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第一篇 计算机控制系统的分析与设计计算 1

第一章 绪论 1

第一节 计算机控制系统的一般概念 1

一、计算机控制系统的特点 1

二、计算机控制系统的控制规律 3

第二节 计算机控制系统的组成 4

一、硬件 4

二、软件 5

第三节 计算机控制系统的类型 5

一、计算机数据采集与处理系统 5

二、计算机操作指导控制系统 5

五、计算机分级控制系统 6

四、计算机监督控制系统(SCC) 6

三、直接数字控制系统(DDC) 6

六、计算机分布控制系统 7

第二章 计算机控制系统的基本分析方法 9

第一节 信号变换分析 9

一、计算机控制系统中信号变换的概念 9

二、采样过程及采样信号的数学表示 10

三、采样定理 12

四、信号保持器 13

第二节 差分方程 16

一、差分方程的一般概念 16

二、差分方程的求解 17

一、z变换的定义 18

第三节 z变换 18

二、z变换的性质和定理 20

三、z反变换 22

四、用z变换求解差分方程 24

第四节 脉冲传递函数 25

一、脉冲传递函数的定义 25

二、由传递函数求脉冲传递函数 26

三、多个环节组合的脉冲传递函数 28

第五节 扩展z变换 32

第六节 线性离散控制系统稳定性分析 34

一、线性离散控制系统的稳定条件 34

二、劳斯-霍尔维茨(Routh-Hurwith)稳定判据 35

三、采样周期T对离散闭环系统稳定性的影响 37

四、开环放大倍数K对闭环离散系统稳定性的影响 38

第三章 数字控制器的经典法设计 39

第一节 数字控制器的间接设计法 39

一、差分近似法 39

二、双线性变换法 40

三、阶跃响应不变法与脉冲响应不变法 43

四、极点-零点对应法 43

第二节 比例积分微分(PID)数字控制器的间接法设计 44

一、数字PID控制原理 44

二、实际数字PID控制算式 46

三、带死区的PID控制 48

四、对象具有纯滞后的PID控制 48

五、PID数字控制器设计举例及参数选择 50

第三节 数字控制器的直接解析设计法 54

一、解析法设计原理 54

二、最少拍系统的解析设计 55

三、数字控制器D(z)的限制条件 58

四、最少拍无波纹系统 60

第四节 数字控制器的z域根轨迹设计法 62

一、z平面上极点分布与系统瞬态特性的关系 62

二、z域根轨迹设计法 67

三、数字校正网络的根轨迹法设计 68

第五节 ω′平面上的频域设计法 69

一、z平面与ω′平面的变换 69

二、数字控制器的频域表示 71

三、数字控制器的频域设计 73

第四章 数字控制器的状态变量法设计 76

第一节 离散控制系统的状态方程 76

一、线性离散系统的状态方程描述 76

二、连续系统的离散状态方程 77

三、高阶差分方程化为状态方程 78

四、离散系统的特征方程 79

五、离散状态方程求解 79

六、状态转移矩阵及其计算方法 80

七、离散系统的脉冲传递矩阵 83

第二节 离散控制系统的可控性、可达性和可观测性、可构造性 83

一、可控性和可达性 83

二、可观测性和可构造性 85

第三节 计算机控制采用状态反馈的极点配置设计 86

一、用状态反馈达到极点配置 86

二、状态观测器设计 87

三、降阶观测器 91

第四节 离散二次型最优控制 92

一、离散二次型最优控制问题 92

二、离散二次型最优控制设计 94

第五章 实现数字控制器设计的有关问题 98

第一节 被控对象数学模型的建立 98

一、基本概念 98

二、最小二乘法参数估计 99

三、系统辨识的相关分析法 103

四、用飞升曲线法求取数学模型 106

第二节 数字控制器D(z)的实现 108

一、直接法 108

二、串联法 109

三、并联法 111

第三节 量化误差及其影响 113

一、量化误差的基本概念 113

二、量化噪声的统计分析方法 114

三、系数误差及其对控制器动态的影响 117

第四节 字长与采样周期的选择 120

一、字长的选择 120

二、采样周期的选择 122

一、MCS-51单片机的结构及主要组成 125

第一节 单片微型计算机 125

第六章 微机控制系统的输入输出接口与通讯 125

第二篇 微型计算机控制系统的设计与实现 125

二、MCS-51的指令系统 131

三、I/O口和存贮器读写 132

四、中断系统 136

五、MCS-96单片微型机 138

第二节 微机控制系统的I/O接口及通讯设计 139

一、概述 139

二、并行I/O接口的应用 143

三、串行I/O接口及串行通讯 151

第三节 多微机控制系统的互连与通讯 161

一、概述 161

二、多微机系统的互连结构 162

三、多微机控制系统的通讯 163

第七章 微型计算机控制系统的输入输出过程通道 166

第一节 模拟量输入输出通道原理及组成 166

一、概述 166

二、信号调理装置 167

三、模拟多路开关 169

四、采样保持器 170

第二节 数/模转换器与模/数转换器 172

一、数/模转换器 172

二、模/数转换器 177

第三节 数字量输入输出通道 184

一、数字量输入通道 184

二、脉冲量输出通道 186

第四节 开关量输入输出通道 187

一、开关量输入 187

二、开关量输出 188

第八章 微型计算机控制系统的设计与调试 190

第一节 微型计算机控制系统的设计步骤 190

一、系统设计分析 190

二、求取系统数学模型和确定控制算法 190

三、系统总体设计 190

四、硬件、软件设计及调试 192

第二节 微型计算机板级系统设计 193

一、微型机总线的一般概念 193

二、STD总线 195

三、STD板级系统 199

第三节 微型计算机控制系统的软件设计 201

一、概述 201

二、操作系统 202

三、应用软件 206

第四节 微型计算机控制系统的可靠性技术 210

一、提高元器件的可靠性 211

二、冗余技术 212

三、采取抗干扰措施 213

四、故障的检测与解除 215

五、采用软件可靠性技术 216

第五节 微型计算机开发系统及其使用 217

一、微型计算机开发系统的一般概念 217

二、微型计算机开发系统的基本功能 218

三、微型计算机开发系统应用举例 219

四、微型计算机控制系统硬件的开发工具 222

第三篇 计算机控制系统的应用 223

第九章 计算机过程控制与电动机调速系统 223

第一节 计算机温度过程控制系统 223

一、工艺要求 223

二、系统组成及工作原理 223

三、系统硬件 224

四、数字控制器设计 233

五、程序设计 237

第二节 微型计算机控制的电动机调速系统 240

一、晶闸管数字触发器 241

二、电流、速度双闭环数字控制器的设计 247

第三节 微型计算机调速系统举例 251

一、微型计算机的选择 251

二、系统中各环节的设计 252

三、调速系统的应用程序设计 253

第十章 计算机顺序控制与数字程序控制 256

第一节 计算机顺序控制系统 256

一、顺序控制概述 256

二、计算机顺序控制应用举例 257

第二节 可编程序控制器 260

一、概述 260

二、可编程序控制器的基本组成及工作原理 260

三、可编程序控制器使用要点 262

四、可编程序控制器编程指令 265

五、程序设计举例 266

第三节 数字程序控制系统 269

一、概述 269

二、“插补”控制原理 271

三、步进电机控制 283

第四节 数字程序控制系统举例 286

一、系统结构 286

二、加工编程 289

三、控制程序 291

一、概述 293

二、织机计算机监测系统的结构 293

第一节 系统结构及原理 293

第十一章 开关量数据采集与处理系统 293

第二节 过程级子系统 294

一、过程级子系统功能 294

二、过程级子系统的硬件设计 295

三、过程级子系统的软件设计 300

第三节 数据通讯 304

—、概述 304

二、通讯管理及接口 304

三、通讯软件结构 305

第四节 监控级子系统 306

一、监控级子系统的功能 306

二、数据处理的模型及流程 307

三、监控级子系统的软件设计 308

主要参考文献 309