本书系统地介绍了计算机控制系统的分析、设计、建模、仿真及实现方面的问题。全书共分10章,分别介绍计算机控制系统的常规设计方法、基于状态方程和传递函数模型的极点配置与*优控制的设计方法、系统辨识和自适应控制、计算机控制系统仿真和性能计算、采样周期选择和量化效应分析、数字控制器的实现及设计举例等内容。本书注重理论联系实际,不仅系统介绍理论结果,而且给出实用算法和对实际问题的讨论,因而内容易于理解和便于应用。
本书可作为自动化、计算机、电子电气及机械等领域相关专业研究生和本科高年级学生的教材或参考书,也可供有关教师和科研技术人员学习参考。

第1章 绪论
1.1 什么是计算机控制系统
随着计算机应用的日益普及,计算机在控制工程领域中也发挥着越来越重要的作用。它在控制系统中的应用主要可分为以下两个方面。
(1)利用计算机帮助工程设计人员对控制系统进行分析、设计、仿真以及建模等工作,从而大大减轻了设计人员的繁杂劳动,缩短了设计周期,提高了设计质量。这方面的内容简称为计算机辅助设计控制系统或控制系统CAD,这是计算机在控制系统方面的离线应用。
(2)利用计算机代替常规的模拟控制器,而使它成为控制系统的一个组成部分。对于这种有计算机参加控制的系统简称为计算机控制系统。这是计算机在控制系统中的在线应用。
计算机控制系统是强调计算机作为控制系统的一个重要组成部分而得名。计��机控制系统有时也称为数字控制系统,这是强调在控制系统中包含有数字信号。控制系统按照它所包含的信号形式通常可以划分为以下4种类型。
(1)连续控制系统。典型结构如图1.1(a)所示,系统中各处均为连续信号。
(2)离散控制系统。典型结构如图1.1(b)所示,系统中各处均为时间离散信号。
(3)采样控制系统。典型结构如图1.1(C)所示,它是其中既包含有连续信号(u(t),y(t),r(t)和e(t)),也包含有离散信号(e(k)和U(k))的混合系统。如图1.1(c)所示,采样控制系统是由连续的控制对象、离散的控制器、采样器和保持器等几个环节组成。
(4)数字控制系统。典型结构如图1.1(d)所示,其中包含有数字信号如e*(k)和u*(k)。
所谓数字信号是指在时间上离散、幅值上量化的信号。
显然,计算机控制系统即为典型的数字控制系统。在计算机控制系统中,除了包含有数字信号外,由于控制对象是连续的,因此其中也包含有连续的信号。如果忽略幅值上的量化效应,数字信号即为离散信号。因此,计算机控制系统若不考虑量化问题即为采样控制系统。如果将连续的控制对象连同保持器一起进行离散化,那么采样控制系统即简化为离散控制系统。因此,对于计算机控制系统的分析和设计常常首先从离散控制系统开始。
……

第1章 绪论
1.1 什么是计算机控制系统
1.2 计算机控制的发展概况
1.3 计算机控制理论
1.4 计算机控制系统的分类
第2章 常规设计方法
2.1 连续与离散传递函数的转换
2.1.1 双线性变换法
2.1.2 零极点匹配法
2.1.3 冲击响应不变法
2.1.4 零阶保持法
2.2 性能指标
2.2.1 稳态指标
2.2.2 动态指标
2.2.3 抗干扰性能
2.2.4 对控制作用的限制
2.2.5 参数变化的灵敏度
2.3 基于连续系统的设计方法
2.3.1 连续系统设计的离散等效
2.3.2 离散PID控制器
2.3.3 W变换设计法
2.4 直接离散化的设计方法
2.4.1 根轨迹法
2.4.2 参数寻优法
2.4.3 解析设计法
2.4.4 有限拍控制
2.4.5 Smith预报控制
第3章 基于状态空间模型的极点配置设计法
3.1 连续控制对象模型的离散化
3.1.1 不带延时的连续控制对象模型的离散化
3.1.2 包含延时的连续控制对象模型的离散化
3.2 矩阵指数及其积分的计算
3.2.1 拉普拉斯反变换法
3.2.2 凯莱-哈密尔顿法
3.2.3 特征值和特征向量法
3.2.4 直接级数求和法
3.3 按极点配置设计控制规律
3.4 按极点配置设计观测器
3.4.1 预报观测器
3.4.2 现时观测器
3.4.3 降阶观测器
3.5 控制器设计
3.5.1 分离性原理
3.5.2 控制器设计步骤
3.5.3 设计举例
3.5.4 引入积分控制
3.6 跟踪系统设计
3.6.1 调节系统与跟踪系统
3.6.2 参考输入的引入方式
3.6.3 闭环系统传递函数及零极点
3.6.4 根据静态增益选择N
3.6.5 一般控制器结构时M和N的选择
3.6.6 设计举例
3.6.7 积分控制的引入
第4章 基于传递函数模型的极点配置设计法
4.1 设计问题
4.1.1 设计问题描述
4.1.2 干扰问题
4.1.3 设计问题的求解
4.1.4 零极点相消的考虑
4.2 Diophantine方程
4.2.1 Diophantine方程的一般解
4.2.2 Diophantine方程的求解算法
4.2.3 Diophantine方程的*小阶解
4.3 设计方法
4.3.1 设计参数的给定
4.3.2 设计步骤
4.3.3 设计举例
4.3.4 设计方法的进一步解释
4.4 设计中的其他实际问题
4.4.1 模型误差的灵敏度
4.4.2 控制量的幅度限制
4.4.3 过程干扰和测量误差的影响
第5章 基于状态空间模型的*优化设计法
5.1 离散系统的*优控制
5.1.1 有限时间*优调节器问题
5.1.2 无限时间*优调节器问题
5.1.3 具有指定衰减速度的离散*优控制
5.1.4 PI调节器
5.2 采样系统的*优控制
5.2.1 问题的描述
5.2.2 连续对象模型及性能函数的离散化算法
5.2.3 *优控制规律的计算
5.2.4 *优控制的存在性及系统的稳定性
5.3 包含延时的采样系统的*优控制
5.3.1 问题的描述
5.3.2 延迟时间是采样周期整数倍(m=0)的情况
5.3.3 延迟时间是采样周期非整数倍(m≠0)的情况
5.3.4 *优控制存在性的讨论
5.3.5 计算举例
5.4 Riccati方程的求解及加权阵的选择
5.4.1 离散Riccati方程的求解
5.4.2 加权矩阵的选择
5.5 状态*优估计
5.5.1 离散系统
5.5.2 采样系统
5.6 控制器的设计
5.6.1 分离性原理
5.6.2 跟踪系统
5.6.3 一些实际问题
5.7 部分状态反馈的次*优控制
5.7.1 问题的描述
5.7.2 性能指标对控制器参数灵敏度的计算
5.7.3 部分状态反馈的选择
5.7.4 次*优控制器的计算
5.7.5 计算举例
第6章 基于传递函数模型的*优化设计法
6.1 设计问题
6.1.1 对象及干扰模型
6.1.2 性能指标及容许控制
6.2 *小方差控制
6.2.1 *优预报
6.2.2 *小方差控制
6.2.3 对象具有单位圆外零点时的*小方差控制
6.3 广义*小方差控制
6.3.1 广义*小方差控制的计算
6.3.2 计算举例
6.3.3 与极点配置设计法的比较
6.4 跟踪系统设计
第7章 系统辨识与自适应控制
7.1 *小二乘估计辨识系统模型
7.1.1 *小二乘估计的批处理算法
7.1.2 *小二乘估计的递推算法
7.1.3 广义*小二乘估计算法
7.1.4 *小二乘估计的辅助变量法
7.1.5 *小二乘估计的增广矩阵法
7.2 极大似然估计辨识系统模型
7.2.1 概述
7.2.2 *大似然估计的批处理算法
7.2.3 *大似然估计的递推算法
7.3 自适应控制
7.3.1 概述
7.3.2 *小方差自校正控制器
7.3.3 极点配置自校正控制器
7.3.4 自适应控制的应用
第8章 计算机控制系统仿真及性能计算
8.1 离散系统的仿真
8.1.1 面向系统的离散系统仿真
8.1.2 面向环节的离散系统仿真
8.2 采样控制系统仿真
8.2.1 状态空间模型表示
8.2.2 传递函数模型表示
8.2.3 连续控制对象的仿真
8.2.4 其余环节的仿真
8.2.5 仿真计算举例
8.3 随机采样控制系统的仿真
8.3.1 问题的描述
8.3.2 连续控制对象的仿真
8.3.3 其余部分的仿真
8.3.4 输入传递函数参数的仿真
8.4 数字控制系统仿真
8.4.1 问题的描述
8.4.2 仿真方法
8.4.3 仿真举例
8.5 网络控制系统仿真
8.5.1 问题的描述
8.5.2 仿真方法
8.5.3 仿真举例
8.6 确定性系统中性能指标函数的计算
8.6.1 问题的描述
8.6.2 直接状态反馈时J的计算
8.6.3 一般动态反馈时J的计算
8.7 随机系统中性能指标函数的计算
8.7.1 问题的描述
8.7.2 连续状态方程和性能指标函数的离散化
8.7.3 P的计算
8.7.4 直接状态反馈时J的计算
8.7.5 动态反馈时J的计算
第9章 采样周期选择及量化效应
9.1 采样周期选择的一般考虑原则
9.1.1 考虑跟踪响应性能
9.1.2 考虑抗干扰性能
9.1.3 考虑开环特性
9.1.4 考虑前置滤波器
9.1.5 考虑设计方法
9.2 考虑控制量幅度受限时采样周期和加权系数的选择
9.2.1 问题的描述
9.2.2 加权系数的选择
9.2.3 采样周期的选择
9.2.4 举例
9.3 量化效应的线性分析
9.3.1 量化误差来源及分析方法
9.3.2 变量量化误差的确定性分析
9.3.3 变量量化误差的随机分析
9.3.4 参数量化误差分析
9.4 量化效应的非线性分析
9.4.1 量化的非线性效应举例
9.4.2 量化效应的图解分析法
9.4.3 量化效应的描述函数分析法
9.5 量化效应与控制规律的实现方式及采样周期的关系
9.5.1 控制规律的实现方式
9.5.2 量化效应与控制规律实现方式之间的关系
9.5.3 量化效应与采样周期的关系
第10章 数字控制器实现中的实际问题及设计举例
10.1 数字控制器的输入和输出
10.1.1 测量输入
10.1.2 控制量输出
10.1.3 计算延时
10.2 数字控制器的操作和编程
10.2.1 操作方面的问题
10.2.2 控制算法编程
10.3 设计举例一——飞机纵向运动的*优控制
10.3.1 问题和设计方法的简单描述
10.3.2 飞机纵向运动模型
10.3.3 飞机速度和纵向航行角的控制
10.4 设计举例二——精馏塔的次*优控制
10.4.1 问题的描述
10.4.2 全部状态反馈的PI控制器
10.4.3 部分状态反馈的选择
10.4.4 部分状态反馈的次*优控制
参考文献

本书从工程应用的角度,系统地介绍了计算机控制系统的分析、设计、建模和仿真的内容。同时,对于一些实际问题,如采样周期的选择、量化效应的分析以及数字控制器实现中的一些问题也进行了较深入的讨论。全书共分10章,第1章是绪论,第2章介绍基于经典控制理论的常规设计方法,第3章到第6章介绍基于状态方程和传递函数模型的极点配置与*优控制的设计方法,第7章介绍系统辨识与自适应控制,第8章介绍计算机控制系统仿真和性能计算,在该章中增加了网络控制系统仿真的内容,它体现了计算机控制系统网络化的发展趋势,李洪波参与了这部分新增内容的编写,第9章和第10章主要讨论计算机控制系统中的一些实际问题。