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第1章 计算机控制系统概述 1

1.1 计算机控制系统的特征与组成 1

1.1.1 计算机控制系统的特征与工作原理 1

1.1.2 计算机控制系统的工作原理 4

1.1.3 计算机控制系统的硬件组成 5

1.1.4 计算机控制系统软件 6

1.2 计算机控制系统的分类 7

1.2.1 操作指导控制系统 7

1.2.2 直接数字控制系统 7

1.2.3 监督计算机控制系统 8

1.2.4 集散控制系统 9

1.2.5 现场总线控制系统 9

1.2.6 计算机集成制造系统 10

1.2.7 物联网控制系统 11

1.3 计算机控制的发展状况与发展趋势 12

1.3.1 计算机控制系统的发展过程 12

1.3.2 计算机控制理论的发展概况 13

1.3.3 计算机控制系统的发展趋势 16

1.4 人工智能的发展 17

1.5 德国工业4.0与中国制造2025 18

习题 19

第2章 计算机控制系统的硬件设计技术 20

2.1 计算机控制系统常用主机 21

2.1.1 工业控制计算机（IPC） 21

2.1.2 可编程控制器（PLC） 34

2.1.3 嵌入式系统 37

2.2 数字量输入／输出通道 41

2.2.1 数字量输入／输出接口技术 41

2.2.2 数字量输入通道（DI） 42

2.2.3 数字量输出通道（DO） 43

2.2.4 数字量输入／输出通道设计 43

2.3 模拟量输入通道 45

2.3.1 模拟量输入通道的组成 45

2.3.2 信号调理和I/V变换 45

2.3.3 多路转换器 47

2.3.4 前置放大器 48

2.3.5 采样保持器 49

2.3.6 常用A/D转换器 50

2.3.7 A/D转换器接口设计 51

2.3.8 模拟量输入通道设计 53

2.4 模拟量输出通道 55

2.4.1 模拟量输出通道的结构形式 55

2.4.2 常用的D/A转换器 56

2.4.3 D/A转换器接口电路 58

2.4.4 D/A转换器的输出形式 61

2.4.5 V/I变换 61

2.4.6 模拟量输出通道设计 62

2.5 计算机控制系统硬件抗干扰技术 64

2.5.1 硬件抗干扰技术分析 64

2.5.2 过程通道抗干扰技术分析 66

2.5.3 主机抗干扰技术 70

2.5.4 供电技术与接地技术 71

2.6 工业控制网络技术简介 73

2.6.1 集散控制系统（DCS） 73

2.6.2 DCS的层次结构 73

2.6.3 现场总线控制系统（FCS） 74

2.6.4 工业以太网 75

习题 75

第3章 计算机控制系统的分析 77

3.1 离散系统的稳定性分析 77

3.1.1 s平面与z平面的关系 78

3.1.2 离散系统输出响应的一般关系式 80

3.1.3 Routh稳定性准则在离散系统中的应用 81

3.1.4 基于MATLAB的系统稳定性分析 82

3.2 离散系统的过渡响应分析 84

3.3 离散系统的稳态准确度分析 90

3.3.1 离散系统的稳态误差 90

3.3.2 典型信号r（k）作用下系统的稳态误差 91

3.3.3 干扰作用下的离散稳态误差 93

3.3.4 采样周期对稳态误差的影响 93

3.4 离散系统的输出响应 96

3.4.1 离散系统在采样点间的响应 96

3.4.2 被控对象含延时的输出响应 97

3.5 离散系统的根轨迹分析法 99

3.6 离散系统的频域分析法 101

习题 103

第4章 数字控制技术 106

4.1 数字控制系统 106

4.1.1 数字控制系统的组成 106

4.1.2 数字控制原理 107

4.1.3 数字控制系统的分类 108

4.1.4 伺服控制系统 109

4.2 逐点比较法插补原理 110

4.2.1 逐点比较法直线插补 111

4.2.2 逐点比较法圆弧插补 114

4.3 步进电动机伺服控制技术 116

4.3.1 步进伺服系统的构成 116

4.3.2 步进电动机的工作原理 117

4.3.3 步进电动机的工作方式 118

4.3.4 步进电动机IPC工控机控制技术 119

4.3.5 步进电动机单片机控制技术 121

4.4 直流伺服电动机伺服控制技术 123

4.4.1 直流伺服电动机的工作原理 123

4.4.2 直流伺服电动机的驱动与控制 124

习题 127

第5章 常规及复杂控制技术 128

5.1 数字控制器的模拟化设计 129

5.1.1 数字控制器的模拟化设计步骤 129

5.1.2 数字PID控制器 132

5.1.3 数字PID控制器的改进 135

5.1.4 数字PID控制参数的整定 139

5.2 数字控制器的离散化设计 143

5.2.1 数字控制器的离散化设计步骤 143

5.2.2 最少拍控制器的设计 144

5.2.3 最少拍有纹波控制器的设计 148

5.2.4 最少拍无纹波控制器的设计 149

5.3 纯滞后控制技术 151

5.3.1 达林算法 151

5.3.2 振铃现象的消除 154

5.3.3 SMITH预估控制 155

5.4 串级控制 157

5.4.1 串级控制的结构和原理 157

5.4.2 数字串级控制算法 158

5.5 前馈-反馈控制 159

5.5.1 前馈-反馈复合控制系统的结构 159

5.5.2 前馈-反馈控制算法 160

5.6 采用状态空间的输出反馈设计法 161

5.6.1 连续状态方程的离散化 162

5.6.2 最少拍无纹波系统的跟踪条件 162

5.6.3 输出反馈设计法的设计步骤 163

5.7 采用状态空间的极点配置设计法 165

5.8 按极点配置设计 165

5.8.1 按极点配置设计控制规律 165

5.8.2 按极点配置设计状态观测器 166

5.8.3 按极点配置设计控制器 168

5.8.4 跟踪系统设计 169

习题 170

第6章 先进控制技术 171

6.1 模糊控制技术 171

6.1.1 模糊控制的数学基础 172

6.1.2 模糊控制基础理论 176

6.1.3 模糊控制的基本原理 179

6.1.4 模糊控制器的设计 182

6.2 神经网络控制技术 185

6.2.1 神经网络的基本原理和结构 185

6.2.2 神经网络控制 185

习题 187

第7章 计算机控制系统软件设计技术 188

7.1 软件设计技术 188

7.1.1 软件设计的方法 189

7.1.2 计算机控制系统软件设计 191

7.1.3 监控组态软件 193

7.2 测量数据预处理技术 196

7.2.1 系统误差的自动校准 196

7.2.2 线性化处理 197

7.2.3 标度变换 199

7.2.4 插值算法 201

7.2.5 越限报警处理 203

7.3 软件抗干扰技术 203

7.3.1 数字滤波技术 204

7.3.2 输入／输出数字量的软件抗干扰技术 208

7.3.3 指令冗余技术 208

7.3.4 软件陷阱技术 209

7.4 数字PID控制器的工程实现 209

7.4.1 给定值处理 209

7.4.2 被控量处理 210

7.4.3 偏差处理 211

7.4.4 控制算法的实现 212

7.4.5 控制量处理 212

7.4.6 自动／手动切换 213

习题 214

第8章 计算机控制系统的设计与实现 216

8.1 系统设计的原则与步骤 216

8.1.1 系统设计的原则 216

8.1.2 系统设计的步骤 217

8.2 系统的工程设计与实现 219

8.2.1 总体方案设计 219

8.2.2 硬件的工程设计和实现 220

8.2.3 软件的工程设计和实现 221

8.2.4 系统的运行调试 222

8.3 电热油炉温度单片机控制系统的设计 223

8.3.1 控制任务与工艺要求 223

8.3.2 硬件系统详细设计 224

8.3.3 PID算法及参数整定 226

8.3.4 软件设计 226

习题 233

参考文献 234