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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