《数字控制系统原理 分析与设计》求取 ⇩

目录1

第一章 引论1

1.1 引言1

1.2 采样数据控制系统2

1.3 数字控制系统3

1.3.1 数字控制系统的一般组成3

1.3.2 数字控制系统的一般类型4

第二章 信号的采样与复现7

2.1 连续信号的采样和星号拉氏变换7

2.1.1 连续信号的采样7

2.1.2 理想采样开关的数学描述7

2.1.3 利用卷积分计算星号拉氏变换9

2.1.4 星号拉氏变换F＊（x）的特性14

2.1.5 香农采样定理15

2.2 信号的复现与保持器16

2.2.1 信号的复现16

2.2.2 零阶保持器17

2.2.3 一阶保持器20

2.3 过采样和不足采样22

2.3.1 不足采样：频率混淆22

2.3.2 选取采样周期的实际考虑23

习题24

第三章 Z变换25

3.1 Z变换定理及计算方法25

3.1.1 Z变换定义25

3.1.2 基本函数的Z变换25

3.1.3 求Z变换表达式的一般计算方法27

3.1.4 Z变换的基本定理31

3.2 Z反变换39

3.2.1 幂级数法39

3.2.2 部分分式法39

3.2.3 反演积分法41

3.2.4 用Z变换求解差分方程44

3.3 线性离散系统的脉冲传递函数46

3.3.1 脉冲传递函数的定义46

3.3.2 脉冲传递函数的代数运算规则48

3.3.3 Z变换法分析闭环系统的响应特性54

3.4 采样时刻之间的响应57

3.4.1 子倍数采样方法58

3.4.2 修正Z变换60

3.5 具有时间延迟的系统63

习题64

第四章 状态空间分析71

4.1 离散时间控制系统的状态方程71

4.1.1 线性离散时间控制系统的状态变量表示法71

4.1.2 线性定常离散系统的状态方程71

4.1.3 连续状态方程的离散等效75

4.2 求解状态方程78

4.2.1 用递推方法求解状态方程78

4.2.2 用Z变换方法求解线性定常离散系统状态方程78

4.3 状态变量表达式和脉冲传递函数的关系82

4.4 特征方程、特征值和特征矢量83

4.5 应用状态变量法确定采样时刻之间的响应84

4.6 具有时间延迟系统的状态方程模型87

习题89

5.1.1 稳定性定义92

5.1 离散系统的稳定性92

第五章 离散时间控制系统的一般性质92

5.1.2 离散线性定常系统的稳定性93

5.1.3 朱利（Jury）判据95

5.1.4 W变换的稳定性判据98

5.1.5 李雅普诺夫第二方法99

5.2 能控性、能观测性101

5.2.1 离散线性定常系统的能控性101

5.2.2 离散线性定常系统的能观测性103

5.3 能控性、能观测性的几个特性104

5.3.1 能控性不变性原理104

5.3.2 能控性、能观测性同脉冲传递函数的关系106

5.3.3 采样时间T对能控性和能观测性的影响108

5.4 能控标准型和能观测标准型109

5.3.4 能控性与能观测性的对偶性109

5.4.1 能控标准型110

5.4.2 能观测标准型112

习题112

第六章 时间域和频率域分析116

6.1 s平面和z平面之间的变换116

6.2 离散系统的稳态误差120

6.2.1 离散系统的增益120

6.2.2 采样时刻的稳态误差分析121

6.2.3 采样周期对稳态误差的影响125

6.3 离散系统的频率特性125

6.3.1 离散定常系统的频率响应126

6.3.2 幅相频率特性曲线128

6.4.1 W变换131

6.4 W变换和伯德图131

6.4.2 伯德图132

习题134

第七章 数字控制器设计137

7.1 控制系统的性能要求137

7.1.1 数字控制系统的一般性能要求137

7.1.2 参数灵敏度137

7.1.3 干扰的抑制138

7.2 离散与连续等效设计方法140

7.2.1 各种离散化方法140

7.2.2 离散与连续等效的设计方法149

7.2.3 预先补偿零阶保持器相位迟后的系统设计方法150

7.2.4 离散等效系统的稳态误差系数152

7.2.5 采样周期T的选取152

7.3.1 在W平面设计数字控制器一般步骤153

7.3 W平面设计方法153

7.3.2 串联相位迟后补偿154

7.3.3 串联相位超前补偿156

7.3.4 用解析法确定一阶补偿器158

7.3.5 根据预期伪频率特性设计数字控制器159

7.3.6 在W平面设计数字PID控制器161

7.4 根轨迹设计方法164

7.4.1 控制系统设计的z平面指标164

7.4.2 根轨迹的绘制166

7.4.3 采样周期T对根轨迹的影响166

7.4.4 采用根轨迹法进行设计170

7.5 数字PID控制器设计175

7.5.1 数字PID控制算法175

7.5.2 数字PID控制器基本结构176

7.5.3 数字PID控制算法的改进177

7.5.4 数字PID控制器参数选择178

7.5.5 飞行自动着陆系统的数字PID控制器180

7.6 数字控制器直接设计方法184

7.6.1 最少拍随动系统设计184

7.6.2 最少拍无波纹随动系统设计189

7.6.3 达林算法191

7.7 史密斯预估算法194

7.8 模型算法控制196

7.8.1 模型算法控制原理196

7.8.2 开环与闭环预测198

习题200

8.1 极点配置204

8.1.1 极点配置的基本定理204

第八章 极点配置和观测器204

8.1.2 极点配置的一般算法205

8.1.3 极点配置的阿克曼公式207

8.1.4 选取设计参数209

8.1.5 多输入系统的极点配置211

8.2 状态观测器213

8.2.1 观测器设计213

8.2.2 无延迟观测器216

8.2.3 降阶观测器218

8.3 伺服系统220

习题225

第九章 最优控制227

9.1 离散系统变分法227

9.1.1 离散系统的欧拉方程227

9.1.2 一般形式的变分问题229

9.1.3 有等式约束的变分问题230

9.2 离散极大值原理232

9.2.1 无约束离散系统的极大值原理232

9.2.2 有约束离散系统的极大值原理235

9.3 动态规划237

9.3.1 多阶段决策过程237

9.3.2 最优性原理238

9.3.3 动态规划基本递推公式238

9.3.4 动态规划的通用计算方法243

习题245

第十章 离散系统线性二次型最优控制249

10.1 有限长时间线性数字调节器249

10.1.1 二次型性能指标249

10.1.2 有限长时间线性数字调节器250

10.1.3 一般形式二次型性能指标255

10.2 无限长时间线性数字调节器256

10.3 输出调节器258

10.4 伺服系统的二次型最优控制259

10.5 采样数字系统的二次型最优控制262

习题265

第十一章 脉冲宽度调制控制系统268

11.1 引言268

11.1.1 单极式和双极式脉冲宽度采样268

11.1.2 自然采样和均匀采样271

11.1.3 脉冲宽度调制系统的特点271

11.2 分析脉冲宽度调制控制系统的Z变换方法272

11.2.1 等效面积原理272

11.2.2 脉冲宽度调制系统的Z变换分析法273

11.3.1 双极式脉冲宽度采样双描述函数模型275

11.3 脉冲宽度调制的谐波模型275

11.3.2 脉冲宽度调制控制系统的谐波模型分析278

第十二章 多速率采样离散时间控制系统281

12.1 引言281

12.2 多速率采样的无穷级数表达式282

12.3 多速率采样系统的Z变换分析法283

12.3.1 慢—快多速率采样系统283

12.3.2 快—慢多速率采样系统285

12.3.3 全部为数字元件的多速率采样系统288

12.3.4 不同采样速率的纯数字元件的联接289

12.3.5 闭环多速率采样系统290

12.4 多速率采样系统的时间域分析292

12.4.1 慢—快多速率开环采样系统的输出响应292

12.4.2 快—慢多速率开环采样系统的输出响应293

12.4.3 多回路、多速率采样闭环系统状态方程及输出响应295

习题296

第十三章 数字控制器结构实现299

13.1 直接实现形式299

13.1.1 数字控制器的四种直接实现形式299

13.1.2 二阶模型的四种直接实现形式301

13.2 串联实现303

13.3 并联实现303

13.4 数字PID控制器结构实现303

习题304

第十四章 数字控制器的微机实现306

14.1 数的表示法及量化误差306

14.1.1 数的二进制表示306

14.1.2 二进制数截尾和舍入307

14.2 量化误差分析309

14.2.1 模拟信号采样过程的量化误差310

14.2.2 系数量化误差及其对系统性能的影响312

14.2.3 乘法运算结果量化误差分析316

14.3 输出量化噪声317

14.3.1 数字控制器噪声模型317

14.3.2 随机信号通过线性定常离散系统318

14.3.3 不同实现结构的输出方差比较320

14.4 量化非线性效应产生的极限环振荡322

14.4.1 定点数实现数字控制器的零输入极限环322

14.4.2 定点小数补码求和产生的溢出振荡324

14.4.3 量化效应产生的闭环极限环324

14.5 计算机字长的选取325

14.5.1 A/D变换器字长325

14.5.3 系数存贮字长326

14.5.2 运算器字长326

14.5.4 数模转换器字长327

14.5.5 闭环系统的字长选择327

14.6 在有限字长约束下实现数字控制器算法328

14.6.1 二阶模型串联实现328

14.6.2 二阶模型并联实现333

14.7 干扰的滤波334

14.8 计算机时延335

习题336

第十五章 数字控制系统设计举例338

15.1 磁悬浮球数字控制系统338

15.2 恒温箱温控数字控制系统341

15.3 关节倒摆数字控制系统343