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計算機控制系統(tǒng)(第三版) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030713667
- 條形碼：9787030713667 ; 978-7-03-071366-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
計算機控制系統(tǒng)(第三版) 內(nèi)容簡介
本書從計算機控制系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換開始，詳細闡述了計算機控制系統(tǒng)的建模、性能分析、控制器設(shè)計、控制系統(tǒng)實現(xiàn)的理論、方法和實用技術(shù)。全書分10章，內(nèi)容包括：信號轉(zhuǎn)換與z變換，計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學描述與性能分析，基于傳遞函數(shù)模型的數(shù)字控制器兩類設(shè)計方法--模擬化設(shè)計方法和直接離散化設(shè)計方法，基于狀態(tài)空間模型的極點配置設(shè)計方法，包含了線性二次型很優(yōu)控制、自校正控制、模型預測控制和模糊控制的優(yōu)選控制規(guī)律的設(shè)計方法，基于網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)分析和控制器設(shè)計方法，以及計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)技術(shù)和應用實例。全書理論聯(lián)系實際，注重理論的詳盡和控制方法的工程化改進，便于讀者理解、掌握和實際應用。
計算機控制系統(tǒng)(第三版) 目錄
目錄
前言
第1章 計算機控制系統(tǒng)概述 1
1.1 引言 1
1.2 計算機控制系統(tǒng)的基本概念 1
1.2.1 計算機控制系統(tǒng)的組成 1
1.2.2 計算機控制系統(tǒng)的應用要求 3
1.2.3 計算機控制系統(tǒng)的性能指標 4
1.3 計算機控制系統(tǒng)的過程通道和總線接口技術(shù) 4
1.3.1 過程通道 5
1.3.2 總線接口技術(shù) 7
1.4 模擬與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換 9
1.4.1 D/A轉(zhuǎn)換及其誤差 9
1.4.2 A/D轉(zhuǎn)換及其誤差 11
1.5 計算機控制系統(tǒng)的基本內(nèi)容 13
1.5.1 信號變換問題 13
1.5.2 對象建模與性能分析 13
1.5.3 控制算法設(shè)計 13
1.5.4 控制系統(tǒng)仿真分析 13
1.5.5 控制系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù) 14
1.6 計算機控制系統(tǒng)的基本類型 14
本章小結(jié) 18
習題與思考題 18
第2章 信號轉(zhuǎn)換與z變換 19
2.1 引言 19
2.2 信號變換原理 19
2.2.1 計算機控制系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換分析 19
2.2.2 采樣過程及采樣函數(shù)的數(shù)學表示 20
2.2.3 采樣函數(shù)的頻譜分析及采樣定理 22
2.2.4 采樣周期 T的討論 24
2.3 采樣信號恢復與保持器 25
2.3.1 零階保持器 27
2.3.2 一階保持器 29
2.4 信號轉(zhuǎn)換的工程化技術(shù) 30
2.4.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本工程化技術(shù) 30
2.4.2 D/A轉(zhuǎn)換的基本工程化技術(shù) 34
2.5 z變換 37
2.5.1 z變換的定義 37
2.5.2 z變換的方法 39
2.5.3 z變換的基本定理 43
2.6 z反變換 49
2.6.1 長除法 49
2.6.2 部分分式法 50
2.6.3 留數(shù)法 53
2.7 擴展z變換 55
2.7.1 擴展z變換的定義 55
2.7.2 幾種典型函數(shù)的擴展z變換 57
本章小結(jié) 59
習題與思考題 60
第3章 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學描述與性能分析 62
3.1 引言 62
3.2 線性常系數(shù)差分方程 62
3.2.1 離散系統(tǒng)與差分方程 62
3.2.2 差分方程求解 63
3.3 脈沖傳遞函數(shù) 67
3.3.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義 68
3.3.2 脈沖傳遞函數(shù)的推導 68
3.3.3 離散系統(tǒng)的框圖分析 70
3.3.4 計算機控制系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) 74
3.4 計算機控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 77
3.4.1 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件 77
3.4.2 s平面與z平面的映射分析 78
3.4.3 采樣周期與系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系 81
3.5 計算機控制系統(tǒng)的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 82
3.5.1 勞斯穩(wěn)定性判據(jù) 82
3.5.2 朱利穩(wěn)定性判據(jù) 84
3.6 計算機控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程分析 88
3.6.1 穩(wěn)態(tài)誤差與誤差系數(shù) 88
3.6.2 系統(tǒng)類型與穩(wěn)態(tài)誤差 90
3.6.3 采樣周期對穩(wěn)態(tài)誤差的影響 91
3.7 計算機控制系統(tǒng)暫態(tài)過程分析 93
3.7.1 z平面極點分布與暫態(tài)響應的關(guān)系 93
3.7.2 采樣周期對暫態(tài)響應的影響 95
3.8 計算機控制系統(tǒng)的頻域特性分析 98
3.8.1 離散系統(tǒng)的頻域描述 98
3.8.2 離散系統(tǒng)頻域穩(wěn)定性分析 98
3.8.3 離散系統(tǒng)伯德圖分析 100
本章小結(jié) 103
習題與思考題 103
第4章 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計方法 106
4.1 引言 106
4.2 模擬化設(shè)計方法基本原理 106
4.3 連續(xù)控制器的離散化方法 108
4.3.1 z變換法 108
4.3.2 差分變換法 109
4.3.3 雙線性變換法 112
4.3.4 零極點匹配法 114
4.4 數(shù)字PID控制器 115
4.4.1 基本數(shù)字PID控制算法 115
4.4.2 數(shù)字PID控制算法的工程化改進 117
4.4.3 數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定 121
4.5 Smith預估控制 124
4.5.1 純滯后問題的提出 124
4.5.2 Smith預估控制設(shè)計原理 125
4.5.3 Smith預估控制算法的工程化改進 128
本章小結(jié) 131
習題與思考題 131
第5章 數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法 133
5.1 引言 133
5.2 直接設(shè)計方法基本原理 133
5.3 *小拍控制器的設(shè)計方法 135
5.3.1 簡單對象*小拍控制器設(shè)計 135
5.3.2 復雜對象*小拍控制器設(shè)計 140
5.4 昀小拍控制器的工程化改進 145
5.4.1 *小拍控制系統(tǒng)存在的問題 145
5.4.2 *小拍無紋波控制器的設(shè)計 146
5.4.3 針對輸入信號類型敏感問題的改進 150
5.4.4 針對模型參數(shù)變化敏感問題的改進 154
5.5 大林算法 157
5.5.1 大林算法設(shè)計原理 157
5.5.2 振鈴現(xiàn)象及其消除方法 160
5.6 大林算法工程應用中關(guān)鍵參數(shù)的選擇 163
5.6.1 解決振鈴現(xiàn)象中關(guān)鍵參數(shù)的選擇 163
5.6.2 解決分數(shù)時滯問題中關(guān)鍵參數(shù)的選擇 165
5.7 數(shù)字控制器的程序?qū)崿F(xiàn) 169
5.7.1 直接程序設(shè)計法 169
5.7.2 串聯(lián)程序設(shè)計法 170
5.7.3 并行程序設(shè)計法 171
本章小結(jié) 173
習題與思考題 173
第6章 基于狀態(tài)空間模型的極點配置設(shè)計方法 175
6.1 引言 175
6.2 狀態(tài)空間描述的基本概念 175
6.2.1 系統(tǒng)動態(tài)過程的兩類描述 175
6.2.2 有關(guān)狀態(tài)空間描述的基本定義 176
6.3 離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型 177
6.3.1 離散狀態(tài)空間模型的建立 177
6.3.2 離散狀態(tài)方程的求解 183
6.3.3 離散狀態(tài)空間模型與z傳遞函數(shù)之間的關(guān)系 184
6.4 系統(tǒng)的能控性與能觀性 185
6.4.1 能控性與能觀性的概念 185
6.4.2 能控性判據(jù)與能觀性判據(jù) 186
6.4.3 能控標準型與能觀標準型 187
6.5 狀態(tài)可測時按極點配置設(shè)計控制規(guī)律 189
6.6 按極點配置設(shè)計觀測器 195
6.6.1 預報觀測器 195
6.6.2 現(xiàn)時觀測器 198
6.6.3 降階觀測器 200
6.7 狀態(tài)不可測時控制器的設(shè)計 201
6.7.1 分離性原理 201
6.7.2 控制器設(shè)計 203
6.8 隨動系統(tǒng)的設(shè)計 205
本章小結(jié) 206
習題與思考題 206
第7章先進控制規(guī)律的設(shè)計方法 208
7.1 引言 208
7.2 線性二次型昀優(yōu)控制器的設(shè)計 208
7.2.1 概述 208
7.2.2 LQR*優(yōu)控制器設(shè)計 209
7.2.3 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 213
7.3 自校正控制器的設(shè)計 214
7.3.1 概述 214
7.3.2 *小二乘參數(shù)辨識算法 215
7.3.3 自校正控制器設(shè)計 219
7.4 模型預測控制器的設(shè)計 222
7.4.1 概述 222
7.4.2 預測模型 224
7.4.3 預測控制算法 227
7.5 模糊控制器的設(shè)計 232
7.5.1 概述 232
7.5.2 模糊控制原理 235
7.5.3 模糊PID控制器設(shè)計 239
本章小結(jié) 243
習題與思考題 243
第8章 基于網(wǎng)絡的控制技術(shù) 244
8.1 引言 244
8.2 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)概述 244
8.2.1 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的基本概念 244
8.2.2 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容 246
8.3 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計 247
8.3.1 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時延特性 247
8.3.2 PID網(wǎng)絡控制器設(shè)計 249
8.4 云控制系統(tǒng)概述 252
8.4.1 云控制系統(tǒng)的基本概念 252
8.4.2 云控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容 254
8.5 云控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計 255
8.5.1 云控制系統(tǒng)時延特性 255
8.5.2 極點配置云控制器設(shè)計 261
本章小結(jié) 267
習題與思考題 268
第9章 計算機控制系統(tǒng)仿真分析 269
9.1 引言 269
9.2 系統(tǒng)仿真的概念及分類 269
9.2.1 系統(tǒng)仿真的基本概念 269
9.2.2 系統(tǒng)仿真的分類 269
9.2.3 計算機仿真的基本過程 270
9.2.4 MATLAB仿真軟件簡介 272
9.3 計算機控制系統(tǒng)信號仿真分析 274
9.3.1 信號的種類 274
9.3.2 脈沖采樣與MATLAB仿真 276
9.3.3 保持器與MATLAB仿真 277
9.4 計算機控制系統(tǒng)模型描述與性能仿真分析 280
9.4.1 離散傳遞函數(shù)模型 280
9.4.2 離散狀態(tài)空間模型 281
9.4.3 離散系統(tǒng)的模型辨識 282
9.4.4 神經(jīng)網(wǎng)絡建模 288
9.4.5 計算機控制系統(tǒng)頻域性能的仿真分析 290
9.5 數(shù)字控制器設(shè)計及其仿真 293
9.5.1 比例控制器設(shè)計 293
9.5.2 比例積分控制器設(shè)計 296
9.5.3 比例積分微分控制器設(shè)計 300
本章小結(jié) 302
習題與思考題 303
第10章 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 304
10.1 引言 304
10.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則與設(shè)計方法 304
10.2.1 設(shè)計原則 304
10.2.2 設(shè)計方法 305
10.3 計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 306
10.3.1 執(zhí)行機構(gòu)與驅(qū)動技術(shù) 306
10.3.2 檢測機構(gòu)與傳感器技術(shù) 306
10.4 計算機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 307
10.4.1 控制對象分析 307
10.4.2 數(shù)字控制器的實現(xiàn)問題 308
10.4.3 信號的數(shù)字濾波技術(shù) 309
10.5 數(shù)字控制器程序?qū)崿F(xiàn)的性能分析 310
10.5.1 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)值誤差來源 310
10.5.2 數(shù)字控制器的精度確定原則及保證措施 312
10.5.3 微分環(huán)節(jié)的處理措施與工程實現(xiàn)方法 316
10.5.4 數(shù)字控制器誤差及執(zhí)行時間的檢驗方法 320
10.5.5 控制算法不同編排結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點分析 321
10.6 量化效應與采樣周期誤差分析 322
10.6.1 A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差與孔徑誤差 322
10.6.2 采樣周期造成的誤差 322
10.7 計算機控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 326
10.7.1 提高可靠性的措施 326
10.7.2 干擾的來源及傳播途徑 327
10.7.3 消除或抑制干擾影響的方法 328
本章小結(jié) 331
習題與思考題 332
參考文獻 333
前言
第1章 計算機控制系統(tǒng)概述 1
1.1 引言 1
1.2 計算機控制系統(tǒng)的基本概念 1
1.2.1 計算機控制系統(tǒng)的組成 1
1.2.2 計算機控制系統(tǒng)的應用要求 3
1.2.3 計算機控制系統(tǒng)的性能指標 4
1.3 計算機控制系統(tǒng)的過程通道和總線接口技術(shù) 4
1.3.1 過程通道 5
1.3.2 總線接口技術(shù) 7
1.4 模擬與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換 9
1.4.1 D/A轉(zhuǎn)換及其誤差 9
1.4.2 A/D轉(zhuǎn)換及其誤差 11
1.5 計算機控制系統(tǒng)的基本內(nèi)容 13
1.5.1 信號變換問題 13
1.5.2 對象建模與性能分析 13
1.5.3 控制算法設(shè)計 13
1.5.4 控制系統(tǒng)仿真分析 13
1.5.5 控制系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù) 14
1.6 計算機控制系統(tǒng)的基本類型 14
本章小結(jié) 18
習題與思考題 18
第2章 信號轉(zhuǎn)換與z變換 19
2.1 引言 19
2.2 信號變換原理 19
2.2.1 計算機控制系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換分析 19
2.2.2 采樣過程及采樣函數(shù)的數(shù)學表示 20
2.2.3 采樣函數(shù)的頻譜分析及采樣定理 22
2.2.4 采樣周期 T的討論 24
2.3 采樣信號恢復與保持器 25
2.3.1 零階保持器 27
2.3.2 一階保持器 29
2.4 信號轉(zhuǎn)換的工程化技術(shù) 30
2.4.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本工程化技術(shù) 30
2.4.2 D/A轉(zhuǎn)換的基本工程化技術(shù) 34
2.5 z變換 37
2.5.1 z變換的定義 37
2.5.2 z變換的方法 39
2.5.3 z變換的基本定理 43
2.6 z反變換 49
2.6.1 長除法 49
2.6.2 部分分式法 50
2.6.3 留數(shù)法 53
2.7 擴展z變換 55
2.7.1 擴展z變換的定義 55
2.7.2 幾種典型函數(shù)的擴展z變換 57
本章小結(jié) 59
習題與思考題 60
第3章 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學描述與性能分析 62
3.1 引言 62
3.2 線性常系數(shù)差分方程 62
3.2.1 離散系統(tǒng)與差分方程 62
3.2.2 差分方程求解 63
3.3 脈沖傳遞函數(shù) 67
3.3.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義 68
3.3.2 脈沖傳遞函數(shù)的推導 68
3.3.3 離散系統(tǒng)的框圖分析 70
3.3.4 計算機控制系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) 74
3.4 計算機控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 77
3.4.1 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件 77
3.4.2 s平面與z平面的映射分析 78
3.4.3 采樣周期與系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系 81
3.5 計算機控制系統(tǒng)的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 82
3.5.1 勞斯穩(wěn)定性判據(jù) 82
3.5.2 朱利穩(wěn)定性判據(jù) 84
3.6 計算機控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程分析 88
3.6.1 穩(wěn)態(tài)誤差與誤差系數(shù) 88
3.6.2 系統(tǒng)類型與穩(wěn)態(tài)誤差 90
3.6.3 采樣周期對穩(wěn)態(tài)誤差的影響 91
3.7 計算機控制系統(tǒng)暫態(tài)過程分析 93
3.7.1 z平面極點分布與暫態(tài)響應的關(guān)系 93
3.7.2 采樣周期對暫態(tài)響應的影響 95
3.8 計算機控制系統(tǒng)的頻域特性分析 98
3.8.1 離散系統(tǒng)的頻域描述 98
3.8.2 離散系統(tǒng)頻域穩(wěn)定性分析 98
3.8.3 離散系統(tǒng)伯德圖分析 100
本章小結(jié) 103
習題與思考題 103
第4章 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計方法 106
4.1 引言 106
4.2 模擬化設(shè)計方法基本原理 106
4.3 連續(xù)控制器的離散化方法 108
4.3.1 z變換法 108
4.3.2 差分變換法 109
4.3.3 雙線性變換法 112
4.3.4 零極點匹配法 114
4.4 數(shù)字PID控制器 115
4.4.1 基本數(shù)字PID控制算法 115
4.4.2 數(shù)字PID控制算法的工程化改進 117
4.4.3 數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定 121
4.5 Smith預估控制 124
4.5.1 純滯后問題的提出 124
4.5.2 Smith預估控制設(shè)計原理 125
4.5.3 Smith預估控制算法的工程化改進 128
本章小結(jié) 131
習題與思考題 131
第5章 數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法 133
5.1 引言 133
5.2 直接設(shè)計方法基本原理 133
5.3 *小拍控制器的設(shè)計方法 135
5.3.1 簡單對象*小拍控制器設(shè)計 135
5.3.2 復雜對象*小拍控制器設(shè)計 140
5.4 昀小拍控制器的工程化改進 145
5.4.1 *小拍控制系統(tǒng)存在的問題 145
5.4.2 *小拍無紋波控制器的設(shè)計 146
5.4.3 針對輸入信號類型敏感問題的改進 150
5.4.4 針對模型參數(shù)變化敏感問題的改進 154
5.5 大林算法 157
5.5.1 大林算法設(shè)計原理 157
5.5.2 振鈴現(xiàn)象及其消除方法 160
5.6 大林算法工程應用中關(guān)鍵參數(shù)的選擇 163
5.6.1 解決振鈴現(xiàn)象中關(guān)鍵參數(shù)的選擇 163
5.6.2 解決分數(shù)時滯問題中關(guān)鍵參數(shù)的選擇 165
5.7 數(shù)字控制器的程序?qū)崿F(xiàn) 169
5.7.1 直接程序設(shè)計法 169
5.7.2 串聯(lián)程序設(shè)計法 170
5.7.3 并行程序設(shè)計法 171
本章小結(jié) 173
習題與思考題 173
第6章 基于狀態(tài)空間模型的極點配置設(shè)計方法 175
6.1 引言 175
6.2 狀態(tài)空間描述的基本概念 175
6.2.1 系統(tǒng)動態(tài)過程的兩類描述 175
6.2.2 有關(guān)狀態(tài)空間描述的基本定義 176
6.3 離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型 177
6.3.1 離散狀態(tài)空間模型的建立 177
6.3.2 離散狀態(tài)方程的求解 183
6.3.3 離散狀態(tài)空間模型與z傳遞函數(shù)之間的關(guān)系 184
6.4 系統(tǒng)的能控性與能觀性 185
6.4.1 能控性與能觀性的概念 185
6.4.2 能控性判據(jù)與能觀性判據(jù) 186
6.4.3 能控標準型與能觀標準型 187
6.5 狀態(tài)可測時按極點配置設(shè)計控制規(guī)律 189
6.6 按極點配置設(shè)計觀測器 195
6.6.1 預報觀測器 195
6.6.2 現(xiàn)時觀測器 198
6.6.3 降階觀測器 200
6.7 狀態(tài)不可測時控制器的設(shè)計 201
6.7.1 分離性原理 201
6.7.2 控制器設(shè)計 203
6.8 隨動系統(tǒng)的設(shè)計 205
本章小結(jié) 206
習題與思考題 206
第7章先進控制規(guī)律的設(shè)計方法 208
7.1 引言 208
7.2 線性二次型昀優(yōu)控制器的設(shè)計 208
7.2.1 概述 208
7.2.2 LQR*優(yōu)控制器設(shè)計 209
7.2.3 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 213
7.3 自校正控制器的設(shè)計 214
7.3.1 概述 214
7.3.2 *小二乘參數(shù)辨識算法 215
7.3.3 自校正控制器設(shè)計 219
7.4 模型預測控制器的設(shè)計 222
7.4.1 概述 222
7.4.2 預測模型 224
7.4.3 預測控制算法 227
7.5 模糊控制器的設(shè)計 232
7.5.1 概述 232
7.5.2 模糊控制原理 235
7.5.3 模糊PID控制器設(shè)計 239
本章小結(jié) 243
習題與思考題 243
第8章 基于網(wǎng)絡的控制技術(shù) 244
8.1 引言 244
8.2 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)概述 244
8.2.1 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的基本概念 244
8.2.2 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容 246
8.3 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計 247
8.3.1 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時延特性 247
8.3.2 PID網(wǎng)絡控制器設(shè)計 249
8.4 云控制系統(tǒng)概述 252
8.4.1 云控制系統(tǒng)的基本概念 252
8.4.2 云控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容 254
8.5 云控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計 255
8.5.1 云控制系統(tǒng)時延特性 255
8.5.2 極點配置云控制器設(shè)計 261
本章小結(jié) 267
習題與思考題 268
第9章 計算機控制系統(tǒng)仿真分析 269
9.1 引言 269
9.2 系統(tǒng)仿真的概念及分類 269
9.2.1 系統(tǒng)仿真的基本概念 269
9.2.2 系統(tǒng)仿真的分類 269
9.2.3 計算機仿真的基本過程 270
9.2.4 MATLAB仿真軟件簡介 272
9.3 計算機控制系統(tǒng)信號仿真分析 274
9.3.1 信號的種類 274
9.3.2 脈沖采樣與MATLAB仿真 276
9.3.3 保持器與MATLAB仿真 277
9.4 計算機控制系統(tǒng)模型描述與性能仿真分析 280
9.4.1 離散傳遞函數(shù)模型 280
9.4.2 離散狀態(tài)空間模型 281
9.4.3 離散系統(tǒng)的模型辨識 282
9.4.4 神經(jīng)網(wǎng)絡建模 288
9.4.5 計算機控制系統(tǒng)頻域性能的仿真分析 290
9.5 數(shù)字控制器設(shè)計及其仿真 293
9.5.1 比例控制器設(shè)計 293
9.5.2 比例積分控制器設(shè)計 296
9.5.3 比例積分微分控制器設(shè)計 300
本章小結(jié) 302
習題與思考題 303
第10章 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 304
10.1 引言 304
10.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則與設(shè)計方法 304
10.2.1 設(shè)計原則 304
10.2.2 設(shè)計方法 305
10.3 計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 306
10.3.1 執(zhí)行機構(gòu)與驅(qū)動技術(shù) 306
10.3.2 檢測機構(gòu)與傳感器技術(shù) 306
10.4 計算機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 307
10.4.1 控制對象分析 307
10.4.2 數(shù)字控制器的實現(xiàn)問題 308
10.4.3 信號的數(shù)字濾波技術(shù) 309
10.5 數(shù)字控制器程序?qū)崿F(xiàn)的性能分析 310
10.5.1 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)值誤差來源 310
10.5.2 數(shù)字控制器的精度確定原則及保證措施 312
10.5.3 微分環(huán)節(jié)的處理措施與工程實現(xiàn)方法 316
10.5.4 數(shù)字控制器誤差及執(zhí)行時間的檢驗方法 320
10.5.5 控制算法不同編排結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點分析 321
10.6 量化效應與采樣周期誤差分析 322
10.6.1 A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差與孔徑誤差 322
10.6.2 采樣周期造成的誤差 322
10.7 計算機控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 326
10.7.1 提高可靠性的措施 326
10.7.2 干擾的來源及傳播途徑 327
10.7.3 消除或抑制干擾影響的方法 328
本章小結(jié) 331
習題與思考題 332
參考文獻 333
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計算機控制系統(tǒng)(第三版) 節(jié)選
第1章 計算機控制系統(tǒng)概述 1.1 引言 計算機控制是以控制理論與計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的一門新的工程科學技術(shù)，廣泛應用于工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域。隨著控制理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，以及工程技術(shù)人員對計算機應用技術(shù)的不斷總結(jié)和創(chuàng)新，計算機控制系統(tǒng)的分析設(shè)計理論和方法不斷得以完善和發(fā)展，并成為從事自動化技術(shù)工作的科技人員必須掌握的一門專業(yè)技術(shù)。 1946年世界上**臺數(shù)字計算機誕生，從此引發(fā)了一場深刻的科學技術(shù)革命。20世紀50年代初產(chǎn)生了將數(shù)字計算機用于控制的思想，1955年美國 TRW航空公司與美國一個煉油廠合作，開始進行計算機控制的研究，這一開創(chuàng)性工作為計算機控制奠定了基礎(chǔ)；1962年英國的帝國化學工業(yè)公司應用計算機直接控制(DDC)被控過程的變量；1972年開始，微型計算機的出現(xiàn)和發(fā)展，推動計算機控制進入了新發(fā)展階段，并逐步取代模擬系統(tǒng)而成為主流控制系統(tǒng)。20世紀80年代以后，微型處理器件的迅速發(fā)展對計算機控制產(chǎn)生了深遠的影響，相互關(guān)聯(lián)的微計算機組合、共同負擔工作負荷的系統(tǒng)應運而生；進入21世紀，隨著網(wǎng)絡和通信技術(shù)的發(fā)展，以及云計算技術(shù)的出現(xiàn)，計算機控制系統(tǒng)進一步向分散化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，出現(xiàn)了新的計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使計算機控制進入了又一個新發(fā)展階段。 另外，控制理論也從20世紀40年代以傳遞函數(shù)模型為基礎(chǔ)的古典控制理論，逐漸發(fā)展到60年代以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論，進而從80年代開始出現(xiàn)了以人工智能為基礎(chǔ)的智能控制理論；與此同時，以*優(yōu)控制、多變量控制、系統(tǒng)辨識及自適應控制、魯棒控制、預測控制為代表的一系列先進控制理論和方法也得到了迅速發(fā)展，為計算機控制理論的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。 與常規(guī)模擬控制相比，計算機參與的控制系統(tǒng)也稱數(shù)字控制系統(tǒng)，在性能上得到大幅提高的同時，也產(chǎn)生了一系列新的基本理論和分析、設(shè)計方法。本書將從信號變換、對象建模與性能分析、控制算法設(shè)計、控制系統(tǒng)仿真、控制系統(tǒng)實現(xiàn)等5個方面系統(tǒng)講述計算機控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的基本理論和方法，其中，在信號變換的工程化、控制算法的工程化及控制系統(tǒng)實現(xiàn)的工程化部分進行了重點闡述。 本章概要 1.1節(jié)介紹計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展進程和本書所要解決的基本問題；1.2節(jié)介紹計算機控制系統(tǒng)的基本概念，包括計算機控制系統(tǒng)的組成、特點、工業(yè)要求和常用的性能指標；1.3節(jié)介紹計算機控制系統(tǒng)的通道和總線接口技術(shù)；1.4節(jié)介紹信號變換中的A/D與 D/A轉(zhuǎn)換原理；1.5節(jié)介紹本書涉及的計算機控制系統(tǒng)的理論問題；1.6節(jié)介紹計算機控制系統(tǒng)的基本類型。 1.2 計算機控制系統(tǒng)的基本概念 1.2.1 計算機控制系統(tǒng)的組成 由計算機參與并作為核心環(huán)節(jié)的自動控制系統(tǒng)，稱為計算機控制系統(tǒng)。一個典型的電阻爐爐溫計算機控制系統(tǒng)如圖1.1所示。 圖1.1 爐溫計算機控制系統(tǒng) 爐溫計算機控制系統(tǒng)工作過程如下：電阻爐溫度這一物理量經(jīng)過熱電偶檢測后，變成電信號(毫伏級)，再經(jīng)變送器變成標準信號(1～5V或4～20mA)從現(xiàn)場進入控制室；經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器采樣后變成數(shù)字信號進入計算機，與計算機內(nèi)部的給定溫度比較，得到偏差信號，該信號經(jīng)過計算機內(nèi)部的應用軟件，即控制算法運算后得到一個控制信號的數(shù)字量，再經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器將該數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)換成模擬量；控制信號模擬量作用于執(zhí)行機構(gòu)觸發(fā)器，進而控制雙向晶閘管對交流電壓(220V)進行PWM調(diào)制，達到控制加熱電阻兩端電壓的目的；電阻兩端電壓的高低決定了電阻加熱能力的大小，從而調(diào)節(jié)爐溫變化，*終達到計算機內(nèi)部的給定溫度。 將類似上述爐溫計算機控制系統(tǒng)的各類計算機控制系統(tǒng)抽象化，得到圖 1.2所示的計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)，其中圖 1.1中的 A/D轉(zhuǎn)換器包括圖 1.2中的 A/D環(huán)節(jié)和采樣開關(guān)，D/A轉(zhuǎn)換器包括圖 1.2中的 D/A環(huán)節(jié)和保持器。數(shù)字控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機構(gòu)和被控對象組成控制的前向通道；而測量變送環(huán)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換器組成控制的反饋通道。 圖1.2 計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 圖1.2中包括三種信號，數(shù)字信號(時間上離散，幅值上量化)：*——給定輸入，*——經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的系統(tǒng)輸出，*——由控制器計算的控制信號，—偏差信號；模擬信號(時間上連續(xù)，幅值上也連續(xù))：*——系統(tǒng)輸出(被控制量)，*轉(zhuǎn)換后經(jīng)保持器輸出的控制量；離散模擬信號(時間上離散，幅值上連續(xù))：*—經(jīng)過采樣開關(guān)的被控量信號，*——經(jīng)*轉(zhuǎn)換后的控制量信號。從圖1.2可以看出，典型的計算機控制系統(tǒng)是連續(xù)-離散混合系統(tǒng)，其特點是：模擬、數(shù)字和離散模擬信號同在；輸入輸出均為模擬量的連續(xù)環(huán)節(jié)(被控對象、傳感器)、輸入和輸出均為數(shù)字量的數(shù)字環(huán)節(jié)(數(shù)字控制器、偏差計算)、輸入輸出為兩類不同量的離散模擬環(huán)節(jié)(A/D和D/A)共存。 如果忽略量化效應等因素，常將數(shù)字信號和離散模擬信號統(tǒng)稱為離散信號(或采樣信號)，而模擬信號也可稱為連續(xù)信號。模擬控制系統(tǒng)可稱為連續(xù)控制系統(tǒng)，而計算機控制系統(tǒng)常稱為數(shù)字控制系統(tǒng)，有時也簡稱為離散控制系統(tǒng)。 計算機控制系統(tǒng)與常規(guī)的連續(xù)(模擬)控制系統(tǒng)相比，通常具有如下優(yōu)點。 (1) 設(shè)計和控制靈活。在計算機控制系統(tǒng)中，數(shù)字控制器的控制算法是通過編程的方法來實現(xiàn)的，所以很容易實現(xiàn)多種控制算法，修改控制算法的參數(shù)也比較方便。還可以通過軟件的標準化和模塊化，反復、多次調(diào)用這些控制軟件。 (2) 能實現(xiàn)集中監(jiān)視和操作。由于計算機具有分時操作功能，采用計算機控制時，可以監(jiān)視幾個、幾十個甚至上百個控制量，把生產(chǎn)過程的各個被控對象都管理起來，組成一個統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，便于集中監(jiān)視、集中操作管理。 (3) 能實現(xiàn)綜合控制。計算機控制不僅能實現(xiàn)常規(guī)的控制規(guī)律，而且由于計算機的存儲、邏輯功能和判斷功能，它可以綜合生產(chǎn)的各方面情況，在環(huán)境與參數(shù)變化時，能及時進行判斷、選擇*合適的方案進行控制，必要時可以通過人機對話等方式進行人工干預，這些都是傳統(tǒng)模擬控制無法勝任的。 (4) 可靠性高，抗干擾能力強。在計算機控制系統(tǒng)中，可以利用程序?qū)崿F(xiàn)故障的自診斷、自修復功能，使計算機控制系統(tǒng)具有很強的可維護性。另外，計算機控制系統(tǒng)的控制算法是通過軟件的方式來實現(xiàn)的，程序代碼存儲于計算機中，一般情況下不會因外部干擾而改變，因此計算機控制系統(tǒng)的抗干擾能力較強。 1.2.2 計算機控制系統(tǒng)的應用要求 計算機控制系統(tǒng)大多應用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，因此計算機控制系統(tǒng)應滿足如下基本要求。 (1) 可靠性高。計算機控制系統(tǒng)通常用于控制不間斷的生產(chǎn)過程，在運行期間不允許停機檢測，一旦發(fā)生故障將會導致質(zhì)量事故，甚至生產(chǎn)事故。因此要求計算機控制系統(tǒng)具有很高的可靠性。 (2) 實時性好。計算機控制系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行實時控制與監(jiān)測，因此要求它必須實時地響應控制對象各種參數(shù)的變化。當過程的狀態(tài)參數(shù)出現(xiàn)偏差或故障時，系統(tǒng)要能及時響應，并能實時地進行報警和處理。 (3) 環(huán)境適應性強。有的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復雜，存在電磁干擾，因此要求計算機控制系統(tǒng)具有很強的環(huán)境適應能力，如對溫度 /濕度變化范圍要求高；要具有防塵、防腐蝕、防振動沖擊的能力等。 (4) 過程輸入和輸出配套較好。計算機控制系統(tǒng)要具有豐富的多種功能的過程輸入和輸出配套模板，如模擬量、開關(guān)量、脈沖量、頻率量等輸入輸出模板；具有多種類型的信號調(diào)理功能，如隔離型和非隔離型信號調(diào)理等。 (5) 系統(tǒng)擴充性好。隨著工廠自動化水平的提高，控制規(guī)模也在不斷擴大，因此要求計算機控制系統(tǒng)具有靈活的擴充性。 (6) 系統(tǒng)開放性。要求計算機控制系統(tǒng)具有開放性體系結(jié)構(gòu)，也就是說在主系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡通信、軟件兼容及升級等方面遵守開放性原則，以便于系統(tǒng)擴充、異機種連接、軟件的可移植和互換。 (7) 控制軟件包功能強。計算機控制系統(tǒng)應用軟件包應具備豐富的控制算法，同時還應具有人機交互方便、畫面豐富、實時性好等性能。 1.2.3 計算機控制系統(tǒng)的性能指標 計算機控制系統(tǒng)的性能與連續(xù)控制系統(tǒng)類似，可以用穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性來表征，相應地用穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)指標、動態(tài)指標和綜合指標來衡量一個系統(tǒng)的好壞或優(yōu)劣。這些基本性能指標以及性能指標與系統(tǒng)的固有參數(shù)和設(shè)計參數(shù)的關(guān)系，為分析和設(shè)計計算機控制系統(tǒng)提供了依據(jù)。 1. 穩(wěn)定性 任何系統(tǒng)在擾動作用下都會偏離原來的平衡工作狀態(tài)。穩(wěn)定性是指當擾動作用消失以后，系統(tǒng)恢復原平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是系統(tǒng)的固有特性，它與擾動的形式無關(guān)，只取決于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法進行工作的。連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是閉環(huán)系統(tǒng)的特征根位于s左半平面，而離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是閉環(huán)系統(tǒng)的特征根位于z平面的單位圓內(nèi)。 2. 穩(wěn)態(tài)指標穩(wěn)態(tài)指標是衡量控制系統(tǒng)精度的指標，用穩(wěn)態(tài)誤差來表征。穩(wěn)態(tài)誤差是輸出量的穩(wěn)態(tài)值與給定值的差值，定義為 (1.1) *表示控制精度，因此希望*越小越好。穩(wěn)態(tài)誤差與控制系統(tǒng)本身的特性(如系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù))有關(guān)，也與系統(tǒng)的輸入信號(如階躍、速度或加速度輸入信號)以及反饋通道的干擾(測量干擾或檢測回路中的干擾)有關(guān)。 3. 動態(tài)指標 動態(tài)指標能夠比較直觀地反映控制系統(tǒng)的過渡過程特性。動態(tài)指標包括超調(diào)量*% 、調(diào)節(jié)時間ts 、峰值時間tp 、衰減比*和振蕩次數(shù) N，以上5項動態(tài)指標也稱為時域指標，用得*多的是超調(diào)量*% 、調(diào)節(jié)時間ts和衰減比*。 4. 綜合指標 設(shè)計*優(yōu)控制系統(tǒng)時，既要考慮到能對系統(tǒng)的性能做出正確的評價，又要考慮到數(shù)學上容易處理或工程上便于實現(xiàn)，因此經(jīng)常使用綜合性能指標來評價一個控制系統(tǒng)。常用的綜合性能指標為積分型指標，如 (1.2) 這種“先誤差平方后積分”形式的性能指標用來權(quán)衡系統(tǒng)總體誤差的大小，數(shù)學上容易處理，可以得到解析解，因此經(jīng)常使用，如在宇宙飛船控制系統(tǒng)中按J*小設(shè)計，可使動力消耗*少。 1.3 計算機控制系統(tǒng)的過程通道和總線接口技術(shù) 圖1.2所示的計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)，若從硬件實現(xiàn)的角度進一步細化，就得到圖1.3所示的計算機控制系統(tǒng)的典型硬件組成示意圖。 從圖1.3可以看出，計算機控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括三部分。 圖1.3 計算機控制系統(tǒng)硬件組成示意圖 (1)過程裝置。包括被控對象、執(zhí)行機構(gòu)和測量變送裝置。 (2)輸入輸出通道。包括過程通道和總線接口。 (3)計算機系統(tǒng)。包括計算機和外部設(shè)備。外部設(shè)備包括人機聯(lián)系設(shè)備(如鼠標、鍵盤等)和通用外部設(shè)備(如顯示器、打印機等)。 計算機內(nèi)部包含完成各種功能的計算機程序，統(tǒng)稱為計算機軟件系統(tǒng)，具體包括系統(tǒng)軟件、應用軟件和數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件是指為提高計算機使用效率和擴大功能、為用戶使用和維護計算機提供方便的程序的總稱，一般包括操作系統(tǒng)、程序設(shè)計系統(tǒng)和公共程序與診斷系統(tǒng)；應用軟件是用戶為解決實時控制問題、完成特定功能而設(shè)計和編寫的各種程序的總稱，一般包括過程監(jiān)控程序、過程控制程序和信息管理程序；數(shù)據(jù)庫是用于支持數(shù)據(jù)管理、存取的軟件，它包括數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。 下面主要對輸入輸出通道中的過程通道和總線接口技術(shù)進行詳細介紹。 1.3.1 過程通道 過程通道分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。過程輸入通道把生產(chǎn)對象的被控參數(shù)變換成計算機可以接收的數(shù)字代碼；而過程輸出通道把計算機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，變換成可以對工業(yè)對象進行控制的信號。 1. 模擬量輸入通道 圖1.4是模擬量輸入通道的組成與結(jié)構(gòu)框圖，可以看出模擬量輸入通道通常由信號變換器、濾波器、多路模擬開關(guān)、前置放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口和控制電路等部分組成。
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