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计算机控制系统 
定 价：45 元
9 7 1 8 3 7 6 3 0 0 0 2 2 
本书系统地讲述计算机控制系统基本原理与实现技术问题。全书共10章，分为三部分：（1）计算机控制的基础理论，包括计算机控制概述、系统信号分析、计算机控制系统数学描述、离散系统分析； （2）计算机控制系统设计，包括连续域离散化设计、直接离散域设计（如根轨迹设计、w′域设计）和状态空间设计等； （3）计算机控制系统工程实现技术，包括计算机控制系统的构建、工程实现的某些问题（如量化误差分析、采样周期的选取以及抗干扰和可靠性等）、嵌入式系统、可编程控制器、集散控制系统、总线控制系统及控制网络系统。最后一章介绍了三个应用实例。书末附有z变换的常用表，全书各章的习题均放在附录中。在所附光盘中，给出本书所涉及的MATLAB常用指令表和符号语言工具箱、部分习题解答、基于本书内容的教师用电子教案。
本书可作为高等学校自动控制（自动化）、电气工程、仪器仪表及机电一体化专业的教材，也可作为研究生教学的基础教材，同时也是有关工程技术人员的有用参考资料。
为适应我国对高等学校自动化专业人才培养的需要，配合各高校教学改革的进程，创建一套符合自动化专业培养目标和教学改革要求的新型自动化专业系列教材，“教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会”（简称“教指委”）联合了“中国自动化学会教育工作委员会”、“中国电工技术学会高校工业自动化教育专业委员会”、“中国系统仿真学会教育工作委员会”和“中国机械工业教育协会电气工程及自动化学科委员会”四个委员会，以教学创新为指导思想，以教材带动教学改革为方针，设立专项资助基金，采用全国公开招标方式，组织编写出版一套自动化专业系列教材——《全国高等学校自动化专业系列教材》。
本系列教材主要面向本科生，同时兼顾研究生； 覆盖面包括专业基础课、专业核心课、专业选修课、实践环节课和专业综合训练课； 重点突出自动化专业基础理论和前沿技术； 以文字教材为主，适当包括多媒体教材； 以主教材为主，适当包括习题集、实验指导书、教师参考书、多媒体课件、网络课程脚本等辅助教材； 力求做到符合自动化专业培养目标、反映自动化专业教育改革方向、满足自动化专业教学需要； 努力创造使之成为具有先进性、创新性、适用性和系统性的特色品牌教材。 本系列教材在“教指委”的领导下，从2004年起，通过招标机制，计划用3~4年时间出版50本左右教材，2006年开始陆续出版问世。为满足多层面、多类型的教学需求，同类教材可能出版多种版本。 本系列教材的主要读者群是自动化专业及相关专业的大学生和研究生，以及相关领域和部门的科学工作者和工程技术人员。我们希望本系列教材既能为在校大学生和研究生的学习提供内容先进、论述系统和适于教学的教材或参考书，也能为广大科学工作者和工程技术人员的知识更新与继续学习提供适合的参考资料。感谢使用本系列教材的广大教师、学生和科技工作者的热情支持，并欢迎提出批评和意见。 《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会 2005年10月于北京 《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会 顾问 （按姓氏笔画）： 王行愚（华东理工大学）冯纯伯（东南大学） 孙优贤（浙江大学）吴启迪（同济大学） 张嗣瀛（东北大学）陈伯时（上海大学） 陈翰馥（中国科学院）郑大钟（清华大学） 郑南宁（西安交通大学）韩崇昭（西安交通大学）主任委员： 吴澄（清华大学）副主任委员： 赵光宙（浙江大学）萧德云（清华大学）委员 （按姓氏笔画）： 王雄（清华大学）方华京（华中科技大学） 史震（哈尔滨工程大学）田作华（上海交通大学） 卢京潮（西北工业大学）孙鹤旭（河北工业大学） 刘建昌（东北大学）吴刚（中国科技大学） 吴成东（沈阳建筑工程学院）吴爱国（天津大学） 陈庆伟（南京理工大学）陈兴林（哈尔滨工业大学） 郑志强（国防科技大学）赵曜（四川大学） 段其昌（重庆大学）程鹏（北京航空航天大学） 谢克明（太原理工大学）韩九强（西安交通大学） 褚健（浙江大学）蔡鸿程（清华大学出版社） 廖晓钟（北京理工大学）戴先中（东南大学） 工作小组（组长）： 萧德云（清华大学） （成员）： 陈伯时（上海大学）郑大钟（清华大学） 田作华（上海交通大学）赵光宙（浙江大学） 韩九强（西安交通大学）陈兴林（哈尔滨工业大学） 陈庆伟（南京理工大学） （助理）： 郭晓华（清华大学）责任编辑： 王一玲（清华大学出版社） 自动化学科有着光荣的历史和重要的地位， 20世纪50年代我国政府就十分重视自动化学科的发展和自动化专业人才的培养。五十多年来，自动化科学技术在众多领域发挥了重大作用，如航空、航天等，“两弹一星”的伟大工程就包含了许多自动化科学技术的成果。自动化科学技术也改变了我国工业整体的面貌，不论是石油化工、电力、钢铁，还是轻工、建材、医药等领域都要用到自动化手段，在国防工业中自动化的作用更是巨大的。现在，世界上有很多非常活跃的领域都离不开自动化技术，比如机器人、月球车等。另外，自动化学科对一些交叉学科的发展同样起到了积极的促进作用，例如网络控制、量子控制、流媒体控制、生物信息学、系统生物学等学科就是在系统论、控制论、信息论的影响下得到不断的发展。在整个世界已经进入信息时代的背景下，中国要完成工业化的任务还很重，或者说我们正处在后工业化的阶段。因此，国家提出走新型工业化的道路和“信息化带动工业化，工业化促进信息化”的科学发展观，这对自动化科学技术的发展是一个前所未有的战略机遇。 机遇难得，人才更难得。要发展自动化学科，人才是基础、是关键。高等学校是人才培养的基地，或者说人才培养是高等学校的根本。作为高等学校的领导和教师始终要把人才培养放在第一位，具体对自动化系或自动化学院的领导和教师来说，要时刻想着为国家关键行业和战线培养和输送优秀的自动化技术人才。 影响人才培养的因素很多，涉及教学改革的方方面面，包括如何拓宽专业口径、优化教学计划、增强教学柔性、强化通识教育、提高知识起点、降低专业重心、加强基础知识、强调专业实践等，其中构建融会贯通、紧密配合、有机联系的课程体系，编写有利于促进学生个性发展、培养学生创新能力的教材尤为重要。清华大学吴澄院士领导的《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会，根据自动化学科对自动化技术人才素质与能力的需求，充分吸取国外自动化教材的优势与特点，在全国范围内，以招标方式，组织编写了这套自动化专业系列教材，这对推动高等学校自动化专业发展与人才培养具有重要的意义。这套系列教材的建设有新思路、新机制，适应了高等学校教学改革与发展的新形势，立足创建精品教材，重视实践性环节在人才培养中的作用，采用了竞争机制，以激励和推动教材建设。在此，我谨向参与本系列教材规划、组织、编写的老师致以诚挚的感谢，并希望该系列教材在全国高等学校自动化专业人才培养中发挥应有的作用。 教授2005年10月于教育部 《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会在对国内外部分大学有关自动化专业的教材做深入调研的基础上，广泛听取了各方面的意见，以招标方式，组织编写了一套面向全国本科生（兼顾研究生）、体现自动化专业教材整体规划和课程体系、强调专业基础和理论联系实际的系列教材，自2006年起将陆续面世。全套系列教材共50多本，涵盖了自动化学科的主要知识领域，大部分教材都配置了包括电子教案、多媒体课件、习题辅导、课程实验指示书等立体化教材配件。此外，为强调落实“加强实践教育，培养创新人才”的教学改革思想，还特别规划了一组专业实验教程,包括《自动控制原理实验教程》、《运动控制实验教程》、《过程控制实验教程》、《检测技术实验教程》和《计算机控制系统实验教程》等。 自动化科学技术是一门应用性很强的学科，面对的是各种各样错综复杂的系统，控制对象可能是确定性的，也可能是随机性的；控制方法可能是常规控制，也可能需要优化控制。这样的学科专业人才应该具有什么样的知识结构，又应该如何通过专业教材来体现，这正是“系列教材编审委员会”规划系列教材时所面临的问题。为此，设立了《自动化专业课程体系结构研究》专项研究课题，成立了由清华大学萧德云教授负责，包括清华大学、上海交通大学、西安交通大学和东北大学等多所院校参与的联合研究小组，对自动化专业课程体系结构进行深入的研究，提出了按“控制理论与工程、控制系统与技术、系统理论与工程、信息处理与分析、计算机与网络、软件基础与工程、专业课程实验”等知识板块构建的课程体系结构。以此为基础，组织规划了一套涵盖几十门自动化专业基础课程和专业课程的系列教材。从基础理论到控制技术，从系统理论到工程实践，从计算机技术到信号处理，从设计分析到课程实验，涉及的知识单元多达数百个、知识点几千个，介入的学校50多所，参与的教授120多人，是一项庞大的系统工程。从编制招标要求、公布招标公告，到组织投标和评审，最后商定教材大纲，凝聚着全国百余名教授的心血，为的是编写出版一套具有一定规模、富有特色的，既考虑研究型大学又考虑应用型大学的自动化专业创新型系列教材。 然而，如何进一步构建完善的自动化专业教材体系结构？如何建设基础知识与最新知识有机融合的教材？如何充分利用现代技术，适应现代大学生的接受习惯，改变教材单一形态，建设数字化、电子化、网络化等多元形态、开放性的“广义教材”？等等，这些都还有待我们进行更深入的研究。 本套系列教材的出版，对更新自动化专业的知识体系、改善教学条件、创造个性化的教学环境，一定会起到积极的作用。但是由于受各方面条件所限，本套教材从整体结构到每本书的知识组成都可能存在许多不当甚至谬误之处，还望使用本套教材的广大教师、学生及各界人士不吝批评指正。 院士2005年10月于清华大学 计算机在实时控制领域中获得了广泛的应用。在国民经济及国防等各个领域中，采用计算机控制是现代化的重要标志。计算机控制学科涉及计算机控制的基本理论、分析、设计与工程实现等多方面内容。 本书是依照“全国高等学校自动化专业系列教材编审委员会”审定的教材大纲编写的。 本书兼顾计算机控制基本原理和实现技术两大方面的教学要求。通过本书的学习，读者可在计算机控制基本原理和实现技术方面获得较全面的培养和锻炼。全书除第1章外， 其余各章可分为三部分： (1)计算机控制的理论基础（第2 ～ 4章）。考虑到这部分内容较为成熟，在前修课的基础上，将简练、系统、深入地讲述一些基础性的内容； (2)计算机控制系统设计（第5 ～ 6章）。遵循经典与现代设计方法并重的原则，重点讨论连续离散化设计、离散域根轨迹设计、w′[WTXT〗域设计和状态空间设计等相关内容； (3)计算机控制系统工程实现技术（第7 ～ 10章）。由于计算机硬软件技术发展日新月异，因此，在论述基本工程实现技术的基础上，重点介绍了现代先进计算机控制的实现技术。除第7章介绍一些基本的工程实现技术外，第8 ～ 9章分别讨论了嵌入式系统、可编程控制器、集散式系统、现场总线和网络控制等先进控制技术。第10章介绍了3个计算机控制系统实例，以增强读者的感性认识。鉴于自动控制专业学生在微机原理及接口技术等相关课程中对计算机系统硬件已有较系统的学习，本书将不再重复，但在论述计算机控制系统构建及实现技术时，从应用的角度上讨论了相关问题。为了加强教材理论联系实际和实践能力的培养，本书在组织教材的基本内容时，特别注意论述工程中常用的方法和解释实践中比较关心的问题。此外，各章节将结合具有典型工程背景的实例进行相关内容的论述，大部分例题和习题均有各种实际应用背景，并且结合工程实例和配合典型实验系统设置习题作业，使学生在初级阶段就可以从事一些简单系统的设计和实现任务。本书在论述计算机控制系统分析、设计时，充分恰当地使用了现代的计算工具MATLAB及Simulink软件，特别是，应用了其中的符号语言工具箱，将有效地帮助学生完成复杂计算，实现系统的分析和设计。 本书书末有2个附录，分别为z变换表和各章的习题。为了帮助读者学习和运用所学知识解决问题的能力，本书给出了较多的习题。随书将附带一张光盘，其中包括本书在分析设计和仿真中涉及到的MATLAB常用指令表、MATLAB软件符号语言工具箱以及本书部分习题的解答。另外还提供基于本书内容的电子教案，以便于选择该教材的教师教学时使用。 本书可供自动控制(自动化)专业本科及研究生教学使用，亦可供电气、仪器仪表及机电一体化等专业选用。为了满足学生的自主性、研究性学习要求，调动学生学习的积极性，激发学生的潜能，满足培养优秀生的要求，在组织教材内容时，适量地编入了某些较深入或前沿问题，习题中也包括了一些难度稍大的问题，教学时可以适当选用。对于普通高校自动控制专业本科生，通常可选用第1章及第2～4章的重点内容和第5、6及7、8各章。根据教学大纲及学时要求，亦可放弃第6章及第8章的学习。第9、10章可供教学和优秀生学习参考。 学习本书的知识背景是：一般连续控制理论以及微机原理和接口技术的基本知识。 本书是在北京航空航天大学计算机控制教学小组近20年教学、编写及使用多本教材所积累的经验并参阅了近年来国内外有关教材的基础上编写的。多年来本学科在计算机控制系统分析、设计和实现技术方面积累了一定的经验，这些经验在相应章节中做了一定的反映，本教材可以看作是北京航空航天大学自动控制系计算机控制教学小组集体编著的。全书由高金源教授与夏洁副教授共同编写。高金源负责编写第1 ～ 6章，夏洁负责编写第7 ～ 10章。在编写过程中教学小组的张平教授、周锐教授提供了许多章节的原始资料和意见。此外，北京航空航天大学自动控制系扈宏杰副教授等还提供了一些研究实例，在此，特向他们表示衷心的感谢。 全书由北京理工大学张宇河教授主审。张宇河教授对全书进行了详细认真的审阅，提出了许多宝贵意见。本书的出版得到了清华大学出版社王一玲女士的大力支持与帮助。在此一并对他们表示衷心的感谢。 在编写过程中学习和汲取了部分国内外有关教材的内容，受益匪浅，对此表示谢意。 由于编者的知识和经验有限，不妥之处在所难免，期望得到读者的批评指正。 编者2006年3月
第1章计算机控制导论1
1.1计算机控制系统概述1 1.1.1计算机控制系统组成1 1.1.2计算机控制系统特点4 1.1.3计算机控制系统优点4 1.2计算机控制系统的发展与应用6 1.2.1计算机控制系统发展概述6 1.2.2计算机控制系统应用与分类8 1.3计算机控制系统的理论与设计问题12 1.3.1计算机控制系统的理论问题12 1.3.2计算机控制系统的设计与实现15 本章小结17 第2章计算机控制系统信号分析18 2.1控制系统中信号分类18 2.1.1A/D变换20 2.1.2D/A变换21 2.1.3计算机控制系统中信号的分类22 2.2理想采样过程的数学描述及特性分析23 2.2.1采样过程的描述23 2.2.2理想采样信号的时域描述24 2.2.3理想采样信号的复域描述26 2.2.4理想采样信号的频域描述29 2.2.5采样定理34 2.2.6前置滤波器37 2.3信号的恢复与重构39 2.3.1理想恢复过程39 2.3.2非理想恢复过程40 2.3.3零阶保持器41 2.3.4后置滤波43 2.4信号的整量化43 2.5计算机控制系统简化结构44 本章小结45 第3章计算机控制系统的数学描述47 3.1离散系统的时域描述——差分方程47 3.1.1差分的定义47 3.1.2差分方程48 3.1.3线性常系数差分方程的迭代求解49 3.2z变换50 3.2.1z变换的定义50 3.2.2z变换的基本定理53 3.2.3求z变换及反变换的方法56 3.2.4差分方程的z变换解法61 3.3脉冲传递函数61 3.3.1脉冲传递函数定义61 3.3.2脉冲传递函数特性62 3.3.3差分方程与脉冲传递函数63 3.4离散系统的方块图分析64 3.4.1环节连接的等效变换65 3.4.2闭环反馈系统脉冲传递函数67 3.4.3计算机控制系统的闭环脉冲传递函数69 3.4.4干扰作用时闭环系统的输出72 3.5离散系统的频域描述73 3.5.1离散系统频率特性的定义73 3.5.2离散系统频率特性的计算73 3.5.3离散系统频率特性的特点77 3.6离散系统的状态空间描述81 3.6.1由差分方程建立离散状态方程81 3.6.2由脉冲传递函数建立离散状态方程83 3.6.3计算机控制系统状态方程85 3.6.4离散状态方程求解89 3.6.5脉冲传递函数阵90 3.7应用实例90 本章小结95 第4章计算机控制系统分析97 4.1s平面和z平面之间的映射97 4.1.1s平面和z平面的基本映射关系97 4.1.2s平面上等值线在z平面的映射101 4.2稳定性分析103 4.2.1离散系统的稳定条件104 4.2.2稳定性的检测105 4.2.3采样周期与系统稳定性108 4.3稳态误差分析109 4.3.1离散系统稳态误差的定义109 4.3.2离散系统稳态误差的计算110 4.3.3采样周期对稳态误差的影响113 4.4时域特性分析115 4.4.1离散系统动态特性指标的提法及限制条件115 4.4.2极点零点位置与时间响应的关系116 4.4.3采样系统动态响应的计算120 4.5频域特性分析121 4.5.1频域系统稳定性的分析121 4.5.2相对稳定性的检验123 4.6应用实例124 本章小结126 第5章计算机控制系统的经典设计方法128 5.1连续域—离散化设计128 5.1.1设计原理和步骤128 5.1.2各种离散化方法130 5.2数字PID控制器设计156 5.2.1数字PID基本算法156 5.2.2数字PID控制算法改进159 5.2.3PID调节参数的整定164 5.3控制系统z平面设计性能指标要求167 5.3.1时域性能指标要求167 5.3.2频域性能指标要求169 5.4z平面根轨迹设计170 5.4.1z平面根轨迹170 5.4.2z平面根轨迹设计方法172 5.5w′变换及频率域设计178 5.5.1w′变换178 5.5.2w′域设计法182 5.5.3设计举例182 本章小结187 第6章计算机控制系统状态空间设计189 6.1离散系统状态空间描述的基本特性190 6.1.1可控性与可达性190 6.1.2可观性194 6.1.3可控性及可观性某些问题的说明196 6.1.4采样系统可控可观性与采样周期的关系198 6.2状态反馈控制律的极点配置设计200 6.2.1状态反馈控制201 6.2.2单输入系统的极点配置203 6.2.3多输入系统的极点配置208 6.3状态观测器设计209 6.3.1系统状态的开环估计209 6.3.2全阶状态观测器设计210 6.3.3降维状态观测器216 6.4调节器设计（控制律与观测器的组合）217 6.4.1调节器设计分离原理218 6.4.2调节器系统的控制器218 6.4.3控制律及观测器极点选择219 6.5最优二次型设计222 6.5.1概述222 6.5.2无限时间离散最优二次型223 6.5.3采样系统最优二次型设计225 6.5.4离散最优二次型调节器228 本章小结229 第7章计算机控制系统组建以及实现技术230 7.1硬件组成及输入输出接口231 7.1.1控制用计算机系统的硬件要求232 7.1.2控制用计算机的选择235 7.1.3计算机控制系统的模拟输出通道237 7.1.4计算机控制系统的模拟输入通道242 7.1.5计算机控制系统的数字输入输出通道248 7.1.6信号的调理250 7.1.7总线技术251 7.2系统测试信号的处理256 7.2.1测试信号的滤波256 7.2.2测试信号的线性化处理259 7.3计算机控制系统的实时软件设计260 7.3.1软件的分类260 7.3.2实时控制程序设计语言的选用262 7.3.3实时控制软件的设计263 7.4控制算法的编排实现266 7.4.1控制算法的编排结构266 7.4.2比例因子的配置268 7.5量化效应分析272 7.5.1有限字长二进制特性273 7.5.2计算机控制系统中的量化277 7.5.3量化误差分析277 7.5.4量化效应的非线性分析281 7.5.5控制算法δ变换描述284 7.6采样频率的选取286 7.6.1采样频率对系统性能的影响286 7.6.2选择采样频率的经验规则289 7.6.3多采样频率配置290 7.7计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术291 7.7.1干扰源及抗干扰措施291 7.7.2提高系统可靠性的措施297 本章小结301 第8章嵌入式系统及可编程控制器303 8.1嵌入式系统303 8.1.1概述303 8.1.2软硬件协同设计技术307 8.1.3实时操作系统310 8.1.4嵌入式系统的开发316 8.1.5嵌入式控制系统设计实例324 8.2可编程控制器（PLC）327 8.2.1概述327 8.2.2PLC的结构和工作原理331 8.2.3PLC常用编程语言337 8.2.4PLC的应用实例342 8.2.5PLC的网络系统347 本章小结350 第9章控制网络系统及网络控制技术351 9.1集散控制系统352 9.1.1概述352 9.1.2功能分层体系及基本结构354 9.1.3集散控制系统的组态性362 9.2现场总线控制系统366 9.2.1概述367 9.2.2现场总线类型371 9.2.3典型应用系统构成380 9.3以太控制网络系统385 9.3.1控制网络的技术基础387 9.3.2以太控制网络系统的组成及其特点392 9.3.3以太网用于工业现场的关键技术393 9.4控制网络与管理网络集成技术397 9.4.1网络互联技术398 9.4.2动态数据交换技术398 9.4.3远程通信技术399 9.4.4数据库访问技术400 9.5网络控制系统及其时间同步401 9.5.1网络控制系统定义及存在问题401 9.5.2传输延迟的分析402 9.5.3网络控制的时钟同步403 9.6闭环网络控制系统分析405 9.6.1基于事件驱动的稳定性分析406 9.6.2基于时间驱动的稳定性分析408 9.7闭环网络控制系统的控制器设计方法410 9.7.1确定性控制设计方法410 9.7.2存在问题412 本章小结413 第10章计算机控制系统设计与应用实例414 10.1双摆实验系统的计算机控制设计与实现414 10.1.1双摆实验控制系统介绍415 10.1.2双摆控制系统的整体方案416 10.1.3双摆系统数学建模417 10.1.4系统控制器设计420 10.1.5软件设计423 10.1.6闭环控制实验结果423 10.2转台计算机伺服控制系统设计426 10.2.1转台系统介绍427 10.2.2三轴测试转台的总体控制结构428 10.2.3转台单框的数学模型429 10.2.4转台单框控制回路设计429 10.2.5控制系统软件设计432 10.2.6控制律及仿真结构434 10.2.7实际控制效果434 10.3民用机场供油集散系统435 10.3.1民用机场供油系统工艺简介435 10.3.2机场供油系统的总体结构436 10.3.3网络设计438 10.3.4功能设计438 10.3.5硬件设计439 10.3.6软件设计440 10.3.7实际应用441 本章小结444 附录Az变换表445 附录B习题448 参考文献479
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