计算机控制技术第2版

本书在第1版的基础上修订而成｡本书涉及计算机控制系统的硬件设计､软件设计､控制算法和仿真技术等内容,既具有较强的理论性,也具有很强的实践性｡主要内容包括:计算机控制系统的基本概念和组成､计算机控制系统的分类;采样过程､数字控制设计基础､离散化方法､数字控制器设计方法等计算机控制的基础理论;计算机控制系统的过程通道､数据处理和数字滤波､过程通道的可靠性措施;数字PID控制､*少拍控制､纯滞后补偿控制､模糊控制､神经网络控制等常用的控制算法的基本原理和实现方法;计算机控制系统的设计方法及步骤,以及用于教学的两个综合应用实例和用于学生研究性学习的两个综合项目｡
本书适合作为自动化､测控技术与仪器､电气工程及其自动化等专业本科生的教材,也可供从事控制系统设计的专业技术人员参考｡

目 录
前 言
第1章 计算机控制系统概述 1
1.1 计算机控制系统的概念 1
1.1.1 基本概念和组成 1
1.1.2 计算机控制系统的功能与特点 5
1.1.3 计算机控制系统的工作过程
与方式 7
1.2 计算机控制系统分类 8
1.2.1 操作指导控制系统 8
1.2.2 直接数字控制系统 9
1.2.3 监督控制系统 9
1.2.4 分布式控制系统 10
1.2.5 现场总线控制系统 11
1.2.6 工业以太网控制系统 13
1.3 计算机控制系统的发展趋势 15
1.3.1 推广应用成熟的先进技术 15
1.3.2 大力研究和发展智能控制系统 15
1.3.3 适应工业4.0和《中国制造2025》
的发展要求 16
习题与思考题 17
第2章 计算机控制的理论基础 18
2.1 概述 18
2.2 采样过程 19
2.2.1 信号类型及系统类型 19
2.2.2 采样与保持 21
2.2.3 采样定理 24
2.2.4 采样周期的选择 26
2.3 离散控制系统设计的理论基础 26
2.3.1 差分方程 26
2.3.2 z变换及其特性 28
2.3.3 脉冲传递函数 33
2.3.4 离散系统分析 38
2.3.5 离散控制系统的MATLAB仿真 49
2.4 离散化方法 53
2.4.1 欧拉方法 53
2.4.2 零极点匹配等效方法 53
2.4.3 z变换法 54
2.4.4 保持器等效方法 54
2.5 数字控制器设计方法 55
2.5.1 模拟化设计方法 55
2.5.2 直接数字设计方法 56
2.5.3 设计方法的MATLAB仿真实例 57
2.6 本章小结 61
习题与思考题 61
第3章 过程通道 63
3.1 概述 63
3.1.1 过程通道的分类 64
3.1.2 过程通道的功能 64
3.2 模拟量输入通道 64
3.2.1 模拟量输入通道的组成和结构
形式 65
3.2.2 信号调理电路 65
3.2.3 多路转换器 68
3.2.4 采样保持器 70
3.2.5 A/D转换器 72
3.2.6 A/D转换器与计算机的接口设计
及仿真 77
3.3 模拟量输出通道 86
3.3.1 模拟量输出通道的组成和结构
形式 86
3.3.2 D/A转换器 87
3.3.3 D/A转换器与计算机的接口设计及
仿真 92
3.4 数字量输入输出通道 101
3.4.1 数字量输入通道 101
3.4.2 数字量输出通道 102
3.4.3 数字量输入输出通道设计实例 104
3.5 数据处理和数字滤波 105
3.5.1 线性化处理 105
3.5.2 标度变换 107
3.5.3 数字滤波及MATLAB仿真 108
3.6 过程通道的可靠性措施 113
3.6.1 系统干扰与可靠性问题 113
3.6.2 过程通道设计中的可靠性措施 114
3.7 本章小结 116
习题与思考题 117
第4章 常用的计算机控制算法 119
4.1 概述 119
4.2 数字PID控制 120
4.2.1 模拟PID控制及仿真 120
4.2.2 数字PID控制及仿真 124
4.2.3 PID控制算法参数的整定方法 143
4.2.4 PID控制算法在微处理器系统中
的实现 149
4.3 最少拍控制 153
4.3.1 最少拍控制算法 153
4.3.2 最少拍控制器设计 154
4.3.3 设计实例 157
4.3.4 最少拍无纹波控制器设计 161
4.3.5 最少拍控制的局限性 162
4.4 纯滞后补偿控制 164
4.4.1 纯滞后现象 164
4.4.2 大林控制算法及仿真 165
4.4.3 Smith预估控制及仿真 170
4.5 模糊控制 177
4.5.1 模糊控制的发展和概述 177
4.5.2 模糊控制的基本概念 177
4.5.3 模糊控制系统的组成 179
4.6 神经网络控制 181
4.6.1 神经网络基础 181
4.6.2 感知器 185
4.6.3 BP神经网络 186
4.6.4 神经网络控制 189
4.7 数字控制器的实现方法 193
4.7.1 直接程序设计法 194
4.7.2 串行程序设计法 194
4.7.3 并行程序设计法 196
4.7.4 数字控制器的设计步骤 197
4.8 本章小结 198
习题与思考题 198
第5章 计算机控制系统设计 200
5.1 计算机控制系统的设计方法及步骤 200
5.1.1 设计控制系统的知识能力要求?
基本原则和设计内容 200
5.1.2 控制系统总体方案的确定 202
5.1.3 控制用微型计算机的选择 205
5.1.4 控制策略和控制算法的确定 207
5.1.5 控制系统硬件设计 208
5.1.6 控制系统软件设计 211
5.1.7 计算机控制系统的调试 212
5.2 设计实例1(DDC控制系统)———湿热
试验箱控制系统 214
5.2.1 湿热试验系统简介 214
5.2.2 系统设计 215
5.3 设计实例2(现场总线控制系统)———
列车试风试验控制系统 218
5.3.1 系统概况 218
5.3.2 系统设计 219
5.4 研究性学习项目1———LED照明闭环
控制系统 224
5.4.1 系统总体设计要求 225
5.4.2 控制算法要求 225
5.4.3 系统硬件设计要求 227
5.4.4 预处理要求 227
5.4.5 系统软件设计要求 228
5.4.6 制作及实验要求 228
5.5 研究性学习项目2———智能小车控制
系统 229
5.5.1 系统总体设计要求 229
5.5.2 系统硬件设计要求 230
5.5.3 算法设计要求 231
5.5.4 系统软件设计要求 234
5.5.5 制作及实验要求 234
5.6 本章小结 235
附录 常用函数z变换表 236
参考文献 237

前 言计算机控制技术是把计算机技术与自动化控制原理融为一体的一门综合性学问,是以计算机为核心部件的过程控制工程和运动控制工程的综合性技术随着自动化技术计算机技术通信技术网络技术管理技术等的发展,计算机控制技术将这些技术融合起来,呈现开放性集散性智能化网络化等特点,并以日新月异的速度发展以计算机控制技术为基础的计算机控制系统在军事航天工业农业交通运输经济管理能源开发与利用等各个领域获得了广泛的应用基于这样的应用需求,社会对掌握计算机控制技术的高素质人才的需求不断扩大本书为普通高等教育电气工程与自动化(应用型)“十三五”规划教材,教材编写依据“全国高等学校电气工程与自动化(应用型)规划教材编审委员会”提出的“基本理论适度注重工程应用” 的基本原则,将理论知识与实践知识有机地融合起来结合案例教学项目教学研究性学习等方法,借鉴国外精品教材以及国内应用型本科优秀教材的写作思路写作方法以及章节安排,并不照搬适用于国内研究型大学的教材编写模式,坚持“有所为,有所不为”,将计算机控制技术最核心的内容写透写好,期望编写出更加适合应用型人才培养需要的教材,使学生易于理解和掌握,并掌握其应用方法,基本具备计算机控制系统的设计能力本书的编写特色如下:1)把握核心内容,仍以最基本的直接数字控制系统为主要对象,计算机控制基础理论过程通道(硬件和数字滤波)常用的控制算法作为核心内容2)注意以问题(或案例项目) 为驱动,引出各章(或节) 的知识点,激发学生的学习兴趣3)注重实际和工程应用,给出较多的实际例子和实物图例,将理论知识与实践知识有机地融合起来,并将作者多年的科研成果应用到教材中4)进行理论分析时注重应用MATLAB对实例进行仿真,使抽象的理论知识易于理解5)文字阐述简洁易懂,理论论述简单通俗易于理解,有利于学生课后自学本书共分5章:第1章计算机控制系统概述,第2章计算机控制的理论基础,第3章过程通道,第4章常用的计算机控制算法,第5章计算机控制系统设计其中,第2~4章是本书的重点,也是设计计算机控制系统的核心基础本书适合作为自动化测控技术与仪器电气工程及其自动化等专业本科生的教材,也可供其他专业及从事控制系统设计的专业技术人员参考本书参考学时为56学时(含8学时的实验),可根据教学计划和专业的不同要求进行适当安排,部分内容可自学,因此也可按48学时组织教学本书由广西科技大学罗文广教授组织编写和统稿,第1章第4章的4.5节和4.6节由广西科技大学袁海英编写,第2章由广西科技大学石玉秋编写,第3章由广西科技大学廖凤依编写,第4章的4.1~4.4节4.7节和4.8节第5章由罗文广编写由于作者水平有限,书中疏漏和不妥之处在所难免,敬请读者批评指正作 者