这是一本将数字控制系统理论与嵌式发实践通的实用教程。从PID控制、传递函数到状态空间与自适应控制，全书以真实生活问题为驱动，循序渐构建完整数控知识体系。书中融合MATLAB仿真与STM32真机部署，用Python、MicroPython、C三语言贯穿讲解核心算法，让代码在ARM Cortex-M架构的微控制器上运行。无论你是本科生、电子爱好者，还是希望快速上手数字控制发的工程师，都能通过每章实例与习题，轻松掌握从传感器输到控制输出的完整设计流程。
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译者序
前言
第1章 概论
1.1 什么是系统
1.2 什么是控制系统
1.3 关于本书
第2章 本书使用的硬件
2.1 STM32开发板
2.1.1 常规信息
2.1.2 引脚分布
2.1.3 开发板供电和编程
2.2 STM32微控制器
2.2.1 中央处理单元
2.2.2 内存
2.2.3 输入和输出端口
2.2.4 定时器模块
2.2.5 ADC和DAC模块
2.2.6 数字通信模块
2.3 本书使用的系统和传感器
2.3.1 直流电动机
2.3.2 直流电动机驱动扩展板
2.3.3 编码器
2.3.4 FT232模块
2.4 高级应用中使用的设备和传感器
2.4.1 设备
2.4.2 传感器
2.5 总结
习题
第3章 本书使用的软件
3.1 PC端Python
3.1.1 基础操作
3.1.2 数组和矩阵操作
3.1.3 循环操作
3.1.4 条件判断
3.1.5 函数定义和使用
3.1.6 文件操作
3.1.7 Python控制系统库
3.2 STM32微控制器上的MicroPython
3.2.1 安装MicroPython
3.2.2 运行MicroPython
3.2.3 访问微控制器硬件
3.2.4 MicroPython控制系统库
3.3 STM32微控制器上的C代码
3.3.1 在Mbed Studio创建一个新的工程
3.3.2 构建和执行代码
3.3.3 操作微控制器硬件
3.3.4 C控制系统库
3.4 应用：驱动直流电动机
3.4.1 硬件设置
3.4.2 程序
3.4.3 系统的C代码
3.4.4 系统的Python代码
3.4.5 观察输出结果
3.5 总结
习题
第4章 数字控制基础
4.1 数字信号
4.1.1 数学定义
4.1.2 用代码表示数字信号
4.1.3 标准数字信号
4.2 数字系统
4.2.1 数学定义
4.2.2 用代码表示数字系统
4.2.3 数字系统属性
4.3 线性时不变系统
4.3.1 数学定义
4.3.2 LTI系统和常系数差分方程
4.3.3 用代码表示LTI系统
4.3.4 LTI系统连接
4.4 Z变换及其逆变换
4.4.1 Z变换的定义
4.4.2 用Python计算Z变换
4.4.3 Z逆变换的定义
4.4.4 用Python计算Z逆变换
4.5 Z变换和LTI系统
4.5.1 关联常系数差分方程和LTI系统的冲激响应
4.5.2 用Z变换分析LTI系统的稳定性
4.5.3 用代码分析LTI系统的稳定性
4.6 应用Ⅰ：从微控制器获取数字信号，处理离线数据
4.6.1 硬件设置
4.6.2 程序
4.6.3 系统的C代码
4.6.4 系统的Python代码
4.6.5 观察输出结果
4.7 应用Ⅱ：从微控制器获取数字信号，处理实时数据
4.7.1 硬件设置
4.7.2 程序
4.7.3 系统的C代码
4.7.4 系统的Python代码
4.7.5 观察输出结果
4.8 总结
习题
第5章 模拟与数字信号转换
5.1 将模拟信号转换为数字信号
5.1.1 ADC的数学推导
5.1.2 ADC的代码实现
5.2 将数字信号转换为模拟信号
5.2.1 DAC的数学推导
5.2.2 DAC的代码实现
5.3 将模拟系统数字化
5.3.1 零极点匹配法
5.3.2 零阶保持器等价法
5.3.3 双线性变换法
5.4 应用：激发与仿真RC滤波器
5.4.1 硬件设置
5.4.2 程序
5.4.3 系统的C代码
5.4.4 系统的Python代码
5.4.5 观察输出结果
5.5 总结
习题
第6章 构建系统的传递函数
6.1 数学建模得到传递函数
6.1.1 基本电气和机械组件
6.1.2 构造系统的微分方程
6.1.3 从微分方程到传递函数
6.2 时域系统识别传递函数
6.2.1 基本原理
6.2.2 程序
6.2.3 使用STM32微控制器进行数据获取
6.2.4 使用MATLAB在时域进行系统识别
6.3 频域系统识别传递函数
6.3.1 基本原理
6.3.2 程序
6.3.3 使用MATLAB在频域进行系统识别
6.4 应用：获取直流电动机的传递函数
6.4.1 数学建模
6.4.2 时域系统识别
6.4.3 频域系统识别
6.5 总结
习题
第7章 基于传递函数的控制系统分析
7.1 系统性能分析
7.1.1 时域分析
7.1.2 频域分析
7.1.3 复平面分析
7.2 开环控制对系统性能的影响
7.2.1 什么是开环控制
7.2.2 使用开环控制提升系统性能
7.3 闭环控制对系统性能的影响
7.3.1 什么是闭环控制
7.3.2 使用闭环控制提升系统性能
7.4 应用：在直流电动机中添加开环数字控制器
7.4.1 硬件设置
7.4.2 程序
7.4.3 系统的C代码
7.4.4 系统的Python代码
7.4.5 观察输出结果
7.5 总结
习题
第8章 基于传递函数的控制器设计
8.1 PID控制器结构
8.1.1 P控制器
8.1.2 PI控制器
8.1.3 PID控制器
8.1.4 参数整定方法
8.2 用Python设计PID控制器
8.2.1 参数整定
8.2.2 控制器设计
8.2.3 P控制器、PI控制器和PID控制器设计的对比
8.3 滞后-超前控制器结构
8.3.1 滞后控制器
8.3.2 超前控制器
8.3.3 滞后-超前控制器
8.4 用MATLAB设计滞后-超前控制器
8.4.1 控制系统设计工具
8.4.2 在复平面进行控制器设计
8.4.3 频域控制器设计
8.5 应用：在直流电动机中添加闭环数字控制器
8.5.1 硬件设置
8.5.2 程序
8.5.3 系统的C代码
8.5.4 系统的Python代码
8.5.5 观察输出结果
8.6 总结
习题
第9章 基于状态空间的控制系统分析
9.1 状态空间法
9.1.1 状态的定义
9.1.2 为什么采用状态空间表示
9.2 LTI系统的状态空间方程表示
9.2.1 连续时间域状态空间方程
9.2.2 离散时间域状态空间方程
9.2.3 离散时间域状态空间方程的代码表示
9.3 状态空间和传递函数表示之间的转换
9.3.1 从传递函数到状态空间方程
9.3.2 从状态空间方程到传递函数
9.4 系统状态空间表示的特征
9.4.1 时域分析
9.4.2 稳定性
9.4.3 可控性
9.4.4 可观测性
9.5 应用：观察直流电动机的实时状态
9.5.1 硬件设置
9.5.2 程序
9.5.3 系统的C代码
9.5.4 系统的Python代码
9.5.5 观察输出结果
9.6 总结
习题
第10章 基于状态空间的控制器设计
10.1 一般过程
10.1.1 基于控制的状态值
10.1.2 调节器结构
10.1.3 控制器结构
10.1.4 如果状态不能直接测量怎么办
10.2 通过极点配置设计调节器和控制器
10.2.1 极点配置
10.2.2 调节器设计
10.2.3 调节器增益的阿克曼公式
10.2.4 控制器设计
10.2.5 控制器增益的阿克曼公式
10.3 用Python设计调节器和控制器
10.3.1 调节器设计
10.3.2 控制器设计
10.4 状态观测器设计
10.4.1 数学推导
10.4.2 观测器增益的阿克曼公式
10.5 用Python通过观测器进行调节器和控制器设计
10.5.1 观测器设计
10.5.2 基于观测器的调节器设计
10.5.3 基于观测器的控制器设计
10.6 应用：基于直流电动机控制的状态空间
10.6.1 硬件设置
10.6.2 程序
10.6.3 系统的C代码
10.6.4 系统的Python代码
10.6.5 观察输出结果
10.7 总结
习题
第11章 自适应控制
11.1 什么是自适应控制
11.2 参数估计
11.3 间接自校正调节器
11.3.1 反馈ISTR设计
11.3.2 反馈和前馈ISTR设计
11.4 参考模型自适应控制
11.5 应用：直流电动机的实时参数估计
11.5.1 硬件设置
11.5.2 程序
11.5.3 系统的C代码
11.5.4 观察输出结果
11.6 总结
习题
第12章 高级应用
12.1 非线性控制
12.1.1 用MATLAB进行非线性系统识别
12.1.2 非线性系统输入/输出示例
12.1.3 增益调度示例
12.1.4 扁平系统示例
12.1.5 相位图示例
12.2 最优控制
12.2.1 线性二次型调节器
12.2.2 连续时间LQR示例
12.2.3 直流电动机LQR
12.3 鲁棒控制
12.4 分布式控制
12.4.1 硬件和软件设置
12.4.2 程序
12.5 自动调光器
12.5.1 硬件设置
12.5.2 程序
12.6 从直流电动机构造伺服电动机
12.6.1 硬件设置
12.6.2 程序
12.7 视觉伺服
12.7.1 硬件设置
12.7.2 程序
12.8 智能平衡滑板
12.8.1 硬件设置
12.8.2 程序
12.9 直线跟随机器人
12.9.1 硬件设置
12.9.2 程序
12.10 有源噪声消除
12.10.1 硬件设置
12.10.2 程序
12.11 太阳追踪太阳能电池板
12.11.1 硬件设置
12.11.2 程序
12.12 扬声器的系统识别
12.12.1 硬件设置
12.12.2 程序
12.13 基于珀尔帖的水冷却器
12.13.1 硬件设置
12.13.2 程序
12.14 永磁同步电动机的控制
12.14.1 硬件设置
12.14.2 程序
附录 STM32开发板引脚使用表
参考文献
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