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第1章 计算机控制系统概论1

1.1 模拟电路控制与计算机控制1

1.1.1 模拟电路控制过程与控制系统2

1.1.2 计算机控制系统3

1.1.3 计算机控制的技术优势3

1.2 计算机控制系统的发展历程4

1.3 计算机控制系统的典型形式8

1.3.1 操作指导式计算机控制系统8

1.3.2 直接数字控制系统8

1.3.3 计算机监督控制系统9

1.3.4 集散型计算机控制系统11

1.3.5 现场总线控制系统12

1.3.6 计算机递阶控制系统13

1.4 计算机控制系统构成的基本要素14

1.4.1 硬件系统14

1.4.2 软件系统16

1.4.3 通信链路16

1.5 计算机控制系统设计方法论16

1.5.1 控制系统与控制理论17

1.5.2 控制系统设计的一般方法17

1.5.3 人-机系统中计算机装置的角色和作用20

1.6 计算机控制系统的可靠性、安全性与容错性22

1.6.1 系统的可靠性22

1.6.2 系统的安全性23

1.6.3 系统的容错性24

1.7 本书主要研究内容与结果27

第2章 计算机控制系统多面向建模29

2.1 预备知识：Z-变换与L-变换29

2.1.1 Z-变换29

2.1.2 Z-反变换29

2.1.3 L-变换30

2.1.4 L-反变换30

2.2 计算机控制系统的信号转换31

2.3 面向被控对象的系统建模32

2.3.1 输入-输出过程模型32

2.3.2 动态测量系统的状态空间模型34

2.3.3 输入-输出与状态空间的模型转换35

2.4 面向计算机装置的系统建模40

2.4.1 输入-输出差分方程模型40

2.4.2 离散时间状态空间模型41

2.4.3 线性定常系统传递函数与特征方程的不变性46

2.4.4 连续时间系统的采样离散化模型48

2.5 带随机分量的计算机控制系统数学模型53

2.5.1 带随机分量的CAR与CARMA模型54

2.5.2 带随机分量的状态空间模型54

2.6 过程故障与故障过程的数学建模55

2.6.1 计算机控制系统故障分析55

2.6.2 故障分量模型58

2.6.3 带故障过程的数学建模59

2.7 小结60

第3章 过程参数的容错辨识技术61

3.1 系统辨识与系统容错辨识概论61

3.2 渐近二次偏改变灵敏度与Minmax估计63

3.2.1 GLS估计族64

3.2.2 渐近二次偏改变灵敏度65

3.2.3 基于ASBS的Minmax估计65

3.2.4 Minmax估计在CAR过程中的应用67

3.3 CAR过程的递阶容错辨识68

3.3.1 模型系数的递阶LS估计68

3.3.2 误差方差的递阶估计69

3.3.3 CAR模型的自适应定阶与建模71

3.4 受控自回归模型系数的在线容错辨识72

3.4.1 线性模型参数的有界影响容错辨识72

3.4.2 受控自回归模型系数的在线LS辨识77

3.4.3 受控自回归模型参数的在线容错辨识78

3.5 小结79

第4章 过程采样与容错滤波技术80

4.1 数据采集与信号获取80

4.1.1 测控系统数据采样80

4.1.2 测控数据信号获取81

4.1.3 频率混叠与前置滤波83

4.2 几种简易容错滤波算法84

4.2.1 数字滤波简介84

4.2.2 几种简易数字滤波算法85

4.2.3 不同滤波算法的比较分析88

4.2.4 常用数值滤波算法的容错改进91

4.2.5 容错改进效果的仿真分析92

4.3 双重中值容错滤波器的设计与仿真94

4.3.1 双重中值容错滤波算法设计94

4.3.2 双重中值容错滤波的崩溃点分析95

4.3.3 滤波算法去噪性能的仿真分析96

4.3.4 双重中值容错滤波容错能力的仿真分析97

4.4 采样信号的检错与纠错99

4.4.1 平稳序列的检错与纠错99

4.4.2 非平稳序列的检错与纠错100

4.4.3 门限参数的设定方法101

4.5 小结101

第5章 离散时间信号容错重构算法102

5.1 几种典型重构方法简介102

5.1.1 Shannon重构102

5.1.2 零阶保持103

5.1.3 一阶保持103

5.1.4 预测一阶保持103

5.2 二阶无偏保持与二阶无偏容错保持104

5.2.1 采样时间序列的三点插值104

5.2.2 一步预报与二阶无偏保持104

5.2.3 二阶保持算法的容错改进105

5.3 容错递推预测与信号容错重构106

5.3.1 模型系数递推LS估计106

5.3.2 模型系数的递推容错辨识107

5.3.3 基于一步容错递推预测的二阶容错重构107

5.4 小结108

第6章 系统状态的容错重构109

6.1 采样故障数据模型109

6.2 状态Kalman滤波的容错能力分析111

6.2.1 状态Kalman滤波的抗野值能力分析111

6.2.2 状态Kalman滤波的抗模型扰动能力分析113

6.3 状态向量M-型滤波重构算法114

6.3.1 状态M-型滤波114

6.3.2 状态M-型滤波的迭代算法115

6.3.3 迭代算法收敛性定理的论证116

6.4 状态向量有界影响滤波118

6.4.1 过失误差对Kalman滤波的影响分析118

6.4.2 含野值样本序列的处理对策119

6.4.3 最佳Φk（·）函数的选取120

6.4.4 仿真计算123

6.5 小结124

第7章 系统巡回检测的容错设计125

7.1 巡回检测系统的处理逻辑和局限性125

7.2 设定值控制系统容错巡回检测算法126

7.2.1 平稳过程的滑动中值巡回检测算法127

7.2.2 平稳过程的容错均值巡回检测算法127

7.3 操作指导式控制系统循环容错检测算法128

7.3.1 自适应巡回检测的基本思路129

7.3.2 操作指导信号的模型逼近129

7.3.3 操作指导信号的容错滤波估计131

7.3.4 操作指导式自适应巡回容错检测算法132

7.4 操作指导式控制系统容错算法仿真分析133

7.5 小结134

第8章 数字PID控制的容错设计135

8.1 模拟PID与数字PID135

8.1.1 模拟PID控制135

8.1.2 数字PID控制136

8.2 增量型数字PID控制算法设计与整定138

8.2.1 基于一阶差分与矩形积分的增量型数值PID138

8.2.2 基于一阶差分与梯形积分的增量型数值PID139

8.2.3 基于插值微分与梯形积分的增量型数值PID139

8.3 数字PID控制算法的容错设计140

8.3.1 有效偏差PID算法140

8.3.2 有限偏差PID算法142

8.4 小结143

第9章 随机系统的最优容错控制144

9.1 最优容错控制设计概述144

9.2 LQG控制与Kalman预报145

9.2.1 线性系统LQG控制146

9.2.2 状态向量的Kalman预报146

9.3 状态容错预报与过程容错控制147

9.4 小结149

第10章 系统冗余与容错控制150

10.1 计算机控制系统的冗余与容错150

10.2 冗余的典型形式和类别151

10.2.1 直接冗余与硬件冗余151

10.2.2 软件冗余与解析冗余152

10.2.3 数据冗余与信息冗余153

10.2.4 时间冗余与通信链路冗余155

10.3 基于冗余的主动容错与被动容错155

10.3.1 被动容错156

10.3.2 主动容错156

10.4 几种典型的冗余式容错控制系统设计157

10.4.1 基于硬件冗余与静态冗余的容错设计158

10.4.2 基于功能冗余的容错设计160

10.4.3 基于自动检测的容错设计161

10.4.4 基于自动切换的容错设计161

10.4.5 基于自动恢复的容错设计162

10.4.6 基于动态冗余的容错设计162

10.4.7 基于软-硬件混合冗余的容错设计163

10.4.8 基于软件N版本和块复员的容错设计164

10.5 小结164

第11章 容错技术在航天姿态控制中的应用165

11.1 问题描述165

11.2 姿态控制问题的数学建模166

11.3 基于有界影响辨识的姿态容错估计167

11.3.1 随机误差协方差阵的容错估计167

11.3.2 姿态角修正量和测姿固偏的最小二乘估计168

11.3.3 姿态角修正量和测姿固偏的在线容错估计170

11.3.4 飞行器姿态角的容错估计171

11.4 基于容错Kalman滤波的姿态容错控制172

11.4.1 状态空间模型的建立172

11.4.2 状态向量的Kalman滤波算法173

11.4.3 状态向量的容错Kalman滤波算法173

11.5 小结174

参考文献175