计算机控制技术――信号处理视角

本书以“数据流”为主线, 从信号处理角度出发, 围绕问题描述和解决方案设计与实现两个角度组织材料, 介绍计算机控制系统的分析、设计理论和工程实现技术。同时, 全书提供了多种学习支持材料, 如电子课件、教学指导手册、部分习题解答和线上虚拟仿真实验。

目 录 问题篇 第1章 计算机控制系统 2 1.1 学习目标 2 1.2 系统 2 1.3 控制系统 4 1.3.1 控制 4 1.3.2 从模拟控制到计算机控制 4 1.4 计算机控制系统 7 1.4.1 基本结构 7 1.4.2 构成要素 8 1.4.3 特点 10 1.5 计算机控制系统的典型架构 10 1.5.1 操作指导控制系统 11 1.5.2 直接数字控制系统 11 1.5.3 监督控制系统 12 1.5.4 分布式控制系统 13 1.5.5 现场总线控制系统 15 1.5.6 网络控制系统 16 1.6 计算机控制系统的工程方法 17 1.6.1 工程方法的必要性 17 1.6.2 基于产品生命周期管理的工程方法 18 1.6.3 基于文档的设计 19 1.6.4 基于模型的设计 21 1.7 线上学习：认识LabVIEW 24 1.8 练习题 29 1.9 思政讨论：我国的计时技术 30 第2章 信号的采样和重构 31 2.1 学习目标 31 2.2 计算机控制系统的信号问题 31 2.2.1 信号问题 31 2.2.2 信息与信号 32 2.2.3 信息度量 34 2.2.4 问题描述 35 2.3 信号采样 36 2.3.1 采样过程 36 2.3.2 线上学习：LabVIEW入门 39 2.3.3 采样定理 49 2.3.4 工程中的采样 52 2.3.5 线上学习：控件与仿真循环 55 2.4 信号重构 59 2.4.1 香农重构 60 2.4.2 保持法重构 60 2.5 采样保持电路 62 2.5.1 基本电路 62 2.5.2 采样保持器 64 2.5.3 主要技术参数 64 2.6 练习题 66 2.7 思政讨论：基于信息的控制 67 分析篇 第3章 连续对象的离散行为 70 3.1 学习目标 70 3.2 连续对象的行为描述 70 3.2.1 图形表示法 71 3.2.2 解析表示法 74 3.3 线上学习：使用LabVIEW建立连续对象模型 77 3.3.1 使用仿真函数建立连续对象模型 79 3.3.2 使用控件设计函数建立连续对象模型 85 3.4 离散观察：计算机视角的对象行为 91 3.4.1 图形表示法 92 3.4.2 解析表示法 92 3.5 线上学习：使用LabVIEW建立离散对象模型 94 3.5.1 直接建立离散对象模型 94 3.5.2 间接建立离散对象模型 98 3.5.3 同类型对象的模型转换 105 3.6 混合系统及其行为描述 109 3.6.1 混合系统的一般结构 109 3.6.2 混合系统的行为描述 110 3.6.3 模型互连 113 3.7 线上学习：使用LabVIEW建立混合系统模型 116 3.7.1 通过仿真函数建立混合系统模型 116 3.7.2 通过控件设计VI建立混合系统模型 123 3.8 练习题 129 3.9 思政讨论：多元的观点，相同的立场 130 第4章 期望：行为变化的描述 132 4.1 学习目标 132 4.2 混合系统的时间响应 132 4.2.1 一般形式 133 4.2.2 典型响应 134 4.3 线上学习：使用LabVIEW辅助计算 138 4.3.1 使用仿真函数计算 138 4.3.2 使用控件设计VI计算 143 4.4 基于频域的行为分析 146 4.4.1 稳定性 146 4.4.2 鲁棒性 155 4.4.3 快速性 157 4.5 线上学习：使用LabVIEW辅助分析 159 4.5.1 伯德图VI 159 4.5.2 奈奎斯特图VI 161 4.6 练习题 162 4.7 思政讨论：联结个人与社会，释放创新活力 164 决策篇 第5章 离散时间控制：模拟设计方法 167 5.1 学习目标 167 5.2 设计思想 167 5.3 离散化方法 168 5.3.1 第一类近似：移动平均滤波 168 5.3.2 第二类近似：加窗滤波 172 5.4 数字PID控制 174 5.4.1 模拟PID控制器 175 5.4.2 数字PID控制器 178 5.4.3 离散化产生的问题与对策 180 5.4.4 参数整定 183 5.5 线上学习：倒立摆的控制（基于模拟设计方法） 185 5.5.1 基于模型的控制设计 185 5.5.2 车杆问题 186 5.6 练习题 190 5.7 思政讨论：站在前人的肩膀上，继往开来 191 第6章 离散时间控制：数字设计方法 192 6.1 学习目标 192 6.2 设计思想 192 6.3 频率响应法 193 6.4 Ragazzini法 196 6.4.1 无限冲激响应滤波 196 6.4.2 有限冲激响应滤波 198 6.5 状态空间设计法 201 6.5.1 极点配置 201 6.5.2 状态估计 205 6.5.3 能控性和能观性 208 6.6 线上学习：倒立摆的控制（基于数字设计方法） 209 6.6.1 层次化设计 209 6.6.2 车杆问题及求解 213 6.7 练习题 215 6.8 思政讨论：追随时代的脚步，精益求精 216 施效篇 第7章 从函数到算法 219 7.1 学习目标 219 7.2 计算问题 219 7.2.1 计算时延引起的问题 220 7.2.2 量化引起的问题 221 7.3 可控实现形式 227 7.4 运算结构 228 7.4.1 基本运算单元 229 7.4.2 直接型结构 229 7.4.3 串联型结构 232 7.4.4 并联型结构 233 7.4.5 不同结构的比较 234 7.5 线上学习：数字PID控制算法 234 7.5.1 数字PID控制 234 7.5.2 LabVIEW中的数字PID控制 236 7.6 练习题 241 第8章 计算机控制：软硬件协同实现 244 8.1 学习目标 244 8.2 从信号耦合网络到能量耦合网络 245 8.2.1 软硬件协同设计 245 8.2.2 从信息处理角度看计算机控制 250 8.2.3 组件、接口和信号 252 8.3 运算设备 256 8.3.1 通用计算机 256 8.3.2 嵌入式计算机 257 8.4 通用I/O接口 258 8.4.1 技术指标 258 8.4.2 存储器映射 259 8.4.3 数据传输方法 262 8.4.4 接口操作策略 264 8.5 处理不一致的数据 266 8.5.1 滤波 266 8.5.2 标度变换 270 8.5.3 常见的非线性问题及对策 271 8.6 线上学习：LabVIEW的仪器控制 272 8.6.1 仪器控制 272 8.6.2 仪器驱动 273 8.6.3 VISA 277 8.7 练习题 285 第9章 并发实时调度 286 9.1 学习目标 286 9.2 并发实时调度 287 9.2.1 数据驱动的系统 287 9.2.2 基本概念 288 9.2.3 实时任务调度 293 9.3 系统设计：使用状态图 298 9.3.1 功能描述 298 9.3.2 功能分解 300 9.3.3 任务构建 301 9.3.4 系统配置 304 9.4 可靠性设计模式 306 9.4.1 可靠性 306 9.4.2 影响系统可靠性的因素 307 9.4.3 可靠性设计 307 9.5 线上学习：基于模式的系统设计 313 9.5.1 设计模式 313 9.5.2 经典状态机 313 9.5.3 生产者/消费者模式 323 9.6 练习题 324 参考文献 325