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1 计算机控制系统概述1

1.1 计算机控制系统的概念1

1.2 计算机控制系统的组成3

1.2.1 硬件组成3

1.2.2 软件组成6

1.3 计算机在工业控制中的典型应用7

1.4 计算机控制系统举例12

1.5 计算机控制系统的发展概况及趋势14

1.5.1 计算机控制系统的发展概况14

1.5.2 计算机控制系统的发展趋势14

思考题与习题116

2 过程输入／输出通道17

2.1 信号的采样和多路开关17

2.1.1 采样定理17

2.1.2 采样、量化与编码19

2.1.3 多路开关21

2.2 模拟量输入通道24

2.3 模拟量输出通道33

2.3.1 模拟量输出通道的两种基本结构形式33

2.3.2 D/A转换器及接口34

2.4 数字量输入／输出通道41

2.4.1 数字量输入／输出通道的一般结构41

2.4.2 数字量输入通道41

2.4.3 数字量输出通道43

2.5 过程通道的抗干扰措施43

2.5.1 干扰信号的分类43

2.5.2 干扰的抑制45

2.6 数字滤波技术45

2.6.1 程序判断滤波46

2.6.2 中值滤波47

2.6.3 算术平均值滤波48

2.6.4 加权平均值滤波49

2.6.5 滑动平均值滤波49

2.6.6 RC低通数字滤波49

2.6.7 复合数字滤波50

2.6.8 各种数字滤波性能的比较51

思考题与习题252

3 计算机控制系统分析53

3.1 计算机控制系统的数学描述53

3.1.1 差分方程53

3.1.2 Z变换54

3.1.3 Z反变换58

3.1.4 脉冲传递函数61

3.2 计算机控制系统的稳定性分析67

3.2.1 S平面和Z平面之间的映射关系67

3.2.2 离散控制系统稳定判据68

3.2.3 离散控制系统稳态误差分析70

3.3 离散控制系统动态特性分析73

3.3.1 脉冲传递函数分析离散控制系统的过渡过程74

3.3.2 零极点分布与动态性能之间的关系75

思考题与习题376

4 数字PID控制算法78

4.1 标准的PID算法78

4.1.1 位置型PID控制算式79

4.1.2 增量型PID控制算式80

4.1.3 位置型PID算式的递推算式（偏差系数控制算式）82

4.2 改进的PID算法82

4.2.1 抑制积分饱和的PID算法83

4.2.2 带有死区的PID算式86

4.2.3 不完全微分的PID算式87

4.2.4 微分先行PID控制90

4.2.5 时间最优PID控制90

4.2.6 PID比率控制91

4.3 数字PID算法应用中的问题93

4.3.1 数字PID算法实施中的几个问题93

4.3.2 数字PID调节中的几个实际问题94

4.4 PID参数整定方法96

4.4.1 采样周期T的选择96

4.4.2 凑试法整定PID控制器参数97

4.4.3 扩充临界比例度法98

4.4.4 扩充响应曲线法99

4.4.5 归一参数整定法100

4.4.6 优选法100

4.5 PID算法仿真实例100

4.5.1 仿真模型的结构100

4.5.2 控制算法仿真的实现方法101

思考题与习题4107

5 常用数字控制器的设计108

5.1 概述108

5.2 最少拍随动系统的设计109

5.2.1 最少拍系统的设计109

5.2.2 最少拍系统的局限性117

5.3 最少拍无纹波系统的设计120

5.4 非最少的有限拍控制122

5.5 惯性因子法123

5.6 大林（Dahlin）算法125

5.7 数字控制器在控制系统中的实现方法130

5.7.1 直接程序设计法130

5.7.2 串行程序设计法131

5.7.3 并行程序设计法132

5.7.4 数字控制器的设计134

思考题与习题5135

6 复杂数字控制器设计136

6.1 纯滞后系统的Smith控制算法136

6.1.1 Smith预估器的工作原理136

6.1.2 Smith预估器的数字实现139

6.1.3 数字Smith预估控制系统140

6.2 串级控制算法140

6.2.1 串级控制工作原理140

6.2.2 串级控制的实现143

6.2.3 控制系统中副回路的设计145

6.2.4 主回路和副回路的匹配问题145

6.2.5 主、副调节器正反作用方式的确定145

6.2.6 控制系统调节器的选型和参数整定146

6.2.7 串级控制系统的工业应用146

6.3 比值控制147

6.3.1 单闭环比值控制147

6.3.2 双闭环比值控制148

6.3.3 变比值控制149

6.4 前馈控制149

6.4.1 前馈控制的原理149

6.4.2 完全补偿的条件150

6.4.3 前馈—反馈控制150

6.5 动态矩阵控制算法151

6.5.1 DMC的基本原理152

6.5.2 动态矩阵控制系统设计参数的选择158

思考题与习题6161

7 工业控制计算机162

7.1 工业控制计算机的特点及要求162

7.2 单片微型计算机163

7.3 可编程序控制器164

7.4 总线工控机167

思考题与习题7172

8 网络集成式分散控制系统173

8.1 数据通信与工业网173

8.1.1 数据通信技术173

8.1.2 网络拓扑结构177

8.1.3 网络通信协议178

8.2 集散控制系统180

8.2.1 集散控制系统的特点181

8.2.2 集散控制系统发展过程及典型产品181

8.2.3 集散控制系统的功能层次结构182

8.2.4 集散控制系统的发展趋势184

8.3 现场总线控制系统186

8.3.1 现场总线的体系结构186

8.3.2 现场总线的特点与优势188

8.3.3 现场总线通信协议189

8.3.4 几种典型的现场总线190

8.3.5 现场总线控制系统194

8.3.6 现场总线的发展195

思考题与习题8195

9 计算机控制系统的设计196

9.1 计算机控制系统的设计原则196

9.2 计算机控制系统的设计过程197

9.3 微型计算机控制的自动装箱系统202

9.3.1 自动装箱控制系统的原理202

9.3.2 控制系统硬件设计203

9.3.3 控制系统软件设计206

9.4 单片机控制的温度控制系统212

9.4.1 温度控制系统的组成213

9.4.2 温度控制系统的硬件设计213

9.4.3 数字控制器的数学模型218

9.4.4 温度控制系统软件设计219

9.4.5 手动后援问题232

思考题与习题9233

附录 部分函数的Z变换、拉氏变换表234

参考文献235