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第1章 绪论 1

1.1 计算机控制系统概述 1

1.1.1 一般概念 2

1.1.2 系统的组成 3

1.1.3 系统的典型结构 5

1.2 计算机控制系统性能 8

1.2.1 系统性能指标 8

1.2.2 控制对象对控制性能的影响 9

1.3 计算机控制系统的发展概况与趋势 9

1.3.1 发展概况 9

1.3.2 发展趋势 11

思考题与习题 12

第2章 输入输出接口与过程通道技术 13

2.1 输入输出过程通道概述 13

2.2 模拟量输入通道 14

2.2.1 信号调理 14

2.2.2 多路转换开关 22

2.2.3 可编程增益放大器 24

2.2.4 采样保持器 25

2.2.5 A/D转换器 29

2.2.6 模拟量输入通道设计举例 33

2.3 模拟量输出接口与通道 35

2.3.1 模拟量输出通道 35

2.3.2 D/A转换器及其接口 36

2.3.3 电压／电流转换器 39

2.4 数字量（开关量）输入输出通道 41

2.4.1 数字量（开关量）输入输出通道概述 41

2.4.2 数字量（开关量）输入通道 41

2.4.3 数字量（开关量）输出通道 43

2.5 过程通道的抗干扰与可靠性设计 45

2.5.1 干扰源与干扰的耦合 45

2.5.2 过程通道抗干扰措施 48

2.6 测量数据的预处理 52

2.6.1 数字滤波 52

2.6.2 其他数据预处理 55

2.7 输入输出通道模板实例 58

2.7.1 多功能输入输出板卡 58

2.7.2 IPC开关量输入输出通道 61

思考题与习题 62

第3章 工业控制计算机 63

3.1 工业控制计算机的特点与组成结构 63

3.1.1 工业控制计算机的特点 63

3.1.2 工业控制计算机的组成结构和分类 64

3.2 工业控制计算机的总线结构 67

3.2.1 总线结构概述及分类 67

3.2.2 常用内部总线 68

3.2.3 常用外部总线 79

3.3 总线型工业控制计算机 86

3.3.1 IPC工业控制机 86

3.3.2 DCS现场控制站 89

3.4 工业控制器与测控装置 93

3.4.1 可编程序控制器 93

3.4.2 嵌入式工控机 97

3.4.3 单元式控制器 103

3.4.4 智能测控仪表 106

思考题与习题 111

第4章 计算机控制系统的理论基础 113

4.1 信号的采样与保持 114

4.1.1 采样过程 114

4.1.2 采样过程的数学描述及特性分析 115

4.1.3 信号保持 116

4.1.4 采样定理 116

4.2 Z变换理论 117

4.2.1 Z变换定义 118

4.2.2 Z变换性质 118

4.2.3 Z变换方法 121

4.2.4 Z反变换 122

4.3 计算机控制系统的数学描述 124

4.3.1 差分方程及其求解 124

4.3.2 脉冲传递函数 126

4.4 计算机控制系统的分析 129

4.4.1 计算机控制系统的稳定性分析 129

4.4.2 计算机控制系统的稳态误差分析 132

4.4.3 计算机控制系统的性能指标 134

4.5 连续系统的离散化 135

4.5.1 连续系统的离散化方法及特点 135

4.5.2 MATLAB在连续域—离散域变换中的应用 136

4.5.3 采样周期及保持器对离散系统的影响 140

思考题与习题 141

第5章 数字PID控制算法 144

5.1 准连续PID控制算法 144

5.1.1 模拟PID调节器 144

5.1.2 基本数字PID控制 145

5.2 数字PID控制的改进 147

5.2.1 积分项的改进 147

5.2.2 微分项的改进 149

5.2.3 其他改进算法 151

5.3 数字PID参数的整定 152

5.3.1 PID控制器参数对控制性能的影响 152

5.3.2 控制周期的选取 155

5.3.3 PID控制参数的工程整定法 156

5.3.4 PID控制参数的自整定法 158

5.4 数字PID控制器的工程实现 160

5.4.1 给定值处理 160

5.4.2 被控量处理 161

5.4.3 偏差处理 162

5.4.4 PID计算 163

5.4.5 控制量处理 163

5.4.6 自动／手动切换 164

5.4.7 无扰动切换 165

5.4.8 PID控制块参数表 165

5.5 MATLAB在数字PID控制器设计中的应用 166

5.5.1 PID控制算法的M文件编写 166

5.5.2 利用Simulink设计数字PID控制器 167

思考题与习题 168

第6章 复杂控制算法 169

6.1 数字控制器设计原理 169

6.2 最小拍控制系统的设计 170

6.2.1 最小拍控制原理 170

6.2.2 最小拍控制器设计的稳定性问题 174

6.2.3 无纹波最小拍控制系统设计 176

6.2.4 有限拍控制 177

6.2.5 惯性因子法 179

6.3 纯滞后控制 180

6.3.1 施密斯预估控制 181

6.3.2 大林算法 183

6.4 常用多回路控制 186

6.4.1 串级控制 186

6.4.2 前馈-反馈控制 188

6.5 模型预测控制 191

6.5.1 模型预测控制的基本原理 191

6.5.2 模型算法控制 192

6.5.3 动态矩阵控制 196

6.5.4 预测控制软件包 200

6.6 模糊控制 203

6.6.1 模糊控制概述 203

6.6.2 模糊控制的数学基础 204

6.6.3 模糊控制系统的结构与原理 213

6.6.4 模糊控制器的设计步骤与方法 216

6.6.5 模糊控制器的改进 221

6.6.6 MATLAB在模糊控制器设计中的应用 222

思考题与习题 225

第7章 计算机控制系统的软件设计 227

7.1 计算机控制系统软件概述 227

7.1.1 计算机控制系统软件的组成 227

7.1.2 计算机控制系统软件的功能 228

7.2 实用数据结构 228

7.2.1 数据结构基本概念 228

7.2.2 实用数据结构算法 234

7.3 实时数据库技术 237

7.3.1 数据库技术概述 237

7.3.2 计算机控制系统中的实时数据库 242

7.3.3 实时数据库的设计 243

7.4 计算机控制系统的软件设计 245

7.4.1 计算机控制系统应用软件设计的需求 246

7.4.2 计算机控制系统操作系统的选择 246

7.4.3 计算机控制系统应用程序开发平台 250

7.4.4 计算机控制系统实时数据库的选择 251

7.4.5 计算机控制系统应用软件的构建 251

7.4.6 计算机控制系统应用软件编程的基本方法 253

7.4.7 实时控制程序的结构设计 254

7.5 工控组态软件 255

7.5.1 工控组态软件概述 255

7.5.2 工控组态软件的组成与特点 256

7.5.3 工控组态软件开发及调试 258

7.5.4 用工控组态软件构建应用控制软件的基本步骤 261

思考题与习题 262

第8章 分布式计算机控制系统 263

8.1 概述 263

8.1.1 系统的基本组成 263

8.1.2 系统的特点 264

8.1.3 系统的发展 265

8.2 分布式控制系统（DCS）的体系结构 268

8.2.1 DCS的层次结构 268

8.2.2 DCS的硬件结构 270

8.2.3 DCS的软件结构 271

8.2.4 DCS的网络结构 275

8.3 分布式控制系统基本类型 275

8.3.1 集散型控制系统 275

8.3.2 集散型控制系统存在的问题 278

8.3.3 基于IPC构成的分布式控制系统 278

8.3.4 基于PLC构成的分布式控制系统 283

8.4 现场总线控制系统 284

8.4.1 现场总线概述 284

8.4.2 基金会现场总线 285

8.4.3 过程现场总线 287

8.4.4 LonWorks总线 288

8.4.5 HART通信协议 290

8.4.6 CAN通信协议 292

8.4.7 现场总线控制系统设计 294

8.5 基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统 296

8.5.1 工业以太网技术 296

8.5.2 基于工业以太网和现场总线构成的分布式控制系统 301

思考题与习题 303

第9章 计算机控制系统设计与实现 304

9.1 系统设计的原则与步骤 304

9.1.1 系统设计的原则 304

9.1.2 系统设计的步骤 305

9.2 计算机控制系统的可靠性技术 309

9.2.1 控制系统的抗干扰设计 309

9.2.2 控制系统CPU可靠性设计 314

9.2.3 控制系统的软件可靠性设计 316

9.2.4 控制系统的冗余设计 318

9.3 基于工业PC的计算机测控系统设计实例 318

9.3.1 系统方案设计 319

9.3.2 系统硬件设计 321

9.3.3 系统软件设计 322

9.4 基于网络结构的计算机测控系统设计实例 323

9.4.1 系统方案设计 323

9.4.2 系统网络结构设计 326

9.4.3 系统硬件设备选型与设计 327

9.4.4 系统软件设计及系统组态 330

思考题与习题 333

参考文献 334