离散时间控制问题：使用MATLAB及其控制系统工具箱 (2010 年度畅销榜NO.21270 )

本书介绍了离散时间系统的模型建立，分析了离散时间系统在时域和频域里的系统性能，最后讨论了离散时间系统控制技术。本书包含了分析及设计离散时间反馈控制系统的例子，并提出了许多可进一步探讨的问题，这些例子和问题都是用MATLAB和控制系统工具箱来解决的。本书可作为自动控制类和机械电子工程等专业本科生相关课程的参考书和补充教材，对进行离散时间控制领域研究和教学的广大科研人员和教师也有一定的参考价值。

第1章 绪论
引言
MATLAB和控制系统工具箱
专题的交叉引用
本书的使用方法
第2章 单模块模型和它们的响应
引言
传递函数
留数和单位DELTA(脉冲)响应
由不同的极点引起的时间响应
由重极点引起的时间响应
阶跃响应
普通输入响应
极点和稳定性
零点对系统响应的影响
建立多输入、多输出系统
探索性问题
综合性问题
总结
答案
第3章 建立和分析多模块模型
引言
串联
并联
反馈联接
控制器传递函数
双输入反馈系统
多输入、多输出系统的反馈联接
探索性问题
综合性问题
总结
答案
第4章 状态空间模型
引言
模型建立、转换和相互连接
极点、零点、特征值和稳定性
时间响应
状态转换
探索性问题
综合性问题
总结
答案
第5章 数据采样控制系统
引言
脉冲采样
伪信号
时域观察
频域观察
零阶保持
离散化
闭环采样数据系统
探索性问题
综合性问题
总结
答案
第6章 频率响应 数字滤波与离散等价量
引言
频率响应
正弦稳态响应
数字滤波
离散等价量
探索性问题
综合性问题
总结
答案
第7章 系统性能
引言
时域性能
阻尼比
S平面到Z平面的映射
阶跃响应
将阶跃响应参量作为控制器参数的函数
稳态调节
频域性能
奈奎斯特分析
探索性问题
综合性问题
总结
答案
第8章 比例积分微分控制
引言
比例控制
比例积分控制
比例积分微分控制
探索性问题
综合性问题
总结
第9章 频率响应设计
引言
双线性变换
超前和滞后控制器
滞后控制器设计
超前控制器设计
超前滞后控制器设计
探索性问题
综合性问题
总结
第10章 状态空间设计
引言
可控性
极点布置
可观性
观测器设计
观测器控制器设计
探索性问题
综合性问题
总结
答案
附录A 实际系统的模型
引言
球和梁系统
倒摆
发电系统
水轮机和水道
附录B 离散傅里叶级数和变换
引言
离散傅里叶级数
离散傅里叶变换
附录C 根轨迹图
引言
做根轨迹图
答案
附录D 用于本书的MATLAB命令
引言
MATLAB命令
参考书目

随着处理器和数字信号处理(DSP)芯片的发展，数字控制逐渐成为日常生活中的普遍现象。先进的汽车、飞行器和仪器设备的应用软件的控制算法不可能仅仅通过采用模拟电路来准确的、经济的实现，而必须编写为计算机代码存人存储器中。本书的目的是帮助那些正在学习数字控制系统工程知识的初学者，使他们能够用一台数字计算机来快速运算更广阔范围内的数值计算问题以便加强学习进度并获得对控制设计更深一层的认识。本书围绕一些直观的例题编写，这些例题说明了分析和设计的步骤。这些例题后面是多种多样的题目，从简单的规范性的补充问题到随后的问题分析，到实际的综合性问题一直到探索性问题。球和梁系统与倒摆系统是两个在综合性问题中反复使用的模型系统，它们是大学的控制实验室中普遍采用的系统。 为了实现这个目标，本书中采用了MATLAB和控制系统工具箱。这本书和配套的从Brooks/Cole网站下载的MATLAB文件可以作为众多关于数字控制系统介绍性教材的一个补充。我们并不是有意想使这本书成为学习这一内容的唯一参考教材，因为这些关键结果是从基本的原理总结说明而来的并不是从这些原理发展而来的。 本书中充实的、大量的内容来源于第一作者在伦塞尔工学院(RensselaerPolytechnic)研究中心离散时间系统演播课程的笔记和编写的MATLAB文件。在演播教学的模式下，教学可以在教学/计算机教室进行，实现在讲解后马上进行课上MATLAB作业，使学生们能够巩固他们学到的控制概念。对于正在或考虑采用类似的交互式的教学系统教授数控课程的教师们，可以方便的采纳书中的M文件作为课上练习。 本教程、附带的文件、可以运行MATLAB(11或12版本)以及控制系统工具箱(4．o或更高版本)的计算机的结合可以提供给用户大量的应用线性离散时间系统分析的机会，而这些分析是构成反馈控制系统分析和设计的基础。因为强大的计算机环境通常是可以利用的，因此用户将不再被限制在能用手算解决的一阶、二阶的问题上。也不会被为了解决富有意义的题目所进行的艰苦的实验运算所累。而是将精力集中在理解从计算机中获得的分析和设计的结果上，因此，也将会加快学习进程。 本书的题目适合那些学习数控系统高级教程的学生。我们假定读者已经学习过了关于连续时间系统反馈控制设计的初级教程。许多优秀的教材可以用来作为连续时间反馈系统的复习教材。由两个作者(DKF和JHC)合著的关于连续时间反馈系统MATLAB题目的配套教材提供了很多可用的MATLAB代码编写的例题。从第5章开始的数据采样控制系统将用到连续时间系统。在基于传递函数模型的离散时间系统分析模型的基础上，本书还引入了基于状态空间模型和设计模型的题目。同样的，本书可以作为那些学习数控系统研究生课程的学生的补充教材。此外，它还可以作为在职工程师的综述性和指导性教材，使他们能够精通数控系统的计算机辅助设计。因为在实际控制执行中数字信号处理概念的重要性，我们将在第6章讨论关于频率响应和数字滤波器的问题。这一部分内容完全适合频域分析和超前—滞后补偿器设计。 文中内容的组织结构与大多数介绍性的数控系统教材相一致。首先，在第四，介绍系统的状态空间建模，为了强调它在实际建模中的重要性。然而，对于那些遵循一条总纲而不需要了解状态空间建模的人来说，可以直接跳过第四章而不会影响连续性。 本书基于这样的前提编写，即通过研究例题和相关的MATLAB命令，并计算复杂性逐渐增加的题目，学习控制系统。每个例子都被设计用来说明一个特殊的概念而且通常包含一个MATLAB命令脚本，该MATLAB命令脚本是用于模型生成和计算的。有些例题后面有问题分析(如果……将会怎样?)，使读者马上有机会去解答相关的问题，去领会概念中某些更加复杂的内涵。接着会提供几道补充问题以便将所学的技术进一步应用到典型的问题中。在每章的最后会提出一或两道探索性问题以训练读者将该技术应用到用户系统中去。从第2章开始，提出的综合性题目包含的分析和(或)设计的实时系统模型列于附录A中。为了解决这些问题，读者需要应用到该章讨论的概念。对每个实际模型进行了分析并且介绍了在模型里增加新技术的控制设计。对于球和梁系统与倒摆系统，有经验的学生们可以直接用他们的设计去检验控制的性能。 为了有效地利用本书，读者需要对MATLAB有一定的了解，包括数据的录入、绘图以及简单的计算。可以提供M文件的Brooks/Cole网站的网址是http：//WWW．brookscole．com/engineering—d/。这些文件可以下载下来并且能够解决这本书中提到的所有例题、补充问题、综合性问题。还给出了可以使用户完成探索性问题的M文件。这些M文件还包括几个特殊的RPI函数，这些函数可以实现一些在MATLAB和控制系统工具箱中没有的计算。