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第1章 计算机控制系统概述 1

1.1 计算机控制系统的组成、结构与特点 1

1.1.1 计算机控制系统的组成 1

1.1.2 计算机控制系统的结构 2

1.1.3 计算机控制系统的特点 3

1.2 计算机控制系统的分类 3

1.2.1 计算机操作指导控制系统 3

1.2.2 直接数字控制系统 4

1.2.3 监督计算机控制系统 4

1.2.4 集散控制系统 5

1.2.5 现场总线控制系统 5

1.2.6 计算机集成制造控制系统 6

1.3 计算机控制系统的发展前景 7

1.3.1 开放化 7

1.3.2 小型化 7

1.3.3 智能化 7

第2章 计算机控制系统的理论基础 8

2.1 计算机控制系统的信号变换 8

2.1.1 信号的种类 8

2.1.2 A/D转换器与采样定理 9

2.1.3 D/A转换器与保持器 14

2.1.4 计算机控制系统的简化结构图 16

2.2 线性离散控制系统的数学描述方法 16

2.2.1 差分方程 17

2.2.2 Z变换 17

2.2.3 Z变换的基本定理 21

2.2.4 Z反变换 22

2.2.5 用Z变换解差分方程 25

2.3 脉冲传递函数 27

2.3.1 脉冲传递函数的定义 27

2.3.2 脉冲传递函数的求法 27

2.3.3 离散系统结构图的等效变换 29

2.4 线性离散控制系统的稳定性与稳态误差 32

2.4.1 稳定性 32

2.4.2 稳态误差 35

第3章 数字PID控制器 37

3.1 数字控制器的设计方法 37

3.1.1 计算机控制系统的等效结构图 37

3.1.2 数字控制器的间接设计方法 38

3.2 PID控制算法 43

3.2.1 模拟PID控制器 43

3.2.2 数字PID控制器 45

3.3 PID算法的几种改进形式 47

3.3.1 带有死区的PID控制算法 47

3.3.2 抗积分饱和的PID算法 48

3.3.3 不完全微分的PID控制算法 49

3.3.4 对象具有纯滞后的PID控制 52

3.4 PID控制器的参数整定 53

3.4.1 经验法 53

3.4.2 试凑法 53

3.4.3 扩充临界比例带法 54

3.4.4 扩充阶跃响应法 55

3.4.5 参数寻优方法 56

3.4.6 自整定PID算法 57

3.5 自抗扰控制器 57

3.5.1 PID控制器的缺点 57

3.5.2 自抗扰控制器的结构 58

3.5.3 仿真实例 62

第4章 数字控制器的直接设计方法 63

4.1 直接设计法的原理与步骤 63

4.2 最少拍系统设计 64

4.2.1 最少拍系统D（z）的设计 64

4.2.2 最少拍系统的调整时间 65

4.2.3 数字控制器的可实现条件 68

4.2.4 最少拍系统的稳定性 68

4.3 最少拍无纹波系统设计 71

4.4 大林算法 73

4.4.1 大林算法的基本形式 73

4.4.2 振铃的强弱及振铃的消除方法 74

4.5 数字控制器D（z）的实现 76

4.5.1 直接程序设计法 76

4.5.2 串行程序设计法 77

4.5.3 并行程序设计法 78

第5章 基于状态空间方程的设计方法 80

5.1 离散时间系统的状态空间描述 80

5.1.1 由差分方程建立离散状态空间方程 80

5.1.2 由脉冲传递函数建立离散状态空间方程 82

5.1.3 线性连续系统的离散化 85

5.1.4 离散状态方程求解 86

5.1.5 线性离散系统的传递矩阵和特征方程 86

5.2 离散时间系统的能控性、能观性与稳定性 87

5.2.1 能控性及其判据 87

5.2.2 能观性及其判据 88

5.2.3 稳定性 88

5.3 状态反馈控制 91

5.3.1 状态反馈 91

5.3.2 极点配置 92

5.4 状态观测器 93

5.4.1 开环估计器 93

5.4.2 闭环状态观测器 94

5.4.3 带有状态观测器的状态反馈系统 96

5.5 线性二次型最优控制 97

5.5.1 性能指标 97

5.5.2 离散系统的无限时间二次型最优控制 98

5.5.3 离散系统的有限时间二次型最优控制 98

第6章 模型预测控制 99

6.1 MPC的基本原理 99

6.1.1 MPC的内部结构 99

6.1.2 一个简单的例子 101

6.2 典型的模型预测控制算法 103

6.2.1 动态矩阵控制 103

6.2.2 模型算法控制 107

6.2.3 广义预测控制 109

第7章 模糊控制与神经网络控制 114

7.1 模糊数学基础 114

7.1.1 模糊集合与模糊关系 114

7.1.2 模糊推理 116

7.2 模糊控制的基本原理 118

7.2.1 模糊化 118

7.2.2 知识库 119

7.2.3 模糊推理与解模糊化 121

7.2.4 模糊控制的应用实例 122

7.3 模糊控制与PID的结合 123

7.3.1 模糊-PID复合控制 123

7.3.2 模糊自适应PID控制 124

7.4 神经网络基础 125

7.4.1 神经元数学模型 125

7.4.2 神经网络的结构 126

7.4.3 神经网络的学习规则 127

7.4.4 典型前向神经网络（BP网络） 128

7.5 单神经元PID控制 130

第8章 过程输入输出通道 133

8.1 模拟量输入通道 133

8.1.1 传感器 134

8.1.2 信号处理 140

8.1.3 多路转换开关 141

8.1.4 放大器 143

8.1.5 采样保持器 145

8.1.6 模数（A/D）转换器 147

8.2 模拟量输出通道 152

8.2.1 数模转换器 153

8.2.2 电压／电流变换器 158

8.3 数字量输入通道 159

8.3.1 开关量输入通道 160

8.3.2 脉冲量输入通道 160

8.3.3 中断输入通道 161

8.4 数字量输出通道 161

8.4.1 功率开关驱动 162

8.4.2 开关执行器 163

8.5 通道中的隔离电路 165

8.5.1 数字隔离电路 165

8.5.2 模拟隔离放大器 166

第9章 人机接口技术 168

9.1 概述 168

9.2 信息输入装置 169

9.2.1 电位器输入装置 169

9.2.2 拨码盘输入装置 169

9.2.3 键盘输入装置 171

9.2.4 鼠标输入装置 176

9.2.5 扫描仪输入装置 179

9.3 信息输出装置 180

9.3.1 发光二极管显示器及接口电路 181

9.3.2 液晶显示器及接口电路 186

9.3.3 图形显示器 188

9.3.4 微型打印机 190

9.4 触摸屏 193

9.4.1 触摸屏的工作原理 193

9.4.2 触摸屏的三个基本技术特性 194

9.4.3 触摸屏的主要类型 194

9.5 键盘显示器典型接口电路 196

9.5.1 串行口硬件译码键盘显示器接口 196

9.5.2 8279键盘显示器接口 198

9.5.3 8279键盘显示器应用及编程方法 202

第10章 抗干扰技术 205

10.1 计算机控制系统干扰的来源及分类 205

10.1.1 干扰的来源 205

10.1.2 干扰的分类 206

10.2 几种主要干扰的抑制方法 207

10.2.1 电源噪声的抑制 207

10.2.2 过程通道的干扰抑制 210

10.2.3 接地技术 213

10.2.4 布线的抗干扰技术 216

10.2.5 CPU抗干扰技术 218

第11章 微型计算机控制系统的工程设计 226

11.1 微型计算机控制系统设计的方法和步骤 226

11.1.1 系统工程设计的基本要求 226

11.1.2 系统工程设计的特点 227

11.1.3 确定系统总体控制方案 227

11.1.4 建立系统的数学模型并确定控制算法 227

11.1.5 微型机与接口电路的选择 228

11.1.6 系统总体设计 228

11.2 全数字位置随动系统设计 230

11.2.1 系统基本单元设计 230

11.2.2 数字触发器设计 233

11.2.3 数字控制器设计 240

11.2.4 系统的主程序框图及程序清单 240

11.3 全数字双闭环直流调速系统设计 242

11.3.1 系统组成原理 242

11.3.2 系统各单元设计 243

11.3.3 系统动态参数计算 248

11.3.4 系统软件设计 249

11.4 微机控制的恒压调速供水系统设计 250

11.4.1 系统主要单元设计 250

11.4.2 系统软件设计 254

11.5 数字式呼吸机控制器设计 255

11.5.1 控制器组成原理 256

11.5.2 控制器单元硬件设计 257

11.5.3 控制器软件设计 261

第12章 工控机系统与网络化控制系统 269

12.1 工控机系统 269

12.1.1 工控机系统的组成 269

12.1.2 工控机的结构 270

12.1.3 工控机的I/O接口信号模板 271

12.1.4 工控机的应用实例 276

12.2 集散控制系统 277

12.2.1 DCS的基本结构 277

12.2.2 DCS的硬件构成 279

12.2.3 DCS的软件构成 280

12.2.4 DCS的网络构成 283

12.3 现场总线控制系统 287

12.3.1 现场总线概述 287

12.3.2 FCS的技术特点 289

12.3.3 几种有影响的现场总线 291

附录 PID计算程序 294

参考文献 300