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  • 计算机控制技术(高等学校计算机类创新与应用型规划教材) 计算机控制系统 计算机仿真 硬件 嵌入式
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    • 作者: 傅永峰著
    • 出版社: 清华大学出版社
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    • 作者: 傅永峰著
    • 出版社:清华大学出版社
    • 开本:16开
    • ISBN:9787302530893
    • 版权提供:清华大学出版社

     书名:  计算机控制技术(高等学校计算机类创新与应用型规划教材)
     出版社:  清华大学出版社
     出版日期  2019
     ISBN号:  9787302530893
    本书系统地阐述了计算机控制系统的分析方法、设计方法和工程实现方法。本书共分9章,主要内容包括: 计算机控制系统的组成及其典型形式、计算机控制系统的输入输出接口与过程通道、工业控制计算机的总线技术、计算机控制系统的数学描述及特性分析、计算机控制系统的常用设计技术、计算机控制系统的状态空间分析与设计方法、计算机控制系统的软件设计技术、计算机先进控制技术、三自由度直升机半实物仿真与实时控制。本书内容丰富、体系新颖,注重理论与应用、软件与硬件、设计与实现的有机结合,系统性和实践性强。为了便于教学和自学,本书每章都配有不同类型的习题。
    本书可作为普通高等院校自动化类、电气工程类、电子信息类、仪器仪表类及其他相关专业的本科生教材,也可作为科研和工程技术人员的参考用书。

    2014年8月-2015年8月,美国密歇根州立大学机械工程系(国家公派访问学者)
    2005年10月-2006年9月,德国慕尼黑工业大学自动化与软件技术研究所(国家公派访问学者)
    2005年3月,浙江大学控制系获博士学位;
    1999年1月,浙江工业大学机械系获硕士学位;
    1994年7月,浙江工业大学机械系毕业留校工作;
    1994年9月-2001年8月,浙江工业大学机电工程学院,  教学科研工作;
    2001年9月-现在,浙江工业大学信息学院, 教学科研工作。《显式模型预测控制的理论与应用》(专著),电子工业出版社,2015年5月。
    《汽车软件工程》(译著),电子工业出版社 2007年9月。
    《嵌入式系统软件工程》(译著),电子工业出版社 2008年12月。
    《基于MATLAB的控制系统仿真及应用》(教材),电子工业出版社,2012年9月。
    主持完成国家自然科学基金2项,主持和参与其他课题10多项:
    (1)低复杂度显式模型预测控制研究。2010.1-2012.12,国家自然科学基金项目, 项目负责人。
    (2)基于显式自治PWA模型预测预测控制系统的性能分析,综合及后处理技术研究,2007.1-2007.12  国家

    本书有较好的适用性,适合普通高等院校自动化类、电气工程类、电子信息类、仪器仪表类及其他相关专业的本科生使用,也可作为科研和工程技术人员的参考书。系统阐述了计算机控制系统的分析方法、设计方法和工程实现方法。内容设置合理,结构严谨,体系新颖,知识点阐述完整系统,叙述清晰,讲解详细,便于教学或自学使用。实践性强,注重理论与应用、软件与硬件、设计与实现的有机结合,系统性和实践性强。各章有针对性地编排大量习题,配套资源丰富完整。

    第1章绪论1
    1.1计算机控制系统概述1
    1.1.1自动控制系统1
    1.1.2计算机控制系统2
    1.1.3计算机控制系统的组成3
    1.1.4常用的计算机控制系统控制器及其特点5
    1.2计算机在工业控制中的典型应用6
    1.2.1操作指导控制系统6
    1.2.2直接数字控制系统7
    1.2.3监督计算机控制系统8
    1.2.4集散控制系统9
    1.2.5现场总线控制系统9
    1.3计算机控制系统的发展概况及趋势10
    1.3.1计算机控制系统的发展概况10
    1.3.2计算机控制系统的发展趋势11
    习题112
    第2章输入输出接口与过程通道13
    2.1输入输出通道概述13
    2.2模拟量输入通道14
    2.2.1模拟量输入通道的一般组成14
    2.2.2典型的A/D转换器及其接口技术20
    2.3模拟量输出通道27
    2.3.1模拟量输出通道的结构形式27
    2.3.2D/A转换器与计算机进行接口的
    一般问题282.3.3典型的D/A转换器及其接口技术29
    2.4数字量(开关量)输入通道35
    2.4.1数字量输入通道结构35
    2.4.2数字量输入接口电路36
    2.4.3输入调理电路36
    2.5数字量(开关量)输出通道37
    2.5.1数字量(开关量)输出通道结构37
    2.5.2数字量输出接口38
    2.5.3输出驱动电路38
    2.6计算机控制系统的硬件抗干扰技术39
    2.6.1工业现场的干扰及其对系统的影响40
    2.6.2过程通道抗干扰技术42
    2.6.3长线传输干扰及其抑制方法44
    2.6.4空间干扰的抑制46
    2.6.5主机抗干扰技术47
    2.6.6计算机控制系统的接地与电源保护技术49
    习题253
    第3章工业控制计算机的总线技术57
    3.1总线的分类57
    3.1.1数据总线、地址总线、控制总线和
    电源总线58
    3.1.2内部总线和外部总线58
    3.1.3并行总线和串行总线59
    3.2常用的系统总线简介59
    3.2.1STD总线59
    3.2.2PC系列总线603.3常用的外部总线66
    3.3.1RS232C总线66
    3.3.2RS422和RS485总线66
    3.3.3USB总线67
    3.4总线接口扩展技术69
    3.4.1系统总线接口扩展技术69
    3.4.2外部总线接口扩展技术73
    习题376
    第4章计算机控制系统的数学描述及系统分析77
    4.1计算机控制系统的信号变换理论77
    4.1.1计算机控制系统的信号形式77
    4.1.2信号的采样、量化、恢复及保持78
    4.2计算机控制系统的数学描述80
    4.2.1序列和差分方程80
    4.2.2z变换与z反变换83
    4.2.3计算机控制系统的脉冲传递函数85
    4.3离散控制系统的分析91
    4.3.1S平面和Z平面之间的映射91
    4.3.2线性离散系统的稳定性判据92
    4.3.3离散控制系统的稳态特性分析95
    4.3.4离散控制系统的动态特性分析96
    4.4离散控制系统的频率特性分析99
    4.4.1频率特性定义99
    4.4.2频率特性分析99
    习题4101第5章计算机控制系统的常用设计技术103
    5.1数字PID控制器的设计方法103
    5.1.1模拟PID调节器103
    5.1.2数字PID控制算法106
    5.1.3数字PID控制算法的改进107
    5.1.4数字PID控制器的参数整定112
    5.2数字控制器的直接设计方法116
    5.2.1数字控制器的直接设计步骤117
    5.2.2最少拍数字控制器的设计118
    5.2.3最少拍有纹波控制器的设计123
    5.2.4最少拍无纹波控制器的设计127
    5.3纯滞后控制技术130
    5.3.1史密斯预估控制130
    5.3.2达林算法133
    5.4串级控制技术137
    5.4.1串级控制的结构和原理137
    5.4.2数字串级控制算法138
    5.4.3副回路微分先行串级控制算法139
    5.5前馈反馈控制技术141
    5.5.1前馈控制的结构和原理141
    5.5.2前馈反馈控制结构141
    5.5.3数字前馈反馈控制算法144
    5.6解耦控制技术145
    5.6.1解耦控制原理147
    5.6.2数字解耦控制算法148
    习题5149第6章计算机控制系统的状态空间分析与设计方法151
    6.1线性定常离散系统的状态空间描述151
    6.1.1状态方程与输出方程151
    6.1.2连续系统状态空间数学模型的离散化152
    6.2线性定常离散系统的状态空间分析154
    6.2.1状态方程的z变换求解154
    6.2.2系统的稳定性155
    6.2.3能控性、能达性和能观性155
    6.3采用状态空间的输出反馈设计法157
    6.3.1最少拍无纹波系统的跟踪条件157
    6.3.2输出反馈设计法的设计步骤158
    6.4采用状态空间的极点配置设计法161
    6.4.1按极点配置设计控制规律162
    6.4.2按极点配置设计状态观测器165
    6.4.3按极点配置设计控制器169
    6.4.4跟踪系统设计173
    6.5采用状态空间的最优化设计法175
    6.5.1LQ最优控制器设计176
    6.5.2状态最优估计器设计180
    6.5.3LQG最优控制器设计185
    6.5.4跟踪系统设计185
    习题6186
    第7章计算机控制系统的软件设计技术187
    7.1计算机控制软件概述187
    7.1.1计算机软件基础1877.1.2计算机控制系统软件的组成188
    7.1.3计算机控制系统软件的设计188
    7.1.4计算机控制系统软件的功能189
    7.2计算机控制系统应用程序设计技术190
    7.2.1计算机控制系统应用程序设计原则190
    7.2.2计算机控制系统应用程序的软件工程
    设计方法191
    7.3计算机控制系统中的人机交互技术199
    7.3.1人机交互的概念及其要求199
    7.3.2人机交互的设计技术200
    7.4计算机控制系统的组态软件技术201
    7.4.1组态软件及其特点201
    7.4.2组态软件的功能202
    7.4.3组态软件的组成结构203
    7.4.4组态软件的发展204
    7.4.5几种组态软件产品介绍204
    7.5计算机控制系统的软件抗干扰技术206
    7.5.1指令冗余技术206
    7.5.2软件陷阱技术207
    7.5.3数字滤波技术208
    7.5.4开机自检与故障诊断技术210
    习题7211
    第8章计算机先进控制技术213
    8.1动态矩阵控制213
    8.1.1预测模型213
    8.1.2滚动优化2148.1.3反馈校正215
    8.2模型算法控制218
    8.2.1预测模型218
    8.2.2参考轨迹218
    8.2.3滚动优化219
    8.2.4实例仿真221
    8.3模型预测控制223
    8.3.1模型预测控制的基本原理223
    8.3.2模型预测控制的可行性和稳定性分析227
    8.4显式模型预测控制229
    8.4.1离线计算232
    8.4.2在线计算235
    8.4.3实例仿真236
    8.5基于凸优化的快速模型预测控制237
    8.5.1凸优化工具CVXGEN简介237
    8.5.2CVXGEN求解器的生成237
    8.5.3算法控制性能分析240
    第9章三自由度直升机半实物仿真与实时控制245
    9.1Quanser三自由度直升机的系统结构和数学
    模型245
    9.2三自由度直升机PID控制器设计250
    9.3三自由度直升机PID控制数值仿真251
    9.4三自由度直升机控制半实物仿真与实时控制256
    9.4.1半实物仿真系统256
    9.4.2不含主动干扰系统情况258
    9.4.3含主动干扰系统情况2649.5三自由度直升机半实物仿真PID控制实验结果269
    9.5.1不含主动干扰系统情况269
    9.5.2含主动干扰系统情况272
    9.6三自由度直升机H2/H∞控制器设计276
    9.6.1H2控制器设计及仿真276
    9.6.2H∞控制器设计及仿真283
    9.6.3mixed H2/H∞控制器设计及仿真287
    9.7三自由度直升机H2/H∞控制半实物实验293
    9.7.1三自由度直升机H2/H∞调节控制实验293
    9.7.2三自由度直升机H2/H∞跟踪控制实验307
    参考文献313

    编审委员会
    顾问: 李澎林潘海涵
    主任: 张聚
    副主任: 宋国琴蔡铁峰赵端阳朱新芬
    编委: (按姓氏笔画为序)
    王洁王荃冯志林成杏梅
    刘均刘文程刘勤贤吕圣军
    杜丰杜树旺吴艳何文秀
    应亚萍张建奇陈伟杰郑利君
    宗晓晓赵建锋郝平金海溶
    姚晶晶徐欧官郭伟青曹平
    曹祁傅永峰鲍卫兵潘建电子信息技术和计算机软件等技术的快速发展,深刻地影响着人们的生产、生活、学习和思想观念。当前,以工业4.0、两化深度融合、智能制造和互联网+为代表的新一代产业和技术革命,把信息时代的发展推进到一个对于国家经济和社会发展影响更为深远的新阶段。
    在新的产业和技术革命的背景下,社会对于高校人才的培养模式、教学改革以及高校的转型发展都提出了新的要求。2015年,浙江省启动应用型高校示范学校建设。通过面向应用型高校的转型建设增强学生的就业创业和实践能力,提高学校服务区域经济社会发展和创新驱动发展的能力。通过坚持“面向需求、产教融合、开放办学、共同发展”的高校发展理念,围绕一流的应用型大学建设和一流的应用型人才培养目标,我们做了一系列的探索和实践,取得了明显实效。
    作为应用型高校转型建设的重要举措之一和应用型人才培养的主要载体,本套规划教材着眼于应用型、工程型人才的培养和实践能力的提高,是在应用型高校建设中一系列人才培养工作的探索和实践的总结和提炼。在学校和学院领导的直接指导和关怀下,编委会依据社会对于电子信息和计算机学科人才素质和能力的需求,充分汲取国内外相关教材的优势和特点,组织具有丰富教学与实践经验的双师型高校教师成立编委会,编写了这套教材。
    本套系列教材具有以下几个特点:
    (1) 教材具有创新性。本系列教材内容体现了基本技术和近年来新技术的结合,注重技术方法、仿真例子和实际应用案例的结合。
    (2) 教材注重应用性。避免复杂的理论推导,通俗易懂,便于学习、参考和应用。注重理论和实践的结合,加强应用型知识的讲解。(3) 教材具有示范性。教材中体现的应用型教学理念、知识体系和实施方案,在电子信息类和计算机类人才的培养以及应用型高校相关专业人才的培养中具有广泛的辐射性和示范性。
    (4) 教材具有多样性。本系列教材既包括基本理论和技术方法的课程,也包括相应的实验和技能课程,以及大型综合实践性学科竞赛方面的课程。注重课程之间的交叉和衔接,从不同角度培养学生的应用和实践能力。
    (5) 本套教材的编著者具有丰富的教学和实践经验。他们大多是从事一线教学和指导的、具有丰富经验的双师型高校教师。他们多年的教学心得为本教材的高质量出版提供了有力保障。
    本套系列教材的出版得到了浙江省教育厅相关部门、浙江工业大学教务处和之江学院领导以及清华大学出版社的大力支持和广大骨干教师的积极参与,得到了学校教学改革和重点教材建设项目的资助,在此一并表示衷心的感谢。
    希望本套教材的出版能够在转变教学思想,推动教学改革,更新知识体系,增强学生实践能力,培养应用型人才等方面发挥重要作用,并且为应用型高校的转型建设提供课程支撑。由于电子信息技术和计算机技术的发展日新月异,以及各方面条件的限制,本套教材难免存在不足之处,敬请专家和广大师生批评指正。

    高等学校计算机类创新与应用型规划教材编审委员会
    2016年10月计算机和控制技术的有机结合有力地推动了计算机控制理论和控制技术的飞速发展。计算机控制系统的应用也越来越广泛。计算机控制技术已经成为信息时代推动技术革命的重要动力,越来越显示出其无限的生命力。
    本书系统地阐述了计算机控制系统的分析方法、设计方法和工程实现方法。全书共分9章。第1章是绪论,介绍了计算机控制系统及其组成、计算机在工业控制中的典型应用、计算机控制系统的发展概况及趋势;第2章介绍了计算机控制系统的输入输出接口与过程通道;第3章介绍了工业控制计算机的总线技术;第4章介绍了计算机控制系统的数学描述及系统分析,包括信号变换理论、序列和差分方程、z变换、脉冲传递函数、离散控制系统的稳态特性分析、动态特性分析和频率特性分析等;第5章介绍了计算机控制系统的常用设计技术,包括数字PID控制器设计方法、数字控制器的直接设计方法、纯滞后控制技术、串级控制技术、前馈反馈控制技术、解耦控制技术等;第6章介绍了计算机控制系统的状态空间分析与设计方法,包括线性定常离散系统的状态空间描述、状态空间分析、采用状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计法;第7章介绍了计算机控制系统的软件设计技术;第8章介绍了计算机先进控制技术,包括动态矩阵控制、模型算法控制、模型预测控制、显式模型预测控制、基于凸优化的快速模型预测控制;第9章介绍了三自由度直升机半实物仿真与实时系统。本书注重理论与实际、软件与硬件、设计与实现的有机结合。本书内容丰富、体系新颖。为了便于教学和自学,本书每章都配有习题供选用。
    本书的第1~7章由傅永峰编写,第8、9章由张聚编写,全书由张聚统稿。书中还参考并引用了所列参考文献中的部分内容,在此向有关作者表示衷心的感谢。本书在出版过程中,还得到清华大学出版社张玥编辑的大力支持,在此表示诚挚的感谢。
    由于作者水平有限,书中难免有不妥和疏漏之处,恳请各位专家、同仁和读者批评指正,作者邮箱fuyongfeng@zjut.edu.cn。

    作者
    2019年2月



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