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第1章 连续控制系统——回顾1

1.1 连续时间模型1

1.1.1 时域1

1.1.2 频域2

1.1.3 稳定性3

1.1.4 时间响应5

1.1.5 频率响应6

1.1.6 二阶系统7

1.1.7 时延系统10

1.1.8 非最小相位系统11

1.2 闭环系统12

1.2.1 级联系统12

1.2.2 闭环系统的传递函数12

1.2.3 稳态误差13

1.2.4 扰动抑制14

1.2.5 闭环系统的频域分析——奈奎斯特图和稳定性判据15

1.3 PI控制器和PID控制器17

1.3.1 PI控制器17

1.3.2 PID控制器17

1.4 本章小结18

参考文献18

第2章 计算机控制系统19

2.1 计算机控制简介19

2.2 离散化和采样系统概述21

2.2.1 离散化和采样频率的选择21

2.2.2 控制系统采样频率的选择23

2.3 离散时间模型25

2.3.1 时域模型25

2.3.2 频域模型29

2.3.3 线性离散时间模型的一般形式31

2.3.4 离散时间系统的稳定性33

2.3.5 稳态增益34

2.3.6 带有保持器的采样系统模型35

2.3.7 一阶时延系统分析36

2.3.8 二阶系统分析39

2.4 闭环离散时间系统41

2.4.1 闭环系统传递函数41

2.4.2 稳态误差42

2.4.3 扰动抑制42

2.5 数字控制器设计的基本原则43

2.5.1 数字控制器的结构43

2.5.2 数字控制器的规范结构45

2.5.3 使用PI数字控制器的控制系统48

2.6 闭环采样系统的频域分析49

2.6.1 闭环系统稳定性49

2.6.2 闭环系统的鲁棒性51

2.7 本章小结60

参考文献62

第3章 鲁棒数字控制器设计方法64

3.1 引言64

3.2 PID数字控制器65

3.2.1 第1型数字PID控制器结构66

3.2.2 第1型数字PID控制器的设计67

3.2.3 第1型数字PID控制器示例71

3.2.4 第2型数字PID控制器75

3.2.5 辅助极点的作用77

3.2.6 数字PID控制器——结论79

3.3 极点配置79

3.3.1 结构79

3.3.2 选择闭环极点P（q-1）80

3.3.3 调节控制81

3.3.4 跟踪控制84

3.3.5 极点配置示例87

3.4 独立目标的跟踪与调节88

3.4.1 结构90

3.4.2 调节控制90

3.4.3 跟踪控制92

3.4.4 独立目标的跟踪与调节示例93

3.5 内模控制——跟踪与调节96

3.5.1 调节控制97

3.5.2 跟踪控制98

3.5.3 内模控制的一种解释98

3.5.4 灵敏度函数99

3.5.5 部分内模控制——跟踪与调节100

3.5.6 对象模型具有稳定零点时的内模控制100

3.5.7 时延系统的控制示例101

3.6 基于灵敏度函数塑形的极点配置105

3.6.1 输出灵敏度函数的性质106

3.6.2 输入灵敏度函数的性质113

3.6.3 灵敏度函数模板的定义114

3.6.4 灵敏度函数的塑形116

3.6.5 灵敏度函数的塑形示例1118

3.6.6 灵敏度函数的塑形示例2120

3.7 本章小结122

参考文献123

第4章 随机扰动下数字控制器的设计125

4.1 随机扰动的模型125

4.1.1 扰动的描述125

4.1.2 随机扰动模型128

4.1.3 ARMAX模型131

4.1.4 最优预测132

4.2 最小方差跟踪与调节134

4.2.1 示例135

4.2.2 一般情况137

4.2.3 最小方差跟踪和调节示例140

4.3 不稳定零点的情况142

4.3.1 控制器的设计142

4.3.2 示例143

4.4 广义最小方差跟踪和调节144

4.5 本章小结145

参考文献146

第5章 系统辨识——基础148

5.1 系统模型的辨识原则148

5.2 参数估计算法152

5.2.1 简介152

5.2.2 梯度算法154

5.2.3 最小二乘算法158

5.2.4 自适应增益的选择163

5.3 选择系统辨识的输入序列166

5.3.1 问题描述166

5.3.2 伪随机二进制序列169

5.4 随机扰动对于参数估计的影响172

5.5 递归辨识方法的结构174

5.6 本章小结180

参考文献181

第6章 系统辨识方法183

6.1 基于白化预测误差的辨识方法——类型Ⅰ183

6.1.1 递归最小二乘法183

6.1.2 增广最小二乘法183

6.1.3 递归极大似然法185

6.1.4 基于增广预测模型的输出误差法187

6.1.5 广义最小二乘法188

6.2 验证类型Ⅰ方法辨识得到的模型189

6.3 基于观测向量和预测误差的不相关性的辨识方法——类型Ⅱ191

6.3.1 基于辅助模型的辅助变量法192

6.3.2 基于固定补偿器的输出误差法193

6.3.3 基于（自适应）滤波观测的输出误差法195

6.4 验证类型Ⅱ方法辨识得到的模型196

6.5 模型复杂度估计198

6.5.1 模型复杂度估计示例198

6.5.2 理想情况200

6.5.3 有噪声情况201

6.5.4 复杂度估计指标203

6.6 本章小结204

参考文献205

第7章 系统辨识的实践问题207

7.1 输入／输出数据采集207

7.1.1 采集协议207

7.1.2 抗混叠滤波209

7.1.3 过采样209

7.2 信号调整210

7.2.1 消除直流分量210

7.2.2 辨识包含纯积分环节的对象211

7.2.3 辨识包含纯微分环节的对象211

7.2.4 输入和输出的缩放211

7.3 选择或估计模型的复杂度211

7.4 仿真模型的辨识示例215

7.5 辨识实例221

7.5.1 热风机221

7.5.2 蒸馏塔225

7.5.3 直流电机230

7.5.4 挠性传动234

7.6 本章小结238

参考文献238

第8章 数字控制的实践问题239

8.1 数字控制器的实现239

8.1.1 选择期望性能239

8.1.2 计算时延的影响241

8.1.3 数-模转换的影响241

8.1.4 饱和的影响——抗积分饱和装置242

8.1.5 开环到闭环的无扰切换245

8.1.6 数字级联控制246

8.1.7 控制器的硬件实现247

8.1.8 控制回路的性能度量248

8.1.9 自适应控制250

8.2 热风机的数字控制252

8.3 直流电机的速度控制258

8.4 直流电机转轴的位置级联控制261

8.5 挠性传动的位置控制268

8.6 360°柔性机械臂的控制274

8.7 热浸镀锌过程中的锌堆积控制279

8.7.1 过程描述279

8.7.2 过程模型280

8.7.3 模型辨识281

8.7.4 控制器设计282

8.7.5 开环自适应284

8.7.6 结果284

8.8 本章小结286

参考文献286

第9章 闭环辨识288

9.1 简介288

9.2 闭环输出误差辨识法289

9.2.1 原理289

9.2.2 CLOE、F-CLOE和AF-CLOE方法291

9.2.3 扩展闭环输出误差293

9.2.4 闭环辨识含有积分环节的系统294

9.2.5 闭环中的模型验证295

9.3 闭环辨识中的其他方法297

9.4 闭环辨识仿真示例298

9.5 闭环辨识和控制器再设计301

9.6 本章小结305

参考文献306

第10章 降低控制器的复杂度307

10.1 简介307

10.2 通过闭环辨识估计降阶控制器310

10.2.1 闭环输入匹配310

10.2.2 闭环输出匹配312

10.2.3 考虑标称控制器的固定部件313

10.2.4 多项式T（q-1）的再设计313

10.3 降阶控制器的验证314

10.3.1 采用仿真数据314

10.3.2 采用真实数据314

10.4 实际应用315

10.5 挠性传动的控制——降低控制器复杂度315

10.6 本章小结319

参考文献320

附录A 信号与概率论几个结论的概要回顾321

A.1 几种基本信号321

A.2 z变换322

A.3 高斯钟323

附录B RST数字控制器的时域设计325

B.1 引言325

B.2 离散时间系统的预测器326

B.3 单步前向模型预测控制329

B.4 时延控制系统的一种阐述331

B.5 远程模型预测控制333

参考文献336

附录C 状态空间的RST控制器设计方法338

C.1 状态空间设计338

C.2 线性二次型控制343

参考文献344

附录D 广义稳定裕度和两个传递函数之间的标准化距离345

D.1 广义稳定裕度345

D.2 两个传递函数之间的标准化距离346

D.3 鲁棒稳定条件347

参考文献347

附录E Youla-Kucera控制器参数化349

参考文献351

附录F 自适应增益的更新——U-D分解352

参考文献353

附录G 实验环节354

G.1 采样数据系统354

G.2 数字PID控制器355

G.3 系统辨识355

G.4 数字控制357

G.5 闭环辨识358

G.6 控制器降阶358

附录H函数列表——MATLAB、Scilab和C＋＋359