數字控制系統分析與設計, 2/e

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數字控制系統分析與設計, 2/e

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內容描述

本書是作者在多年教學工作、工程實踐並結合國內外該領域的教學和技術發展等基礎上形成的一部教材。書中系統地介紹有關數字控制的基本理論、基本分析方法與數字控制器設計技術等。全書共分5章，內容包括引言與連續控制系統回顧、離散時間系統分析、採樣數據系統、基於傳遞函數的數字系統分析與數字控制器設計及基於極點配置與狀態估計的數字控制器設計。
本書可作為自動化類專業或相關專業本科生計算機控製或數字控制類課程教材或教學參考書，也可作為有關工程技術人員的參考資料。
第2版​​前言
PREFACE
作為自動控制原理與現代控制理論的後續課程，數字控制側重於介紹離散系統分析方法和數字控制器的設計方法。學習數字控制需要讀者對線性反饋控制和拉普拉斯變換數學知識有一定的理解。數字控制的內容包括基於z變換技術的離散系統分析、基於轉換技術和基於狀態空間技術的數字控制器設計以及拉普拉斯變換與z變換（即連續系統與離散系統）之間的關係等。
目前我國大多數學校採用經典控制、現代控制與數字控制分別設課的方式進行教學，這樣經典控制與現代控制的知識、連續控制與離散控制的知識內容難以有效地連貫。第2版​​註重了將自動控制原理、現代控制理論的相關內容與數字（離散）控制系統分析與設計更緊密地連貫起來進行描述，這有助於自動化及相關專業學生或從事自動控制系統設計的工程技術人員對控制系統分析和控制器設計有更直觀和系統的理解。
第2版​​的章節仍按第1版的5章安排。改版後的第1章更系統地對連續控制器設計方法進行概括性回顧，增加了一道綜合例題，對控制器設計的各種方法進行解析。考慮到離散控制器設計方法與連續控制器設計方法有許多相近之處，改版後的第4章中根軌跡設計、頻率響應設計和PID控制器設計以及第5章中極點配置設計的相關例題中，都註意了採用的設計方法與第1章中綜合例題相應方法的對應。同時，還增加了採用根軌跡方法和頻率響應方法進行PID控制器設計的內容，以幫助讀者理解各種設計方法的靈活應用，以及連續控制器設計與離散控制器設計之間的關係等。
另外，在改版後的狀態空間分析和設計內容中，增加了更多的帶參考輸入系統極點配置設計的描述，這可幫助讀者更好地理解狀態空間系統與傳統反饋控制系統之間的關係。
本書改版中還對原版書中的一些錯誤之處進行了修改，但由於作者水平所限，書中難免存在不足，敬請讀者批評指正。 
編者
2018年5月
第1版前言
PREFACE
隨著計算機技術的迅速發展，目前的工業控制系統、機器人系統或其他電子控制裝置基本都採用數字控制器來予以實現。本書正是針對這種情況，著重對數字控制系統的分析、設計和建模等問題進行了較系統的介紹，尤其以較多的篇幅討論了數字控制系統的設計方法。
考慮到目前本科教學人才培養方案課時的逐步壓縮，專業課程的課時多為32~40課時，這樣對數字控制系統的介紹既要較為系統，又要非常簡練。本書正是基於以上考慮，並參考了國內外相關教材進行編寫的，旨在為與自動化技術相關的學生提供良好的工程基礎。
本書第1章從對連續控制系統的回顧開始，介紹系統及其動態特性、基於根軌跡技術、頻率響應技術和狀態空間技術的設計方法等。
第2章介紹如何用線性差分方程和z變換技術對離散時間系統進行描述和分析。
第3章介紹對採樣數據的分析技術、信號重構技術，以及離散模型的建立與分析等。
第4章介紹基於傳遞函數的數字系統分析與數字控制器設計，內容包括s平面對z平面的映射、離散系統的穩定性、數字控制器的模擬設計、數字控制器的根軌跡直接設計、數字控制器的頻率響應直接設計、數字控制器的解析設計、模擬PID控制器的數字化，以及數字控制器的實現等。
第5章介紹基於極點配置與狀態估計的數字控制器設計，內容包括離散時間系統的狀態空間分析、極點配置、狀態觀測器設計，以及帶狀態觀測器的極點配置等。
本書體系結構較為完整，其內容涵蓋數字控制系統分析與設計的內容。本書內容與工程結合較強，可讀性好。全書圖文並茂，較為通俗易懂。各章自成體系又融會貫通，可方便讀者有選擇地學習。本書既註重系統性又註重時代性，既係統地介紹數字控制系統分析與設計方法，又介紹在該領域中數字化的一些新進展。本書控制器設計方面的例題全部基於MATLAB和Simulink軟件進行了模擬，書中內容和各章節後相關習題的編排，註意對學生動手能力的訓練與培養。
本書可作為自動化類專業或相關專業本科生數字控製或計算機控制類課程教材或教學參考書。
書中帶*的內容可根據教學情況選擇性地安排。對本書各章內容的講授提出教學建議如下。
教 學 內 容學習要點及教學要求
課 時 安 排
全部
授課部分
授課
第1章引言
與連續控制回顧
 掌握控制系統描述的基礎知識
 掌握拉普拉斯變換的基本知識
 掌握反饋控制的基本特性
 掌握PID控制的基本原理
 掌握系統設計的指標表達方式
 掌握基於根軌跡方法設計控制器的基本思路
 掌握基於頻率響應方法設計控制器的基本思路
 掌握基於狀態空間方法設計控制器的基本思路
1～21
數字控制系統分析與設計（第2版）
第1版前言
續表
教 學 內 容學習要點及教學要求
課 時 安 排
全部
授課部分
授課
第2章離散
時間系統分析
 熟練掌握用差分方程建立離散系統模型的基本方法
 熟練掌握差分方程求解的基本方法
 熟練掌握z變換的定義、z變換的基本特性及其在離散系統中的應用
 熟練掌握離散傳遞函數的基本概念
 熟練掌握離散系統時域的結構圖表達和z域的結構圖表達方式
 熟練掌握脈衝響應與離散傳遞函數的基本關係
 熟練掌握基於脈衝響應對開環離散系統進行穩定性判斷的基本方法和基本思路
65
第3章
採樣數據系統
 熟練掌握採樣與保持模型的建立
 熟練掌握採樣信號的表達方式與特性
 熟練掌握採樣信號頻譜的分析方法
 熟練掌握信號重構的理想恢復方法與非理想恢復方法
 熟練掌握採樣數據系統的結構圖表達方式
 熟練掌握基於多項式z變換方式的對象離散模型建立方法
 熟練掌握基於對狀態變量採樣方式的對象離散模型建立方法
9～108
第4章基於傳遞函數
的數字系統分析與數字控制器設計
 掌握s域對z域的映射的基礎知識
 熟練掌握離散系統的穩定性分析方法，包括絕對穩定性的檢驗方法和相對穩定性的檢驗方法
 熟練掌握離散等價方法，包括數值近似法、零極點映射法和保持等價法
 熟練掌握模擬設計的基本步驟，瞭解運用MATLAB對設計的平價方法
 熟練掌握系統設計的時域、s域和z域設計指標表達方式，以及時域、s域和z域設計指標之間的轉換方法，瞭解運用MATLAB進行指標之間的轉換方法
 掌握數字控制器根軌跡直接設計的基本思路和設計方法，瞭解運用MATLAB進行數字控制器根軌跡設計的方法
 掌握離散系統的頻率響應及其特性
 熟練掌握雙線性變換的基本方法與頻域設計指標表達方式
 熟練掌握數字控制器波特圖直接設計基本思路和設計方法，瞭解運用MATLAB進行數字控制器波特圖設計的方法
 瞭解數字控制器解析設計的基本方法
 熟練掌握數字PID控制的基本算法，熟練掌握數字PID控制器的參數整定思路和基本方法，瞭解數字PID控制的改進算法
 瞭解數字控制器實現的基本方法，包括直接程序實現、串行程序實現、並行程序實現和嵌套程序實現等
 瞭解數字控系統中採樣頻率的選取方法14～1816
續表
教 學 內 容學習要點及教學要求
課 時 安 排
全部
授課部分
授課
第5章基於極點配置與
狀態估計的數字控制器設計
 瞭解系統狀態空間表達的基本方法
 瞭解離散時間系統狀態空間方程求解的基本方法
 瞭解單輸入單輸出離散時間系統狀態空間表達與脈衝傳遞函數的關係
 掌握離散時間狀態空間系統能控性與能觀性判斷的基本方法
 掌握離散時間狀態空間系統極點配置的基本方法
 掌握設計全階狀態觀測器與降階狀態觀測器的基本方法
 掌握調節器設計的基本方法
 瞭解帶參考輸入的離散時間系統狀態空間系統的基本結構
8～100
習題講解與課堂討論22

目錄大綱

第1章引言與連續控制系統回顧
1.1引言
1.1.1數字控制器的應用領域
1.1.2數字控制系統的基本構成與特點
1.2連續控制系統及其動態特性
1.2.1微分方程
1.2.2拉普拉斯變換與傳遞函數
1.2.3反饋控制的基本特性
1.2.4反饋系統的穩定性分析
1.2.5時間域設計指標
1.2.6PID控制
1.3根軌跡設計法
1.3.1s域設計指標
1.3.2根軌跡及其畫圖規則
1.3.3基於根軌蹟的控制器設計
1.4頻率響應設計法
1.4.1頻域設計指標
1.4.2基於波特圖的控制器設計
1.5狀態空間設計法
1.5.1極點配置方法
1.5.2狀態觀測器的設計
1.5.3極點配置與觀測器的組合： 調節器的設計
1.5.4參考輸入與積分控制
1.6本章小結
習題1
參考文獻
第2章離散時間系統分析
2.1線性差分方程
2.1.1數字化與差分方程
2.1.2差分方程的求解
2.2z變換與離散傳遞函數
2.2.1z變換及其性質
2.2.2z變換法求解差分方程
2.2.3結構圖描述與分析
2.2.4離散傳遞函數
2.3離散傳遞函數與脈衝響應的關係
2.4BIBO穩定
2.5本章小結
習題2
參考文獻
第3章採樣數據系統
3.1採樣與保持
3.1.1對採樣數據的分析
3.1.2採樣信號的頻譜
3.2信號重構
3.2.1數據外推技術
3.2.2零階保持對輸出信號的影響
3.3採樣數據系統的結構圖分析
3.4離散模型
3.4.1基於多項式z變換的離散模型3.4.2基於狀態空間表達的離散模型
3.5本章小結
習題3
參考文獻
第4章基於傳遞函數的數字系統分析與數字控制器設計
4.1s平面對z平面的映射
4.2離散系統的穩定性
4.2.1閉環系統的穩定性分析
4.2.2絕對穩定性的檢驗方法
4.2.3相對穩定性的檢驗方法
4.3數字控制器的仿真設計
4.3.1離散等價方法
4.3.2仿真設計及對設計的評價
4.4數字控制器的根軌跡直接設計
4.4.1z域設計指標
4.4.2數字控制器的根軌跡直接設計
4.5數字控制器的頻率響應直接設計
4.5.1離散系統的頻率響應及其特性
4.5.2雙線性變換與頻域設計指標
4.5.3數字控制器的波特圖直接設計
4.6數字控制器的解析設計
4.7模擬PID控制器的數字化
4.7.1數字PID控制的基本算法
4.7.2數字PID控制器的參數整定
4.7.3數字PID控制的改進算法
4.8數字控制器的實現
4.8.1直接程序實現法
4.8.2串行程序實現法
4.8.3並行程序實現法
4.8.4嵌套程序實現法
4.8.5採樣週期的選擇
4.9本章小結
習題4
參考文獻
第5章基於極點配置與狀態估計的數字控制器設計
5.1離散時間系統的狀態空間分析
5.1.1離散時間系統的狀態空間表達
5.1.2離散時間狀態空間系統的求解
5.1.3脈衝傳遞函數矩陣
5.1.4離散時間狀態空間系統的穩定性
5.2極點配置
5.2.1能控性
5.2.2能觀性
5.2.3採樣週期與能控性和能觀性
5.2.4離散時間狀態空間系統的極點配置
5.3狀態觀測器設計
5.3.1全階觀測器5.3.2降階觀測器
5.4帶狀態觀測器的極點配置
5.4.1分離原理
5.4.2控制器特性與系統特性
5.4.3帶狀態觀測器的離散系統極點配置
5.5帶參考輸入的離散系統極點配置
5.5.1參考輸入與控制量相比較後加入
5.5.2參考輸入與狀態變量相比較後加入
5.5.3參考輸入與輸出相比較後加入
5.5.4積分控制
5.6本章小結
習題5
參考文獻
附錄A拉普拉斯變換與z變換錶
附錄B本書中用到的部分數學公式
附錄C本書中用到的部分MATLAB指令和部分Simulink模塊
附錄D部分習題參考答案