本书着重介绍了计算机控制系统中控制器设计的理论与方法，涵盖了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论的核心内容，侧重从方法论的角度介绍了基于精确模型和基于非精确模型两类系统的控制器设计方法。
全书共分11章。在对计算机控制系统进行了概述和建模与性能指标分析的基础上，介绍了基于精确模型的控制器设计方法，包括经典控制器的设计方法、复杂系统控制器的设计方法、基于极点配置方法的控制器设计和基于最优化方法的控制器设计；然后介绍了基于非精确模型的控制器设计方法，包括基于模型辨识策略的控制器设计方法、基于参数修正策略的控制器设计方法、基于结构稳定策略的控制器设计方法；最后介绍了控制器设计的实例和控制器的实现技术，包括网络控制系统控制器的设计方法和数字控制器的工程化设计与实现的关键技术。
本书在介绍这些内容时，注意与计算机控制系统基础理论的衔接和过渡，并在此基础上进行理论上的提升和内容的拓展，以便于学生对计算机控制系统的理论和设计有更全面的理解和掌握。
本书可作为控制理论与控制工程及其相关专业各类研究生的教材或参考书，也可供有关教师、科研人员以及工程技术人员学习参考。

计算机控制
理论与设计
关守平　尤富强　徐林　谭树彬　编著　 刘建昌　主审
本书着重从计算机控制系统中数字控制器的设计与实现方面，深入、细致地阐述了计算机控制的理论与方法，从方法论这一独特视角，全面介绍了基于精确模型和基于非精确模型两类系统的数字控制器设计方法，突出计算机控制理论的新技术和新特点，帮助读者在较短时间内领会计算机控制理论的深度与广度，掌握计算机控制的精髓，并能够实际应用。

本书特点
结构严谨，概念清晰。将先进的控制理论引入教材中，使读者对控制理论的内在联系和发展有一个清楚的认识，有利于培养读者的研究能力；同时，通过严谨的数学证明和清晰的物理解释，论述同类书中存在的诸多模糊问题。
基础与应用并重。不仅对数字控制器设计的基本概念和基本理论进行清晰、全面的阐述，而且关注应用，针对数字控制器工程实现中的诸多关键问题进行详细论述，并给出了解决方案，帮助读者解决应用中的实际问题。
内容安排循序渐进。在参考国内外大量计算机控制系统教材的基础上，充分考虑学生的基础，按照提出问题—分析问题—解决问题的思路展开教材内容，以便于学生对计算机控制系统的理论和设计有一个更全面的理解和掌握。
读者对象广泛。从方法论角度归纳了控制器设计方法，并详细阐述了不同设计方法之间的内在联系，内容上前后呼应，不仅适合作为计算机控制相关课程的教材，同时对于从事控制的科研工作者和工程技术人员具有极好的启发与指导作用。

计算机控制理论是控制学科最重要的专业课程之一，是控制理论与计算机技术以及通信技术相结合的产物。随着控制理论、计算机技术和通信技术的发展，产生了许多新理论与新技术，作者认为有必要将这些最新的研究成果编入计算机控制理论的教材中，供广大学生和研究人员参考。因此，作者在多年从事计算机控制理论与设计教学经验的基础上，参考了国内外经典的计算机控制系统方面的教材，结合近年来的研究成果，编著了此书。
　　本书共分11章，其中第1章～第6章为课程教学的基础内容，按60学时设计；第7章～第10章为课程教学的扩展内容，按36学时设计；第11章为课程教学的设计内容，按14学时设计。第1章介绍了计算机控制系统的概念、基本理论和发展历程；第2章介绍了计算机控制系统的模型表达与性能指标；第3章介绍了基于经典控制理论的常规控制器的设计方法，包括模拟化设计方法和直接数字化设计方法；第4章介绍了几种常用的复合控制系统控制器的设计方法，包括串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制和多变量解耦控制；第5章介绍了基于极点配置方法的控制器设计，包括极点配置方法的设计原理，针对状态空间模型和针对传递函数模型的极点配置控制器的设计方法；第6章介绍了基于最优化方法的控制器设计，包括最优化方法的设计原理，针对状态空间模型和针对传递函数模型的最优化控制器的设计方法；第7章介绍了基于模型辨识策略的控制器设计，包括模型辨识策略控制器设计的原理、自适应控制、神经网络控制等；第8章介绍了基于参数修正策略的控制器设计，包括参数修正策略控制器设计的原理、预测控制、模糊控制、滑模变结构控制等；第9章介绍了基于结构与稳定策略的控制器设计，包括结构与稳定策略控制器设计原理、内模控制、鲁棒控制等；第10章作为一个理论应用的实例，介绍了新兴的网络控制系统的建模与控制器设计方法，建立了网络控制系统的状态空间模型，并基于极点配置方法设计了网络控制系统的控制器；第11章介绍了计算机控制系统中数字控制器的工程化设计与实现的关键技术。
　　本书作为研究生教材，注意与本科生阶段计算机控制系统知识的衔接和过渡，并在此基础上进行理论的提升和内容的拓展；按照模型—指标—控制器设计—设计方法应用—控制器实现的顺序安排章节和内容，侧重从方法论的角度介绍基于精确模型和基于非精确模型两类系统控制器设计的理论和方法；同时，按照提出问题—分析问题—解决问题的思路展开教材内容，以便于研究生对计算机控制系统的理论和设计有一个更全面的理解和掌握，培养研究生从事理论和应用研究的科研能力。
　　本书第1、2、3、5、6、10章由关守平编写；第4章和第7章由徐林编写；第8章和第9章由尤富强编写；第11章由谭树彬编写。全书由关守平统稿，刘建昌教授主审。本书在编写过程中参考了有关文献内容，这些文献均列入本书的参考文献中，在此对文献作者表示诚挚的谢意。
　　由于作者水平有限，书中难免有不妥和错误之处，诚请读者批评指正。

作者
2012年7月于东北大学

自动化

本书着重从计算机控制系统中数字控制器的设计与实现方面，深入、细致地阐述了计算机控制的理论与方法，从方法论这一独特视角，全面介绍了基于精确模型和基于非精确模型两类系统的数字控制器设计方法，突出计算机控制理论的新技术和新特点，帮助读者在较短时间内领会计算机控制理论的深度与广度，掌握计算机控制的精髓，并能够实际设计与应用。
本书特点：
结构严谨，概念清晰。将先进的控制理论引入教材中，使读者对控制理论的内在联系和发展有一个清楚的认识，有利于培养读者的研究能力；同时，通过严谨的数学证明和清晰的物理解释，论述同类书中存在的诸多模糊问题。
基础与应用并重。不仅对数字控制器设计的基本概念和基本理论进行清晰、全面的阐述，而且关注应用，针对数字控制器工程实现中的诸多关键问题进行详细论述，并给出了解决方案，帮助读者解决应用中的实际问题。
内容安排循序渐进。在参考国内外大量计算机控制系统教材的基础上，充分考虑本科生阶段的基础，并在此基础上进行理论的提升和内容的拓展，按照提出问题—分析问题—解决问题的思路展开教材内容，以便于研究生对计算机控制系统的理论和设计有一个更全面的理解和掌握，培养研究生从事理论和应用研究的科研能力。
读者对象广泛。本书虽然主要面向硕士研究生教学编写，但是对于从事控制的科研工作者和工程技术人员同样有所帮助。特别是书中从方法论角度对控制器设计方法的归纳、内容上的前后呼应，以及不同设计方法之间内在联系的阐述，对于从事控制的读者具有极好的启发与指导作用。

前言
教学建议
第1章　绪论1
　1.1　计算机控制系统的基本概念1
　1.2　计算机控制系统的组成2
　1.3　计算机控制系统的发展3
　1.4　计算机控制理论与设计的基本内容6
　1.5　计算机控制系统的分类7
第2章　计算机控制系统的数学模型与性能指标9
　2.1　传递函数模型9
　　2.1.1　由差分方程求z传递函数模型9
　　2.1.2　由连续对象模型求z传递函数模型10
　　2.1.3　由单位脉冲响应序列求z传递函数模型12
　2.2　状态空间模型13
　　2.2.1　不带延时的连续被控对象模型的离散化13
　　2.2.2　包含延时的连续被控对象模型的离散化14
　　2.2.3　矩阵指数及其积分的计算17
　2.3　稳定性分析18
　　2.3.1　离散系统稳定性与计算机控制系统稳定性问题18
　　2.3.2　计算机控制系统的稳定性分析20
　　2.3.3　基于传递函数模型的稳定性判据22
　　2.3.4　基于状态空间模型的稳定性判据25
　2.4　性能指标描述29
　　2.4.1　稳态指标29
　　2.4.2　动态指标33
　　2.4.3　抗干扰性能34
第3章　经典控制器设计方法35
　3.1　模拟化设计方法35
　　3.1.1　连续控制器的离散化方法35
　　3.1.2　数字PID控制器设计41
　3.2　离散化设计方法42
　　3.2.1　根轨迹设计法42
　　3.2.2　频率响应设计法47
　　3.2.3　解析设计法54
　3.3　最小拍控制设计法60
　　3.3.1　最小拍有纹波控制系统设计61
　　3.3.2　最小拍无纹波控制系统设计64
第4章　复合系统控制器设计方法68
　4.1　串级控制68
　　4.1.1　串级控制的基本概念68
　　4.1.2　串级控制主副控制器的设计70
　4.2　前馈控制71
　　4.2.1　前馈控制的工作原理71
　　4.2.2　前馈控制的类型72
　　4.2.3　前馈控制的使用原则75
　4.3　纯滞后补偿控制75
　　4.3.1　史密斯预估控制76
　　4.3.2　大林算法77
　4.4　多变量解耦控制82
　　4.4.1　解耦控制原理82
　　4.4.2　多变量解耦控制的综合方法84
第5章　基于极点配置方法的控制器设计86
　5.1　极点配置设计方法的原理86
　　5.1.1　性能指标与闭环系统零极点之间的关系86
　　5.1.2　极点配置设计方法的原理与相关概念88
　5.2　极点配置状态反馈控制器的设计89
　　5.2.1　状态可测时按极点配置设计控制律89
　　5.2.2　按极点配置设计状态观测器97
　　5.2.3　状态不可测时控制器的设计104
　5.3　极点配置复合控制器的设计111
　　5.3.1　复合控制器的设计分析111
　　5.3.2　丢番图方程115
　　5.3.3　一般形式的复合控制器的设计118
第6章　基于最优化方法的控制器设计126
　6.1　最优控制设计方法的原理126
　　6.1.1　最优控制的基本概念126
　　6.1.2　线性二次型最优控制问题127
　6.2　最优化状态反馈控制器的设计128
　　6.2.1　确定性系统LQ控制器的设计128
　　6.2.2　状态最优估计器的设计137
　　6.2.3　随机系统LQG控制器的设计142
　6.3　最小方差控制器的设计146
　　6.3.1　随机干扰模型及性能指标146
　　6.3.2　最小方差控制器的设计150
　　6.3.3　广义最小方差控制器的设计161
第7章　基于模型辨识策略的控制器设计165
　7.1　引言165
　7.2　自适应控制166
　　7.2.1　概述166
　　7.2.2　系统辨识的最小二乘法168
　　7.2.3　模型参考自适应控制173
　　7.2.4　自校正控制176
　7.3　神经网络控制179
　　7.3.1　概述180
　　7.3.2　BP神经元网络185
　　7.3.3　神经网络自校正控制189
　　7.3.4　神经网络PID控制192
第8章　基于参数修正策略的控制器设计194
　8.1　引言194
　8.2　预测控制194
　　8.2.1　概述194
　　8.2.2　模型算法控制196
　　8.2.3　动态矩阵控制200
　　8.2.4　广义预测控制203
　8.3　模糊控制206
　　8.3.1　概述206
　　8.3.2　模糊控制原理206
　　8.3.3　基本模糊控制器设计210
　　8.3.4　模糊自适应PID控制器设计215
　8.4　滑模变结构控制217
　　8.4.1　概述217
　　8.4.2　滑模变结构控制原理218
　　8.4.3　滑模变结构控制器设计221
第9章　基于结构与稳定策略的控制器设计225
　9.1　引言225
　9.2　内模控制225
　　9.2.1　概述225
　　9.2.2　内模控制原理226
　　9.2.3　内模控制器设计229
　9.3　鲁棒控制233
　　9.3.1　概述233
　　9.3.2　H∞优化与鲁棒控制234
　　9.3.3　标准H∞控制问题237
　　9.3.4　离散系统的H∞状态反馈控制240
第10章　网络控制系统控制器的设计243
　10.1　网络控制系统的设计问题243
　　10.1.1　网络控制系统的概念243
　　10.1.2　网络控制系统的设计方法245
　10.2　网络控制系统的模型分析246
　　10.2.1　单包传输网络控制系统的建模246
　　10.2.2　多包传输网络控制系统的建模252
　10.3　网络控制系统控制器的设计254
　　10.3.1　控制律的设计255
　　10.3.2　状态观测器的设计255
　　10.3.3　控制器的设计257
第11章　数字控制器的工程化设计与实现260
　11.1　数字控制器的程序设计方法260
　　11.1.1　直接程序设计法260
　　11.1.2　串行程序设计法261
　　11.1.3　并行程序设计法263
　11.2　数字控制器应用中的问题264
　　11.2.1　一般性问题及其解决方法264
　　11.2.2　量化误差问题271
　11.3　数字控制器饱和现象及其抑制方法275
　　11.3.1　饱和现象及其对系统性能的影响275
　　11.3.2　抑制积分饱和效应的控制算法277
　　11.3.3　抑制微分饱和效应的控制算法279
　11.4　数字控制器的工程化实现284
　11.5　数字程序控制器的设计288
　　11.5.1　数字程序控制基础288
　　11.5.2　逐点比较法插补原理290
参考文献296