编辑推荐
《计算机控制系统/全国高等学校自动化专业系列教材·普通高等教育“十一五”国家级规划教材》兼顾计算机控制基本原理和实现技术两大方面的教学要求,并进行了统筹安排。全书综合了计算机控制基本理论、设计方法及实现技术,是一本内容系统完整、经典和现代技术与方法相结合的教材。书中较系统地组织r有关嵌入式系统、可编程控制器、集散式系统、现场总线和网络控制技术等先进计算机控制技术的介绍,将有助于读者对现代计算机控制技术的学习。
为了加强理论联系实际和实践能力的培养,《计算机控制系统/全国高等学校自动化专业系列教材·普通高等教育“十一五”国家级规划教材》特别注意论述工程中常用的方法和解释实践中比较关心的问题。此外,各章节还结合具有典型工程背景的实例进行相关内容的论述,大部分例题和习题均有实际应用背景。结合工程实例和配合典型实验系统,书中设置了较多的习题。本书在实施计算机控制系统分析和设计时,充分恰当地使用了现代计算工具MATLAB及Simulink.特别是应用了符号语言工具箱,这将有效地帮助学生完成复杂计算,实现系统的分析和设计。
为帮助读者培养分析和解决问题的能力,《计算机控制系统/全国高等学校自动化专业系列教材·普通高等教育“十一五”国家级规划教材》在所附光盘中,对习题中近一半题目给出了详细的参考解答。为方便选用本书作教材的教师从事教学活动,在所附光盘中还提供了一套完整的教学软件。
内容简介
《计算机控制系统/全国高等学校自动化专业系列教材·普通高等教育“十一五”国家级规划教材》系统地讲述计算机控制系统基本原理与实现技术问题。全书共10章,分为三部分:(1)计算机控制的基础理论,包括计算机控制概述、系统信号分析、计算机控制系统数学描述、离散系统分析;(2)计算机控制系统设计,包括连续域离散化设计、直接离散域设计(如根轨迹设计、w域设计)和状态空间设计等;(3)计算机控制系统工程实现技术,包括计算机控制系统的构建、工程实现的某些问题(如量化误差分析、采样周期的选取以及抗干扰和可靠性等)、嵌入式系统、可编程控制器、集散控制系统、总线控制系统及控制网络系统。最后一章介绍了三个应用实例。书末附有变换的常用表,全书各章的习题均放在附录中。在所附光盘中,给出《计算机控制系统/全国高等学校自动化专业系列教材·普通高等教育“十一五”国家级规划教材》所涉及的MATI,AB常用指令表和符号语言工具箱、部分习题解答、基于本书内容的教师用电子教案。
《计算机控制系统/全国高等学校自动化专业系列教材·普通高等教育“十一五”国家级规划教材》可作为高等学校自动控制(自动化)、电气工程、仪器仪表及机电一体化专业的教材,也可作为研究生教学的基础教材,同时也是有关工程技术人员的有用参考资料。
作者简介
高金源,1936年生。北京航空航天大学教授,博士生导师。享受政府特殊津贴。主要学科方向为计算机控制、飞机飞行控制。多年来为本科生及研究生讲授“计算机控制”课程。参编的航空部统编教材《计算机控制系统》获航空部优秀教材二等奖。主编的《计算机控制系统——理论、设计与实现》教材获北京市2004年精品教材称号。2001年完成的“自动化专业本科工程实践能力培养方案”课题获北京市教学成果一等奖。近年来承担了中央电大计算机应用专业“计算机控制技术”课程的教材主编和主讲工作。多年来完成多项重点课题研究工作。作为主要参加者或项目负责人,曾获国家科技进步一等奖及多项航空部科技进步二等奖。
夏洁,1963年生。北京航空航天大学副教授,博士。主要学科方向为计算机控制、飞机飞行控制。担任北京航空航天大学本科生及研究生“计算机控制”课程的主讲教师。参加北京市2004年精品教材《计算机控制系统——理论、设计与实现》以及中央电大计算机应用专业“计算机控制技术”课程教材的编写。参与211、教育部985振兴工程教学实验条件建设,构建了计算机控制系统综合性实验平台,指导学生进行微机、单片机、DSP、嵌入式控制等多种计算机控制系统的综合实验。多年来参加并完成了多项重点科研课题的研究。
内页插图
目录
第1章 计算机控制导论
1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 计算机控制系统组成
1.1.2 计算机控制系统特点
1.1.3 计算机控制系统优点
1.2 计算机控制系统的发展与应用
1.2.1 计算机控制系统发展概述
1.2.2 计算机控制系统应用与分类
1.3 计算机控制系统的理论与设计问题
1.3.1 计算机控制系统的理论问题
1.3.2 计算机控制系统的设计与实现
本章小结
第2章 计算机控制系统信号分析
2.1 控制系统中信号分类
2.1.1 A/D变换
2.1.2 D/A变换
2.1.3 计算机控制系统中信号的分类
2.2 理想采样过程的数学描述及特性分析
2.2.1 采样过程的描述
2.2.2 理想采样信号的时域描述
2.2.3 理想采样信号的复域描述
2.2.4 理想采样信号的频域描述
2.2.5 采样定理
2.2.6 前置滤波器
2.3 信号的恢复与重构
2.3.1 理想恢复过程
2.3.2 非理想恢复过程
2.3.3 零阶保掎器
2.3.4 后置滤波
2.4 信号的整量化
2.5 计算机控制系统简化结构
本章小结
第3章 计算机控制系统的数学描述
3.1 离散系统的时域描述——差分方程
3.1.1 差分的定义
3.1.2 差分方程
3.1.3 线性常系数差分方程的迭代求解
3.2 z变换
3.2.1 z变换的定义
3.2.2 z变换的基本定理
3.2.3 求z变换及反变换的方法
3.2.4 差分方程的z变换解法
3.3 脉冲传递函数
3.3.1 脉冲传递函数定义
3.3.2 脉冲传递函数特性
3.3.3 差分方程与脉冲传递函数
3.4 离散系统的方块图分析
3.4.1 环节连接的等效变换
3.4.2 闭环反馈系统脉冲传递函数
3.4.3 计算机控制系统的闭环脉冲传递函数
3.4.4 干扰作用时闭环系统的输出
3.5 离散系统的频域描述
3.5.1 离散系统频率特性的定义
3.5.2 离散系统频率特性的计算
3.5.3 离散系统频率特性的特点
3.6 离散系统的状态空间描述
3.6.1 由差分方程建立离散状态方程
3.6.2 由脉冲传递函数建立离散状态方程
3.6.3 计算机控制系统状态方程
3.6.4 离散状态方程求解
3.6.5 脉冲传递函数阵
3.7 应用实例
本章小结
第4章 计算机控制系统分析
第5章 计算机控制系统的经典设计方法
第6章 计算机控制系统状态空间设计
第7章 计算机控制系统组建以及实现技术
第8章 嵌入式系统及可编程控制器
第9章 控制网络系统及网络控制技术
第10章 计算机控制系统设计与应用实例
附录A z变换表
附录B 习题
参考文献
前言/序言
计算机在实时控制领域中获得了广泛的应用。在国民经济及国防等各个领域中,采用计算机控制是现代化的重要标志。计算机控制学科涉及计算机控制的基本理论、分析、设计与工程实现等多方面内容。
本书是依照“全国高等学校自动化专业系列教材编审委员会”审定的教材大纲编写的。
本书兼顾计算机控制基本原理和实现技术两大方面的教学要求。通过本书的学习,读者可在计算机控制基本原理和实现技术方面获得较全面的培养和锻炼。全书除第1章外,其余各章可分为三部分:(1)计算机控制的理论基础(第2~4章)。考虑到这部分内容较为成熟,在前修课的基础上,将简练、系统、深入地讲述一些基础性的内容;(2)计算机控制系统设计(第5~6章)。遵循经典与现代设计方法并重的原则,重点讨论连续离散化设计、离散域根轨迹设计、w域设计和状态空间设计等相关内容;(3)计算机控制系统工程实现技术(第7~10章)。由于计算机硬软件技术发展日新月异,因此,在论述基本工程实现技术的基础上,重点介绍了现代先进计算机控制的实现技术。除第7章介绍一些基本的工程实现技术外,第8~9章分别讨论了嵌入式系统、可编程控制器、集散式系统、现场总线和网络控制等先进控制技术,第10章介绍了3个计算机控制系统实例,以增强读者的感性认识。鉴于自动控制专业学生在微机原理及接口技术等相关课程中对计算机系统硬件已有较系统的学习,本书将不再重复,但在论述计算机控制系统构建及实现技术时,从应用的角度上讨论了相关问题。为了加强教材理论联系实际和实践能力的培养,本书在组织教材的基本内容时,特别注意论述工程中常用的方法和解释实践中比较关心的问题。此外,各章节将结合具有典型工程背景的实例进行相关内容的论述,大部分例题和习题均有各种实际应用背景,并且结合工程实例和配合典型实验系统设置习题作业,使学生在初级阶段就可以从事一些简单系统的设计和实现任务。本书在论述计算机控制系统分析、设计时,充分恰当地使用了现代的计算工具MATLAB及Simulink软件,特别是,应用了其中的符号语言工具箱,将有效地帮助学生完成复杂计算,实现系统的分析和设计。本书书未有2个附录,分别为z变换表和各章的习题。为了帮助读者学习和运用所学知识解决问题的能力,本书给出了较多的习题。随书将附带一张光盘,其中包括本书在分析设计和仿真中涉及到的MATLAB常用指令表、MATLAB软件符号语言工具箱以及本书部分习题的解答。另外还提供基于本书内容的电子教案,以便于选择该教材的教师教学时使用。
本书可供自动控制(自动化)专业本科及研究生教学使用,亦可供电气、仪器仪表及机电一体化等专业选用。为了满足学生的自主性、研究性学习要求,调动学生学习的积极性,激发学生的潜能,满足培养优秀生的要求,在组织教材内容时,适量地编入了某些较深入或前沿问题,习题中也包括了一些难度稍大的问题,教学时可以适当选用。对于普通高校自动控制专业本科生,通常可选用第1章及第2~4章的重点内容和第5、6及7、8各章。根据教学大纲及学时要求,亦可放弃第6章及第8章的学习。第9、10章可供教学和优秀生学习参考。
学习本书的知识背景是:一般连续控制理论以及微机原理和接口技术的基本知识。
本书是在北京航空航天大学计算机控制教学小组近20年教学、编写及使用多本教材所积累的经验并参阅了近年来国内外有关教材的基础上编写的。多年来本学科在计算机控制系统分析、设计和实现技术方面积累了一定的经验,这些经验在相应章节中做了一定的反映,本教材可以看作是北京航空航天大学自动控制系计算机控制教学小组集体编著的。全书由高金源教授与夏洁副教授共同编写。高金源负责编写第1~6章,夏洁负责编写第7~10章。在编写过程中教学小组的张平教授、周锐教授提供了许多章节的原始资料和意见。此外,北京航空航天大学自动控制系扈宏杰副教授等还提供了一些研究实例,在此,特向他们表示衷心的感谢。
全书由北京理工大学张宇河教授主审。张宇河教授对全书进行了详细认真的审阅,提出了许多宝贵意见。本书的出版得到了清华大学出版社王一玲女士的大力支持与帮助。在此一并对他们表示衷心的感谢。
在编写过程中学习和汲取了部分国内外有关教材的内容,受益匪浅,对此表示谢意。
由于编者的知识和经验有限,不妥之处在所难免,期望得到读者的批评指正。
《计算机控制系统》—— 智能制造时代的核心驱动力 在数字化浪潮席卷全球、智能制造加速发展的今天,计算机控制系统的重要性日益凸显。它不仅是自动化技术的神经中枢,更是连接物理世界与数字世界、实现高效生产与精准控制的关键环节。本书《计算机控制系统》正是基于这一时代背景,旨在为读者系统、深入地剖析计算机控制系统的原理、设计与应用。 精炼的理论体系,扎实的知识根基 本书力求在有限的篇幅内,为读者构建一个完整、清晰的计算机控制系统理论框架。我们从最基础的概念入手,逐步深入到核心的技术细节。 离散时间系统分析: 计算机控制系统的核心在于对离散时间信号的处理。本书将系统地介绍离散时间系统的基本概念,包括采样理论、z变换及其在系统分析中的应用。读者将学习如何从连续时间系统导出其离散时间模型,理解采样引入的失真与补偿方法,并通过z变换工具来分析系统的稳定性、暂态响应和稳态响应。 数字控制器设计: 掌握了离散时间系统的分析方法后,本书将重点探讨数字控制器的设计。我们将介绍多种经典的数字控制器设计方法,如脉冲响应不变法、双线性变换法以及z域极点配置法等。读者将学会如何根据系统的性能指标要求,设计出满足特定控制目标的数字控制器,包括PID控制器、超前-滞后控制器等在离散域的实现与优化。 状态空间方法: 为了更全面、深入地理解和控制复杂系统,本书引入了先进的状态空间方法。我们将详细讲解离散时间系统的状态空间表示,包括状态方程和输出方程的建立。在此基础上,我们将深入探讨状态观测器(如极点配置观测器)的设计,以及状态反馈控制在系统稳定性、鲁棒性和最优性方面的优势。 系统辨识与自适应控制: 在实际工程应用中,系统的模型往往是未知的或会随时间变化。本书将介绍系统辨识的基本原理和常用算法,帮助读者如何利用实验数据建立系统的数学模型。在此基础上,我们将探讨自适应控制技术,学习如何设计能够实时调整控制器参数以适应系统模型变化或外部扰动的自适应控制器,从而保证系统的长期稳定性和高性能。 现代控制理论应用: 除了经典控制方法,本书还将触及一些现代控制理论在计算机控制系统中的应用,如多变量控制、最优控制(如LQR)等,为读者提供更广阔的视野和更强大的控制工具。 丰富的实践指导,贴近工程应用 理论的深度离不开实践的检验。本书不仅注重理论的讲解,更将大量的篇幅投入到与工程实践紧密结合的方面。 数字控制器的实现: 从理论设计到实际应用,中间的关键环节是如何将数字控制器映射到具体的硬件平台上。本书将详细介绍数字控制器在微处理器、DSP(数字信号处理器)和FPGA(现场可编程门阵列)等硬件上的实现方法,包括算法的量化、溢出处理、采样速率选择等实际工程问题,让读者了解理论成果如何在实际系统中落地。 典型应用实例分析: 为了帮助读者更好地理解理论知识的应用,本书将精选一系列具有代表性的计算机控制系统应用案例。例如,在工业自动化领域,我们将分析伺服电机控制、机器人轨迹跟踪、化工过程的温度和压力控制等。在航空航天领域,我们将探讨飞行姿态控制、导航系统中的数字滤波与校正等。通过对这些案例的深入剖析,读者可以直观地感受到计算机控制系统在各行各业中的强大作用。 仿真与实验验证: 理论推导和仿真分析是验证控制系统设计效果的重要手段。本书将引导读者学习使用Matlab/Simulink等强大的仿真工具,对设计的数字控制器进行仿真验证,包括时域和频域的性能分析,以及稳定性裕度的评估。同时,我们还将介绍如何搭建简单的数字控制实验平台,通过实际的硬件实验来验证理论模型的有效性和控制算法的性能。 面向的读者群体 本书内容丰富,覆盖面广,适合以下读者: 高等院校自动化、电气工程、机械工程、计算机科学与技术等相关专业的本科生和研究生: 作为教材,本书可以满足相关课程的学习需求,为读者打下坚实的理论基础和实践能力。 从事自动化、控制工程、嵌入式系统开发等领域的工程师和技术人员: 本书可以帮助工程师更新知识体系,掌握先进的计算机控制技术,解决实际工程中的复杂问题,提升工作效率和产品性能。 对计算机控制系统感兴趣的科研人员和爱好者: 本书将为读者提供一个系统学习计算机控制系统的入门途径,并为深入研究打下基础。 学习本书,您将收获: 扎实的理论功底: 深刻理解离散时间系统分析、数字控制器设计、状态空间方法等核心理论。 丰富的实践经验: 掌握数字控制器的实现、仿真和实验验证方法。 广阔的应用视野: 了解计算机控制系统在工业、航空航天等领域的实际应用。 解决复杂问题的能力: 能够运用所学知识分析和设计复杂的计算机控制系统。 本书的出版,期望能为我国自动化技术的发展贡献一份力量,为培养新一代具备扎实理论基础和强大工程实践能力的自动化人才提供有力支持。