数字控制 适用于 单片机 dsp 自动控制 编程 pid编程等高等院校教材数字控制建模与分析、设计与实现(第二版)徐丽娜编著斜学出版社北京内容简介本书共13章。主要内容有:第1章绪言;第2~4章线性数字控制系统的建模与分析;第5~8章数字控制系统设计的两类方法;第9、10、12章数字控制系统的设计与实现;第11章快速采样数字控系统第13章 Matlab应用实例。本书可作为高等工科院校自动控制、工业自动化探测制导与控制技术等专业高年级本科生、相关学科研究生的教材或教学参考书,也可供从事计算机控制系统设计、应用的工程技术人员阅读。图书在版编目(CIP数据数字控制:建模与分析、设计与实现/徐丽娜编著.-2版.一北京:科学出版社,2006(高等院校教材)ISBN7030170822I.数…Ⅱ.徐…Ⅲ.数字控制-教材Ⅳ.TP273中国版本图书馆CP数据核字(2006)第027184号责任鎬辑:马长芳潘继敏/责任校对:宋玲玲責任印制:张克忠!封面设计:陈敬情☆訕出版北京东黄娥根北街16号邮政掮码:100717http://www.sciencep.com新眚中剩厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销1991年9月哈尔滨工业大学出版社第一版2006年6月第二版开本:B5(720×1000)2006年6月第次印刷印张:20印数:1-3000字数:38000定价:35.00元(含光盘(如有印装质量问题,我社负责调换〈环伟〉)前言本书阐述线性定常数字控制系统的建模与分析、设计与实现问题。由于数字控制系统中的数字控制器是用数字计算机实现的,因此,数字控制也称为计算机控制。数字控制系统的基本特征是采样,也是与连续控制系统的主要不同之处。本书主要讨论采样周期为常值的数字控制问题,并从多方面分析了其对数字控制系统性能的影响。本书注重理论与实践相结合,在论述理论的基础上,配以相应的例题,便于读者理解与掌握。书中有些内容是作者多年从事数字控制教学与科研实践的总结本书第一版于1991年9月由哈尔滨工业大学出版社出版。《数字控制——一建模与分析、设计与实现(第二版)》是根据作者十几年的教学体会和科研成果,对第一版进行修改、补充而成的,其中增加了快速数字控制系统的章节,融入了 Matlab的应用。书中所附的光盘是计算机辅助教学系统—数字控制课件,由张广莹副教授编制,在教学中应用获得了很好的效果,此次同本书配套出版,将成为“教”与“学”很好的辅助教材本书第二版的编写得到了哈尔滨工业大学的资助,在此表示感谢。由于作者水平所限,缺点与错误在所难免,欢迎广大读者批评指正作者2006年4月目录前言第1章绪言1.1数字控制系统概述1.2数字控制对计算机(系统)的要求……第2章采样过程与信号重构114772.1引言…………………………中卡·费·兽·中·香唱曹音翻量·鱼非申非着自自22采样过程平香啬督晋曾十晋聿8采样定理會··』■即·曹彰車非■■·事着翻善·画面垂面2.4信号重构……………………………………1325采样周期的选择………………………………19第3章绂性离散系统的数学描述2031引言曾!曹噩登吾量晋翻2032线性常系数差分方程香曹吾量晋看垂士请语看请看;···。·着d。··●··串203.3脉冲响应与卷积和………243.4Z变换3.5脉冲传递函数…D申看·自●。D鲁。鲁。息·鲁普晋曹曹晋晋普普音番备语·3336离散状态空间表达式····日·自日日····费···,自中费着吾翻要是章看看音白面自··非·a37第4章数字控制系统建模与分析4.1引言中市鲁要音普翻d面画量4.2改进Z变换474.3带零阶保持器的连续对象的Z传递函数………………5044数字控制系统闭环Z传递函数.;和··中申电日·自着■·翻申非非574.5连续状态方程的离散化…4.6零极点分布与系统的动态响应654.7稳态误差分析……754.8系统频率响应特性…………………………794.9稳定性分析……………84.10二阶系统分析例·摩曹鲁鲁晋番晋音最中·自…………884.11扰动对系统的影响……………………………∷…….93第5章数字控制系统的连续离散化设计…97引言97数字控制——建模与分析、设计与实现5.2数字滤波器法985.3匹配z变换………1055.4系统设计例………………………………………1085.5数字PID控制………112第6章数字控制系统的离散化设计—Z域法…1226.1引言……………………………………………………………1226.2有限拍控制系统设计1236.3有限拍无振荡控制系统设计…………1276.4根轨迹法1336.5对象具有时延的控制系统设计………………………1366.6直接设计法↓翻丽潘鲁垂鲁品书··吾—·中量鲁鲁有由1396.7复合控制系统设计…………………………1416.8小结第7章数字控制系统的离散化设计—一状态空间法……1467.1引言………………………………………………………1467.2能控性与能观测性467.3状态反馈极点配置调节系统设计………1557.4状态观测器设计……重吾面音看垂薛中;和自·tt1587.5有观测器的状态反馈调节系统…………1647.6有输入的系统设计……………………………·1697.7小结………175第8章最优设计方法——状态空间法17781引言1778.2最优调节系统设计…………1778.3有输入的系统设计8.4最优随机控制…1868.5小结……………………19第9章数字控制系统的硬件结构………………1959.1引言…1959.2微型计算机·,···甲甲··-···中·中鲁·音·",m:·甲·..·自·····非1959.3模拟输入/输出通道…t.自中和·息鲁鲁曹曹费曹要,音·,·鲁自非非非息。咖鲁唱新面而画2009.4开关量输人/输出接口……2079.5实时时钟…會曹會看量量看鲁非即自自非非非着鲁着毛213第10章数字控制器的实现“····非·中···市.·..吾中干··“·++当血曲*曲···申a非非…21710.1引言··自音····。······中·;;品品予肀曹會曾:面曲t如21710.2控制器的运算结构………………217目录v10.3量化误差………………22210.4A/D转换量化分析22610.5运算过程量化分析……………………………………23110.6系数量化分析23610.7溢出与计算时延………………424110.8字长的选择量量量24210.9小结………………………………244第1章快速釆样数字控制系统……………………………24511.1引言…24511.2δ变换·":······→······.··2461.3基于δ变换的系统描述与分析25311.4基于δ变换的系统设计…·鲁鲁車?··會鲁鲁會,曹着曹中會鲁曾曾■翻菲曹曹自着■靡“画番渐b垂25811.5基于δ变换的量化分析…260第12章数字控制系统的设计与实现26412.1实时软件设计的几个问题…26412.2高精度角位置伺服系统…267第13章 Matlab应用实例鲁噜277例M1由Z传递函数,求在典型信号作用下的响应(1)277例M2由Z传递函数,求在典型信号作用下的响应(2)…278例M3由信号的Z变换,求Z反变换280例M4模拟到数字滤波器的转换:脉冲不变法………280例M5模拟到数字滤波器的转换:梯形积分(双线性变换)281例M6PID控制系统分析……………………………282例M7由z传递函数求频率特性285例M8模拟与数字滤波器的频率特性286例M9画根轨迹图290例M10求连续系统的离散化状态方程P萨····卓·喜鲁申昏音鲁鲁普;;晶面晶晶面面bb潘292例M11变分法设计线性二次型调节器(1)292例M12变分法设计线性二次型调节器(2)294思考与练习………····..··哥看音.‘+中台吾·中如世T卡曲曲“本297参考文献305附录拉普拉斯变换和Z变换306第1章绪言数字控制系统( digital control system)是以数字计算机作为数字控制器,实现对连续对象(或过程)的闭环控制,因此也可以称为计算机控制系统本书阐述如下几部分内容:(1)数字控制系统的建模与分析。讨论线性数字控制系统中各环节及闭环控制系统模型的建立,分析控制系统的稳定性、动态与稳态特性、频率特性。建立作用于系统的扰动模型,分析其对控制系统的影响。线性离散时间系统理论是分析数字控制系统的基础。(2)数字控制系统的设计(或称综合)。在已知对象特性(模型)的前提下,设计数字控制器,使控制系统达到要求的动态与稳态性能。本书给出了连续-离散化与离散化两类中的多种设计方法。(3)数字控制系统的实现。硬件配置与实时控制软件设计;由于量化引进误差,即有限字长效应,也就是讨论数值精度问题。(4)高速采样数字控制系统的建模与分析、设计与实现。采样是数字控制的基本特征,也是与连续控制的主要区别。采样周期T是数字控制系统的重要参数,对其性能的影响是多方面的,例如,稳定性、动态特性、数值精度等。因此,在分析、设计、实现数字控制系统时,要特别关注采样周期这一参数及其对控制系统的影响。本书讨论的是采样周期T为常值情况下,线性数字控制系统上述几方面的问题。1.1数字控制系统概述1.1.1数字控制系统的组成与功能数字控制系统由硬件与软件两大部分组成1.硬件部分数字控制系统的硬件由五部分组成,以单输入单输出(SISO单位反馈控制系统为例,见图1-1-1。2数宇控制——建模与分析、设计与实现实时时钟n)AO) er采样开关AD数字控制器D/A保持器对象或过程A()模拟输出通道模拟输入通道图1-1-1单输人单输出单位反馈数字控制系统硬件框图(1)连续被控对象(或过程):工作于连续状态,输入输出是连续量。(2)数字控制器:工作于离散状态,输人输出是数字量,由数字计算机实现。(3)模拟输入通道:由采样开关、A/D转换器两个环节组成,完成由连续量到数字量的转换。(4)模拟输出通道:由D/A转换器、保持器两个环节组成,完成由数字量到连续量的转换。(5)实时时钟:产生脉冲序列,定时控制采样开关的闭合,控制D/A转换器的输出。2.软件部分开始软件流程见图1-1-2,数字控制器(数字机)通过主程序:初始化设置软件实现所设计的控制规律(控制算法),控制软件主要由主程序和控制子程序组成:采样?(1)主程序之功能是进行系统初始化设置(2)控制子程序主要为数据采集、控制算法、控制量的输出和存储三部分,每部分执行程序需要的时控制子程序数据采集间各为数字控制系统的功能:控制算法在数字计算机控制下,每经过一定的时间间隔T采样周期),对连续偏差信号进行采样,由模拟输入控制量的输出和存饼|△通道转换成数字量送入计算机中,计算机(数字控制器)根据这些数字信息按预定的控制规律(数学模型)进行运算后求得控制量输出,由模拟输出通道转换成图1-1-2数字控制系统软件流程连续量去控制对象(或过程),使系统的动态、稳态特性达到预期的指标。