本书系统地阐述计算机控制系统的分析与设计方法及工程应用的一般问题，主要内容包括：计算机控制系统的一般概念与组成原理、计算机控制系统中的信号形式、计算机控制系统的描述方法、计算机控制系统的一般分析方法、计算机控制系统的模拟化设计方法、计算机控制系统的离散化设计方法、计算机控制系统状态空间分析与设计、复杂控制规律设计、分布式计算机控制与现场总线控制系统、数字程序控制系统、计算机控制系统设计与实现等。

前 言
计算机控制系统是随着计算机技术与相关控制理论的发展而不断发展起来的，并已广泛应用于社会生产与日常生活等各领域中。计算机控制已成为控制与自动化系统的主要方式。对计算机控制系统的分析与设计涉及与计算机控制相关的基础理论、分析与设计方法及工程实现技术等各方面的内容。
本书重点针对大学本科自动化专业及其他相关专业对“计算机控制系统”课程的教学要求进行编写。结合本科生的知识背景与教学特点，在教材内容的安排上既注重内容的完整性与系统性，还力求深入浅出、循序渐进、易于理解，同时通过合理安排例题和习题，有效地帮助学生熟练掌握相关的基础知识与基本方法。
本书系统地阐述计算机控制系统的基础理论、常规分析与设计方法以及工程实现技术等相关内容。第1章介绍计算机控制系统的基本概念、基本组成原理、主要类型与发展情况等 前 言
计算机控制系统是随着计算机技术与相关控制理论的发展而不断发展起来的，并已广泛应用于社会生产与日常生活等各领域中。计算机控制已成为控制与自动化系统的主要方式。对计算机控制系统的分析与设计涉及与计算机控制相关的基础理论、分析与设计方法及工程实现技术等各方面的内容。
本书重点针对大学本科自动化专业及其他相关专业对“计算机控制系统”课程的教学要求进行编写。结合本科生的知识背景与教学特点，在教材内容的安排上既注重内容的完整性与系统性，还力求深入浅出、循序渐进、易于理解，同时通过合理安排例题和习题，有效地帮助学生熟练掌握相关的基础知识与基本方法。
本书系统地阐述计算机控制系统的基础理论、常规分析与设计方法以及工程实现技术等相关内容。第1章介绍计算机控制系统的基本概念、基本组成原理、主要类型与发展情况等；第2～3章为计算机控制系统的基础理论，阐述计算机控制系统中的信号变换理论与计算机控制系统的数学描述，包括差分方程描述、z传递函数与离散状态空间描述等；第4章讨论计算机控制系统的经典分析方法，即基于z域的分析方法；第5～6章介绍计算机控制系统的经典设计方法，包括基于连续系统理论的设计与z域直接设计等两大类方法；第7～8章系统地讨论计算机控制系统的状态空间分析方法与设计方法；第9章简要介绍目前在工业控制领域应用较为广泛的分级分布式控制原理及其两种典型应用形式，即集散控制系统与现场总线控制系统；第10章介绍计算机数值控制基本原理与方法；第11章重点介绍计算机控制系统工程设计与实现的一般方法与相关问题。
本书作为本科自动化专业教材，内容全面，系统性强，既注重基本理论的理解与掌握，也强调具体工程实现技术的实践。读者通过本教材的学习，可以较为全面地掌握计算机控制系统的基本理论，并能够对相关的计算机控制系统进行分析、设计与具体实现。在教学学时许可的情况下（如64学时），可讲授教材的全部内容；如学时较少，可重点讲授第1～8章及第11章部分内容，其余为课外自学。对于其他相关专业，如电气工程及自动化、仪器仪表、计算机应用等，可根据各自教学要求，适当选取教材相关章节作为主要教学内容，通常可选择第1～6章及第11章的相关内容。对于具有工业控制或数控技术背景的专业或教学需求，可适当增加第9章或第10章的相关内容。此外，本教材也可作为相关专业工程硕士的教材或参考书。
本书向使用本书作为教材的高校教师提供配套电子课件和部分习题参考答案，请登录华信教育资源网注册下载。
本书第1版自2011年出版以来，在编者所在学校及数十所高校作为“计算机控制系统”课程教材使用，取得了较好的效果，得到了广大师生的较高评价。同时，也有部分热心读者和同学指出了本书存在的一些笔误，或对不妥之处提出了疑问。第2版修订在知识体系及章节安排上总体保持了第1版的框架，主要针对部分章节的内容进行了改写、调整或适当补充，使得内容安排与相关论述上更具条理性与系统性。同时，对部分章节的例题与习题进行了调整与增补，使之与相关知识点更紧密结合，更利于读者理解与巩固相关知识。此外，还针对第1版中出现的一些笔误与不妥之处进行了修订。
本书是在编者所在的电子科技大学计算机控制系统教学团队近20年来教学实践的基础上编写的。本书的主要编写人员多年来在计算机控制系统的教学与实际工程应用方面均积累了一定的实践经验，并力图在教材的编写思想与具体内容方面有所反映。本书由康波与李云霞共同编写。康波具体负责编写了第1、2、7、8、10、11章的全部内容及第4章、第6章的部分内容，并统编全书；李云霞具体负责编写了第3、5、9章的全部内容及第4章、第6章的部分内容。作者所在教研室的有关教师和研究生也参与了本书的例题、习题资料的整理与相关图表的绘制工作。
在本书编写过程中，编者参考了大量与计算机控制理论相关的教材与专著，从中得到不少启发，为本书的编写提供了一定的支撑，编者对这些参考文献的作者表示感谢。特别地，编者还要对指出本书第1版出现的笔误或不妥之处的热心读者表示衷心感谢。同时，在本书的编写过程中还得到了电子工业出版社相关领导与编辑的大力支持，在此一并致以谢意。
由于编者的知识水平与经验有限，书中的错误与不妥之处在所难免，期望得到读者的批评指正。

作 者
2015年2月

康波，1995年研究生毕业到电子科技大学自动化系任教至今，从事自动化及计算机技术等相关科研与教学工作，曾担任控制科学与工程系主任等职，现任移动计算研究中心副主任。主要研究方向包括可穿戴计算、增强现实与可穿戴仿真、复杂系统的建模与优化等。

第1章 绪论 1
1.1 计算机控制系统概述 1
1.1.1 计算机控制系统的一般概念 1
1.1.2 计算机控制系统的主要特点 3
1.2 计算机控制系统的组成 4
1.2.1 计算机控制系统的硬件组成 4
1.2.2 计算机控制系统的软件组成 5
1.3 计算机控制系统的典型应用形式 5
1.3.1 数据采集与操作指导系统 5
1.3.2 直接数字控制系统 6
1.3.3 监督计算机控制系统 6
1.3.4 计算机分级分布式控制系统 7
1.3.5 数据采集与监督控制系统 8
1.3.6 现场总线控制系统 9
1.4 计算机控制系统的发展概况 10 第1章  绪论 1
1.1  计算机控制系统概述 1
1.1.1  计算机控制系统的一般概念 1
1.1.2  计算机控制系统的主要特点 3
1.2  计算机控制系统的组成 4
1.2.1  计算机控制系统的硬件组成 4
1.2.2  计算机控制系统的软件组成 5
1.3  计算机控制系统的典型应用形式 5
1.3.1  数据采集与操作指导系统 5
1.3.2  直接数字控制系统 6
1.3.3  监督计算机控制系统 6
1.3.4  计算机分级分布式控制系统 7
1.3.5  数据采集与监督控制系统 8
1.3.6  现场总线控制系统 9
1.4  计算机控制系统的发展概况 10
1.4.1  计算机控制系统的发展历程 10
1.4.2  计算机控制系统的发展趋势 11
1.5  计算机控制系统的理论与设计问题 12
1.5.1  计算机控制系统的理论问题 12
1.5.2  计算机控制系统的设计问题 13
本章小结 14
习题与思考题 14
第2章  计算机控制系统的信号变换 15
2.1  模/数变换与数/模变换 15
2.1.1  信号类型 15
2.1.2  A/D转换器 16
2.1.3  D/A转换器 17
2.1.4  A/D转换与D/A转换对系统性能
      的影响 18
2.2  采样过程的数学描述及特性分析 18
2.2.1  采样过程的一般描述 18
2.2.2  采样开关的数学描述 19
2.2.3  采样信号的时域描述 20
2.2.4  采样信号的频域描述与频域特性 21
2.2.5  采样定理 22
2.3  信号的恢复与重构 24
2.3.1  信号的理想恢复过程 24
2.3.2  信号的非理想重构过程 26
2.3.3  零阶保持器 26
2.3.4  后置滤波 28
2.4  信号的量化 28
本章小结 29
习题与思考题 30
第3章  计算机控制系统的数学描述 31
3.1  z变换理论 31
3.1.1  z变换的定义 31
3.1.2  z变换的方法 32
3.1.3  z变换的性质和定理 35
3.1.4  z反变换 37
3.1.5  广义z变换 40
3.2   线性定常离散系统的差分方程 42
3.2.1  线性定常离散系统差分方程的
      一般形式 42
3.2.2  线性定常差分方程的求解 42
3.3  z传递函数 43
3.3.1  z传递函数的概念 43
3.3.2  z传递函数与差分方程的关系 44
3.3.3  开环z传递函数 44
3.3.4  闭环z传递函数 47
3.3.5  计算机控制系统的输出响应计算 48
3.4  离散状态空间描述 49
3.4.1  线性定常离散系统的状态空间模型
      的建立 49
3.4.2  连续状态方程的离散化 55
3.4.3  计算机控制系统的闭环状态方程 58
本章小结 59
习题与思考题 59
第4章  计算机控制系统的经典分析方法 62
4.1  计算机控制系统的稳定性分析 62
4.1.1  s平面与z平面的关系 62
4.1.2  线性离散系统的稳定条件 64
4.1.3  线性离散系统稳定性的判断 66
4.1.4  采样周期对计算机控制系统稳定性
      的影响 71
4.2  计算机控制系统稳态误差分析 73
4.2.1  离散系统稳态误差的定义 73
4.2.2  线性定常离散系统稳态误差的
      计算 73
4.2.3  干扰作用下的稳态误差 77
4.2.4  A/D转换器对稳态误差的影响 77
4.2.5  采样周期对稳态误差的影响 78
4.3  计算机控制系统的响应特性分析 79
4.3.1  计算机控制系统的阶跃响应分析 80
4.3.2  系统闭环极点分布与响应特性 82
4.4  z平面根轨迹分析法 84
4.4.1  z平面根轨迹绘制 84
4.4.2  z平面根轨迹分析 86
4.5  计算机控制系统的频率特性分析法 87
4.5.1  线性定常离散系统频率特性绘制
      方法 87
4.5.2  线性定常离散系统频率特性分析
      方法 90
本章小结 92
习题与思考题 92
第5章  基于连续系统理论的数字控制器设计 94
5.1  基于连续系统理论的数字控制器设计
     基本原理 94
5.1.1  连续域离散化设计基本思想 94
5.1.2  等效控制器De(s)的数学描述 94
5.1.3  数字控制器的设计步骤 96
5.2  连续控制器的离散化方法 96
5.2.1  脉冲响应不变法（z变换法） 96
5.2.2  阶跃响应不变法 97
5.2.3  前向差分法 98
5.2.4  后向差分法 100
5.2.5  双线性变换法 102
5.2.6  预修正双线性变换法 105
5.2.7  零极点匹配法 106
5.2.8  各种离散化方法比较 107
5.3  数字控制器设计举例 107
5.4  数字PID控制 110
5.4.1  PID控制的基本形式及数字化 111
5.4.2  数字PID控制算法 113
5.5  数字PID控制改进算法 114
5.5.1  抗积分饱和算法 114
5.5.2  微分算法的改进 115
5.6  数字PID控制参数整定 119
5.6.1  扩充临界比例系数法 119
5.6.2  扩充响应曲线法 120
5.6.3  试凑法 120
5.7  史密斯预测补偿控制 121
5.7.1  史密斯补偿原理 121
5.7.2  纯滞后补偿的数字实现 123
本章小结 124
习题与思考题 125
第6章  数字控制器z域直接设计方法 126
6.1  基于z传递函数设计的基本原理 126
6.1.1  数字控制器D(z)的一般形式 126
6.1.2  对期望闭环传递函数 (z)
      的约束 127
6.1.3  基于z传递函数设计一般步骤 128
6.2  最少拍控制系统设计 129
6.2.1  特殊对象的最少拍控制系统
      设计 129
6.2.2  一般对象的最少拍控制系统
      设计 133
6.3  最少拍无纹波控制系统设计 136
6.4  最少拍控制系统的改进设计 139
6.4.1  惯性因子法 139
6.4.2  非最少的有限拍控制 139
6.5  扰动作用下最少拍控制系统设计 140
6.5.1  针对扰动作用的设计 140
6.5.2  抑制扰动作用的设计 141
6.6  大林算法设计 143
6.6.1  大林算法基本原理 143
6.6.2  大林算法数字控制器的一般形式 144
6.6.3  振铃现象的消除方法 146
6.7  复合控制系统设计 148
6.7.1  反馈控制中的扰动作用 148
6.7.2  复合控制系统基本形式与设计
      步骤 148
6.8  z平面根轨迹设计 151
6.9  数字控制器的频域设计 153
6.9.1  w变换 153
6.9.2  基于w变换的频域设计法 155
本章小结 159
习题与思考题 159
第7章  计算机控制系统的状态空间分析 161
7.1  离散状态方程的解 161
7.1.1  递推法 161
7.1.2  z变换法 163
7.2  z传递函数矩阵与特征方程 164
7.2.1  矩阵的特征值 164
7.2.2  z传递函数矩阵 165
7.2.3  离散系统的特征方程 165
7.3  李亚普洛夫稳定性分析 167
7.3.1  李亚普洛夫意义下的稳定性
      概念 167
7.3.2  李亚普洛夫第二法主要定理 168
7.3.3  线性定常连续系统渐近稳定
      判据 170
7.3.4  离散时间系统李亚普洛夫稳定性
      判据 170
7.4  可控性与可观性 174
7.4.1  可控性 174
7.4.2  输出可控性 177
7.4.3  可观性 178
7.4.4  可控性、可观性与z传递函数的
      关系 181
7.4.5  采样系统可控可观性与采样周期
      的关系 182
7.5  可控标准型与可观标准型 183
7.5.1  z传递函数与可控标准型 183
7.5.2  z传递函数与可观标准型 184
7.5.3  通过线性变换构造可控标准型 184
7.5.4  通过线性变换构造可观标准型 186
本章小结 187
习题与思考题 188
第8章  计算机控制系统的状态空间设计 190
8.1  状态反馈设计 190
8.1.1  状态反馈系统结构及其特性 190
8.1.2  状态反馈与极点配置 192
8.1.3  单输入系统状态反馈极点配置
      设计 193
8.1.4  多输入系统状态反馈极点配置
      设计 196
8.1.5  有限拍控制 197
8.2  输出反馈设计 197
8.2.1  输出反馈的结构形式与特点 198
8.2.2  输出反馈与极点配置 199
8.3  状态观测器设计 200
8.3.1  开环状态观测器 200
8.3.2  闭环状态观测器设计 201
8.3.3  降维观测器设计 206
8.3.4  有限拍观测器 207
8.4  带状态观测器的状态反馈设计 208
8.4.1  带观测器的状态反馈控制系统的
      一般结构 208
8.4.2  带观测器的状态反馈控制系统设计
      的分离性原理 209
8.4.3  带观测器的状态反馈控制系统
      设计原则 210
8.4.4  带观测器的状态反馈控制系统
      的控制器 210
8.4.5  设计举例 212
本章小结 215
习题与思考题 21