本书以培养学生解决复杂工程问题能力为出发点，以满足新工科背景下社会对工程技术人才的需求为目标，对计算机控制系统课程的知识体系进行了系统性重构。全书共9章，包括绪论、计算机控制系统信号分析、计算机控制系统数学描述、计算机控制系统的性能分析、数字控制器的模拟化设计方法、数字控制器的离散化设计方法、计算机控制系统状态空间设计方法、计算机控制系统的MWORKS仿真与分析、计算机控制系统设计实例。本书内容丰富，以大量翔实的案例贯穿相关知识点讲解，强调专业知识与工程实践相结合，并通过MWORKS仿真平台，将抽象的理论方法与复杂的算法设计转化为具体可操作的工程实践，搭建了理实一体化的桥梁。
本书图文并茂、通俗易懂，既可作为高等院校自动化、电气工程等专业的教材，也可供有关教师、科研人员和工程技术人员学习参考。
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刘爽，教授，博士生导师，电气工程学院教学副院长，主抓本科教学和创新创业教育工作，主讲“计算机控制”本科生课程20年。河北省百名优秀创新人才，河北青年科技奖获得者，河北省三三三人才。现主要从事基于3D-Slam的数字地形重构，工程机器人ROS系统与人工智能，车辆主动悬挂系统的分析与控制，复杂机电系统性能分析与控制，嵌入式系统开发等方面的研究。发表SCI收录论文30余篇，授权国际发明专利50项，获机械工业联合会技术发明奖特等奖1项，一等奖1项，河北省科技进步二等奖2项。
目 录
前言
第1章 绪论 1
1.1 计算机控制系统的产生及原理 1
1.1.1 模拟控制向计算机控制的发展 1
1.1.2 计算机控制系统的基本工作原理 2
1.2 计算机控制系统的构成 3
1.2.1 计算机控制系统硬件的基本构成 3
1.2.2 计算机控制系统软件的基本组成 5
1.3 过程通道技术 6
1.3.1 模拟量输入通道 6
1.3.2 模拟量输出通道 6
1.3.3 数字量输入/输出通道 7
1.4 工业计算机的选择 10
1.4.1 控制用计算机的主要特点 10
1.4.2 计算机速度的选择 12
1.4.3 计算机字长的确定 12
1.5 计算机控制系统的基本类型 14
1.5.1 操作指导系统 14
1.5.2 直接数字控制系统 15
1.5.3 监督计算机控制系统 15
1.5.4 集散控制系统 16
1.5.5 现场总线控制系统 17
1.6 计算机控制系统的发展与趋势 18
1.6.1 计算机控制系统的发展概况 18
1.6.2 计算机控制系统的发展趋势 20
1.7 计算机控制系统的性能与设计 22
1.7.1 计算机控制系统的性能指标 22
1.7.2 计算机控制系统的设计 23
本章小结 24
习题 25
第2章 计算机控制系统信号分析 26
2.1 计算机控制系统中的信号 26
2.2 采样过程的数学描述及特性分析 28
2.2.1 采样信号的时域描述 28
2.2.2 采样信号的复域描述 30
2.2.3 采样信号的频域描述 35
2.2.4 采样周期T的选择 36
2.3 信号的恢复与重构 38
2.3.1 信号的恢复过程 38
2.3.2 零阶保持器 39
2.3.3 一阶保持器 42
2.4 信号的整量化 44
2.5 信号变换实现原理 44
2.5.1 D/A转换原理 44
2.5.2 A/D转换原理 47
2.6 信号变换实现技术 51
2.6.1 A/D转换的基本工程化技术 51
2.6.2 D/A转换的基本工程化技术 55
2.7 实例仿真 59
本章小结 60
习题 60
第3章 计算机控制系统数学描述 62
3.1 差分描述 62
3.1.1 差分定义 62
3.1.2 差分方程 63
3.1.3 差分方程求解 64
3.2 z变换及z反变换 65
3.2.1 z变换的定义 65
3.2.2 z变换的方法 66
3.2.3 z变换的基本定理 71
3.2.4 z反变换的定义 76
3.2.5 z反变换的方法 76
3.3 离散时间系统 82
3.3.1 时域描述离散时间系统的差分方程 82
3.3.2 z域描述离散时间系统的脉冲传递函数 83
3.4 框图 86
3.5 典型计算机控制系统的脉冲传递函数 91
3.6 实例仿真 92
3.6.1 云台电动机广义脉冲传递函数 93
3.6.2 电阻炉广义脉冲传递函数 93
本章小结 95
习题 96
第4章 计算机控制系统的性能分析 97
4.1 s平面和z平面之间的映射 97
4.1.1 s平面和z平面的基本映射关系 97
4.1.2 s平面上等值线在z平面的映射 101
4.2 计算机控制系统稳定性分析 103
4.2.1 离散系统的稳定条件 103
4.2.2 离散系统的代数稳定判据 105
4.2.3 采样周期对系统稳定的影响 111
4.3 计算机控制系统稳态过程分析 112
4.3.1 离散系统稳态误差的定义 112
4.3.2 离散系统稳态误差的计算 113
4.3.3 采样周期对稳态误差的影响 116
4.4 计算机控制系统暂态过程分析 117
4.4.1 离散系统动态性能指标 117
4.4.2 z平面极点分布与暂态响应的关系 118
4.4.3 采样周期对暂态性能的影响 120
4.5 计算机控制系统频域特性分析 122
4.5.1 离散系统的频域描述 122
4.5.2 离散系统频域稳定性分析 123
4.5.3 离散系统伯德图分析 125
4.6 实例仿真 127
本章小结 130
习题 130
第5章 数字控制器的模拟化设计方法 132
5.1 模拟化设计的基本原理 132
5.2 连续控制器离散化方法 134
5.3 数字PID控制器设计 146
5.3.1 基本数字PID控制算法 146
5.3.2 改进数字PID控制算法 148
5.3.3 数字PID控制器的参数整定 150
5.4 Smith预估补偿数字PID控制器设计 154
5.4.1 Smith预估补偿控制方法 155
5.4.2 Smith预估补偿数字PID控制策略 158
5.4.3 Smith预估控制算法的工程化改进 163
5.5 实例仿真 165
本章小结 167
习题 167
第6章 数字控制器的离散化设计方法 170
6.1 离散系统性能指标要求 170
6.1.1 时域性能指标要求 170
6.1.2 频域性能指标要求 173
6.1.3 开环频率特性和时域性能指标之间的关系 173
6.2 z域根轨迹设计方法 174
6.2.1 z域根轨迹 174
6.2.2 z域根轨迹设计方法 176
6.3 最小拍控制器设计方法 179
6.3.1 最小拍无差系统 180
6.3.2 最小拍控制器的工程化改进 193
6.4 大林算法 198
6.4.1 大林算法的设计原理 198
6.4.2 振铃现象及其消除方法 202
6.4.3 大林算法工程应用中关键参数的选择 204
6.5 实例仿真 210
6.5.1 云台电动机伺服控制系统 210
6.5.2 电阻炉温控制系统 211
本章小结 215
习题 216
第7章 计算机控制系统状态空间设计方法 218
7.1 离散系统的状态空间描述 218
7.1.1 系统动态过程的两类描述 218
7.1.2 有关状态空间描述的基本定义 219
7.1.3 离散状态空间模型的建立 220
7.1.4 离散系统状态方程的求解 224
7.2 离散系统状态空间模型的基本特性 225
7.2.1 能控性与能观性的概念 225
7.2.2 能控性判据与能观性判据 226
7.2.3 能控标准型与能观标准型 227
7.2.4 能控性和能观性与采样周期的关系 229
7.3 状态反馈控制律的极点配置设计方法 231
7.3.1 状态反馈控制 231
7.3.2 单输入系统的极点配置设计方法 234
7.3.3 多输入系统的极点配置设计方法 237
7.4 状态观测器的极点配置设计方法 237
7.4.1 系统状态的开环估计 238
7.4.2 全阶状态观测器的设计方法 239
7.4.3 降阶状态观测器的设计方法 244
7.5 基于状态观测的反馈控制器设计 246
7.5.1 分离性原理 246
7.5.2 控制器设计 247
7.5.3 控制器及观测器极点的选择 249
7.6 实例仿真 252
本章小结 255
习题 256
第8章 计算机控制系统的MWORKS仿真与分析 257
8.1 系统仿真的概念及分类 257
8.1.1 系统仿真的基本概念 257
8.1.2 系统仿真的分类 257
8.1.3 计算机仿真的基本过程 258
8.1.4 MWORKS仿真软件简介 258
8.2 计算机控制系统信号仿真分析 260
8.2.1 脉冲采样与MWORKS仿真 260
8.2.2 保持器与MWORKS仿真 261
8.3 计算机控制系统模型描述与性能仿真分析 262
8.3.1 离散传递函数模型 262
8.3.2 离散状态空间模型 264
8.3.3 离散系统的模型辨识 265
8.3.4 计算机控制系统频域性能的仿真分析 269
8.4 实例仿真 272
本章小结 277
习题 277
本章附录 278
第9章 计算机控制系统设计实例 279
9.1 云台电动机伺服控制系统设计与实现 279
9.1.1 云台电动机伺服控制系统组成 279
9.1.2 系统连接与信号流转 282
9.1.3 数字PID控制器实现 283
9.1.4 最小拍控制器实现 286
9.2 四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现 290
9.2.1 四旋翼无人机姿态控制系统组成 290
9.2.2 系统连接与信号流转 292
9.2.3 基于状态观测的状态反馈飞行控制系统设计 293
本章小结 295
参考文献 296
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