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第1章 计算机控制系统概述 1

1.1 计算机控制系统的基本概念 1

1.2 计算机控制系统的发展与应用 2

1.3 计算机控制系统的组成 3

1.3.1 计算机控制系统的硬件组成 3

1.3.2 计算机控制系统的软件组成 6

1.4 计算机控制系统的特性 6

1.4.1 计算机控制系统的特点 6

1.4.2 计算机控制系统的特殊问题 7

1.5 计算机控制系统的典型形式 10

1.5.1 数据采集和监视系统 10

1.5.2 直接数字控制系统 10

1.5.3 监督控制系统 11

1.5.4 分散型控制系统 11

1.5.5 现场总线控制系统 12

1.6 计算机控制系统的设计方法 12

本章小结 13

习题和思考题 14

第2章 线性离散系统的数学描述和分析方法 15

2.1 信号变换理论 15

2.1.1 连续信号的采样和量化 15

2.1.2 采样定理 17

2.1.3 采样信号的复现和采样保持器 18

2.2 线性离散系统的数学描述方法 20

2.2.1 差分方程的定义 20

2.2.2 差分方程的求解 21

2.3 线性离散系统的Z变换分析法 21

2.3.1 Z变换的定义 21

2.3.2 Z变换法 22

2.3.3 Z变换的基本定理 24

2.3.4 Z反变换 25

2.3.5 用Z变换解差分方程 27

2.4 脉冲传递函数 28

2.4.1 脉冲传递函数的概念 28

2.4.2 离散系统框图的变换 29

2.5 线性离散系统的稳定性分析 32

2.5.1 s平面到z平面的变换 32

2.5.2 z平面的稳定性条件 33

2.5.3 朱利稳定性判据 34

2.5.4 W变换的稳定性判据 37

2.6 线性离散系统的稳态误差分析 39

2.7 线性离散系统的动态响应分析 41

本章小结 44

习题和思考题 45

第3章 开环数字程序控制 46

3.1 数字程序控制基础 46

3.1.1 运动轨迹插补的基本原理 46

3.1.2 数字程序控制系统分类 47

3.2 逐点比较法插补原理 48

3.2.1 逐点比较法直线插补 48

3.2.2 逐点比较法圆弧插补 52

3.3 步进电动机控制技术 56

3.3.1 步进电动机工作原理 57

3.3.2 步进电动机的脉冲分配程序 58

3.3.3 步进电动机的速度控制程序 59

本章小结 61

习题和思考题 61

第4章 计算机控制系统的常规控制技术 62

4.1 数字PID控制 62

4.1.1 模拟PID调节器 62

4.1.2 理想微分数字PID控制器 64

4.1.3 实际微分数字PID控制器 66

4.1.4 数字PID控制算法的改进 69

4.1.5 数字PID控制器参数的整定 72

4.2 最少拍控制 76

4.2.1 最少拍控制的基本原理 76

4.2.2 闭环脉冲传递函数φ（z）的结构设计 77

4.2.3 最少拍有纹波控制器的设计 80

4.2.4 最少拍无纹波控制器的设计 82

4.2.5 最少拍系统的改进措施 85

4.3 纯滞后控制 90

4.3.1 施密斯预估控制 90

4.3.2 达林算法 93

本章小结 98

习题和思考题 99

第5章 计算机控制系统的离散状态空间设计 100

5.1 状态空间描述的基本概念 100

5.1.1 离散时间系统的状态空间描述 100

5.1.2 离散时间系统的能控性 101

5.1.3 离散时间系统的能观性 102

5.2 采用状态空间模型的极点配置设计 103

5.2.1 按极点配置设计控制规律 103

5.2.2 按极点配置设计状态观测器 104

5.2.3 按极点配置设计控制器 107

5.3 采用状态空间模型的最优化设计 111

5.3.1 最优控制规律设计 112

5.3.2 状态最优估计器设计 116

5.3.3 LQG最优控制器设计 121

本章小结 121

习题和思考题 122

第6章 计算机控制系统的先进控制技术 123

6.1 内模控制 123

6.1.1 内模控制基本原理 123

6.1.2 内模控制器的设计 125

6.1.3 内模PID控制 128

6.1.4 内模控制的离散算式 130

6.1.5 内模控制的仿真实验 131

6.2 模型预测控制 133

6.2.1 模型预测控制基本原理 134

6.2.2 模型算法控制 135

6.2.3 动态矩阵控制 140

6.2.4 模型预测控制的工程设计 146

本章小结 150

习题和思考题 151

第7章 计算机控制系统的硬件设计 152

7.1 控制用计算机系统的硬件要求 152

7.1.1 对计算机主机的要求 152

7.1.2 对过程输入输出通道的要求 153

7.1.3 对软件系统的要求 153

7.1.4 方便的人机联系 154

7.1.5 系统的可靠性及可维护性 154

7.2 控制用计算机的选择 154

7.2.1 计算机速度的选择 154

7.2.2 计算机字长的确定 155

7.3 计算机控制系统的过程通道 156

7.3.1 数字量输入输出通道 157

7.3.2 模拟量输入通道 160

7.3.3 模拟量输出通道 172

7.4 总线技术 182

7.4.1 总线的定义及分类 183

7.4.2 常用总线介绍 183

本章小结 187

习题和思考题 187

第8章 计算机网络控制 189

8.1 计算机工业网络基础 190

8.1.1 网络功能及分类 190

8.1.2 网络拓扑结构 191

8.1.3 网络传输介质 192

8.1.4 网络访问控制 193

8.1.5 信息交换技术 194

8.1.6 网络协议及其层次结构 196

8.1.7 网络互连 197

8.1.8 IEEE 802标准 199

8.1.9 控制网络的特点 200

8.1.10 工业控制网络的选型考虑 201

8.2 集散控制系统 203

8.2.1 集散控制系统的产生与发展 203

8.2.2 集散控制系统的特点 205

8.2.3 集散控制系统的体系结构 206

8.3 现场总线控制系统 213

8.3.1 现场总线控制系统的产生与发展 214

8.3.2 现场总线控制系统的特点 215

8.3.3 现场总线控制系统的体系结构 216

8.3.4 几种典型的现场总线 217

8.4 以太控制网络系统 221

8.4.1 工业以太网概述 221

8.4.2 以太控制网络系统的特点 222

8.4.3 以太控制网络系统的组成结构 222

8.4.4 以太网用于工业现场的关键技术 223

8.5 控制网络与信息网络的集成技术 225

8.5.1 网络互联技术 226

8.5.2 动态数据交换技术 228

8.5.3 远程通信技术 228

8.5.4 数据库访问技术 230

本章小结 230

习题和思考题 231

第9章 计算机控制系统的软件设计 232

9.1 计算机控制系统的软件概念 232

9.1.1 控制软件的特点 232

9.1.2 控制应用软件的体系结构 233

9.1.3 控制软件设计语言的选用 234

9.1.4 实时控制软件的设计 235

9.2 控制算法的编排实现 236

9.2.1 控制算法的编排结构 236

9.2.2 比例因子的配置 238

9.3 数据处理技术 241

9.3.1 系统误差的校正 241

9.3.2 数字滤波 242

9.3.3 非线性处理 244

9.3.4 标度变换方法 246

9.3.5 越限报警处理 247

9.4 采样频率的选择 247

9.4.1 采样频率对系统性能的影响 248

9.4.2 选择采样频率的经验规则 250

9.4.3 多采样频率配置 251

本章小结 251

习题和思考题 252

第10章 计算机控制系统的设计与工程实现 253

10.1 计算机控制系统设计的原则与步骤 253

10.1.1 系统设计的原则 253

10.1.2 系统设计的步骤 254

10.2 计算机控制系统抗干扰技术 256

10.2.1 干扰的来源与种类 257

10.2.2 硬件抗干扰技术 258

10.2.3 软件抗干扰技术 266

10.3 计算机控制系统设计实例 269

10.3.1 铁路车站全电子信号控制系统设计 269

10.3.2 真空钎焊炉温度控制系统 274

10.3.3 基于二乘二取二的分布式安全计算机联锁系统 278

本章小结 290

习题和思考题 290

附录 292

附录A 常用函数的Z变换 292

附录B MATLAB控制系统工具箱库函数 293

附录C 部分例题MATLAB仿真参考程序清单 296

参考文献 300