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第1章 概论 1

1.1计算机控制系统的基本原理与组成 1

1.1.1计算机控制系统的基本原理 1

1.1.2计算机控制系统的组成 2

1.2计算机控制系统的分类 4

1.2.1按控制方式分类 4

1.2.2按功能和系统构成分类 5

1.2.3按控制规律分类 9

1.3计算机控制系统的发展 9

1.3.1计算机技术对控制技术的影响 9

1.3.2计算机控制理论的发展 10

1.3.3计算机控制系统的发展趋势 12

习题 14

第2章 计算机控制系统的分析 15

2.1计算机控制系统中信号的变换 15

2.1.1模数转换与采样定理 15

2.1.2数模转换与零阶保持器 21

2.1.3计算机控制系统的简化框图 23

2.2计算机控制系统的z传递函数 24

2.2.1数字控制器的z传递函数 25

2.2.2连续部分的z传递函数 27

2.2.3闭环z传递函数 28

2.3计算机控制系统的特性分析 29

2.3.1稳定性 29

2.3.2稳态误差 35

2.3.3动态性能 37

习题 42

第3章 数字PID控制器 44

3.1 PID控制算法 44

3.1.1模拟PID调节器 44

3.1.2数字PID控制算法 46

3.2标准PID控制算法的改进 50

3.2.1“饱和”作用的抑制 50

3.2.2干扰的抑制 53

3.2.3给定值突变时对控制量进行阻尼的算法 54

3.2.4其他修改算法 55

3.3非线性PID控制器 55

3.3.1带死区的PID控制 55

3.3.2时间最优PID控制 56

3.4数字PID控制器参数的整定 56

3.4.1整定的基本步骤 57

3.4.2经验法 57

3.4.3实验法 58

3.4.4参数的自整定 59

3.4.5 PID参数寻优 61

3.4.6采样周期的选择 63

3.5纯滞后的补偿——Smith预估补偿 64

3.6 PID串级控制 66

3.6.1串级控制系统的分析 66

3.6.2数字PID串级控制系统 69

3.6.3主、副调节器控制规律的选择 70

3.6.4串级调节器的整定方法 71

3.6.5副回路微分先行串级控制 71

习题 72

第4章 数字控制器的直接设计方法 74

4.1数字控制器的直接设计步骤 74

4.2最少拍有纹波控制器设计 76

4.2.1由系统的准确性确定Φ（z） 77

4.2.2由系统的快速性确定Φ（z） 78

4.2.3由D（z）的物理可实现性确定Φ（z） 79

4.2.4由系统的稳定性确定Φ（z） 80

4.3最少拍无纹波控制器设计 88

4.3.1纹波产生的原因 88

4.3.2最少拍无纹波控制器设计方法 89

4.4惯性因子法 91

4.4.1有限拍系统的局限性 91

4.4.2惯性因子法简介 93

4.5大林算法 95

4.5.1大林算法的基本形式 95

4.5.2振铃的强弱及振铃消除方法 96

习题 99

第5章 基于状态空间模型的设计法 101

5.1控制系统的离散状态空间描述 101

5.1.1连续系统的精确离散化概述 101

5.1.2线性系统的离散化 102

5.1.3一类仿射非线性系统的精确离散化 106

5.1.4离散系统的解 109

5.2离散系统的能控性、能观性与稳定性 110

5.2.1离散系统的能控性 110

5.2.2离散系统的能观性 111

5.2.3稳定性分析 112

5.3极点配置设计法 118

5.3.1基于极点配置的状态反馈控制规律设计 118

5.3.2基于极点配置的观测器设计 123

5.3.3基于极点配置的控制器设计 127

5.4线性二次型最优控制 131

5.4.1 LQR问题的描述 131

5.4.2二次型性能指标函数的离散化 132

5.4.3 LQR最优控制规律的计算 133

5.4.4 LQR与 Liapunov最优状态反馈设计的关系 137

5.4.5 LQ设计与极点配置设计的比较 138

习题 138

第6章 模糊控制 140

6.1模糊控制的数学基础 141

6.1.1模糊集合 142

6.1.2模糊关系与模糊矩阵 148

6.1.3模糊逻辑与模糊推理 150

6.2模糊控制系统 155

6.2.1模糊控制的基本原理 155

6.2.2模糊控制系统的分类 162

6.2.3模糊控制器设计的基本方法 163

6.3从实例中看模糊控制 166

6.3.1基于Mamdani模糊推理的温度和压力过程控制 166

6.3.2洗衣机洗涤时间的自动调节设计 167

6.3.3模糊自适应整定PID控制 172

6.3.4基于Sugeno模糊推理的倒立摆模糊控制 176

6.4模糊控制的优点及其所面临的主要任务 179

习题 180

第7章 控制用计算机简介 181

7.1工业控制计算机 181

7.1.1工控机的特点 181

7.1.2工业控制计算机系统的组成 182

7.1.3工控机总线介绍 183

7.2可编程序控制器 185

7.2.1 PLC的基本组成 185

7.2.2 PLC的工作原理 186

7.2.3 PLC控制系统 187

7.3单片机 188

7.3.1单片机控制系统 188

7.3.2 ATMEL51系列单片机简介 191

7.4 ARM处理器 192

7.4.1 ARM处理器概述 193

7.4.2 ARM体系结构 193

7.4.3三星S3 C44B0 X处理器简介 194

7.5数字信号处理器 195

7.5.1 DSP芯片概述 195

7.5.2 DSP芯片的基本结构 195

7.5.3 TMS320C2000系列DSP简介 196

习题 198

第8章 过程通道 199

8.1过程通道的作用 199

8.2模拟量输出通道 199

8.2.1模拟量输出通道的结构形式 199

8.2.2 D/A转换器 200

8.3模拟量输入通道 203

8.3.1信号处理器 203

8.3.2多路转换器（多路开关） 204

8.3.3放大器 204

8.3.4采样保持器 205

8.3.5 A/D转换器 207

8.4开关量（数字量）输入输出通道 211

8.4.1数字量输入调理 212

8.4.2数字量输出调理 214

8.5信号的标度变换 216

8.5.1量程自动转换 216

8.5.2线性参数标度变换 220

8.5.3非线性参数标度变换 221

8.6数字滤波技术 222

习题 224

第9章 控制网络技术 226

9.1控制网络和信息网络的区别 226

9.2控制网络的体系结构 227

9.3分级递阶控制策略 228

9.3.1分解一协调的基本原理 229

9.3.2多目标最优决策 230

9.4控制网络配置结构 231

9.4.1控制网络的硬件体系 231

9.4.2控制网络的组态软件 231

9.5现场总线技术 234

9.5.1现场总线的技术特点 235

9.5.2现场总线的通信标准 235

9.5.3几种有影响的现场总线 236

9.6基于Internet的远程控制 238

习题 239

第10章 计算机控制系统的电磁兼容技术 240

10.1电磁兼容概述 240

10.1.1干扰源及其作用形式 241

10.1.2干扰的传播途径 242

10.2电磁干扰抑制技术 244

10.2.1滤波 244

10.2.2屏蔽 246

10.2.3接地 248

10.2.4隔离 251

10.2.5供电技术 252

10.3信号的长线传输 253

10.3.1串扰噪声 253

10.3.2信号反射 255

习题 256

第11章 计算机控制系统设计 257

11.1计算机控制系统设计的基本要求和特点 257

11.1.1系统设计的基本要求 257

11.1.2系统设计的特点 259

11.2系统设计的一般步骤 259

11.2.1确定任务 260

11.2.2建模和确定控制方法 260

11.2.3总体方案设计 260

11.2.4硬件和软件的具体设计 262

11.2.5软硬件联调 265

11.2.6离线仿真——实验室模拟运行 266

11.2.7现场调试、试运行 266

11.2.8验收或鉴定——系统性能评估 266

11.3计算机控制系统设计实例 267

11.3.1啤酒发酵过程计算机控制系统 267

11.3.2高精度位置伺服系统 270

11.3.3双轮自平衡车控制系统 275

第12章 实验 279

12.1实验装置介绍及基本实验方法 279

12.1.1实验装置的基本结构及硬件资源 279

12.1.2虚拟示波器的使用 280

12.1.3编程软件的基本操作 280

12.2计算机控制系统的典型实验 281

12.2.1 A/D、D/A转换实验 281

12.2.2数字滤波器实验 282

12.2.3积分分离数字PID控制 283

12.2.4状态反馈与状态观测器 284

12.2.5大林算法实验 285

12.2.6模糊控制实验 286

12.2.7冷热箱控制实验 286

12.2.8风扇调速实验 287

附录 常用函数的拉氏变换和z变换表 289

参考文献 290