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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