計算機控制原理與套用

《計算機控制原理與套用》是2008年北京航空航天大學出版社出版的圖書，作者是陳炳和。本書深入淺出地、系統地論述了計算機控制系統的理論和套用，可作為大學本科生的教材，也可供有關教師和工程技術人員參考。

基本介紹

• 書名：計算機控制原理與套用
• 作者：陳炳和
• ISBN：7811241676、9787811241679
• 定價：46.00 元
• 出版社：北京航空航天大學出版社
• 出版時間：2008-2-1

內容提要

作為學習計算機控制系統的前提，概括地介紹了連續控制系統。非線性控制系統是自動控制的一個重要領域，書中簡要介紹了非線性控制的基本概念和基本研究方法。對得到廣泛套用的連續和離散PID控制器，單獨列為一章，深入地闡述了這類控制器的結構、算法和參數整定。從套用的角度介紹了可程式序控制器（PLC）。現代控制理論在越來越多的工程中得到套用，本書簡要地對狀態空間法進行了討論。每章都附有習題，書後附有絕大部分習題的參考答案。書中使用的MATLAB程式，均在MATLAB 7.0版本上運行過。

本書共分8章。第1章引論，概括介紹了全書的基本框架，回顧了控制理論發展的歷史，指出了控制理論發展的動向，將讀者引入書中所論述的內容。第2章線性連續控制系統，主要論述經典控制理論，涉及系統、信號和模型諸多方面。第3章非線性控制系統，通俗而簡單地介紹了非線性控制的基本概念和基本的研究方法。第4章線性離散時間系統，主要闡述了計算機控制的基本理論和基本方法。第5章計算機控制系統設計。第6章PID控制，系統論述了模擬和數字PID控制器的結構、算法和參數整定。第7章為可程式序控制器。第8章為狀態空間法。

目錄

第1章 引 論

1.1 計算機控制系統的基本概念

1.1.1 計算機控制系統

計算機控制系統(Computer Control System，簡稱CCS)是套用計算機參與控制並藉助一些輔助部件與被控對象相聯繫，以獲得一定控制目的而構成的系統。這裡的計算機通常指數字計算機，可以有各種規模，如從微型到大型的通用或專用計算機。輔助部件主要指輸入輸出接口、檢測裝置和執行裝置等。與被控對象的聯繫和部件間的聯繫，可以是有線方式，如通過電纜的模擬信號或數位訊號進行聯繫；也可以是無線方式，如用紅外線、微波、無線電波、光波等進行聯繫。

1.1.2 控制系統的分類

1.1.3 計算機控制系統的分類

1.1.4 計算機控制系統實現中的實際問題

1.2 計算機控制系統的研究內容和對系統的基本要求

1.2.1 計算機控制系統的研究內容

1.2.2 對計算機控制系統的基本要求

1.3 歷史回顧

1.4 計算機集成製造系統

習題

第2章 線性連續控制系統

2.1 引 言

2.1.1 單輸入單輸出控制系統

2.1.2 常用輸入信號

2.2 拉普拉斯變換

2.2.1 拉普拉斯變換的定義

2.2.2 拉普拉斯變換定理

2.2.3 拉普拉斯逆變換

2.2.4 用拉普拉斯變換法解線性常係數微分方程

2.3 物理系統的數學模型

2.3.1 線性元件的微分方程

2.3.2 隨動系統的微分方程

2.4 傳遞函式和方框圖

2.4.1 傳遞函式和微分方程

傳遞函式 transfer function 零初始條件下線性系統回響（即輸出）量的拉普拉斯變換（或z變換）與激勵（即輸入）量的拉普拉斯變換之比。記作G（s）=Y（s）/U（s），其中Y（s）、U（s)分別為輸出量和輸入量的拉普拉斯變換。傳遞函式是描述線性系統動態特性的基本數學工具之一，經典控制理論的主要研究方法——頻率回響法和根軌跡法——都是建立在傳遞函式的基礎之上。

含有未知函式的導數，如dy/dx=2x、ds/dt=0.4都是微分方程。 一般的凡是表示未知函式、未知函式的導數與自變數之間的關係的方程，叫做微分方程。未知函式是一元函式的，叫常微分方程；未知函式是多元函式的叫做偏微分方程。微分方程有時也簡稱方程。

2.4.2 電子網路的傳遞函式

2.4.3 簡單方框圖的傳遞函式

2.4.4 方框圖簡化

2.5 傳遞函式和信號流圖

2.5.1 信號流圖定義

藉助拓撲圖形求線性代數方程組解的一種方法。在1953年由S.J.梅森提出，故又稱梅森圖。這一方法能將各有關變數的因果關係在圖中明顯地表示出來，常用於分析線性系統，例如求它們的傳遞函式。

由美國麻省理工學院的梅森（Mason）於20世紀50年代首先

提出；

套用於：反饋系統分析、線性方程組求解、線性系統模擬及數字濾波器設計等方面。

實際上是用一些點和支路來描述系統：

線段表示信號傳輸的路徑，稱為支路。支路表示了一個信號與另一信號的函式關係，

信號只能沿著支路上的箭頭方向通過。

信號的傳輸方向用箭頭表示，轉移函式標在箭頭附近，相當於乘法器。結點可以把所有輸入支路的信號疊加，並把總和信號傳送到所有輸出支路。

2.5.2 梅遜增益公式

2.6 控制系統的時域分析

2.6.1 脈衝回響和階躍回響

2.6.2 時域性能指標

2.6.3 一階系統的動態回響

2.6.4 二階系統的動態回響

2.6.5 高階系統分析

2.6.6 穩態誤差分析

2.6.7 用MATLAB繪製單位階躍回響和單位脈衝回響

2.6.8 穩定性分析

2.7 根軌跡

2.7.1 根軌跡法

1948年，W.R.Evans提出了一種求特徵根的簡單方法，並且在控制系統的分析與設計中得到廣泛的套用。

1948年，W.R.Evans提出了一種求特徵根的簡單方法，並且在控制系

統的分析與設計中得到廣泛的套用。這一方法不直接求解特徵方程，用作圖的方法表示特徵方程的根與系統某一參數的全部數值關係，當這一參數取特定值時，對應的特徵根可在上述關係圖中找到。這種方法叫根軌跡法。根軌跡法具有直觀的特點，利用系統的根軌跡可以分析結構和參數已知的閉環系統的穩定性和瞬態回響特性，還可分析參數變化對系統性能的影響。在設計線性控制系統時，可以根據對系統性能指標的要求確定可調整參數以及系統開環零極點的位置，即根軌跡法可以用於系統的分析與綜合。

利用根軌跡分析和設計閉環控制系統的圖解方法。特徵方程（見傳遞函式）的根隨某個參數由零變到無窮大時在複數平面上形成的軌跡，稱為根軌跡。在控制系統的分析中，對特徵方程根的分布的研究，具有重要的意義。當特徵方程的次數不高於2時,其根可用解析方法來簡單地定出；但當特徵方程的次數高於 2時，求根過程將變得相當複雜。美國學者W.R.埃文斯在1948年提出的根軌跡方法

，為簡化特徵方程的求根過程提供了一種有效的手段。在把根軌跡技術套用於控制系統的分析時，常取系統的開環增益為可變參數,據此作出的根軌跡,表示閉環控制系統的極點在不同開環增益值下的分布。控制系統的極點在複數平面上的位置與系統的穩定性和過渡過程性能有密切的關係。根軌跡的建立，為分析控制系統在不同開環增益值時的行為提供了方便的途徑。對於設計控制系統的校正裝置(見控制系統校正方法)，根軌跡法也是基本方法之一。根軌跡法和頻率回響法被認為是構成經典控制理論的兩大支柱。

2.7.2 根軌跡圖的繪製

2.7.3 用MATLAB繪製根軌跡圖

2.8 頻率回響的概念

2.8.1 頻率回響法

2.8.2 頻率特性的圖形表示

2.8.3 典型環節的對數頻率特性

2.8.4 頻域性能指標

2.8.5 開環傳遞函式的頻率特性

2.8.6 時域和頻域回響之間的關係

2.8.7 用MATLAB進行頻域分析

2.9 複合控制系統

2.9.1 對輸入前饋補償的複合控制系統

2.9.2 對擾動前饋補償的複合控制系統

2.10 控制系統設計

2.10.1 校正裝置的結構

2.10.2 校正裝置的特性

2.10.3 根軌跡校正

2.10.4 頻率校正

習題

第3章 非線性控制系統

3.1 非線性數學模型的線性化

3.2 控制系統中的典型非線性特性

3.3 非線性系統的特性

3.3.1 疊加原理不成立

3.3.2 穩定性問題

3.3.3 極限環（自激振盪）

在數學中動態系統的概念里，二維流形或平面中的極限環是相平面中的一段閉合的軌跡。當時間趨於正無窮或負無窮（0）時，有至少一段其他的軌跡與其旋轉相交。極限環在非線性系統中經常能看到。在時間t趨於正無窮時附近所有的軌跡都逐漸靠近極限環的時候，這種極限環被稱為穩定的極限環。如果所有附近軌跡在t趨於負無窮時逐漸靠近極限環，這個極限環是不穩定的極限環。所有的極限環只有穩定和不穩定兩類。

穩定的極限環含有自激震盪，任何微擾都會使系統回到極限環中。

3.3.4 畸變現象

3.4 非線性系統的分析方法

3.4.1 描述函式法

3.4.2 相平面法

3.4.3 李雅普諾夫方法

3.4.4 反饋線性化方法

3.4.5 計算機仿真

3.5 描述函式法

3.5.1 描述函式法的基本概念

從頻率域的角度研究非線性控制系統的穩定性的一種等效線性化方法。在蘇聯文獻中，常把這種方法稱為諧波平衡法。描述函式法是把線性控制理論中經典頻率域方法套用於非線性系統研究的一種推廣，只適用於非線性程度較低的系統。對於非線性程度高的系統，套用描述函式法可能導致錯誤的結論。在工程技術領域中，許多實際的控制系統都能滿足描述函式法的限制條件，因而也都能套用這種方法。

3.5.2 典型非線性環節的描述函式

3.5.3 用描述函式法分析非線性系統的穩定性

3.6 相平面法

3.6.1 相平面法的基本概念

3.6.2 相軌跡的性質

3.6.3 相軌跡圖的繪製

3.6.4 由相軌跡求時間信息

3.6.5 非線性系統的相平面分析

3.7 用MATLAB分析非線性系統

3.7.1 用MATLAB進行描述函式法分析

3.7.2 用MATLAB進行相平面分析

習題

第4章 線性離散時間系統

4.1 引 言

4.2 差分方程

4.3 採樣定理

4.3.1 採樣過程及採樣信號的頻譜

4.3.2 香農採樣定理

4.3.3 零階保持器

4.4 z變換

4.4.1 z變換定義

4.4.2 z變換定理

4.4.3 z逆變換

4.4.4 用z變換求解差分方程

4.5 離散系統的傳遞函式和方框圖

4.5.1 離散傳遞函式與差分方程

4.5.2 開環z傳遞函式

4.5.3 閉環z傳遞函式

4.5.4 離散系統的穩態誤差

4.6 離散系統的極點、零點和穩定性

4.6.1 離散系統的極點與零點

4.6.2 s平面到z平面的映射

4.6.3 離散系統的穩定性

4.6.4 雙線性變換

4.6.5 勞斯穩定性判據

4.6.6 朱利穩定性判據

4.7 離散系統的根軌跡

4.7.1 根軌跡圖

4.7.2 z平面上的等阻尼比線

4.8 離散系統的頻率回響

4.8.1 對數頻率特性

4.8.2 極坐標頻率特性

4.8.3 用MATLAB繪製離散系統的頻率特性曲線

4.9 利用Simulink對離散系統進行建模和仿真

習題

第5章 計算機控制系統設計

5.1 引 言

5.1.1 濾波器的基本原理與設計

5.1.2 計算機控制系統連續化設計方法

5.1.3 計算機控制系統離散化設計方法

5.2 有限拍控制

5.2.1 有限拍控制系統設計

5.2.2 有限拍無波紋控制系統

5.2.3 有限拍設計的改進

5.3 根軌跡法

5.4 雙線性變化法

5.5 帶純滯後被控對象的控制系統設計

5.5.1 大林算法

5.5.2 史密斯預報器

習題

第6章 PID控制

6.1 引 言

6.2 模擬和數字PID算法

6.2.1 模擬PID算法

6.2.2 數字PID算法

6.3 數字PID的改進算法

6.3.1 積分分離PID控制算法

6.3.2 不完全微分PID控制算法

6.3.3 帶死區的PID控制算法

6.4 模擬和數字PID參數整定

6.4.1 模擬PID參數整定

6.4.2 數字PID參數整定

6.4.3 PID控制的自整定方法

6.5 模擬和數字PDF和PDFF算法

6.5.1 PDF算法

6.5.2 PDFF算法

6.5.3 PID、PDF和PDFF控制系統

6.6 PDF和PDFF參數整定

6.6.1 用標準濾波器進行參數整定

6.6.2 被控對象為單積分

6.6.3 被控對象為雙積分

習題

第7章 可程式序控制器

7.1 引 言

7.2 可程式序控制器的組成和工作原理

7.2.1 可程式序控制器的組成

7.2.2 可程式序控制器的工作原理

7.3 可程式序控制器的編程方式

7.3.1 可程式序控制器的程式語言

7.3.2 梯形圖的主要特點及編程元件

7.3.3 可程式序控制器的指令及編程方法

7.4 可程式序控制器通信與網路功能

7.4.1 可程式序控制器的通信功能

7.4.2 可程式序控制器網路

習題

第8章 狀態空間法

8.1 數學基礎——矩陣

8.1.1 向量及向量運算

8.1.2 矩陣及矩陣運算

8.2 狀態空間法的基本概念

8.3 連續系統的狀態空間模型

8.3.1 由微分方程建立狀態空間模型

8.3.2 多輸入多輸出系統的狀態空間模型

8.3.3 非線性定常系統與非線性時變系統的狀態空間模型

8.3.4 狀態方程求解

8.3.5 狀態空間模型與傳遞函式之間的等效轉換

8.3.6 傳遞矩陣

8.4 離散系統的狀態空間模型

8.4.1 由差分方程建立離散狀態空間模型

8.4.2 多輸入多輸出離散系統的狀態空間模型

8.4.3 離散狀態方程的求解

8.4.4 離散狀態空間模型與z傳遞函式之間的等效轉換

8.4.5 z傳遞函式矩陣

8.5 能控性和能觀測性

8.5.1 能控性和能觀測性的基本概念

8.5.2 連續系統能控性和能觀測性判據

8.5.3 離散系統能控性和能觀測性判據

8.5.4 對偶原理

8.6 控制系統的狀態空間設計

8.6.1 連續系統的狀態反饋控制器設計

8.6.2 離散系統的狀態反饋控制器設計

習題

附錄 部分習題參考答案

參考文獻