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第1章 计算机控制系统概述 1

1.1 计算机控制系统的产生及原理 1

1.1.1 模拟控制向计算机控制的发展 1

1.1.2 计算机控制系统的基本工作原理 2

1.2 计算机控制系统的构成 3

1.2.1 计算机控制系统硬件的基本构成 3

1.2.2 计算机控制系统软件的基本组成 4

1.2.3 控制用计算机的主要特点 5

1.3 计算机控制系统的分类 7

1.4 计算机控制系统举例 11

1.4.1 工业炉燃料和空气比率控制系统（生产过程控制） 11

1.4.2 火炮瞄准位置控制系统（运动控制） 11

1.4.3 原料混合和加热控制系统（顺序控制） 12

1.5 计算机控制系统的优缺点和发展趋势 12

1.5.1 计算机控制系统的主要优点和缺点 12

1.5.2 计算机控制系统的发展趋势 13

思考题与习题1 14

第2章 过程通道配置与数字信号处理 15

2.1 信号变换 15

2.1.1 计算机控制系统中信号的分类 15

2.1.2 计算机控制系统中信号的变换 16

2.2 过程通道的硬件选型 18

2.2.1 传感器与变送器的选型 19

2.2.2 执行器与功放接口电路的选型 21

2.2.3 输入/输出通道接口板的选型 23

2.3 过程通道抗干扰技术 24

2.3.1 干扰信号的分类 24

2.3.2 串模干扰的抑制 25

2.3.3 共模干扰的抑制 27

2.4 过程通道数字滤波技术 29

2.5 线性化处理技术 32

2.5.1 计算法 33

2.5.2 查表法 33

2.5.3 线性插值法 34

2.6 标度变换技术 36

思考题与习题2 37

第3章 计算机控制系统分析 38

3.1 计算机控制系统的数学模型 38

3.1.1 差分方程 38

3.1.2 Z变换 38

3.1.3 Z反变换 40

3.1.4 脉冲传递函数 42

3.2 计算机控制系统的稳定性分析 43

3.2.1 Z平面和S平面的映射关系 43

3.2.2 稳定性判据 45

3.3 离散控制系统的稳态特性分析 46

3.4 离散控制系统的动态特性分析 47

3.4.1 闭环极、零点对系统动态响应的影响 47

3.4.2 离散控制系统的动态响应 49

3.5 计算机控制系统的频率特性分析 50

3.5.1 频率特性定义 50

3.5.2 频率特性分析 50

思考题与习题3 52

第4章 数字PID控制器设计 53

4.1 标准数字PID控制算法 53

4.1.1 PID控制基本原理 53

4.1.2 标准PID控制数字算式 54

4.1.3 数字PID程序流程图 56

4.2 改进的PID算法 57

4.2.1 带有死区的PID算式 57

4.2.2 抑制积分饱和的PID算法 57

4.2.3 不完全微分的PID算式 60

4.2.4 微分先行PID控制 62

4.3 数字PID控制工程实现的一些问题 62

4.3.1 工程上数字PID控制器程序的组成 62

4.3.2 编程时需要注意的几个问题 63

4.3.3 数字PID控制工程的报警处理 64

4.3.4 自动/手动切换 65

4.4 PID参数整定方法 66

4.4.1 采样周期T的选择 66

4.4.2 扩充临界比例度法 67

4.4.3 简化扩充临界比例度法 68

4.4.4 扩充响应曲线法 68

4.4.5 试凑法整定PID控制器参数 69

思考题与习题4 69

第5章 数字控制器的连续系统方法设计 71

5.1 连续系统方法设计数字控制器的原理 71

5.2 数值积分法 72

5.2.1 三种变换公式 72

5.2.2 三种变换法的稳定性分析 76

5.2.3 双线性变换的预扭曲 77

5.3 零极点匹配法 79

5.4 等效保持算法 80

5.4.1 冲击响应不变转换 80

5.4.2 阶跃响应不变转换 81

5.5 设计举例 81

5.6 各种方法的比较 83

思考题与习题5 84

第6章 数字控制器的直接设计 85

6.1 系统性能指标与Z域极、零点的关系 85

6.1.1 主导极点在Z域样板图中的位置 85

6.1.2 稳态性能指标对控制器在Z域极、零点的要求 86

6.1.3 动态性能指标对系统主导极点的要求 87

6.2 Z平面上的根轨迹法 90

6.3 用解析法进行数字控制器设计 95

6.4 最少拍控制系统的设计 97

6.4.1 最少拍控制系统的基本概念 97

6.4.2 最少拍控制器设计 98

6.4.3 最少拍控制系统的局限性 100

6.5 最少拍无波纹控制系统的设计 102

6.6 非最少的有限拍控制 104

6.7 惯性因子法 105

6.8 大林算法 106

6.8.1 大林基本算法 106

6.8.2 振铃现象的消除 107

思考题与习题6 110

第7章 复杂数字控制器设计 111

7.1 串级控制 111

7.1.1 串级控制的工作原理 111

7.1.2 串级控制系统设计 113

7.1.3 串级控制系统的主要优点 114

7.2 前馈控制 115

7.2.1 前馈控制的工作原理 115

7.2.2 前馈控制系统设计 117

7.3 史密斯（Smith）预估控制 117

7.3.1 史密斯（Smith）预估控制的工作原理 118

7.3.2 史密斯（Smith）预估控制系统设计 119

7.4 比值控制 119

7.4.1 单闭环比值控制 119

7.4.2 双闭环比值控制 120

思考题与习题7 121

第8章 数字控制器的状态空间法设计 122

8.1 线性定常离散系统的状态空间描述 122

8.1.1 状态方程与输出方程 122

8.1.2 连续系统状态空间数学模型的离散化 123

8.1.3 离散系统状态空间数学模型的实现 124

8.2 线性定常离散系统的状态空间分析 128

8.2.1 状态方程的Z变换求解 128

8.2.2 系统的稳定性 130

8.2.3 能控性、能达性和能观性 130

8.3 极点配置 131

8.3.1 状态反馈与输出反馈 131

8.3.2 状态反馈的极点配置 132

8.3.3 输出反馈的极点配置 134

8.4 带状态观测器的状态反馈系统设计 135

思考题与习题8 137

第9章 集散控制系统 138

9.1 数据通信与工业网 138

9.1.1 数据通信的基本概念 138

9.1.2 数据传输模式 139

9.1.3 异步传输与同步传输 140

9.1.4 差错控制技术 142

9.1.5 网络拓扑结构 143

9.1.6 网络通信协议 146

9.2 集散控制系统的产生 148

9.3 集散控制系统的基本构成 149

9.3.1 分散过程控制级 149

9.3.2 集中操作监控级 151

9.4 集散控制系统的主要特点 152

9.5 集散控制系统设计 153

9.6 SCADA系统简介 156

9.6.1 系统概述 156

9.6.2 SCADA系统体系结构 157

9.6.3 SCADA系统与DCS的主要区别 159

9.7 计算机集成制造系统（CIMS）简介 160

9.7.1 系统概述 160

9.7.2 CIMS的体系结构 160

9.7.3 CIMS与DCS的主要区别 162

9.8 集散控制系统的发展趋势 162

思考题与习题9 163

第10章 现场总线控制系统 164

10.1 现场总线控制系统的基本概念 164

10.2 现场总线的体系结构 165

10.3 现场总线智能仪表 166

10.4 现场总线控制系统的特点与优势 168

10.4.1 FCS与DCS的比较 168

10.4.2 现场总线控制系统的技术特点 169

10.4.3 现场总线控制系统的主要优点 169

10.5 几种典型的现场总线 170

10.5.1 基金会现场总线（FF） 171

10.5.2 过程现场总线（Profibus） 172

10.5.3 局部操作网络（LonWork） 175

10.5.4 控制局域网络（CAN） 175

10.5.5 可寻址远程传感器数据通路（HART） 176

10.6 工业以太网与实时以太网简介 177

10.6.1 工业以太网概述 177

10.6.2 几种工业以太网协议简介 178

10.6.3 实时以太网的产生 179

10.6.4 几种实时以太网通信协议简介 180

10.7 现场总线的主要产品 184

思考题与习题10 185

第11章 计算机控制系统实例 186

11.1 锅炉计算机控制系统 186

11.1.1 锅炉生产工艺简介 186

11.1.2 锅炉控制方案 187

11.1.3 锅炉控制系统结构 189

11.1.4 锅炉控制系统软件设计 191

11.2 钢筋卷绕控制系统 192

11.2.1 钢筋卷绕控制工艺简介 192

11.2.2 传感器和执行元件的选择 193

11.2.3 控制系统基本结构 198

11.2.4 关键功能模块控制器设计 200

11.3 某焦化企业DCS系统 200

11.3.1 系统工艺流程与控制需求 200

11.3.2 系统硬件配置 203

11.3.3 系统软件配置 205

11.3.4 系统组态编程 207

11.3.5 部分组态界面举例 208

11.4 无人靶机单片机控制系统 211

11.4.1 系统基本组成和功能需求 211

11.4.2 系统控制器设计 212

11.4.3 系统软件设计 214

11.5 智能家居控制系统 215

11.5.1 智能家居控制需求 215

11.5.2 设计原则 216

11.5.3 系统组成与主要功能 216

附录A 部分函数拉氏变换与Z变换对照表 219

附录B 基于虚拟实验平台的计算机控制实验简介 220

B.1 基于虚拟实验平台的计算机控制实验基本原理 220

B.2 虚拟被控对象简介 221

B.3 虚拟输入/输出过程通道简介 226

B.4 基于虚拟实验平台的计算机控制实验编程指导 228

B.5 实验一 虚拟被控对象计算机PID控制实验指导书 230

B.6 实验二 虚拟被控对象大林算法控制实验指导书 232

B.7 实验三 计算机前馈与反馈相结合控制实验指导书 235

参考文献 238