标题：计算机控制原理与应用
内容提要
本书深入浅出地、系统地论述了计算机控制系统的理论和应用。作为学习计算机控制系统的前提，概括地介绍了连续控制系统。非线性控制系统是自动控制的一个重要领域，书中简要介绍了非线性控制的基本概念和基本研究方法。对得到广泛应用的连续和离散PID控制器，单独列为一章，深入地阐述了这类控制器的结构、算法和参数整定。从应用的角度介绍了可编程序控制器（PLC）。现代控制理论在越来越多的工程中得到应用，本书简要地对状态空间法进行了讨论。每章都附有习题，书后附有绝大部分习题的参考答案。书中使用的MATLAB程序，均在MATLAB 7.0版本上运行过。 
本书可作为大学本科生的教材，也可供有关教师和工程技术人员参考。
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本书共分8章。第1章引论，概括介绍了全书的基本框架，回顾了控制理论发展的历史，指出了控制理论发展的动向，将读者引入书中所论述的内容。第2章线性连续控制系统，主要论述经典控制理论，涉及系统、信号和模型诸多方面。第3章非线性控制系统，通俗而简单地介绍了非线性控制的基本概念和基本的研究方法。第4章线性离散时间系统，主要阐述了计算机控制的基本理论和基本方法。第5章计算机控制系统设计。第6章PID控制，系统论述了模拟和数字PID控制器的结构、算法和参数整定。第7章为可编程序控制器。第8章为状态空间法。
目录
第1章 引 论
1.1 计算机控制系统的基本概念
1.1.1 计算机控制系统
计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。 
1.1.2 控制系统的分类
1.1.3 计算机控制系统的分类
1.1.4 计算机控制系统实现中的实际问题
1.2 计算机控制系统的研究内容和对系统的基本要求
1.2.1 计算机控制系统的研究内容
1.2.2 对计算机控制系统的基本要求
1.3 历史回顾
1.4 计算机集成制造系统
习题
第2章 线性连续控制系统
2.1 引 言
2.1.1 单输入单输出控制系统
2.1.2 常用输入信号
2.2 拉普拉斯变换
2.2.1 拉普拉斯变换的定义
2.2.2 拉普拉斯变换定理
2.2.3 拉普拉斯逆变换
2.2.4 用拉普拉斯变换法解线性常系数微分方程
2.3 物理系统的数学模型
2.3.1 线性元件的微分方程
2.3.2 随动系统的微分方程
2.4 传递函数和方框图
2.4.1 传递函数和微分方程
传递函数 transfer function 零初始条件下线性系统响应（即输出）量的拉普拉斯变换（或z变换）与激励（即输入）量的拉普拉斯变换之比。记作G（s）=Y（s）/U（s），其中Y（s）、U（s)分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具之一，经典控制理论的主要研究方法——频率响应法和根轨迹法——都是建立在传递函数的基础之上。
含有未知函数的导数，如dy/dx=2x、ds/dt=0.4都是微分方程。 一般的凡是表示未知函数、未知函数的导数与自变量之间的关系的方程，叫做微分方程。未知函数是一元函数的，叫常微分方程；未知函数是多元函数的叫做偏微分方程。微分方程有时也简称方程。
2.4.2 电子网络的传递函数
2.4.3 简单方框图的传递函数
2.4.4 方框图简化
2.5 传递函数和信号流图
2.5.1 信号流图定义
借助拓扑图形求线性代数方程组解的一种方法。在1953年由S.J.梅森提出，故又称梅森图。这一方法能将各有关变量的因果关系在图中明显地表示出来，常用于分析线性系统，例如求它们的传递函数。
由美国麻省理工学院的梅森（Mason）于20世纪50年代首先
提出；
应用于：反馈系统分析、线性方程组求解、线性系统模拟及数字滤波器设计等方面。 
实际上是用一些点和支路来描述系统：
线段表示信号传输的路径，称为支路。支路表示了一个信号与另一信号的函数关系，
信号只能沿着支路上的箭头方向通过。
信号的传输方向用箭头表示，转移函数标在箭头附近，相当于乘法器。结点可以把所有输入支路的信号叠加，并把总和信号传送到所有输出支路。
2.5.2 梅逊增益公式
2.6 控制系统的时域分析
2.6.1 脉冲响应和阶跃响应
2.6.2 时域性能指标
2.6.3 一阶系统的动态响应
2.6.4 二阶系统的动态响应
2.6.5 高阶系统分析
2.6.6 稳态误差分析
2.6.7 用MATLAB绘制单位阶跃响应和单位脉冲响应
2.6.8 稳定性分析
2.7 根轨迹
2.7.1 根轨迹法
1948年，W.R.Evans提出了一种求特征根的简单方法，并且在控制系统的分析与设计中得到广泛的应用。 
1948年，W.R.Evans提出了一种求特征根的简单方法，并且在控制系 
统的分析与设计中得到广泛的应用。这一方法不直接求解特征方程，用作图的方法表示特征方程的根与系统某一参数的全部数值关系，当这一参数取特定值时，对应的特征根可在上述关系图中找到。这种方法叫根轨迹法。根轨迹法具有直观的特点，利用系统的根轨迹可以分析结构和参数已知的闭环系统的稳定性和瞬态响应特性，还可分析参数变化对系统性能的影响。在设计线性控制系统时，可以根据对系统性能指标的要求确定可调整参数以及系统开环零极点的位置，即根轨迹法可以用于系统的分析与综合。
利用根轨迹分析和设计闭环控制系统的图解方法。特征方程（见传递函数）的根随某个参数由零变到无穷大时在复数平面上形成的轨迹，称为根轨迹。在控制系统的分析中，对特征方程根的分布的研究，具有重要的意义。当特征方程的次数不高于2时,其根可用解析方法来简单地定出；但当特征方程的次数高于 2时，求根过程将变得相当复杂。美国学者W.R.埃文斯在1948年提出的根轨迹方法 
，为简化特征方程的求根过程提供了一种有效的手段。在把根轨迹技术应用于控制系统的分析时，常取系统的开环增益为可变参数,据此作出的根轨迹,表示闭环控制系统的极点在不同开环增益值下的分布。控制系统的极点在复数平面上的位置与系统的稳定性和过渡过程性能有密切的关系。根轨迹的建立，为分析控制系统在不同开环增益值时的行为提供了方便的途径。对于设计控制系统的校正装置(见控制系统校正方法)，根轨迹法也是基本方法之一。根轨迹法和频率响应法被认为是构成经典控制理论的两大支柱。
2.7.2 根轨迹图的绘制
2.7.3 用MATLAB绘制根轨迹图
2.8 频率响应的概念
2.8.1 频率响应法
2.8.2 频率特性的图形表示
2.8.3 典型环节的对数频率特性
2.8.4 频域性能指标
2.8.5 开环传递函数的频率特性
2.8.6 时域和频域响应之间的关系
2.8.7 用MATLAB进行频域分析
2.9 复合控制系统
2.9.1 对输入前馈补偿的复合控制系统
2.9.2 对扰动前馈补偿的复合控制系统
2.10 控制系统设计
2.10.1 校正装置的结构
2.10.2 校正装置的特性
2.10.3 根轨迹校正
2.10.4 频率校正
习题
第3章 非线性控制系统
3.1 非线性数学模型的线性化
3.2 控制系统中的典型非线性特性
3.3 非线性系统的特性
3.3.1 叠加原理不成立
3.3.2 稳定性问题
3.3.3 极限环（自激振荡）
在数学中动态系统的概念里，二维流形或平面中的极限环是相平面中的一段闭合的轨迹。当时间趋于正无穷或负无穷（0）时，有至少一段其他的轨迹与其旋转相交。极限环在非线性系统中经常能看到。在时间t趋于正无穷时附近所有的轨迹都逐渐靠近极限环的时候，这种极限环被称为稳定的极限环。如果所有附近轨迹在t趋于负无穷时逐渐靠近极限环，这个极限环是不稳定的极限环。所有的极限环只有稳定和不稳定两类。
稳定的极限环含有自激震荡，任何微扰都会使系统回到极限环中。
3.3.4 畸变现象
3.4 非线性系统的分析方法
3.4.1 描述函数法
3.4.2 相平面法
3.4.3 李雅普诺夫方法
3.4.4 反馈线性化方法
3.4.5 计算机仿真
3.5 描述函数法
3.5.1 描述函数法的基本概念
从频率域的角度研究非线性控制系统的稳定性的一种等效线性化方法。在苏联文献中，常把这种方法称为谐波平衡法。描述函数法是把线性控制理论中经典频率域方法应用于非线性系统研究的一种推广，只适用于非线性程度较低的系统。对于非线性程度高的系统，应用描述函数法可能导致错误的结论。在工程技术领域中，许多实际的控制系统都能满足描述函数法的限制条件，因而也都能应用这种方法。 
3.5.2 典型非线性环节的描述函数
3.5.3 用描述函数法分析非线性系统的稳定性
3.6 相平面法
3.6.1 相平面法的基本概念
3.6.2 相轨迹的性质
3.6.3 相轨迹图的绘制
3.6.4 由相轨迹求时间信息
3.6.5 非线性系统的相平面分析
3.7 用MATLAB分析非线性系统
3.7.1 用MATLAB进行描述函数法分析
3.7.2 用MATLAB进行相平面分析
习题
第4章 线性离散时间系统
4.1 引 言
4.2 差分方程
4.3 采样定理
4.3.1 采样过程及采样信号的频谱
4.3.2 香农采样定理
4.3.3 零阶保持器
4.4 z变换
4.4.1 z变换定义
4.4.2 z变换定理
4.4.3 z逆变换
4.4.4 用z变换求解差分方程
4.5 离散系统的传递函数和方框图
4.5.1 离散传递函数与差分方程
4.5.2 开环z传递函数
4.5.3 闭环z传递函数
4.5.4 离散系统的稳态误差
4.6 离散系统的极点、零点和稳定性
4.6.1 离散系统的极点与零点
4.6.2 s平面到z平面的映射 
4.6.3 离散系统的稳定性
4.6.4 双线性变换
4.6.5 劳斯稳定性判据
4.6.6 朱利稳定性判据
4.7 离散系统的根轨迹
4.7.1 根轨迹图
4.7.2 z平面上的等阻尼比线
4.8 离散系统的频率响应
4.8.1 对数频率特性
4.8.2 极坐标频率特性
4.8.3 用MATLAB绘制离散系统的频率特性曲线
4.9 利用Simulink对离散系统进行建模和仿真
习题
第5章 计算机控制系统设计
5.1 引 言
5.1.1 滤波器的基本原理与设计
5.1.2 计算机控制系统连续化设计方法
5.1.3 计算机控制系统离散化设计方法
5.2 有限拍控制
5.2.1 有限拍控制系统设计
5.2.2 有限拍无波纹控制系统
5.2.3 有限拍设计的改进
5.3 根轨迹法
5.4 双线性变化法
5.5 带纯滞后被控对象的控制系统设计
5.5.1 大林算法
5.5.2 史密斯预报器
习题
第6章 PID控制
6.1 引 言
6.2 模拟和数字PID算法
6.2.1 模拟PID算法
6.2.2 数字PID算法
6.3 数字PID的改进算法
6.3.1 积分分离PID控制算法
6.3.2 不完全微分PID控制算法
6.3.3 带死区的PID控制算法
6.4 模拟和数字PID参数整定
6.4.1 模拟PID参数整定
6.4.2 数字PID参数整定
6.4.3 PID控制的自整定方法
6.5 模拟和数字PDF和PDFF算法
6.5.1 PDF算法
6.5.2 PDFF算法
6.5.3 PID、PDF和PDFF控制系统
6.6 PDF和PDFF参数整定
6.6.1 用标准滤波器进行参数整定
6.6.2 被控对象为单积分
6.6.3 被控对象为双积分
习题
第7章 可编程序控制器
7.1 引 言
7.2 可编程序控制器的组成和工作原理
7.2.1 可编程序控制器的组成
7.2.2 可编程序控制器的工作原理
7.3 可编程序控制器的编程方式
7.3.1 可编程序控制器的编程语言
7.3.2 梯形图的主要特点及编程元件
7.3.3 可编程序控制器的指令及编程方法
7.4 可编程序控制器通信与网络功能
7.4.1 可编程序控制器的通信功能
7.4.2 可编程序控制器网络
习题
第8章 状态空间法
8.1 数学基础——矩阵
8.1.1 向量及向量运算
8.1.2 矩阵及矩阵运算
8.2 状态空间法的基本概念
8.3 连续系统的状态空间模型
8.3.1 由微分方程建立状态空间模型
8.3.2 多输入多输出系统的状态空间模型
8.3.3 非线性定常系统与非线性时变系统的状态空间模型
8.3.4 状态方程求解
8.3.5 状态空间模型与传递函数之间的等效转换
8.3.6 传递矩阵
8.4 离散系统的状态空间模型
8.4.1 由差分方程建立离散状态空间模型
8.4.2 多输入多输出离散系统的状态空间模型
8.4.3 离散状态方程的求解
8.4.4 离散状态空间模型与z传递函数之间的等效转换
8.4.5 z传递函数矩阵
8.5 能控性和能观测性
8.5.1 能控性和能观测性的基本概念
8.5.2 连续系统能控性和能观测性判据
8.5.3 离散系统能控性和能观测性判据
8.5.4 对偶原理
8.6 控制系统的状态空间设计
8.6.1 连续系统的状态反馈控制器设计
8.6.2 离散系统的状态反馈控制器设计
习题
附录 部分习题参考答案
参考文献