本書較系統、全面地介紹了微型計算機控制系統的理論與各種應用技術。本書兼顧基礎性、實用性和先進性，注重工程應用。全書共分8章，主要內容有：微型計算機控制系統概述、過程輸入/輸出通道、計算機控制系統的理論基礎、數字PID控制器、直接數字控制器、模糊控制、伺服裝置與數字控制系統、控制網絡技術及現場總線、微型計算機控制系統設計方法及實例等。各章都有小結并附有相應的思考與練習，書的最后還附有3個課程設計實例供選用。
本書較系統、全面地介紹了微型計算機控制系統的理論與各種應用技術。
第1章 緒論 1
1.1 計算機控制系統概述 2
1.1.1 微機控制系統的特征 2
1.1.2 微機控制系統硬件組成 5
1.1.3 微機控制系統軟件 7
1.2 計算機控制系統的典型形式 8
1.2.1 操作指導控制系統 8
1.2.2 直接式數字控制系統 8
1.2.3 監督式計算機控制系統 9
1.2.4 集散計算機控制系統 9
1.2.5 現場總線控制系統 10
1.3 計算機控制系統的發展概況
及趨勢 11
本章小結 12
思考與練習 13
第2章 輸入/輸出接口與過程通道 14
2.1 過程輸入/輸出通道概述 14
2.1.1 過程輸入/輸出通道的類型
及功能 14
2.1.2 過程輸入/輸出通道與CPU交換
的信息類型 14
2.1.3 過程通道的編址方式 15
2.2 模擬量輸入通道 15
2.2.1 模擬量輸入通道的結構 15
2.2.2 信號調理 15
2.2.3 多路轉換器 16
2.2.4 采樣保持器 18
2.2.5 A/D轉換器 20
2.2.6 8位A/D轉換芯片ADC0809 22
2.2.7 12位A/D轉換器AD574 25
2.3 模擬量輸出通道 28
2.3.1 模擬量輸出邏輯的結構 29
2.3.2 D/A轉換器 29
2.3.3 0832 D/A轉換器芯片及其接口
電路 31
2.3.4 12位D/A轉換器DAC1210
芯片 35
2.3.5 模擬量輸出通道的設計 35
2.4 開關量輸入邏輯 37
2.4.1 開關量輸入邏輯的結構 37
2.4.2 過程開關量形式及變換 37
2.4.3 開關量輸入邏輯接口技術 41
2.5 開關量輸出通道 41
2.5.1 開關量輸出邏輯的結構 41
2.5.2 開關量輸出邏輯的接口技術 42
2.5.3 典型功率驅動電路 42
本章小結 43
思考與練習 44
第3章 計算機控制基礎理論 45
3.1 計算機控制系統的信號變換理論 45
3.1.1 計算機控制系統的信號形式 45
3.1.2 信號的采樣、量化、恢復及
保持 46
3.2 計算機控制系統的數學描述 49
3.2.1 z變換與z反變換 49
3.2.2 線性定常離散系統的差分方程
及其求解 57
3.2.3 計算機控制系統的脈沖傳遞
函數 58
3.2.4 開環和閉環脈沖傳遞函數 58
3.3 離散控制系統的特性分析 63
3.3.1 S平面到Z平面的映射 63
3.3.2 離散控制系統的穩定的充要
條件 64
3.3.3 線性離散系統的穩定判據 64
3.3.4 離散控制系統的過渡過程分析 67
3.3.5 離散控制系統的穩態誤差分析 70
3.4 離散控制系統的根軌跡設計法 74
3.5 離散控制系統的頻域設計法 78
本章小結 80
思考與練習 80
第4章 計算機控制系統的常規控制策略 82
4.1 PID算法的數字實現 82
4.1.1 PID控制規律及其調節作用 83
4.1.2 PID算法的數字實現 86
4.1.3 幾種改進的PID控制算法 89
4.1.4 PID控制器的參數整定 95
4.2 最少拍無差隨動系統的設計 99
4.2.1 典型輸入下理想最少拍無差
系統的設計 101
4.2.2 最少拍控制器的物理可實現性
和穩定性要求 103
4.2.3 最少拍有紋波控制器的設計 104
4.2.4 最少拍無差控制器的局限性 108
4.3 最少拍無紋波隨動系統的設計 110
4.4 純滯后對象的控制算法——大林
算法 116
4.4.1 大林算法的設計原則及數字
控制器的形式 116
4.4.2 振鈴現象的產生及其消除 117
4.4.3 大林算法的設計步驟 121
4.5 純滯后對象的控制算法——施密斯
（Smith）預估控制 122
4.5.1 Smith預估器原理 122
4.5.2 Smith補償器的計算機實現 124
本章小結 126
思考與練習 127
第5章 運動伺服的數字控制系統 128
5.1 運動伺服控制系統的基本組成
結構 128
5.2 運動伺服控制系統中的位置
檢測器件 130
5.2.1 位置檢測器件的要求和種類 130
5.2.2 光電脈沖編碼器 131
5.2.3 感應同步器 132
5.2.4 旋轉變壓器 133
5.3 直流電機伺服控制系統 136
5.3.1 直流電機的基本結構和工作
原理 136
5.3.2 直流電機的調速方法 138
5.3.3 調速系統性能指標 139
5.4 步進電機控制系統 141
5.4.1 步進電機的基本結構和工作
原理 141
5.4.2 步進電動機的基本參數 142
5.4.3 步進電機的控制方法 143
5.5 交流電機控制系統 145
5.5.1 三相永磁同步電機的基本結構、
工作原理與數學模型 145
5.5.2 矢量控制的基本原理 148
5.5.3 交流電機的矢量控制系統 149
本章小結 150
思考與練習 150
第6章 計算機控制系統的新型控制
策略 151
6.1 智能控制研究現狀、主要特點
及其基本應用 151
6.2 模糊控制 154
6.2.1 模糊控制理論基礎 154
6.2.2 模糊控制系統的原理與設計
過程 162
6.2.3 模糊控制在溫控系統中
的應用 164
6.3 神經控制 169
6.3.1 神經網絡系統模型 169
6.3.2 BP網絡 172
6.3.3 神經網絡控制的結構 175
6.4 遺傳算法 179
6.4.1 遺傳算法基礎理論 179
6.4.2 遺傳算法的改進策略 180
6.5 專家控制 182
6.5.1 專家系統基本概念 182
6.5.2 家系統的原理和結構 183
6.5.3 專家控制系統的建立步驟
與設計原則 185
6.6 其他先進控制技術 187
6.6.1 自適應控制 187
6.6.2 魯棒控制 189
6.6.3 預測控制 190
6.6.4 量子控制 192
本章小結 194
思考與練習 195
第7章 控制網絡技術及現場總線 196
7.1 控制網絡技術概述 196
7.1.1 企業網絡的層次模型 196
7.1.2 控制網絡與信息網絡的區別 197
7.1.3 控制網絡的類型 198
7.2 計算機網絡 198
7.2.1 計算機網絡的發展 198
7.2.2 計算機網絡的功能與分類 199
7.2.3 計算機網絡體系結構 202
7.3 現場總線控制系統技術 203
7.3.1 現場總線概述 204
7.3.2 現場總線標準 205
7.3.3 典型現場總線簡介 207
7.3.4 CAN總線 209
7.4 計算機控制系統總線簡介 218
7.4.1 總線的概念及分類 218
7.4.2 并行總線 218
7.4.3 串行總線 221
7.5 工業控制組態軟件技術 226
7.5.1 組態的概念 226
7.5.2 流行的工控組態軟件 227
本章小結 229
思考與練習 230
第8章 計算機控制系統的設計與實現 231
8.1 計算機控制系統的設計原則
與步驟 231
8.1.1 系統設計原則 231
8.1.2 系統設計步驟 233
8.2 系統的工程設計與實現 235
8.2.1 系統總體方案設計 235
8.2.2 硬件的工程設計與實現 236
8.2.3 軟件的工程設計與實現 237
8.2.4 系統的調試與運行 238
8.3 計算機控制系統可靠性設計 238
8.3.1 干擾的形成與分類 239
8.3.2 硬件抗干擾技術 240
8.3.3 軟件抗干擾技術 242
8.4 計算機控制系統設計實例 245
8.4.1 單回路電阻爐溫度控制系統 245
8.4.2 污水處理控制系統 253
本章小結 257
思考與練習 257
附錄A 課程設計實例 258
參考文獻 264
前 言
工業控制是計算機的一個重要應用領域，計算機控制正是為適應這一需求而發展起來的，它主要研究如何將計算機技術和自動化控制理論應用于工業生產過程，設計出滿足需求的計算機控制系統，這需要自動控制領域的工程技術和研發人員既要掌握自動控制基礎理論，還要掌握與計算機控制系統相關的硬件、軟件及控制規律、網絡技術及現場總線技術等方面的專業知識和技術。計算機控制技術已成為我國高等學校自動化專業、電氣自動化專業、電子信息類專業、機械電子類專業的主干課程之一。
本書共分8章。第1章緒論介紹計算機控制技術的基本概念、系統組成、典型結構及計算機控制系統的發展概況。第2章主要介紹模擬量輸入/輸出通道，A/D、D/A轉換器及其接口技術，開關量輸入/輸出通道及接口技術、功率驅動電路。第3章主要介紹離散控制系統的信號變換、z變換與差分方程、系統脈沖傳遞函數、離散控制系統的穩定性分析、動態及穩態性能分析以及離散控制系統根軌跡及頻域設計方法。第4章主要介紹數字PID算法及參數整定方法，最少拍有紋波及無紋波控制器的設計、大林算法及Smith預估數字控制器設計方法等。第5章主要介紹運動伺服系統的基本構成，伺服控制系統中的檢測器件，直流電機控制系統、步機電機控制系統及交流電機控制系統。第6章主要介紹智能控制現狀及一些常用智能控制方法，如模糊控制、神經網絡控制、遺傳算法、專家控制等。第7章主要介紹控制網絡及計算機網絡基本技術、現場總線技術及CAN總線技術、計算機控制系統總線技術及工業控制組態軟件技術。第8章主要包括計算機系統的設計原則與步驟、系統工程設計與實現、可靠性設計、以及計算機控制系統設計實例。附錄部份介紹了常見的幾種課程設計實例。
本書作者結合多年的教學與科研工作經驗，力求兼顧系統性、實用性、先進性、工程性，敘述簡潔，層次分明，在傳統控制的基礎上對先進控制也做了相應的介紹。為便于學生更好地理解書中的基本知識和概念，每章還附有大量的思考與練習題。全書由成都大學電子信息工程學院方紅統籌安排，并編寫第1、2、4章，喻曉紅統稿并編寫第3、7章及課程設計實例，嚴剛峰編寫第5、6、8章。唐毅謙教授對全書內容進行了審定并編寫了本書的部分內容。
本書參考并吸取了大量國內出版的教材、論文的長處，在此表示感謝。由于編者水平有限，書中難免存在缺漏或不妥之處，敬請讀者批評指正。
作 者
2014年5月
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