计算机控制系统——理论与设计(第3版) Karl J. Astrom

出版说明 电了信息科学与技术的发展令人目不喂接,它正以主力军的姿态站在知诉经济的最前 外,引导着各行各业着新的技术领域进军,影响荐人们的T作和生活方式朝着规代化边进 在电子信息科技领域甲,除了计簟札这热门话题外,还有我们量熟悉的、大大都会接触 创的信息、如通俏、刚络、笞达、疒播电视、闫动控锔、电磁干扰.信息安仝,等等。住每 个专业领域,新技术、新产品都层不出穷。日新月异科技发展,强地吸引着各方面的 专家学者,及-切从專专业技术矿究、玍·教学、管理、使用、纏护的工程技术人员,他 们执着地从国内外的技卡文献和图刊物里搜寻自已感兴趣的内容,不断地汲敢新知识,增 进才干、创造业绩。特别是在从事救育或学习的院校帅生,常需要了解国外电子信息科 学教育方面的发展,以使教与学史好地向四个现代化,面闩世界。为了满足读者的要求 我们电了工业出版社推出这套“国外电子信息科学教材系列”从书 这套丛书的遴选是严格的,首先是选择了美国的 Prentice hal出版公司等在世界很有影 响的高校教材出版商,他们几十年来致力教育图书的出版,其也了信息科技类教材生美国 为众多大学所采用,并拥有不少各专业的资深作和经典名著,在世界产了很人的影响 共次,我们把白u策划和准各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,以便广泛求意见。在此基础L,我们约请在北京地区 的清华人学、北京人学、北京邮比大学、北京航究航天大学,上海地区的}海父通大学、复 旦大学,南京地区的南京大学、解放军通信程学院等名牌院校中在教学科研第一线的教帅 参加翻译工作。牠们中凹许多都是博士导师和各专业的学科带头人,也匀午轻的教师和博 士。他们对原稿认真进行翻译加,村萁中一些表述不清甚全出错的地方也作干慎重地挥敲 或更正。这套丛书能高质量地读者见面,应该感谢各位译者和审校者的辛勤劳动 像任刊事情一样,我们这项工作也会有不尽人意的地方。所以,在这套从书出版之际 行别希望广人读者能给予指正、建议。我们将会陆续引进和出版新书,允实到这套从书来 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.)合著的计算机挖制系统 原理与设计》,是瑞典璨德(Lud)理T学院的大学生和研究生敦材。本书是根据1997 年该书的第三版译出的。与前两版相比,第三版的内容和构都进行了很大的调整,作者改 了一半以上的內容,主要是増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 究成粜、删去了过时的內猝,但篇幅没有增加,从原的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 的许多实际问趣ε主要介鋁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 和二具等,其中诉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 寸,都尽量避兔使用高深的数学理论,比较重视工程概念、实际问题和τ程应用,书中还安 H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 万外两本著作—《随机控制埋论导论》和《自适应控制》一样,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[读的参考资料。总之,本书是 斯具件丝的绎典高校教材。H它问世以后,已受到很多读者和有专家的好评。在199年 悉尼的IFAC( International Federation of Autornatic 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(IAC控制程教科钙》”奖 奧斯特隆姆教授是国际控制界饣有盛名的学者,但在随控制、系统辨识、讣算札搾 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六献。他长期致力于把控 制圯论与实际相结合的究T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 问趨,成功地把现代控別理论用于船舶驾驶、愦性导航以及造纸、化工和矿山等众多工业对 象上。应当承认,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贞献,ASME( Atlerican Society of Mechanical Engineers,美国 机械工程师学会)和FAC分别在1985和1987年授p他 Rufus Oldenburger和 Giorgio quazza 奖章 鉴于上述原因,特将此书筅二版译成中文,供高等院校有关专业的师生、工程技术人 法和对计算机控制有兴趣的读者参考 本书前言、录、第L~3章、第了章、例题、矩阵,以及索引由林喜荣和林缅翻译, 笫4、6、8、10苧刘中仁翻译,第9、11、12、13章由周兆英和熊沈蜀翻译,第5章由潘 駛翻译,最后由李清泉教授对全书进行了审校 限]译者水平,详文中定有许多不妥之处,敬请读者批评指正。 前言 微电」技术的突破忤进展使得现今设计削控制系统儿乎都建立在徵处理器和高级微控 制器的其硙之」。采印计算机控剀系统,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.L其也极大地改善了分析和设计控制系统时的比程效率。 本书的目的本书提供为有效地分析和设计计算摔制系统所需的必要的淅察、知识 和玳解丿 新的版本本书为第版,士要是基于技术水平的发展,和从教育界、学术界和业界 所取得的经验而对前儿版进行修订、內容仃了较大调整,一半以经过了重新編写。让算机 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捉成了本修订版。本修订 版中已经編入了诈多新的结果。统过认真坫修剪和聿紆改气,现:能把新的内容包括进来 而又无需扩大本的篇幅。而且经初稿的教学实践表呵,这种改交是有利的。我们很高兴地 告诉大家,通远本孙学习,学生们仁初级阶段就能够真:从事…些设计任务,并有可能更 川深入地完成设计和实现 第版的另个主要变化在于大量地仗用了计算:共MAL4B和 SIMUL: NK,并从根本[ 修改了教学)法。所有j要的结果都直接采用计算L具来祓述,这样仗得容易处复问题, 而且有可能解次本课程的许多实阿设计闰蹊、在使川计算具旳冋吋,我们也强调腙理利概 念的重要件,书中最关键的结果也用笔算和书面计算的方法表示,以便帮功学生理解计算 工具的工作 本书简介 背景材料第1章介绍计算机控刹系统的概况,目的在于刘计算机、控制系统和相关理 论的发展给出一个历史的透视。某些关键珄论利计算机控制系统然咔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采样时刻的特性,则过能把分析和设 计问题大大地简化,我们称之为面计算机,目通过观尞计算机中的数据行为来获待刈系统 的认识、之所以可以这样化,是因为系统能用常系数线忙芹分方程来描述。仁第2、3、4、 5罩中都釆用这一方法。第2章描述了如何刈连续时间系统采样来获得离散时淘系统,比 了决态空闽模型和输入-输出模型。这些模型的基本性质也和数学具(如z变换等)·起给 出.第3章中介纲了分析其 第4介绍∫状杰反馈和观测器的传统问趣,但它的容比类教科书常涵盖的范 围要宽厂和深入得多,特别是该单介绍了如何处理负载抗动、前馈和指令信号流的问题。1 出问时,这此痔点使掉制器获得种在应中见不鲜的结构。个教学上的好处,就是使 掌握了这些具的学生经过很规时学习后就能处理实际设计问题 第5章从输入-掬出的观点来处理第4章中的河题,即提山了个有关设计问题的史新的 视角,所有在第4章中讨论过的内郓在第5章中也都被提出来。这样提供…个很好方式来保 证透彻琲解状态空间法和多演式法之间相似饪与兰异性。多项式法还能处理关于建模误差 和鲁棒性( robustness)问题,这些问题采!状态空间法不动解决 在接蝕了一些特殊的改计方法之后,在第6章中我们又介绍了诈多通用的控制系统设 方法,其屮包括大系统的结构及日底向上和白顶向下的技术。 拓宽视野虽然算机掉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间的系统特性时,仍在某些间题。如果计算凡控制系统是通过过程中 出现的模拟信号来考察的话,这些问趣就会白然产4,我们称之为面剛过程的观察。这常常 导致线性系带有周期性系数,并引超俶频那样的现象。除非采取专门的预防揩旐,不则会 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颎滤波器的设计是非常 重要的。解决办法将有第7章中介绀。 在更新已有的控帛设备封,有时控制器的模拟设计成事实。在这种情况下,将模拟设 计直接转换成数字摔制设亡的方法是能有效节约成本的,具体方法将在第8章介绍 实现仅仅知道分析利设计的方法是不够的,作为一名掉制τ科帅也应该同时熟悉实现 的问题。这些在鐫9章中介绍,其中包括煎置滤波、讣算延迟、数值、编程及运算等方面的 问题。在此基础上,读者刈了设讦叶从概念到计算机实的个步骤均有很好的理解。 高级设计方法为了更加冇效地设计控制系统,有必史好地表丁扰问题第10罩讨 论了这个问题,有了『扰措逑后才可能实现最优性能设订。采用状态罕间法〈第1章冫和多 项式技术(第12章〕能够放到这点。迄今为止,我们假设过程和于扰的模型均为已知,h第 13章中阐述了获得这些模刊的实验方法 前提 本书适用于程专业的木科最后一年哦研究生第年的学刁课程。并假投读者这经具备 了白动控制的入门知识。A书对于.业界也是有益内 课程安排 木书可以按不同的方式选用。第1、2、3、4、5章和第9章可以作刘计算机控制系绔的 入门课程。更高级的谋程则要到本的全部内容。刈于工业界来说,可以安排学习第1 的全部和笫2、3、4、5亭的部分内容,以及第6、7、8音及第9章。为了从课程中尽可能的 多受益,听一些冇解题训练的补充讲座,进行伤頁练习,在实验家做些实骑都是很重要的 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T其是不可缺少的。本书中 介绍的分析和设计的方法都可以很方使地通过MAB来完成。许多练习也都涵盖这方面内 。系統的仿真同样可用 Sinon或SNκ米实现。这里有30幅图来说毋应用 MATLAB 进行分析和设计时遐到的各种河题,还有73幅图是用SMNK做方真时得到的。其肀宏 指令及m-文可从名的FTP站点 ftp control Ith se下的 pub/books/ccs H录中下载到。其他的 I诸如 Sinon0和 Math等工共可以使用 补充说明 完整的解法可以从采用木书的救师的出版物中得到,仿真宏指令、幻灯片及试题例都可 以通过访问网爽htp/www.control.he找出,参见Education/Computer-ControlledSystems2 希望反馈 作为自动掉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j 世外各国的学术界和「业界的同行们进行交流。我们日觉或不臼觉地搜集了称之为计算机控 制芼础知识的素材,对于每一个献过思想、建议、概念和例证的人士,虽然不可能一一提 到,但对他们每位仍表达我们最诚挚的谢意。同时对于长时间支持我们研究工作的喘典T 业技术发展委员会(NUIK)和瑞典程科学研究会(TFR)也表小感谢 最后,我们想要慼谢许多帮助编写本书的人。感谢我们的 Leit andersson先牛,他是我 们的文字排版专家< EXpert),他和 Eva Dagnegard先生一为解决文竽排敲(Tx)方面的 许多问题做;了不可估量的献。而且 Eva Dagnegard相 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 耐心和对我们法的理解,也就不会有木书的出版。在此,不要感谢 Prentice halli山版社的 页丁为本书的出版所做的英献 KARL ASTROM BJORN WITTENMARK Department of Automatic Control I and InstitUte of Technology Bux 118 S-221 00 Lurd, Swedell karl_ johan astO(control Iuhse bjorn wittenmark @controL Ithse 自景 第1章计算机控制 l1引言 晷口■看■L暑『■■ (1) 1.2计算机技术 …………(2) 13计算机控制理论 14固有采样系统 幽■ (8 1.5怎样发展理论… (20) 16注释和参考文献…… ………(23) 第2章离散时间系统 中中·!中4曾『“日血自冒『平··曾冒甲 (25) 2.1引言 25 2.2连续时间信号的采样 ■■■晶·↓郾■■4L晶+』■晶·4甲m』晶p ……(25) 23连续时间状态空间系统的采样… (26) 24离歡时间系统……… ■』■ 号·鲁■ 36) 2.5状态空间模型的坐标系变换 自P會日···P『自 …………(37) 2.6输入-输出模型 27z变换 (47) 28极点和零点… 曾『自P曾·T1中冒PT『■■■曾T ■·冒■P■■■昌■1■■ (S3 29采样速率的选择… ………………………(58 2.10习题 (60) 2.11注释和参考文献…… 1 (67) 第3章离散时间系统的分析… LL·bcp (69) 3.1引育… 幽幽■郾幽幽自■叩噌『郾如『』昌4■■ …(69) 3.2稳定性 (69) 3.3灵敏度和鲁棒性 郾贔↓罪■■■甲↓■↓■郾■■』■郾■』昌▲如↓昌昌‘q■↓昌山4·晶如‘L=- …(80 3.4能控性、能达性、能观测性和能检测性 ↓▲↓上■L山q昌L (83 3.5简单反馈回路分析 3.6习题 ……………(100) 3.7注释和参考文瓤 ………………………………………(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 (119) 4.5输出反馈 ……(125) 4.6伺服问题 看L晶 (13I) 4.7设计举例 …(138) ! 4.8结论………………… 》■聊··聊·聊■日■罪甲●■晶h血』■昌幽■■b血■4晶』晋}4订■Pq1·平■■■L."甲日自 41) 4,9寸题 ……(14l) 4.10注释和参考文献……… ………:4:1144 第5章极点配置设计:多项式方法 山■ ……………1(145) (145 简单的设计间题 (145) 5.3丢番图方程 (49) 5.4更实际的假设 5.5相对于建模误差的灵敏度 中P中亠4-“·亠 5.6设计步骤 …………………………………(164) 5.7双重积分器的控制器的设计 ………,……(172) 58谐波振荡器的控制器的设计 鲁口 (179 5.9柔性机器人臀的控制器的设计 (184 5.10与共它设计方法的关系… …(188) 5.11结论……………………………………………………………………(195} 5.12习题……… 『■亻■昏·■贔■贔『↓昏『晉晋晋亻昏『■量■■亻■■昏d日昏■↓口■·■昏■4『■■■■d■卜■■↓鲁■·晋矗個■↓■■亻吾『·鲁■冒1q■看1P (195) 5.13注释和参考文献………………………………………………………(198) 第6章设计概述………………………………………… ↓冒1昏鲁 (199 6,1引 …(199) 6.2运行问题 6.3造原理 甲甲■■郾【甲■ 早甲■甲甲着甲司■口甲■ 202) 6.4自顶向下的方法 ■■西■■西■■■ (203) 65自底向上的方法 …(206) 66简单回路的投计……… 画口函■西口血■■“■画上口■血■d画“西画 …………(209) 67结论 (2l1) 6,8习题 212) 69注释和参考文献 會■4■■ 幽■“曲d ■血個t血自自画山■督■幽血db自t■山血■自 (212) 第7章面向过程的模型…… …(213 7.1 …………………(213 2汁算机掉制系统 …………(213 7.3采样和信号重构 ■d甲唱 ……(214) 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 4日‘4p4·:ad4·:日44Ap.·B日·Ba···血· (225 7.6涧制模型…………,… ……(231) 7.7烦率响应 (236 ?8脉冲传递函数表示法 ↓■■■↓h■↓■■山■昌▲晶1bψ■l■d血山中■·d4D甲p聊4甲甲甲 45 7.9多速率采样……… .·日4··.···日··4···Fa···4··.p中:·4山二甲·甲备 ……(252 7.10习题 ■p■司 (255) 7.11注释和参考文献 第8章近似连续时间控制器… …(258 8.1引言 …………(258) 8.2基于传递函数的近似法 ■■曹p■bp■■■中●卩甲p■■b《自甲罪 83基于状杰模型的近似祛 ……(265) 8.4频率晌应设计方法………… .·· (269) 8.5数字P控制器… ……………………………………(2710) 8.6结论 (282 8.7习题 4導pL郾着4山■ 山▲■山 88注释和参考文献 …(285) 第9章数字控制器的实现 ………·(285 91引言 ………*(286) 2概述 (286) 9.3前置滤波和计算时延 (288) 94非线性执行机构… ………………"(291 9.5运行方面的问题…… …………………(296) 96数值问题 (299) 9.7数字控制器的实现……………… (306) 98程序设汁 ………";…………(15) 99结论 ………………(318) 9.10习题 ■■鲁自■·鲁■日■··血■■甲平■■自·■平晋■■■■·甲■P普■严擊严罾噌■昏■日鲁■晋P■1鲁画d晋昏b■■晶·鹵brm (318) 9.11注释和参考文献…… …:(322) 第10章扰动模型 P甲『·中■罾甲■卩■晋卜罾晋晋昏■■41鲁■b■h矗■■■』1b■■md (324) 10.1引言 ■看血自 …(324 10.2扰动影响的减小 …(324) 10.3分段确定性扰动 (326) 10.4扰动的随机模型 L山↓郾■4_占L 329 10.5连续时间随机过程……… 血由■ pp■ 106随机微分方程的采样 …(353) 10.7转论… (353) IQ,8习题 ↓甲■郾 (354 109注释和参考文献 ……,(357) 第11章最优设计方法:状态空间法 ………………………(358) 1引言 (358) L1.2线性次型制 ………s:(362) LL.3预报和滤泼理论……………… …………(376 1.4线性二次型高斯控制… (382) 11.5实际应用方面的问题 (385) 1.6结论 (386) 11.7题 ■Pp●■甲司◆唱 (386) 11.8注释和参考义献 第12章最优没计方法:多项式方法… ■■ (392