉氏变换及Z变换表461

参考文献464

本书是作者在《计算机控制系统分析与设计》的基础上，综合了多年来在清华大学计算机科学与技术系从事教学、科研方面的先进技术和经验，吸收了国内外的先进理论、方法和技术，反复修改、总结、编著定稿的。《计算机控制系统分析与设计》出版后，被许多兄弟院校选用作教材。本书除了保持了原书的特点和优点外，增加了当前使用十分广泛、效果卓著的“模糊控制”(第6章)，包含有大量工程实用技术的“计算机控制系统的设计与实现”(第10章)，对书中许多章节做了修改、充实和提高，每章末都附加了练习题。本书阐述了计算机控制的基本概念； 较全面、较系统地介绍计算机控制系统的几种基本分析方法和具有实用价值的设计和实现，并提出了改进措施；介绍一些新型的控制手段、方法及其应用以及有发展前途的集散型控制系统；形成了一套较完整、较充实、较实用的计算机控制系统分析和设计的基本体系。本书注意保持技术、方法的先进性；注重理论联系实际，重视解决工程实际中出现的问题；做到重点突出，层次分明，叙述清楚；书中列举了大量例子、附图和表格，以利于读者掌握、理解和自学。本书可作为计算机应用、自动控制及工业自动化专业高年级大学生和研究生的教材，也可作为广大科研和工程技术人员的参考书。

本书比较全面、系统地总结了计算机控制系统的几种基本的分析方法和设计方法，并对－些设计方法提出改进措施。
本书保持计算机控制技术和方法的先进性，引进了新型的控剃方法、手段及其应用。
本书注重理论联系实际，重视解决实际工程中出现的现象和问题。
本书尽量做到重点突出，层次分明，条理清晰。书中还列举了大量的例子、附图和表格，以利于自学、理解和掌握。