Computer Control Systems (Second Edition) (Liu Jianchang)

This book starts with the signal conversion of computer control systems, and elaborates on the theories, methods and practical techniques of modeling, performance analysis, controller design and simulation and implementation of computer control systems. The book has 10 chapters, including: signal conversion and z-transformation, mathematical description and performance analysis of computer control systems, two types of design methods for digital controllers based on transfer function models - analog design methods and direct design methods, pole configuration design methods based on state space models, design methods of advanced control laws, control system analysis and controller design methods based on networks, and simulation, design and implementation techniques of computer control systems. The book combines theory with practice, focusing on the detailed theory and engineering improvement of control methods, which is easy for readers to understand, master and apply in practice. Preface Chapter 1 Overview of Computer Control Systems 1.1 Introduction 1.2 Basic concepts of computer control systems 1.2.1 Composition of computer control systems 1.2.2 Application requirements of computer control systems 1.2.3 Performance indicators of computer control systems 1.3 Process channels and bus interface technologies of computer control systems 1.3.1 Process channels 1.3.2 Bus interface technologies 1.4 Conversion between analog and digital signals 1.4.1 D/A conversion and its errors 1.4.2 A/D conversion and its errors 1.5 Basic contents of computer control systems 1.5.1 Signal conversion problems 1.5.2 Object modeling and performance analysis 1.5.3 Control algorithm design 1.5.4 Control system simulation analysis 1.5.5 Control system implementation technology 1.6 Basic types of computer control systems Summary of this chapter Exercises and questions for reflection Chapter 2 Signal conversion and z-transformation 2.1 Introduction 2.2 Principle of signal conversion 2.2.1 Signal conversion analysis of computer control systems 2.2.2 Mathematical representation of sampling process and sampling function 2.2.3 2.2.4 Discussion on the use of period T 2.3 Sampled signal recovery and holder 2.3.1 Zero-order holder 2.3.2 First-order holder 2.4 Engineering technology of signal conversion 2.4.1 Basic engineering technology of A/D conversion 2.4.2 Basic engineering technology of D/A conversion 2.5 Z transform 2.5.1 Definition of Z transform 2.5.2 Z transform method 2.5.3 Basic theorem of Z transform 2.6 Inverse Z transform 2.6.1 Long division method 2.6.2 Partial fraction method 2.6.3 Residue method 2.7 Extended Z transform 2.7.1 Definition of extended Z transform 2.7.2 Extended Z transform of several typical functions Summary of this chapter Exercises and questions for reflection Chapter 3 Mathematical description and performance analysis of computer control systems 3.1 Introduction 3.2 Linear constant coefficient difference equations 3.2.1 Discrete systems and difference equations 3.2.2 Difference equation solution 3.3 3.3.1 Definition of impulse transfer function 3.3.2 Derivation of impulse transfer function 3.3.3 Block diagram analysis of discrete systems 3.3.4 Impulse transfer function of computer control systems 3.4 Stability analysis of computer control systems 3.4.1 Stability conditions of discrete systems 3.4.2 Mapping analysis between s-plane and z-plane 3.4.3 Relationship between sampling period and system stability 3.5 Algebraic stability criterion of computer control systems 3.5.1 Routh stability criterion 3.5.2 Jully stability criterion 3.6 Steady-state process analysis of computer control systems 3.6.1 Steady-state error and error coefficient 3.6.2 System type and steady-state error 3.6.3 Effect of sampling period on steady-state error 3.7 Transient process analysis of computer control systems 3.7.1 Relationship between z-plane pole distribution and transient response 3.7.2 Effect of sampling period on transient response 3.8 Frequency domain characteristic analysis of computer control systems 3.8.1 Frequency domain description of discrete systems 3.8.2 Frequency domain stability analysis of discrete systems 3.8.3 Bode plot analysis of discrete systems Summary of this chapter Exercises and questions for reflection Chapter 4 Analog design method for digital controllers 4.1 Introduction 4.2 Basic principles of analog design method 4.3 Discrete method for continuous controllers 4.3.1 z-transformation method 4.3.2 Differential transformation method 4.3.3 Bilinear transformation method 4.3.4 Zero-pole matching method 4.4 Digital PID controller 4.4.1 Basic digital PID control algorithm 4.4.2 Engineering improvement of digital PID control algorithm 4.4.3 Parameter tuning of digital PID controller 4.5 Smith predictor control 4.5.1 Presentation of pure lag problem 4.5.2 Design principle of Smith predictor control 4.5.3 Engineering improvement of Smith predictor control algorithm Summary of this chapter Exercises and questions for reflection Chapter 5 Direct design method for digital controllers 5.1 Introduction 5.2 Basic principles of direct design method 5.3 Design method of minimum beat controller 5.3.1 5.3.2 Design of minimum-beat controller for simple objects 5.4 Engineering improvement of minimum-beat controller 5.4.1 Problems of minimum-beat control system 5.4.2 Design of minimum-beat ripple-free controller 5.4.3 Improvement on the problem of sensitivity to input signal type 5.4.4 Improvement on the problem of sensitivity to model parameter changes 5.5 Dalin algorithm 5.5.1 Design principle of Dalin algorithm 5.5.2 Ringing phenomenon and its elimination method 5.6 Selection of key parameters in engineering application of Dalin algorithm 5.6.1 Selection of key parameters in solving ringing phenomenon 5.6.2 Selection of key parameters in solving fractional delay problem 5.7 Program implementation of digital controller 5.7.1 Direct programming method 5.7.2 Serial programming method 5.7.3 Parallel programming method Summary of this chapter Exercises and questions for reflection Chapter 6 Pole placement design method based on state-space model 6.1 Introduction 6.2 Basic concepts of state-space description 6.2.1 Two types of description of system dynamic process 6.2.2 6.3 State-space model of discrete system 6.3.1 Establishment of discrete state-space model 6.3.2 Solution of discrete state equation 6.3.3 Relationship between discrete state-space model and z-transfer function 6.4 Controllability and observability of system 6.4.1 Concepts of controllability and observability 6.4.2 Controllability criteria and observability criteria 6.4.3 Standard controllability form and standard observability form 6.5 Design of control law by pole placement when states are measurable 6.6 Design of observer by pole placement 6.6.1 Predictive observer 6.6.2 Present observer 6.6.3 Reduced-order observer 6.7 Design of controller when states are unmeasurable 6.7.1 Separability principle 6.7.2 Controller design 6.8 Design of follow-up system Summary of this chapter Exercises and reflection questions Chapter 7 Design methods of advanced control laws 7.1 Introduction 7.2 Design of linear quadratic optimal controller 7.2.1 Overview 7.2.2 LQR optimal controller design 7.2.3 Tracking system design 7.3 Self-tuning controller design 7.3.1 Overview 7.3.2 Least squares parameter identification algorithm 7.3.3 Self-tuning controller design 7.4 Model predictive controller design 7.4.1 Overview 7.4.2 Prediction model 7.4.3 Prediction control algorithm 7.5 Fuzzy controller design 7.5.1 Overview 7.5.2 Fuzzy control principle 7.5.3 Fuzzy PID controller design Chapter summary Exercises and thinking questions Chapter 8 Network-based control technology 8.1 Introduction 8.2 Overview of network control 8.2.1 Basic concepts of network control systems 8.2.2 Research content of network control systems 8.3 Real-time control network 8.3.1 Basic concepts of control networks 8.3.2 EtherNet network 8.3.3 CAN network 8.3.4 ControlNet network 8.3.5 CC-Link network 8.4 Analysis of network control system characteristics 8.4.1 8.4.2 Stability analysis of network control systems 8.5 Design of network control system controllers 8.5.1 Design of PID network controllers 8.5.2 Design of pole placement network controllers Chapter summary Exercises and questions Chapter 9 Simulation analysis of computer control systems 9.1 Introduction 9.2 Concepts and classifications of system simulation 9.2.1 Basic concepts of system simulation 9.2.2 Classifications of system simulation 9.2.39.2.4 Introduction to MATLAB simulation software 9.3 Signal simulation analysis of computer control systems 9.3.1 Types of signals 9.3.2 Pulse sampling and MATLAB simulation 9.3.3 Holder and MATLAB simulation 9.4 Model description and performance simulation analysis of computer control systems 9.4.1 Discrete transfer function model 9.4.2 Discrete state space model 9.4.3 Model identification of discrete systems 9.4.4 Neural network modeling 9.4.5 Simulation analysis of frequency domain performance of computer control systems 9.5 Digital controller design and simulation 9.5.1 Proportional controller design 9.5.2 Proportional-integral controller design 9.5.3 Proportional-integral-differential controller design Summary of this chapter Exercises and questions for reflection Chapter 10 Design and implementation of computer control systems 10.1 Introduction 10.2 Basic design principles and methods of computer control systems 10.2.1 Design principles 10.2.2 Design methods 10.3 Hardware design of computer control systems 10.3.1 Actuators and drive technology 10.3.2 Detection mechanism and sensor technology 10.4 Software design of computer control system 10.4.1 Analysis of control object 10.4.2 Implementation issues of digital controller 10.4.3 Digital filtering technology of signal 10.5 Performance analysis of digital controller program implementation 10.5.1 Sources of numerical errors in computer control system 10.5.2 Principles for determining the accuracy of digital controller and measures to ensure it 10.5.3 Treatment measures and engineering implementation methods for differential link 10.5.4 Methods for testing digital controller error and execution time 10.5.5 Analysis of advantages and disadvantages of different control algorithm arrangement structures 10.6 Analysis of quantization effect and sampling period error 10.6.1 Quantization error and aperture error of A/D conversion 10.6.2 Error caused by sampling period 10.7 Reliability and anti-interference technology of computer control system 10.7.1 Measures to improve reliability 10.7.2 Sources and propagation paths of interference 10.7.3 Methods for eliminating or suppressing interference effects Summary of this chapter Exercises and questions for reflection References