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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　自动控制系统 1

1.1.2　计算机控制系统 2

1.1.3　计算机控制系统的组成 3

1.1.4　常用的计算机控制系统主机 4

1.2　计算机控制系统的典型型式 5

1.2.1　操作指导控制系统 6

1.2.2　直接数字控制系统 6

1.2.3　监督控制系统 6

1.2.4　集散控制系统 7

1.2.5　现场总线控制系统 7

1.2.6　综合自动化系统 8

1.3　计算机控制系统的发展概况和趋势 9

1.3.1　计算机控制系统的发展概况 9

1.3.2　计算机控制系统的发展趋势 11

习题 12

第2章　计算机控制系统的硬件设计技术 13

2.1　总线技术 13

2.1.1　总线的定义、层次结构及种类 13

2.1.2 PC/ISA/EISA总线简介 14

2.1.3 PCI/Compact PCI总线简介 16

2.1.4　其它总线简介 19

2.1.5　串行外部总线简介 20

2.2　总线扩展技术 23

2.2.1　微型计算机系统I/O端口与地址分配 23

2.2.2　I/O端口地址译码技术 26

2.2.3　基于ISA总线端口扩展 28

2.3　数字量输入输出接口与过程通道 30

2.3.1　数字量输入输出接口技术 30

2.3.2　数字量输入通道 31

2.3.3　数字量输出通道 32

2.3.4　数字（开关）量输入／输出通道模板举例 33

2.4　模拟量输入接口与过程通道 35

2.4.1　模拟量输入通道的组成 35

2.4.2　信号调理和I/V变换 35

2.4.3　多路转换器 39

2.4.4　采样、量化及采样／保持器 40

2.4.5　A/D转换器及其接口技术 42

2.4.6　模拟量输入通道模板举例 46

2.5　模拟量输出接口与过程通道 49

2.5.1　模拟量输出通道的结构型式 49

2.5.2　D/A转换器及其接口技术 49

2.5.3　单极性与双极性电压输出电路 51

2.5.4　V/I变换 51

2.5.5　模拟量输出通道模板举例 53

2.6　基于串行总线的计算机控制系统硬件技术 55

2.6.1　智能远程I/O模块 55

2.6.2　智能调节器 58

2.6.3　可编程序控制器（PLC） 59

2.6.4　运动控制器 61

2.7　硬件抗干扰技术 63

2.7.1　过程通道抗干扰技术 63

2.7.2　主机抗干扰技术 69

2.7.3　系统供电与接地技术 71

习题 74

第3章　数字控制技术 76

3.1　数字控制基础 76

3.1.1　数控技术发展概况 76

3.1.2　数字控制原理 77

3.1.3　数字控制方式 78

3.1.4　数字控制系统 79

3.1.5　数控系统的分类 80

3.2　逐点比较法插补原理 81

3.2.1　逐点比较法直线插补 81

3.2.2　逐点比较法圆弧插补 84

3.3　多轴步进驱动控制技术 88

3.3.1　步进电动机的工作原理 88

3.3.2　步进电动机的工作方式 89

3.3.3　步进电动机控制接口及输出字表 89

3.3.4　步进电动机控制程序 91

3.3.5　数控系统设计举例——三轴步进电动机控制 92

3.4　多轴伺服驱动控制技术 94

3.4.1　伺服系统 94

3.4.2　现代运动控制技术 95

3.4.3　数控系统设计举例——基于PC的多轴运动控制 97

习题 99

第4章　常规及复杂控制技术 101

4.1　数字控制器的连续化设计技术 101

4.1.1　数字控制器的连续化设计步骤 101

4.1.2　数字PID控制器的设计 105

4.1.3　数字PID控制器的改进 107

4.1.4　数字PID控制器的参数整定 111

4.2　数字控制器的离散化设计技术 116

4.2.1　数字控制器的离散化设计步骤 116

4.2.2　最少拍控制器的设计 117

4.2.3　最少拍有纹波控制器的设计 121

4.2.4　最少拍无纹波控制器的设计 123

4.3　纯滞后控制技术 126

4.3.1　施密斯（Smith）预估控制 127

4.3.2　达林（Dahlin）算法 129

4.4　串级控制技术 133

4.4.1 串级控制的结构和原理 133

4.4.2　数字串级控制算法 134

4.4.3　副回路微分先行串级控制算法 135

4.5　前馈-反馈控制技术 136

4.5.1　前馈控制的结构和原理 136

4.5.2　前馈-反馈控制结构 137

4.5.3　数字前馈-反馈控制算法 139

4.6　解耦控制技术 140

4.6.1　解耦控制原理 141

4.6.2　数字解耦控制算法 143

习题 144

第5章　现代控制技术 146

5.1　采用状态空间的输出反馈设计法 146

5.1.1　连续状态方程的离散化 147

5.1.2　最少拍无纹波系统的跟踪条件 147

5.1.3　输出反馈设计法的设计步骤 148

5.2　采用状态空间的极点配置设计法 151

5.2.1　按极点配置设计控制规律 151

5.2.2　按极点配置设计状态观测器 154

5.2.3　按极点配置设计控制器 157

5.2.4　跟踪系统设计 161

5.3　采用状态空间的最优化设计法 163

5.3.1　LQ最优控制器设计 163

5.3.2　状态最优估计器设计 166

5.3.3　LQG最优控制器设计 171

5.3.4　跟踪系统的设计 171

习题 172

第6章　先进控制技术 173

6.1　模糊控制技术 173

6.1.1　模糊控制的数学基础 174

6.1.2　模糊控制原理 178

6.1.3　模糊控制器设计 182

6.2　神经网络控制技术 187

6.2.1　神经网络基础 188

6.2.2　神经网络控制 190

6.3　专家控制技术 193

6.3.1　专家系统 193

6.3.2　专家控制介绍 194

6.3.3　专家控制基本思想 196

6.3.4　专家控制组织结构 199

6.4　预测控制技术 199

6.4.1　内部模型 200

6.4.2　预测模型 200

6.4.3　预测控制算法 203

6.5　其它先进控制技术 206

习题 206

第7章　计算机控制系统软件设计 207

7.1　程序设计技术 207

7.1.1　模块化与结构化程序设计 207

7.1.2　面向过程与面向对象的程序设计 209

7.1.3　高级语言L/O控制台编程 210

7.2　人机接口（HMI/SCADA）技术 211

7.2.1　HMI/SCADA的含义 211

7.2.2　基于工业控制组态软件设计人机交互界面 212

7.2.3　基于VB/VC++语言设计人机交互界面 214

7.3　测量数据预处理技术 214

7.3.1　误差自动校准 214

7.3.2　线性化处理和非线性补偿 216

7.3.3　标度变换方法 217

7.3.4　越限报警处理 218

7.4　数字控制器的工程实现 219

7.4.1　给定值和被控量处理 219

7.4.2　偏差处理 220

7.4.3　控制算法的实现 221

7.4.4　控制量处理 222

7.4.5　自动／手动切换技术 222

7.5　系统的有限字长数值问题 224

7.5.1　量化误差来源 224

7.5.2　A/D、D/A及运算字长的选择 226

7.6　软件抗干扰技术 229

7.6.1　数字滤波技术 229

7.6.2　开关量的软件抗干扰技术 231

7.6.3　指令冗余技术 232

7.6.4　软件陷阱技术 232

习题 233

第8章　分布式测控网络技术 234

8.1　工业网络技术 234

8.1.1　工业网络概述 234

8.1.2　数据通信编码技术 241

8.1.3　网络协议及其层次结构 242

8.1.4　IEEE 802标准 244

8.1.5　工业网络的性能评价和选型 245

8.2　分布式控制系统（DCS） 246

8.2.1　DCS概述 246

8.2.2　DCS的分散过程控制级 250

8.2.3　DCS的集中操作监控级 252

8.2.4　DCS的综合信息管理级 254

8.3　现场总线控制系统 257

8.3.1　现场总线概述 257

8.3.2　五种典型的现场总线 261

8.3.3　FF现场总线技术 263

8.3.4　工业以太网 266

8.4　系统集成与集成自动化系统 267

8.4.1　系统集成的含义与框架 267

8.4.2　集成自动化系统的体系结构 270

8.4.3　综合自动化技术 273

8.5　分布式测控网络设计举例 277

8.5.1　基于PLC的Profibus分布式测控网络 277

8.5.2　基于PC串行总线的测控网络 279

8.5.3　测控网络应用设计举例 280

习题 284

第9章　计算机控制系统设计与实现 285

9.1　系统设计的原则与步骤 285

9.1.1　系统设计的原则 285

9.1.2　系统设计的步骤 287

9.2　系统的工程设计与实现 289

9.2.1　系统总体方案设计 289

9.2.2　硬件的工程设计与实现 291

9.2.3　软件的工程设计与实现 292

9.2.4　系统的调试与运行 295

9.3　设计举例——啤酒发酵过程计算机控制系统 298

9.3.1　啤酒发酵工艺及控制要求 298

9.3.2　系统总体方案的设计 299

9.3.3　系统硬件和软件的设计 300

9.3.4　系统的安装调试运行及控制效果 303

9.4　设计举例——机器人计算机控制系统 303

9.4.1　PUMA560机器人的结构原理 304

9.4.2　机器人运动学方程 304

9.4.3　机器人动力学方程 305

9.4.4　机器人手臂的独立关节位置伺服控制 305

参考文献 308