资 源 简 介
本书主要讲了控制系统基于计算机的实现问题，需要一定的现代控制理论基础以及计算机方面的知识。内容简介本书是计算机控制领域的经典教材。全书共分13章,系统地阐述了计算机控制的基本原理、设计方法以及实现和应用中遇到的实际问题。书中纳人了多年的教学经验,在讲解基太原理和设计方法时,尽量避免运用髙深的数学理论,更加重视工程概念和在实际问题中的应用。书中安排了许多例题、仿真实验结果和习题,帮助读者理解。本书上要作为大学计算机控制相关专业的教材和教学參考书,也可供工程技术人员参考。Translation copyright o 2000 by Publishing House of Electronics Industry(Computer-Controlled Systems: Theory and design, 3rd edCopyright 9 1997 by Prince Hall, Inc. All rights reservedPablished by arrangement with the original publisher, Prentice Hall Inc, a Simon Schuster Company本书中文简体专有翻译出版权由 Simon& Schuster下属的 Prentice halling.授予电子工业出版社。该专有出版权受法律保护。图书在版编目(CI)数据计算机控制系统:原理与设计:第3版/〔瑞典)奥斯特隆姆( astrom,K.J)著:周兆英等译.北京:电子工业出版社,20014(国外电子信息科学经典教材系列书名原文: Computer-Controlled Systems: Theory and DesignISBN75053-6586-X.计Ⅱ.①奥…②閻…Ⅲl计算机控制系统-教材Ⅳ.TP273中国版本图书馆CIP数据核字(2001)第16698号丛书名:国外电子信息科学经典教材系列原书名: Computer-Controlled Systems: Theory and design,3rded书名:计算机控制系统—原理与设计(第三版〕编著者:|端典」Karl」. Astrom Bjom Wittenmark译者:周兆英林喜荣刘中仁等审校者:李清泉责任编辑:张毅zhangyi@phei.com.cn排版制作:电予工业出版社计算机排版室印刷者:北京四季青印刷厂装订者:河北省涿州桃园装订厂出版发行:电子工业出版社Url:http:/www.phei.com.cn北京市海淀区万寿路173信箱邮编:10036经销:各地新华书店开本;787×10921/6印张:32字数:819千字版次:2001年4月第1版2001年4月第1次印刷书号:1SBN750536586XIP·3648印数:6000册定价:4200元版权贸易合同登记号图字:01-20003014凡购买电子工业出版社的图书,如有缺页、倒页、脱页问题者,请向购买书店调换。若书店售缺,请与本社发行部联系调拽,电话:010-68279077出版说明电子信息科学与技术的发展令人目不暇接,它正以主力军的姿态站在知识经济的最前列,引导着各行各业向着新的技术领域进军,影响着人们的工作和生活方式朝着现代化近进。在电子信息科技领域里,除了计算机这一热门话题外,还有我们大量熟悉的、天天都会接触到的信息,如通信、网络、雷达、广播电视、自动控制、电磁干扰、信息安全,等等。在每个专业领域,新技术、新产品都层不出穷。日新月异的科技发展,强烈地吸引着各方面的专家学者,及切从事专业技术研究、生产、教学、管理、使用、维护的工程技术人员,他们执着地从国内外的技术文献和图书刊物里搜寻自己感兴趣的内容,不断地没取新知识,增进才于、创造业绩。特别是正在从事教育或学习的院校师生,非常需要了解国外电子信息科学教育方面的发展,以使教与学更好地面向四个现代化,面向世界。为了满足读者的要求我们电子工业出版社推出了这套“国外电子信息科学教材系列”从书。这套从书的遴选是严格的,首先是选择了美国的 Prentice haI}版公司等在世界很有影响的高校教材出版商,他们几十年来致力于教育图书的出版,其电子信息科技类教材在美国为众多大学所采用,并拥有不少各专业的资深作者和经典名著,在世界产生了很大的影响。其次,我们把自已策划和准备引进选题的英文原版,请国内一些著名高等院校的学者教授予以评论挑选,有些还先期影印发行,以便广泛征求意见。在此基础上,我们约请在北京地区的清华大学、北京大学、北京邮电大学、北京航空航天大学,上海地区的上:海交通大学、复旦大学,南京地区的南京大学、解放军通信工程学院等名牌院校中在教学科研第一线的教师参加翻译工作。他们中间许多都是博七生导师和各专业的学科带头人,也有年轻的教师和博土:。他们对原稿认真进行翻译加工,对其中一些表述不清甚至出错的地方也作了慎重地推敲或更正。这套丛书能高质量地与读者见面,应该感谢各位译者和审校者的辛勤劳动像任何事情一样,我们这项工作也会有不尽人意的地方。所以,在这套丛书出版之际,特别希望广大读者能给予指正、建议。我们将会陆续引进和出版新书,充实到这套从书中来以飨读者。电子工业出版社译者序由奥斯特隆姆( Astrom,K.J)和威顿马克( Wittenmark,B.)合著的《计算机控制系统原理与设计》,是瑞典隆德(Lund)理工学院的大学生和研究生教材。本书是根据1997年该书的第三版译出的。与前两版相比,第三版的内容和结构都进行了很大的调整,作者改写了一半以上的内容,主要是增加了近年来计算机控制系统在理论和应用方面取得的最新研究成果,删去了过时的内容,但篇幅没有增加,从原来的15章改为13章,使全书更具先进性、逻辑性和实用价值。本书比较系统地阐述了计算机控制的基本理论、设计方法,以及在实现和应用中遇到的许多实际问题。主要介绍了计算机控制的现代理论、设计方法、实现技术,以及分析方法和工具等,其中许多内容是作者多年研究的成果,如代数理论和设计方法、扰动模型理论,以及实现技术等等。作者在撰写本书时纳入了多年的教学经验,在讲解基本理论和设计方法时,都尽量避免使用高深的数学理论,比较重视工程概念、实际问题和工程应用,书中还安排了许多例题、仿真实验结果和习题。所有这些都将有益于读者理解此书的内容。同作者的另外两本著作—〖《随机控制理论导论》和《自适应控制》样,作者对书中每章末的参考文献都作了简要评价,这无疑将有助于引导读者找到进一步阅读的参考资料。总之,本书是颇具特色的经典高校教材。自它问世以后,已受到很多读者和有关专家的好评。在1993年悉尼的IAC( International Federation of automatic control,国际自动控制联合会)世界代表大会上,本书获得了“ IFAC Control Engineering Textbook(FAC控制工程教科书)”奖。奥斯特隆姆教授是国际控制界享有盛名的学者,他在随机控制、系统辨识、计算机控制、自适应控制和控制理论的代数方法等诸多方面都作出了重要的贡献。他长期致力于把控制理论与实际相结合的研究工作,并与他的同事和学生一起解决了理论实现中的一系列实际问题,成功地把现代控制理论用于船舶驾驶、惯性导航以及造纸、化工和矿山等众多工业对象上。应当承认,在理论联系实际方面,他是当今世界知名的控制理论学者中的佼佼者。由于他在自动控制方面的杰出卖献,ASMB( American Society of Mechanical Engineers,美国机械工程师学会)和IFAC分别在1985和1987年授予他 Rufus Oldenburger和 Giorgio quazza奖章鉴于上述原因,特将此书第三版译成中文,供高等院校有关专业的师生、工程技术人员和对计算机控制有兴趣的读者参考。本书前言、目录、第1~3章、第7章、例题、矩阵,以及索引由林喜荣和林缅翻译,第4、6、8、10章由刘巾仁翻译,第9、l1、12、13章由周兆英和熊沈蜀翻译,第5章由潘敏翻译,最后由李清泉教授对全书进行了审校限于译者水平,译文中定有许多不妥之处,敬请读者批评指正IM前言微电子技术的突破性进展使得现今设计的控制系统几乎都建立在微处理器和高级微控制器的基础之上。采用计算机控制系统,不但能获得新的功能,而且还能得到高于模拟系统的性能。新的软件I具也极大地改善了分析和设计控制系统时的程效率。本书的目的本书提供为有效地分析和设计计算机控制系统所需的必要的洞察力、知识和理解力。新的版本本书为第三版,主要是基于技术水平的发展,和从教育界、学术界和工业界所取得的经验而对前几版进行修订。内容有了较大调整,一半以上经过了重新编写。计算机控制系统理论及应用上的进步,以及想加强设计方面的内容的愿望促成了本修订版。本修订版中已经编入了许多新的结果。纤过认真地修剪和重新改写,现在已能把新的内容包括进来而又无需扩大本书的篇幅。而且经初稿的教学实践表明,这种改变是有利的。我们很高兴地告诉大家,通过本书的学习,学生们在初级阶段就能够真正从事一些设计任务,并有可能更加深入地完成设计和实现第三版的另一个主要变化在于大量地使用了计算工具MAAB和 SIMULINI,并从根本上修改了教学方法。所有主要的结果都直接采用计算具来表述,这样使得容易处理复杂问题而且有可能解决本课程的许多实际设计问题。在使用计算工具的同时,我们也强调原理和概念的重要性,书中最关键的结果也用笔算和书面计算的方法表示出,以便帮助学生理解计算L具的工作。本书简介背景材料第1章介绍计算机控制系统的概况,目的在于对计算机、控制系统和关理论的发展给出一个历史的透视。某些关键理论和计算机控制系统的特性也结合了大量的示例来一起介绍离散时间系统的分析和设计如果单纯考虑系统在采样时刻的特性,则叫能把分析和设计问题大大地简化,我们称之为面向计算机,即通过观察计算机中的数据行为来获得对系统的认识。之所以可以这样简化,是因为系统能用常系数线性差分方程来描述。在第2、3、45章中都釆用这一方法。第2章描述了如何对连续时间系统采样来获得离散时间系统,给出状态空间模型和的入-输出模型」这些模型的基本性质也和数学工具(如z变换等)一起给出。第3章中介绍了分析L具第4章介绍了状态反馈和观测器中的传统问题,但它的内容比同类教科书止常涵盖的范围要宽广和深入得多,特别是该章介绍了如何处理负载扰动、前馈和指令信号流的问题。与此同时,这些特点使控制器获得一种在应用中屡见不鲜的结构。一个教学上的好处,就是使掌握了这些工具的学生纤过很短时间学习后就能处理实际设计问题。第5章从输入输出的观点来处理第4章中的问题,即提出了一个有关设计问题的更新的视角,所有在第4章中讨论过的内容在第5章中也都被提出来。这样提供一个很好方式来保证透彻理解状奁空间法和多项式法之间的相似性与差异性。多项式法还能处理关于建模误差和鲁棒性( robustness间题,这些问题采用状态空间法不易解决在接触了一些特殊的设计方法之后,在第6章屮我们又介绍了许多通用的控制系统设计方法,其中包括大系统的结构及自底向上和自顶向下的技术拓宽视野虽然计算机控制系统中的许多问题都能采用面向计算机的方法来解决,但当需要详细研究采样点问的系统特性时,仍存在某些问题。如果计算机控制系统是通过过程中出现的模拟信号来考察的话,这些问题就会自然产生,我们称之为面向过程的观察。这常常导致线性系统带有周期性系数,并引起假频那样的现象。除非采取专门的预防措施,否则会导致不希望的效果。在考察计算机控制系统时,了解这类问题和抗假频滤波器的设计是非常重要的。解决办法将在第7章中介绍在更新已有的控制设备时,有时控制器的模拟设计已成事实。在这种情况下,将模拟设计直接转换成数字控制设计的方法是能有效节约成本的,具体方法将在第8章介绍。实现仅仅知道分析和设计的方法是不够的,作为一名控制工程师也应该同时熟悉实现的问题。这些在第9章中介绍,其中包括前置滤波、计算延迟、数值、编程及运算等方面的问题。在此基础上,读者对于设计中从概念到计算机实现的各个步骤均有很好的理解高级设计方法为更加有效地设计控制系统,有必要更好地表征干扰问题。第10章讨论了这个问题,有了干扰描述后才可能实现最优性能设计。采用状态空间法(第11章)和多项式技术(第12章)能够做到这点。迄今为止,我们假设过程和干扰的模型均为已知,在第13章中阐述了获得这些模型的实验方法。前提本书适用于工程专业的本科最后一年或研究生第一年的学习课程。并假设读者已经具备了白动控制的入门知识。本书对于工业界也是有益的。课程安排本书可以按不同的方式选用。第1、2、3、4、5章和第9章可以作为计算机控制系统的入门课程。更高级的课程则要用到本书的全部内容。对于工业界来说,可以安排学习第1章的全部和第2、3、4、5章的部分内容,以及第6、7、8章及第9章。为了从课程中尽可能的多受益,听一些有解题训练的补充讲座,进行仿真练习,在实验室做些实验都是很重要的计算工具在实施计算机控制系统时,用于分析、设计和仿真的计算机工具是不可缺少的。本书中介绍的分析和设计的方法都可以很方便地通过 MATLAB来完成。许多练习也都涵盖这方面内·VI·容。系统的仿真同样可用 Simon或 SIMULINK.来实现。这里有30幅图来说明应用 MATLAB进行分析和设计时遇到的各种问题,还有73幅图是采用 SIMULINK做仿真时得到的。其中宏指令及m文件可从匿名的FP站点 ttp controlIthse下的 pub/books/ccs录中下载到。其他的工具诸如 Simon和 Math等工具可以使用补充说明完整的解法可以从采用本书的教师的出版物中得到,仿真宏指令、幻灯片及试题例都可以通过访问网如htp:/www.controltmse找出,参见Education/Computer-ControlledSystems希望反馈作为自动控制领域的教师和研究人员,都知道信息反馈的重要性。因此。我们鼓励所有的读者都能够给我们写信,指出在本书中存在的错误、潜在的不足、改正的建议,以及内容中尚待挖掘的有用之处。致谢这几年,我们从事了许多有关计算机控制系统的研究并编写了本书,我们很高兴有幸与世界各国的学术界和工业界的同行们进行交流。我们自觉或不自觉地搜集了称之为计算机控制基础知识的素材,对于每一个贡献过思想、建议、概念和例证的人土,虽然不可能一一提到,但对他们每一位仍表达我们最诚挚的谢意。同时对于长时间支持我们硏究工作的瑞典工业技术发展委员会( NUTEK)和瑞典工程科学研究会〈TFR)也表示感谢最后,我们想要感谢许多帮助编写本书的人。感谢我们的 Leif Andersson先生。他是我们的文字排版专家( TEXpert),他和 Eva Dagnegard先生一起为解决文字排版(TX)方面的许多问题做出了不可估量的贡献。而且 Eva Dagnegard和 Agneta Tuszynski在各版手稿打印方面做了出色的工作。本书中大部分的图示都是由 Britt-Marie martensson完成的。没有他们的耐心和对我们想法的理解,也就不会有本书的出版。在此,还要感谢 Prentice Hal:版社的员工为本书的出版所做的贡献。KARL L. ASIROMBJORN WITTENMARKDepartment of Automatic ControlLund Institute of TechnologyBox 118, S-221 00 Lund. Swedenkarl_johan astrom @control lth.sebjorn wittenmark@control Ith seⅤIL目录第1章计算机控制1.1引言…············…(1)1.2计算机技术垂中·q●·。·●··曹·。··辛。自2)1.3计算机控制理论1.4固有釆样系统……(18)1.5怎样发展理论……………(20)1.6注释和参考文献……………………(23)第2章离散时间系统…………………………………(25)2.1引言··q·…………………(25)2.2连续时间信号的采样……………………(25)2.3连续时间状态空间系统的采样………………(26)24离散时间系统2.5状态空间模型的坐标系变换·。···鲁申●着音普鲁鲁身身着·春希自着·b影·。4鲁.垂·p音命·4·香··。b·●要2.6输入一输出模型(40)2.7z变换(47)28极点和零点兽·甲普(53)29采样速率的选择………(58)2.10习题(60)2.11注释和参考文献曾甲甲甲·号曾……(67)第3章离散时间系统的分析……………(69)3.1引言………(69)3.2稳定性………………(69)3.3灵敏度和鲁棒性·由甲··自甲+→→··“··(80)3.4能控性、能达性、能观测性和能检测性…(83)3.5简单反馈回路分析(913.6习题3.7注释和参考文献……………(105)第4章极点配置设计:状态空间方法···‘…(106)4.1引言……………(106)4.2控制系统设计………………………………………………………(106)4.3采用状态反馈的调节(108)4.4观测器(19)4.5输出反馈…………··非·自·自·鲁.命b自。··.●·●。。p面命●··q··普D非·●…(125)4.6伺服问题··中·导香鲁兽·鲁鲁·鲁自…………(131)4.7设计举例(138)Ⅸ4.8结论(141)4.9习题●●d鲁…………(141)4.10注释和参考文献…D由d看鲁垂4p第5章极点配置设计:多项式方法……………(145)5.1引言…………(145)5.2简单的设计问题·;·4······.·····4·4:····;····“·中······“···…………(145)5.3丢番图方程(149)5.4更实际的假设………………(154)5.5相对于建模误差的灵敏度………………………(l62)5.6设计步骤……·····;·······.····………………………………………(164)5.7双重积分器的控制器的设计(172)5.8谐波振荡器的控制器的设计……………申中告。●。西命中◆自面击(179)59柔性机器人臂的控制器的设计…(1845.10与其它设计方法的关系(188)5.11结论………………………………………………………………(195)5.12习题…(195)5.13注释和参考文献第6章设计概述6.1引言q··4最···非●·音……(199)6.2运行问题…(200)6.3构造原理…(202)6.4自顶向下的方法··自鲁非·即非非t自非自非鲁…………(203)6.5自底向上的方法……(26)6.6简单回路的设计………………………………………………………(209)6.7结论…………………………(2I1)6.8习题…(212)6.9注释和参考文献………………卓P●鲁P非。曹鲁·曹……………(212)第7章面向过程的模型…申4····音····4·:··b;··………………(213)7.1引言……(213)7.2计算机控制系统………………………………………………(213)7.3采样和信号重构………(214)7.4假频现象或频率混叠……(219)7.5具有预期一阶保持的控制器的设计中号鲁·pP·香鲁(225)7.6调制模型……·············;·:·;·………………(231)7.7频率响应…(236)78脉冲传递函数表示法……………………………(245)7.9多速率采样…(252)7.10习题……2557.l注释和参考文献…第8章近似连续时间控制器…(258)
