編輯推薦
《計算機控製係統/全國高等學校自動化專業係列教材·普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》兼顧計算機控製基本原理和實現技術兩大方麵的教學要求,並進行瞭統籌安排。全書綜閤瞭計算機控製基本理論、設計方法及實現技術,是一本內容係統完整、經典和現代技術與方法相結閤的教材。書中較係統地組織r有關嵌入式係統、可編程控製器、集散式係統、現場總綫和網絡控製技術等先進計算機控製技術的介紹,將有助於讀者對現代計算機控製技術的學習。
為瞭加強理論聯係實際和實踐能力的培養,《計算機控製係統/全國高等學校自動化專業係列教材·普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》特彆注意論述工程中常用的方法和解釋實踐中比較關心的問題。此外,各章節還結閤具有典型工程背景的實例進行相關內容的論述,大部分例題和習題均有實際應用背景。結閤工程實例和配閤典型實驗係統,書中設置瞭較多的習題。本書在實施計算機控製係統分析和設計時,充分恰當地使用瞭現代計算工具MATLAB及Simulink.特彆是應用瞭符號語言工具箱,這將有效地幫助學生完成復雜計算,實現係統的分析和設計。
為幫助讀者培養分析和解決問題的能力,《計算機控製係統/全國高等學校自動化專業係列教材·普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》在所附光盤中,對習題中近一半題目給齣瞭詳細的參考解答。為方便選用本書作教材的教師從事教學活動,在所附光盤中還提供瞭一套完整的教學軟件。
內容簡介
《計算機控製係統/全國高等學校自動化專業係列教材·普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》係統地講述計算機控製係統基本原理與實現技術問題。全書共10章,分為三部分:(1)計算機控製的基礎理論,包括計算機控製概述、係統信號分析、計算機控製係統數學描述、離散係統分析;(2)計算機控製係統設計,包括連續域離散化設計、直接離散域設計(如根軌跡設計、w域設計)和狀態空間設計等;(3)計算機控製係統工程實現技術,包括計算機控製係統的構建、工程實現的某些問題(如量化誤差分析、采樣周期的選取以及抗乾擾和可靠性等)、嵌入式係統、可編程控製器、集散控製係統、總綫控製係統及控製網絡係統。最後一章介紹瞭三個應用實例。書末附有變換的常用錶,全書各章的習題均放在附錄中。在所附光盤中,給齣《計算機控製係統/全國高等學校自動化專業係列教材·普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》所涉及的MATI,AB常用指令錶和符號語言工具箱、部分習題解答、基於本書內容的教師用電子教案。
《計算機控製係統/全國高等學校自動化專業係列教材·普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》可作為高等學校自動控製(自動化)、電氣工程、儀器儀錶及機電一體化專業的教材,也可作為研究生教學的基礎教材,同時也是有關工程技術人員的有用參考資料。
作者簡介
高金源,1936年生。北京航空航天大學教授,博士生導師。享受政府特殊津貼。主要學科方嚮為計算機控製、飛機飛行控製。多年來為本科生及研究生講授“計算機控製”課程。參編的航空部統編教材《計算機控製係統》獲航空部優秀教材二等奬。主編的《計算機控製係統——理論、設計與實現》教材獲北京市2004年精品教材稱號。2001年完成的“自動化專業本科工程實踐能力培養方案”課題獲北京市教學成果一等奬。近年來承擔瞭中央電大計算機應用專業“計算機控製技術”課程的教材主編和主講工作。多年來完成多項重點課題研究工作。作為主要參加者或項目負責人,曾獲國傢科技進步一等奬及多項航空部科技進步二等奬。
夏潔,1963年生。北京航空航天大學副教授,博士。主要學科方嚮為計算機控製、飛機飛行控製。擔任北京航空航天大學本科生及研究生“計算機控製”課程的主講教師。參加北京市2004年精品教材《計算機控製係統——理論、設計與實現》以及中央電大計算機應用專業“計算機控製技術”課程教材的編寫。參與211、教育部985振興工程教學實驗條件建設,構建瞭計算機控製係統綜閤性實驗平颱,指導學生進行微機、單片機、DSP、嵌入式控製等多種計算機控製係統的綜閤實驗。多年來參加並完成瞭多項重點科研課題的研究。
內頁插圖
目錄
第1章 計算機控製導論
1.1 計算機控製係統概述
1.1.1 計算機控製係統組成
1.1.2 計算機控製係統特點
1.1.3 計算機控製係統優點
1.2 計算機控製係統的發展與應用
1.2.1 計算機控製係統發展概述
1.2.2 計算機控製係統應用與分類
1.3 計算機控製係統的理論與設計問題
1.3.1 計算機控製係統的理論問題
1.3.2 計算機控製係統的設計與實現
本章小結
第2章 計算機控製係統信號分析
2.1 控製係統中信號分類
2.1.1 A/D變換
2.1.2 D/A變換
2.1.3 計算機控製係統中信號的分類
2.2 理想采樣過程的數學描述及特性分析
2.2.1 采樣過程的描述
2.2.2 理想采樣信號的時域描述
2.2.3 理想采樣信號的復域描述
2.2.4 理想采樣信號的頻域描述
2.2.5 采樣定理
2.2.6 前置濾波器
2.3 信號的恢復與重構
2.3.1 理想恢復過程
2.3.2 非理想恢復過程
2.3.3 零階保掎器
2.3.4 後置濾波
2.4 信號的整量化
2.5 計算機控製係統簡化結構
本章小結
第3章 計算機控製係統的數學描述
3.1 離散係統的時域描述——差分方程
3.1.1 差分的定義
3.1.2 差分方程
3.1.3 綫性常係數差分方程的迭代求解
3.2 z變換
3.2.1 z變換的定義
3.2.2 z變換的基本定理
3.2.3 求z變換及反變換的方法
3.2.4 差分方程的z變換解法
3.3 脈衝傳遞函數
3.3.1 脈衝傳遞函數定義
3.3.2 脈衝傳遞函數特性
3.3.3 差分方程與脈衝傳遞函數
3.4 離散係統的方塊圖分析
3.4.1 環節連接的等效變換
3.4.2 閉環反饋係統脈衝傳遞函數
3.4.3 計算機控製係統的閉環脈衝傳遞函數
3.4.4 乾擾作用時閉環係統的輸齣
3.5 離散係統的頻域描述
3.5.1 離散係統頻率特性的定義
3.5.2 離散係統頻率特性的計算
3.5.3 離散係統頻率特性的特點
3.6 離散係統的狀態空間描述
3.6.1 由差分方程建立離散狀態方程
3.6.2 由脈衝傳遞函數建立離散狀態方程
3.6.3 計算機控製係統狀態方程
3.6.4 離散狀態方程求解
3.6.5 脈衝傳遞函數陣
3.7 應用實例
本章小結
第4章 計算機控製係統分析
第5章 計算機控製係統的經典設計方法
第6章 計算機控製係統狀態空間設計
第7章 計算機控製係統組建以及實現技術
第8章 嵌入式係統及可編程控製器
第9章 控製網絡係統及網絡控製技術
第10章 計算機控製係統設計與應用實例
附錄A z變換錶
附錄B 習題
參考文獻
前言/序言
計算機在實時控製領域中獲得瞭廣泛的應用。在國民經濟及國防等各個領域中,采用計算機控製是現代化的重要標誌。計算機控製學科涉及計算機控製的基本理論、分析、設計與工程實現等多方麵內容。
本書是依照“全國高等學校自動化專業係列教材編審委員會”審定的教材大綱編寫的。
本書兼顧計算機控製基本原理和實現技術兩大方麵的教學要求。通過本書的學習,讀者可在計算機控製基本原理和實現技術方麵獲得較全麵的培養和鍛煉。全書除第1章外,其餘各章可分為三部分:(1)計算機控製的理論基礎(第2~4章)。考慮到這部分內容較為成熟,在前修課的基礎上,將簡練、係統、深入地講述一些基礎性的內容;(2)計算機控製係統設計(第5~6章)。遵循經典與現代設計方法並重的原則,重點討論連續離散化設計、離散域根軌跡設計、w域設計和狀態空間設計等相關內容;(3)計算機控製係統工程實現技術(第7~10章)。由於計算機硬軟件技術發展日新月異,因此,在論述基本工程實現技術的基礎上,重點介紹瞭現代先進計算機控製的實現技術。除第7章介紹一些基本的工程實現技術外,第8~9章分彆討論瞭嵌入式係統、可編程控製器、集散式係統、現場總綫和網絡控製等先進控製技術,第10章介紹瞭3個計算機控製係統實例,以增強讀者的感性認識。鑒於自動控製專業學生在微機原理及接口技術等相關課程中對計算機係統硬件已有較係統的學習,本書將不再重復,但在論述計算機控製係統構建及實現技術時,從應用的角度上討論瞭相關問題。為瞭加強教材理論聯係實際和實踐能力的培養,本書在組織教材的基本內容時,特彆注意論述工程中常用的方法和解釋實踐中比較關心的問題。此外,各章節將結閤具有典型工程背景的實例進行相關內容的論述,大部分例題和習題均有各種實際應用背景,並且結閤工程實例和配閤典型實驗係統設置習題作業,使學生在初級階段就可以從事一些簡單係統的設計和實現任務。本書在論述計算機控製係統分析、設計時,充分恰當地使用瞭現代的計算工具MATLAB及Simulink軟件,特彆是,應用瞭其中的符號語言工具箱,將有效地幫助學生完成復雜計算,實現係統的分析和設計。本書書未有2個附錄,分彆為z變換錶和各章的習題。為瞭幫助讀者學習和運用所學知識解決問題的能力,本書給齣瞭較多的習題。隨書將附帶一張光盤,其中包括本書在分析設計和仿真中涉及到的MATLAB常用指令錶、MATLAB軟件符號語言工具箱以及本書部分習題的解答。另外還提供基於本書內容的電子教案,以便於選擇該教材的教師教學時使用。
本書可供自動控製(自動化)專業本科及研究生教學使用,亦可供電氣、儀器儀錶及機電一體化等專業選用。為瞭滿足學生的自主性、研究性學習要求,調動學生學習的積極性,激發學生的潛能,滿足培養優秀生的要求,在組織教材內容時,適量地編入瞭某些較深入或前沿問題,習題中也包括瞭一些難度稍大的問題,教學時可以適當選用。對於普通高校自動控製專業本科生,通常可選用第1章及第2~4章的重點內容和第5、6及7、8各章。根據教學大綱及學時要求,亦可放棄第6章及第8章的學習。第9、10章可供教學和優秀生學習參考。
學習本書的知識背景是:一般連續控製理論以及微機原理和接口技術的基本知識。
本書是在北京航空航天大學計算機控製教學小組近20年教學、編寫及使用多本教材所積纍的經驗並參閱瞭近年來國內外有關教材的基礎上編寫的。多年來本學科在計算機控製係統分析、設計和實現技術方麵積纍瞭一定的經驗,這些經驗在相應章節中做瞭一定的反映,本教材可以看作是北京航空航天大學自動控製係計算機控製教學小組集體編著的。全書由高金源教授與夏潔副教授共同編寫。高金源負責編寫第1~6章,夏潔負責編寫第7~10章。在編寫過程中教學小組的張平教授、周銳教授提供瞭許多章節的原始資料和意見。此外,北京航空航天大學自動控製係扈宏傑副教授等還提供瞭一些研究實例,在此,特嚮他們錶示衷心的感謝。
全書由北京理工大學張宇河教授主審。張宇河教授對全書進行瞭詳細認真的審閱,提齣瞭許多寶貴意見。本書的齣版得到瞭清華大學齣版社王一玲女士的大力支持與幫助。在此一並對他們錶示衷心的感謝。
在編寫過程中學習和汲取瞭部分國內外有關教材的內容,受益匪淺,對此錶示謝意。
由於編者的知識和經驗有限,不妥之處在所難免,期望得到讀者的批評指正。
《計算機控製係統》—— 智能製造時代的核心驅動力 在數字化浪潮席捲全球、智能製造加速發展的今天,計算機控製係統的重要性日益凸顯。它不僅是自動化技術的神經中樞,更是連接物理世界與數字世界、實現高效生産與精準控製的關鍵環節。本書《計算機控製係統》正是基於這一時代背景,旨在為讀者係統、深入地剖析計算機控製係統的原理、設計與應用。 精煉的理論體係,紮實的知識根基 本書力求在有限的篇幅內,為讀者構建一個完整、清晰的計算機控製係統理論框架。我們從最基礎的概念入手,逐步深入到核心的技術細節。 離散時間係統分析: 計算機控製係統的核心在於對離散時間信號的處理。本書將係統地介紹離散時間係統的基本概念,包括采樣理論、z變換及其在係統分析中的應用。讀者將學習如何從連續時間係統導齣其離散時間模型,理解采樣引入的失真與補償方法,並通過z變換工具來分析係統的穩定性、暫態響應和穩態響應。 數字控製器設計: 掌握瞭離散時間係統的分析方法後,本書將重點探討數字控製器的設計。我們將介紹多種經典的數字控製器設計方法,如脈衝響應不變法、雙綫性變換法以及z域極點配置法等。讀者將學會如何根據係統的性能指標要求,設計齣滿足特定控製目標的數字控製器,包括PID控製器、超前-滯後控製器等在離散域的實現與優化。 狀態空間方法: 為瞭更全麵、深入地理解和控製復雜係統,本書引入瞭先進的狀態空間方法。我們將詳細講解離散時間係統的狀態空間錶示,包括狀態方程和輸齣方程的建立。在此基礎上,我們將深入探討狀態觀測器(如極點配置觀測器)的設計,以及狀態反饋控製在係統穩定性、魯棒性和最優性方麵的優勢。 係統辨識與自適應控製: 在實際工程應用中,係統的模型往往是未知的或會隨時間變化。本書將介紹係統辨識的基本原理和常用算法,幫助讀者如何利用實驗數據建立係統的數學模型。在此基礎上,我們將探討自適應控製技術,學習如何設計能夠實時調整控製器參數以適應係統模型變化或外部擾動的自適應控製器,從而保證係統的長期穩定性和高性能。 現代控製理論應用: 除瞭經典控製方法,本書還將觸及一些現代控製理論在計算機控製係統中的應用,如多變量控製、最優控製(如LQR)等,為讀者提供更廣闊的視野和更強大的控製工具。 豐富的實踐指導,貼近工程應用 理論的深度離不開實踐的檢驗。本書不僅注重理論的講解,更將大量的篇幅投入到與工程實踐緊密結閤的方麵。 數字控製器的實現: 從理論設計到實際應用,中間的關鍵環節是如何將數字控製器映射到具體的硬件平颱上。本書將詳細介紹數字控製器在微處理器、DSP(數字信號處理器)和FPGA(現場可編程門陣列)等硬件上的實現方法,包括算法的量化、溢齣處理、采樣速率選擇等實際工程問題,讓讀者瞭解理論成果如何在實際係統中落地。 典型應用實例分析: 為瞭幫助讀者更好地理解理論知識的應用,本書將精選一係列具有代錶性的計算機控製係統應用案例。例如,在工業自動化領域,我們將分析伺服電機控製、機器人軌跡跟蹤、化工過程的溫度和壓力控製等。在航空航天領域,我們將探討飛行姿態控製、導航係統中的數字濾波與校正等。通過對這些案例的深入剖析,讀者可以直觀地感受到計算機控製係統在各行各業中的強大作用。 仿真與實驗驗證: 理論推導和仿真分析是驗證控製係統設計效果的重要手段。本書將引導讀者學習使用Matlab/Simulink等強大的仿真工具,對設計的數字控製器進行仿真驗證,包括時域和頻域的性能分析,以及穩定性裕度的評估。同時,我們還將介紹如何搭建簡單的數字控製實驗平颱,通過實際的硬件實驗來驗證理論模型的有效性和控製算法的性能。 麵嚮的讀者群體 本書內容豐富,覆蓋麵廣,適閤以下讀者: 高等院校自動化、電氣工程、機械工程、計算機科學與技術等相關專業的本科生和研究生: 作為教材,本書可以滿足相關課程的學習需求,為讀者打下堅實的理論基礎和實踐能力。 從事自動化、控製工程、嵌入式係統開發等領域的工程師和技術人員: 本書可以幫助工程師更新知識體係,掌握先進的計算機控製技術,解決實際工程中的復雜問題,提升工作效率和産品性能。 對計算機控製係統感興趣的科研人員和愛好者: 本書將為讀者提供一個係統學習計算機控製係統的入門途徑,並為深入研究打下基礎。 學習本書,您將收獲: 紮實的理論功底: 深刻理解離散時間係統分析、數字控製器設計、狀態空間方法等核心理論。 豐富的實踐經驗: 掌握數字控製器的實現、仿真和實驗驗證方法。 廣闊的應用視野: 瞭解計算機控製係統在工業、航空航天等領域的實際應用。 解決復雜問題的能力: 能夠運用所學知識分析和設計復雜的計算機控製係統。 本書的齣版,期望能為我國自動化技術的發展貢獻一份力量,為培養新一代具備紮實理論基礎和強大工程實踐能力的自動化人纔提供有力支持。