计算机控制系统

前言

第1章 概论

1.1 计算机控制系统的基本原理与组成

1.1.1 计算机控制系统的基本原理

1.1.2 计算机控制系统的组成

1.2 计算机控制系统的分类

1.2.1 按控制方式分类

1.2.2 按功能和系统构成分类

1.2.3 按控制规律分类

1.3 计算机控制系统的发展

1.3.1 计算机技术对控制技术的影响

1.3.2 计算机控制理论的发展

1.3.3 计算机控制系统的发展趋势

习题

第2章 计算机控制系统的分析

2.1 计算机控制系统中信号的变换

2.1.1 模数转换与采样定理

2.1.2 数模转换与零阶保持器

2.1.3 计算机控制系统的简化框图

2.2 计算机控制系统的z传递函数

2.2.1 数字控制器的z传递函数

2.2.2 连续部分的z传递函数

2.2.3 闭环z传递函数

2.3 计算机控制系统的特性分析

2.3.1 稳定性

2.3.2 稳态误差

2.3.3 动态性能

习题

第3章数字PID控制器

3.1 PID控制算法

3.1.1 模拟.PID调节器

3.1.2 数字PID控制算法

3.2 标准PID控制算法的改进

3.2.1 “饱和”作用的抑制

3.2.2 干扰的抑制

3.2.3 给定值突变时对控制量进行阻尼的算法

3.2.4 其他修改算法

3.3 非线性PID控制器

3.3.1 带死区的PID控制

3.3.2 时间最优PID控制

3.4 数字PID控制器参数的整定

3.4.1 整定的基本步骤

3.4.2 经验法

3.4.3 实验法

3.4.4 参数的自整定

3.4.5 PID参数寻优

3.4.6 采样周期的选择

3.5 纯滞后的补偿——Smith预估补偿

3.6 ：PID串级控制

3.6.1 串级控制系统的分析

3.6.2 数字PID串级控制系统

3.6.3 主、副调节器控制规律的选择

3.6.4 串级调节器的整定方法

3.6.5 副回路微分先行串级控制

习题

第4章 数字控制器的直接设计方法

4.1 数字控制器的直接设计步骤

4.2 最少拍有纹波控制器设计

4.2.1 由系统的准确性确定中(z)

4.2.2 由系统的快速性确定中(z)

4.2.3 由D(z)的物理可实现性确定西(z)

4.2.4 由系统的稳定性确定中(z)

4.3 最少拍无纹波控制器设计

4.3.1 纹波产生的原因

4.3.2 最少拍无纹波控制器设计方法

4.4 惯性因子法

4.4.1 有限拍系统的局限性

4.4.2 惯性因子法简介

4.5 大林算法

4.5.1 大林算法的基本形式

4.5.2 振铃的强弱及振铃消除方法

习题

第5章 基于状态空间模型的设计法

5.1 控制系统的离散状态空间描述

5.1.1 连续系统的精确离散化概述

5.1.2 线性系统的离散化

5.1.3 一类仿射非线性系统的精确离散化

5.1.4 离散系统的解

5.2 离散系统的能控性、能观性与稳定性

5.2.1 离散系统的能控性

5.2.2 离散系统的能观性

5.2.3 稳定性分析

5.3 极点配置设计法

5.3.1 基于极点配置的状态反馈控制规律设计

5.3.2 基于极点配置的观测器设计

5.3.3 基于极点配置的控制器设计

5.4 线性二次型最优控制

5.4.1 LQR问题的描述

5.4.2 二次型性能指标函数的离散化

5.4.3 LQR最优控制规律的计算

5.4.4 LQR与Liapunov最优状态反馈设计的关系

5.4.5 LQR设计与极点配置设计的比较

习题

第6章 模糊控制

6.1 模糊控制的数学基础

6.1.1 模糊集合

6.1.2 模糊关系与模糊矩阵

6.1.3 模糊逻辑与模糊推理

6.2 模糊控制系统

6.2.1 模糊控制的基本原理

6.2.2 模糊控制系统的分类

6.2.3 模糊控制器设计的基本方法

6.3 从实例中看模糊控制。

6.3.1 基于Mamdani模糊推理的温度和压力过程控制，

6.3.2 洗衣机洗涤时间的自动调节设计

6.3.3 模糊自适应整定PID控制

6.3.4 基于Sugeno模糊推理的倒立摆模糊控制

6.4 模糊控制的优点及其所面临的主要任务

习题

第7章 控制用计算机简介

7.1 工业控制计算机

7.1.1 工控机的特点

7.1.2 工业控制计算机系统的组成

7.1.3 工控机总线介绍

7.2 可编程序控制器

7.2.1 PLc的基本组成

7.2.2 PLC的工作原理

7.2.3 PLc控制系统

7.3 单片机

7.3.1 单片机控制系统

7.3.2 ATMEL51系列单片机简介

7.4 ARM处理器

7.4.1 ARM处理器概述

7.4.2 ARM体系结构

7.4.3 三星$3C44：BOX处理器简介

7.5 数字信号处理器

7.5.1 DSF芯片概述

7.5.2 DSF-芯片的基本结构

7.5.3 TMS320C2000系列DSt简介

习题

第8章 过程通道

8.1 过程通道的作用

8.2 模拟量输出通道

8.2.1 模拟量输出通道的结构形式

8.2.2 D／A转换器

8.3 模拟量输入通道

8.3.1 信号处理器

8.3.2 多路转换器(多路开关)

8.3.3 放大器

8.3.4 采样保持器

8.3.5 A／D转换器

8.4 开关量(数字量)输入输出通道

8.4.1 数字量输入调理

8.4.2 数字量输出调理

8.5 信号的标度变换

8.5.1 量程自动转换

8.5.2 线性参数标度变换

8.5.3 非线性参数标度变换

8.6 数字滤波技术

习题

第9章 控制网络技术

9.1 控制网络和信息网络的区别

9.2 控制网络的体系结构

9.3 分级递阶控制策略

9.3.1 分解一协调的基本原理

9.3.2 多目标最优决策

9.4 控制网络配置结构

9.4.1 控制网络的硬件体系

9.4.2 控制网络的组态软件

9.5 现场总线技术

9.5.1 现场总线的技术特点

9.5.2 现场总线的通信标准

9.5.3 几种有影响的现场总线

9.6 基于Internet的远程控制

习题

第10章 计算机控制系统的电磁兼容技术

10.1 电磁兼容概述

10.1.1 干扰源及其作用形式

10.1.2 干扰的传播途径

10.2 电磁干扰抑制技术

10.2.1 滤波

10.2.2 屏蔽

10.2.3 接地

10.2.4 隔离

10.2.5 供电技术

10.3 信号的长线传输

10.3.1 串扰噪声

10.3.2 信号反射

习题

第11章 计算机控制系统设计

11.1 计算机控制系统设计的基本要求和特点

11.1.1 系统设计的基本要求

11.1.2 系统设计的特点

11.2 系统设计的一般步骤

11.2.1 确定任务

11.2.2 建模和确定控制方法

11.2.3 总体方案设计

11.2.4 硬件和软件的具体设计

11.2.5 软硬件联调

11.2.6 离线仿真——实验室模拟运行

11.2.7 现场调试、试运行

11.2.8 验收或鉴定——系统性能评估

11.3 计算机控制系统设计实例

11.3.1 啤酒发酵过程计算机控制系统

11.3.2 7葛精度位置伺服系统

11.3.3 双轮自平衡车控制系统

第12章 实验

12.1 实验装置介绍及基本实验方法

12.1.1 实验装置的基本结构及硬件资源

12.1.2 虚拟示波器的使用

12.1.3 编程软件的基本操作

12.2 计算机控制系统的典型实验

12.2.1 A／DD／A转换实验

12.2.2 数字滤波器实验

12.2.3 积分分离数字PID控制

12.2.4 状态反馈与状态观测器

12.2.5 大林算法实验

12.2 ~6模糊控制实验

12.2.7 冷热箱控制实验

12.2.8 风扇词速实验

附录 常用函数的拉氏变换和z变换表

参考文献

《计算机控制系统》是普通高等教育“十二五”电气信息类规划教材。《计算机控制系统》不仅给出了理论分析结果，而且简要地阐述了算法步骤、MAT-LAB仿真工具的应用和对一些实际问题的仿真处理过程，每章都附有典型例题。《计算机控制系统》主要内容包括：计算机控制系统的基础理论；模糊控制、离散状态空间设计法（极点配置法、最优控制）、PID及其改进方法、数字控制器直接设计法等控制策略及其算法；工控机、PLC、DsP、单片机等控制用计算机及其应用实例，阐述如何构建和实现计算机控制系统（设计方法、接口技术、电磁兼容技术、现场总线技术、组态技术等）；基础实验指导。《计算机控制系统》例题丰富，实用性强，提倡以实验为主导，培养学生工程实践能力。《计算机控制系统》可作为高等学校自动化、电气技术、智能科学与技术、机电一体化、电子信息、测控技术、计算机应用及其他相关专业的教学用书。对于广大的工程技术人员，也是一本有价值的参考书和培训教材。先修课程：微机原理及应用、软件技术基础和自动控制理论。