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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