本书是作者在多年教学工作、工程实践并结合国内外该领域的教学和技术发展等基础上形成的一部教材。书中系统地介绍有关数字控制的基本理论、基本分析方法与数字控制器设计技术等。全书共分5章，内容包括引言与连续控制系统回顾、离散时间系统分析、采样数据系统、基于传递函数的数字系统分析与数字控制器设计及基于极点配置与状态估计的数字控制器设计。

本书可作为自动化类专业或相关专业本科生计算机控制或数字控制类课程教材或教学参考书，也可作为有关工程技术人员的参考资料。

第2版

PREFACE

作为自动控制原理与现代控制理论的后续课程，数字控制侧重于介绍离散系统分析方法和数字控制器的设计方法。学习数字控制需要读者对线性反馈控制和拉普拉斯变换数学知识有一定的理解。数字控制的内容包括基于z变换技术的离散系统分析、基于转换技术和基于状态空间技术的数字控制器设计以及拉普拉斯变换与z变换（即连续系统与离散系统）之间的关系等。

目前我国大多数学校采用经典控制、现代控制与数字控制分别设课的方式进行教学，这样经典控制与现代控制的知识、连续控制与离散控制的知识内容难以有效地连贯。第2版注重了将自动控制原理、现代控制理论的相关内容与数字（离散）控制系统分析与设计更紧密地连贯起来进行描述，这有助于自动化及相关专业学生或从事自动控制系统设计的工程技术人员对控制系统分析和控制器设计有更直观和系统的理解。

第2版的章节仍按第1版的5章安排。改版后的第1章更系统地对连续控制器设计方法进行概括性回顾，增加了一道综合例题，对控制器设计的各种方法进行解析。考虑到离散控制器设计方法与连续控制器设计方法有许多相近之处，改版后的第4章中根轨迹设计、频率响应设计和PID控制器设计以及第5章中极点配置设计的相关例题中，都注意了采用的设计方法与第1章中综合例题相应方法的对应。同时，还增加了采用根轨迹方法和频率响应方法进行PID控制器设计的内容，以帮助读者理解各种设计方法的灵活应用，以及连续控制器设计与离散控制器设计之间的关系等。

另外，在改版后的状态空间分析和设计内容中，增加了更多的带参考输入系统极点配置设计的描述，这可帮助读者更好地理解状态空间系统与传统反馈控制系统之间的关系。

本书改版中还对原版书中的一些错误之处进行了修改，但由于作者水平所限，书中难免存在不足，敬请读者批评指正。 

编者

2018年5月

第1版

PREFACE

随着计算机技术的迅速发展，目前的工业控制系统、机器人系统或其他电子控制装置基本都采用数字控制器来予以实现。本书正是针对这种情况，着重对数字控制系统的分析、设计和建模等问题进行了较系统的介绍，尤其以较多的篇幅讨论了数字控制系统的设计方法。

考虑到目前本科教学人才培养方案课时的逐步压缩，专业课程的课时多为32~40课时，这样对数字控制系统的介绍既要较为系统，又要非常简练。本书正是基于以上考虑，并参考了国内外相关教材进行编写的，旨在为与自动化技术相关的学生提供良好的工程基础。

本书第1章从对连续控制系统的回顾开始，介绍系统及其动态特性、基于根轨迹技术、频率响应技术和状态空间技术的设计方法等。

第2章介绍如何用线性差分方程和z变换技术对离散时间系统进行描述和分析。

第3章介绍对采样数据的分析技术、信号重构技术，以及离散模型的建立与分析等。

第4章介绍基于传递函数的数字系统分析与数字控制器设计，内容包括s平面对z平面的映射、离散系统的稳定性、数字控制器的仿真设计、数字控制器的根轨迹直接设计、数字控制器的频率响应直接设计、数字控制器的解析设计、模拟PID控制器的数字化，以及数字控制器的实现等。

第5章介绍基于极点配置与状态估计的数字控制器设计，内容包括离散时间系统的状态空间分析、极点配置、状态观测器设计，以及带状态观测器的极点配置等。

本书体系结构较为完整，其内容涵盖数字控制系统分析与设计的内容。本书内容与工程结合较强，可读性好。全书图文并茂，较为通俗易懂。各章自成体系又融会贯通，可方便读者有选择地学习。本书既注重系统性又注重时代性，既系统地介绍数字控制系统分析与设计方法，又介绍在该领域中数字化的一些新进展。本书控制器设计方面的例题全部基于MATLAB和Simulink软件进行了仿真，书中内容和各章节后相关习题的编排，注意对学生动手能力的训练与培养。

本书可作为自动化类专业或相关专业本科生数字控制或计算机控制类课程教材或教学参考书。

书中带*的内容可根据教学情况选择性地安排。对本书各章内容的讲授提出教学建议如下。

教 学 内 容学习要点及教学要求

课 时 安 排

全部

授课部分

授课

第1章引言

与连续控制回顾

 掌握控制系统描述的基础知识

 掌握拉普拉斯变换的基本知识

 掌握反馈控制的基本特性

 掌握PID控制的基本原理

 掌握系统设计的指标表达方式

 掌握基于根轨迹方法设计控制器的基本思路

 掌握基于频率响应方法设计控制器的基本思路

 掌握基于状态空间方法设计控制器的基本思路

1～21

数字控制系统分析与设计（第2版）

第1版

续表

教 学 内 容学习要点及教学要求

课 时 安 排

全部

授课部分

授课

第2章离散

时间系统分析

 熟练掌握用差分方程建立离散系统模型的基本方法

 熟练掌握差分方程求解的基本方法

 熟练掌握z变换的定义、z变换的基本特性及其在离散系统中的应用

 熟练掌握离散传递函数的基本概念

 熟练掌握离散系统时域的结构图表达和z域的结构图表达方式

 熟练掌握脉冲响应与离散传递函数的基本关系

 熟练掌握基于脉冲响应对开环离散系统进行稳定性判断的基本方法和基本思路

65

第3章

采样数据系统

 熟练掌握采样与保持模型的建立

 熟练掌握采样信号的表达方式与特性

 熟练掌握采样信号频谱的分析方法

 熟练掌握信号重构的理想恢复方法与非理想恢复方法

 熟练掌握采样数据系统的结构图表达方式

 熟练掌握基于多项式z变换方式的对象离散模型建立方法

 熟练掌握基于对状态变量采样方式的对象离散模型建立方法

9～108

第4章基于传递函数

的数字系统分析与数字控制器设计

 掌握s域对z域的映射的基础知识

 熟练掌握离散系统的稳定性分析方法，包括绝对稳定性的检验方法和相对稳定性的检验方法

 熟练掌握离散等价方法，包括数值近似法、零极点映射法和保持等价法

 熟练掌握仿真设计的基本步骤，了解运用MATLAB对设计的平价方法

 熟练掌握系统设计的时域、s域和z域设计指标表达方式，以及时域、s域和z域设计指标之间的转换方法，了解运用MATLAB进行指标之间的转换方法

 掌握数字控制器根轨迹直接设计的基本思路和设计方法，了解运用MATLAB进行数字控制器根轨迹设计的方法

 掌握离散系统的频率响应及其特性

 熟练掌握双线性变换的基本方法与频域设计指标表达方式

 熟练掌握数字控制器波特图直接设计基本思路和设计方法，了解运用MATLAB进行数字控制器波特图设计的方法

 了解数字控制器解析设计的基本方法

 熟练掌握数字PID控制的基本算法，熟练掌握数字PID控制器的参数整定思路和基本方法，了解数字PID控制的改进算法

 了解数字控制器实现的基本方法，包括直接程序实现、串行程序实现、并行程序实现和嵌套程序实现等

 了解数字控系统中采样频率的选取方法14～1816

续表

教 学 内 容学习要点及教学要求

课 时 安 排

全部

授课部分

授课

第5章基于极点配置与

状态估计的数字控制器设计

 了解系统状态空间表达的基本方法

 了解离散时间系统状态空间方程求解的基本方法

 了解单输入单输出离散时间系统状态空间表达与脉冲传递函数的关系

 掌握离散时间状态空间系统能控性与能观性判断的基本方法

 掌握离散时间状态空间系统极点配置的基本方法

 掌握设计全阶状态观测器与降阶状态观测器的基本方法

 掌握调节器设计的基本方法

 了解带参考输入的离散时间系统状态空间系统的基本结构

8～100

习题讲解与课堂讨论22

实验实验内容主要涉及基于MATLAB和Simulink软件的控制器设计与仿真。因此，建议学生已学过或自学了MATLAB语言80

教学总学时建议自动化专业（或开设了自动控制原理与现代控制理论课程的自动化相关专业）开设学时40+8或48+8（理论+实验）。其他专业（已开设了自动控制原理课程）开设32学时48～5632

限于作者水平，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。

编者2014年11月

第1章引言与连续控制系统回顾

1.1引言

1.1.1数字控制器的应用领域

1.1.2数字控制系统的基本构成与特点

1.2连续控制系统及其动态特性

1.2.1微分方程

1.2.2拉普拉斯变换与传递函数

1.2.3反馈控制的基本特性

1.2.4反馈系统的稳定性分析

1.2.5时间域设计指标

1.2.6PID控制

1.3根轨迹设计法

1.3.1s域设计指标

1.3.2根轨迹及其画图规则

1.3.3基于根轨迹的控制器设计

1.4频率响应设计法

1.4.1频域设计指标

1.4.2基于波特图的控制器设计

1.5状态空间设计法

1.5.1极点配置方法

1.5.2状态观测器的设计

1.5.3极点配置与观测器的组合： 调节器的设计

1.5.4参考输入与积分控制

1.6本章小结

习题1

参考文献

第2章离散时间系统分析

2.1线性差分方程

2.1.1数字化与差分方程

2.1.2差分方程的求解

2.2z变换与离散传递函数

2.2.1z变换及其性质

2.2.2z变换法求解差分方程

2.2.3结构图描述与分析

2.2.4离散传递函数

2.3离散传递函数与脉冲响应的关系

2.4BIBO稳定

2.5本章小结

习题2

参考文献

第3章采样数据系统

3.1采样与保持

3.1.1对采样数据的分析

3.1.2采样信号的频谱

3.2信号重构

3.2.1数据外推技术

*3.2.2零阶保持对输出信号的影响

3.3采样数据系统的结构图分析

3.4离散模型

3.4.1基于多项式z变换的离散模型

*3.4.2基于状态空间表达的离散模型

3.5本章小结

习题3

参考文献

第4章基于传递函数的数字系统分析与数字控制器设计

4.1s平面对z平面的映射

4.2离散系统的稳定性

4.2.1闭环系统的稳定性分析

4.2.2绝对稳定性的检验方法

4.2.3相对稳定性的检验方法

4.3数字控制器的仿真设计

4.3.1离散等价方法

4.3.2仿真设计及对设计的评价

4.4数字控制器的根轨迹直接设计

4.4.1z域设计指标

4.4.2数字控制器的根轨迹直接设计

4.5数字控制器的频率响应直接设计

4.5.1离散系统的频率响应及其特性

4.5.2双线性变换与频域设计指标

4.5.3数字控制器的波特图直接设计

*4.6数字控制器的解析设计

4.7模拟PID控制器的数字化

4.7.1数字PID控制的基本算法

4.7.2数字PID控制器的参数整定

4.7.3数字PID控制的改进算法

4.8数字控制器的实现

4.8.1直接程序实现法

4.8.2串行程序实现法

4.8.3并行程序实现法

4.8.4嵌套程序实现法

4.8.5采样周期的选择

4.9本章小结

习题4

参考文献

第5章基于极点配置与状态估计的数字控制器设计

5.1离散时间系统的状态空间分析

5.1.1离散时间系统的状态空间表达

5.1.2离散时间状态空间系统的求解

5.1.3脉冲传递函数矩阵

5.1.4离散时间状态空间系统的稳定性

5.2极点配置

5.2.1能控性

5.2.2能观性

5.2.3采样周期与能控性和能观性

5.2.4离散时间状态空间系统的极点配置

5.3状态观测器设计

5.3.1全阶观测器

*5.3.2降阶观测器

5.4带状态观测器的极点配置

5.4.1分离原理

5.4.2控制器特性与系统特性

5.4.3带状态观测器的离散系统极点配置

5.5带参考输入的离散系统极点配置

5.5.1参考输入与控制量相比较后加入

5.5.2参考输入与状态变量相比较后加入

5.5.3参考输入与输出相比较后加入

5.5.4积分控制

5.6本章小结

习题5

参考文献

附录A拉普拉斯变换与z变换表

附录B本书中用到的部分数学公式

附录C本书中用到的部分MATLAB指令和部分Simulink模块

附录D部分习题参考答案

随着计算机技术的迅速发展，目前的工业控制系统、机器人系统或其他电子控制装置基本都采用数字控制器来予以实现。

本书正是针对这种情况，着重对数字控制系统的分析、设计和建模等问题进行了较系统的介绍。尤其以较多的篇幅讨论了数字控制系统的设计方法。

本书内容与工程结合较强，可读性好。全书图文并茂，较为通俗易懂。各章自成体系又融会贯通，可方便读者有选择地学习。

既注重系统性又注重时代性，既系统地介绍了数字控制系统分析与设计方法，又介绍了在该领域中数字化的一些新进展。

控制器设计方面的例题全部基于MATLAB和SIMULINK软件进行了仿真，书中内容以及和各章节后相关习题的编排，注意对学生动手能力的训练与培养。

作者简介

朱晓青，男，1982年毕业于华中科技大学，教授，国务院政府特殊津贴获得者，中国仪器仪表学会过程检测控制仪表分会理事，湖南省仪器仪表学会理事。增主持完成国家“八五”重点科技攻关课题1项、主持完成省部级重点项目2项。获省部级科技进步二等奖2项、三等奖3项、四等奖2项。编写专著《过程检测控制技术与应用》，编写教材《传感器与检测技术》《Fieldbuses and Distributed Technologies for Process Control》，国际国内刊物或会议发表论文30余篇。