計算機控制技術
薛弘曄
《計算機控制技術(薛弘曄)》是2014年西安電子科技大學出版社出版的圖書，作者是薛弘曄。
本教材是為計算機專業的學生編寫的，同時也適合電子工程、通信工程、檢測與儀器儀錶、機電控制、機械自動化及機電一體化等專業的本科學生使用。計算機控制技術是自動控制理論和計算機技術相結合而發展起來的一門學科。隨著計算機在工業生產中的廣泛應用，計算機控制系統的分析和設計方法也正在日臻完善。對上述所列專業的大學生來說，系統地掌握本學科的知識技能顯得尤為重要。為此，我們編寫了這本教材。本教材的主要目標是使學生掌握計算機在控制系統、儀器儀錶等各領域的應用理論及技術，培養學生分析問題和解決問題的能力。由於涉及內容較廣泛，技術性、實踐性很強，因此本書力求簡潔、明了，達到使學生較系統地掌握計算機控制理論及其相關技術，並能理論聯繫實際地學習設計和維護計算機控制系統的目的。本書首先由淺入深地講述了經典控制系統的理論，重點介紹了自動控制系統的構成、連續控制系統的穩定性及其控制系統的分析與設計方法；其次，對離散控制系統的基本理論、基本方法、穩定性理論及離散控制器的模擬化和數字化設計方法做了較詳細的闡述；第三，對具有應用優勢的可編程序控制器，以實例形式給予了較大篇幅的介紹；第四，給出了計算機控制系統設計和實現的一般內容和方法；最後，對當前的計算機控制技術熱點——工業控制網路做了介紹，目的在於讓讀者了解新型的控制技術和實現方法。
本書以計算機控制系統為主，深入淺出地論述了計算機控制系統的理論和應用。全書共分9章。作為學習離散系統的前提條件，本書首先概括地介紹了連續控制系統的基本理論知識以及計算機控制實現的基本程序；其次以經典控制演演算法PID為基礎，介紹了由連續控制器到離散控制器的設計方法，較深入地分析了PID演演算法性能和參數整定；隨後重點講述了控制器的直接設計方法，給出了最少拍無波紋控制器的設計方法；最後還對計算機控制系統的設計與實現和計算機控制網路給予了較詳細的論述。
書中列舉了大量例題，給學生學習提供了方便。本書知識點突出，詳略得當，語言簡潔，便於非控制類專業本科(如計算機類)學生作為教材使用，也可供大專學生使用。
第1章 自動控制系統的基本概念 1
1.1 自動控制系統的基本概念 2
1.1.1 自控系統的工作原理 2
1.1.2 自動控制的基本方式 5
1.1.3 對控制系統的基本要求 6
1.2 計算機控制系統的一般構成 7
1.2.1 一般概念 7
1.2.2 計算機控制系統的組成 8
1.2.3 微機控制系統的分類 10
1.3 計算機控制系統的發展 15
小結 16
習題 16
第2章 自動控制系統分析基礎 18
2.1 控制系統的數學模型 18
2.1.1 系統微分方程的建立 18
2.1.2 非線性微分方程的線性化 20
2.1.3 微分方程的解 21
2.2 傳遞函數 24
2.2.1 傳遞函數的概念及定義 25
2.2.2 傳遞函數的基本性質 26
2.2.3 結構圖等效變換及系統的傳遞函數 28
小結 37
習題 37
第3章 連續控制系統的分析與設計 39
3.1 系統響應指標與輸入信號 39
3.1.1 系統的性能指標 39
3.1.2 典型輸入信號 40
3.2 時域分析法 41
3.2.1 系統的階躍響應分析 42
3.2.2 控制系統的穩定性 49
3.2.3 反饋控制系統的穩態誤差 53
3.3 頻率響應分析法 59
3.3.1 頻率響應的基本概念 59
3.3.2 典型環節的頻率特性 61
3.3.3 開環系統的頻率特性 66
3.3.4 頻率法分析系統的穩定性和性能指標 69
3.4 用頻率法校正系統 72
3.4.1 校正與綜合的基本概念 72
3.4.2 綜合設計的主要方法 75
小結 77
習題 77
第4章 數據採集系統設計 81
4.1 概述 81
4.1.1 數據採集系統的構成 81
4.1.2 過程通道的作用與分類 81
4.2 模擬量輸入通道 82
4.2.1 信號的採樣和量化 82
4.2.2 模擬量輸入通道的組成 84
4.2.3 A/D轉換器及其介面技術 86
4.3 模擬量輸出通道 93
4.3.1 模擬量輸出通道的結構形式 93
4.3.2 D/A轉換器及其介面技術 94
4.4 數字量輸入輸出通道 99
4.4.1 數字量輸入通道 99
4.4.2 數字量輸出通道 100
4.5 數據處理與濾波 101
4.5.1 線性化處理 101
4.5.2 標度變換 102
4.5.3 數字濾波 103
小結 106
習題 107
第5章 順序與數字程序控制 108
5.1 順序控制與可編程序控制器 108
5.1.1 順序控制器概述 108
5.1.2 繼電器控制邏輯與梯形圖 108
5.1.3 PLC及其簡單應用 111
5.2 開環數字程序控制 114
5.2.1 開環數字控制原理 114
5.2.2 平面直線插補演演算法 116
5.2.3 四象限直線插補演演算法 120
5.3 平面圓弧插補演演算法 120
5.3.1 第一象限圓弧插補演演算法與實現 120
5.3.2 四象限圓弧插補計算公式 124
小結 126
習題 126
第6章 數字控制器的模擬化設計 128
6.1 概述 128
6.1.1 數字控制器的設計方法 128
6.1.2 差分變換法 128
6.2 數字PID控制器的設計 130
6.2.1 模擬PID控制器 130
6.2.2 數字PID控制器 131
6.3 數字PID控制演演算法的改進 133
6.3.1 抑制積分飽和的PID演演算法 133
6.3.2 不完全微分的PID演演算法 134
6.3.3 微分先行PID演演算法 136
6.3.4 純滯后的補償演演算法 137
6.3.5 帶死區的PID控制 138
6.3.6 時間最優PID控制 138
6.4 PID控制器的參數整定 139
6.4.1 採樣周期T的選擇原則 139
6.4.2 用擴充臨界比例度法選擇PID參數 140
6.4.3 用擴充響應曲線法選擇PID參數 140
6.4.4 PID歸一參數整定法 141
6.4.5 湊試法確定PID參數 142
小結 142
習題 142
第7章 離散控制系統設計 144
7.1 離散系統分析基礎 144
7.1.1 Z變換及性質 144
7.1.2 Z反變換 149
7.1.3 用Z變換解差分方程 153
7.1.4 脈衝傳遞函數及方框圖分析 155
7.2 離散系統性能分析 160
7.2.1 s域到z域的變換 160
7.2.2 離散系統穩定性及穩定條件 161
7.2.3 參數對穩定性影響 162
7.2.4 採樣系統的動態特性分析 163
7.3 數字控制器直接設計 165
7.3.1 直接數字控制器的脈衝傳遞函數 165
7.3.2 最少拍有波紋控制器設計 166
7.3.3 最少拍無波紋控制器設計 173
7.4 大林(Dahlin)演演算法 174
7.4.1 一階被控對象的大林演演算法 175
7.4.2 二階被控對象的大林演演算法 175
7.4.3 振鈴現象及其抑制 176
7.5 數字控制器D(z)演演算法實現 178
7.5.1 直接程序設計 178
7.5.2 串列程序設計 180
7.5.3 并行程序設計 182
小結 184
習題 184
第8章 計算機控制系統設計與實現 187
8.1 概述 187
8.2 系統設計的原則與步驟 188
8.2.1 計算機應用系統的一般構成 188
8.2.2 應用系統的設計原則和要求 190
8.2.3 系統設計的基本內容和步驟 192
8.3 系統的工程設計與實現 198
8.3.1 系統總體方案設計 198
8.3.2 硬體的工程設計與實現 200
8.3.3 軟體的工程設計與實現 202
8.3.4 系統的調試與運行 204
8.4 計算機控制系統設計實例 206
8.4.1 城市交通管理控制系統分析與設計 206
8.4.2 啤酒發酵過程計算機控制系統 210
小結 215
習題 215
第9章 工業控制網路 216
9.1 集散控制系統 216
9.1.1 概述 216
9.1.2 集散系統的基本結構 218
9.1.3 集散系統的特點 221
9.1.4 集散系統的發展方向與趨勢 221
9.2 現場匯流排概述 222
9.2.1 現場匯流排的含義 222
9.2.2 現場匯流排對自動化領域的變革 224
9.2.3 現場匯流排產生的原因 224
9.2.4 現場匯流排發展過程 225
9.2.5 現場匯流排的設備 226
9.3 五種有影響的現場匯流排 227
9.3.1 FF(Foundation Fieldbus) 227
9.3.2 LONWORKS(Local Operating Networks) 227
9.3.3 PROFIBUS(Process Fieldbus) 228
9.3.4 CAN(Control Area Network) 228
9.3.5 HART(Highway Addressable Remote Transducer) 229
9.4 OSI參考模型與現場匯流排通信模型 230
9.4.1 基金會現場匯流排通信模型 230
9.4.2 LONWORKS通信模型 231
9.4.3 PROFIBUS通信模型 231
9.4.4 CAN通信模型 232
9.4.5 HART通信模型 232
9.5 FF現場匯流排技術 232
9.5.1 物理層(Physical Layer) 232
9.5.2 數據鏈路層(Data Link Layer) 236
9.5.3 應用層(Application Layer) 238
9.5.4 用戶層(User Layer) 240
9.6 現場匯流排控制系統設計 244
小結 247
習題 247
附錄 部分函數的Z變換、拉氏變換表 248
參考文獻 249
