《北京市精品立項教材：計算機控制系統(tǒng)》對計算機控制系統(tǒng)的基本概念、組成原理、設計方法及應用進行了論述，主要內(nèi)容包括計算機控制系統(tǒng)概述、計算機控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、數(shù)字PID控制器、直接數(shù)字控制器等。
本書是作者在早期出版的《微型計算機控制系統(tǒng)》和《微型計算機控制技術(shù)》基礎(chǔ)上，綜合了近年來作者在北方工業(yè)大學現(xiàn)場總線技術(shù)及自動化北京市重點實驗室的科研成果，吸收了國內(nèi)外先進控制理論、技術(shù)和方法，經(jīng)過反復修改和總結(jié)編著定稿的。本書被評為北京市精品立項教材。
本書系統(tǒng)地闡述了計算機控制系統(tǒng)的組成原理、控制結(jié)構(gòu)、設計方法和實現(xiàn)方法，重視理論聯(lián)系實際，重視解決工程實際中出現(xiàn)的問題。在編寫過程中，本書盡量做到重點突出、層次分明、條例清晰，并列舉了大量工程實用技術(shù)和應用實例，建立了一套比較完整、科學和實用的計算機控制系統(tǒng)分析、設計和實現(xiàn)的基本體系。
全書共12章。第1章是對計算機控制系統(tǒng)的簡要概述，包括計算機控制系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)、特點、分類與發(fā)展前景等。第2章講述了計算機控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，包括計算機控制系統(tǒng)的信號變換、數(shù)學描述方法、脈沖傳遞函數(shù)及其系統(tǒng)分析等。隨后的幾章介紹了幾種數(shù)字控制器的設計方法：第3章是數(shù)字PID控制，包括基本PID算法、改進PID算法、：PID參數(shù)整定方法以及自抗擾控制器；第4章是直接數(shù)字控制器，包括控制器的設計原理、最少拍控制、大林算法以及控制器的實現(xiàn)方法；第5章是基于狀態(tài)空間模型的設計方法，包括狀態(tài)空間模型描述、能控性、能觀性與穩(wěn)定性分析、狀態(tài)反饋控制、狀態(tài)觀測器設計與最優(yōu)二次型控制等內(nèi)容；第6章是模型預測控制，包括模型預測控制的基本原理和幾種典型的預測控制方法；第7章是模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡控制，包括模糊控制原理、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和單神經(jīng)元PID控制方法。第8章～第10章介紹了計算機控制的技術(shù)實現(xiàn)問題：第8章是過程輸入輸出通道，包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道以及通道中隔離電路的設計；第9章是人機接口技術(shù)，包括各種信息輸入、輸出裝置以及鍵盤顯示器的典型接口電路；第10章是抗干擾技術(shù)，包括計算機控制系統(tǒng)中干擾的來源和分類以及抗干擾的措施。第1l章講述了微型計算機控制系統(tǒng)的工程設計，包括設計的方法和步驟以及全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)、全數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)、數(shù)字呼吸機控制系統(tǒng)等四個應用實例。第12章介紹了工業(yè)控制計算機和網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)，包括工控機系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等內(nèi)容。本書第1章～第4章、第8章、第11章由孫德輝教授編寫，第5章一第7章由李志軍副教授編寫，第9章、第10章、第12章由史運濤副教授編寫，劉大千、李月恒參與了編寫和修訂。
本書可以作為自動化、電氣工程和計算機應用等專業(yè)高年級本科生和研究生的教材，也可作為廣大科研和工程技術(shù)人員的參考書。
由于作者水平有限，書中內(nèi)容難免存在一些缺點和不足，殷切希望廣大讀者批評指正。
第1章 計算機控制系統(tǒng)概述
1.1 計算機控制系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與特點
1.1.1 計算機控制系統(tǒng)的組成
1.1.2 計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
1.1.3 計算機控制系統(tǒng)的特點
1.2 計算機控制系統(tǒng)的分類
1.2.1 計算機操作指導控制系統(tǒng)
1.2.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)
1.2.3 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)
1.2.4 集散控制系統(tǒng)
1.2.5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
1.2.6 計算機集成制造控制系統(tǒng)
1.3 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展前景
1.3.1 開放化
1.3.2 小型化
1.3.3 智能化
第2章 計算機控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)
2.1 計算機控制系統(tǒng)的信號變換
2.1.1 信號的種類
2.1.2 A／D轉(zhuǎn)換器與采樣定理
2.1.3 D／A轉(zhuǎn)換器與保持器
2.1.4 計算機控制系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)圖
2.2 線性離散控制系統(tǒng)的數(shù)學描述方法
2.2.1 差分方程
2.2.2 Z變換
2.2.3 Z變換的基本定理
2.2.4 Z反變換
2.2.5 用Z變換解差分方程
2.3 脈沖傳遞函數(shù)
2.3.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義
2.3.2 脈沖傳遞函數(shù)的求法
2.3.3 離散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的等效變換
2.4 線性離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差
2.4.1 穩(wěn)定性
2.4.2 穩(wěn)態(tài)誤差
第3章 數(shù)字Pm控制器
3.1 數(shù)字控制器的設計方法
3.1.1 計算機控制系統(tǒng)的等效結(jié)構(gòu)圖
3.1.2 數(shù)字控制器的間接設計方法
3.2 PID控制算法
3.2.1 模擬PID控制器
3.2.2 數(shù)字：PID控制器
3.3 PID算法的幾種改進形式
3.3.1 帶有死區(qū)的PID控制算法
3.3.2 抗積分飽和的PID算法
3.3.3 不完全微分的PID控制算法
3.3.4 對象具有純滯后的PHD控制
3.4 PID控制器的參數(shù)整定
3.4.1 經(jīng)驗法
3.4.2 試湊法
3.4.3 擴充臨界比例帶法
3.4.4 擴充階躍響應法
3.4.5 參數(shù)尋優(yōu)方法
3.4.6 自整定PID算法
3.5 自抗擾控制器
3.5.1 PID控制器的缺點
3.5.2 自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)
3.5.3 仿真實例
第4章 數(shù)字控制器的直接設計方法
4.1 直接設計法的原理與步驟
4.2 最少拍系統(tǒng)設計
4.2.1 最少拍系統(tǒng)D（z）的設計
4.2.2 最少拍系統(tǒng)的調(diào)整時間
4.2.3 數(shù)字控制器的可實現(xiàn)條件
4.2.4 最少拍系統(tǒng)的穩(wěn)定性
4.3 最少拍無紋波系統(tǒng)設計
4.4 大林算法
4.4.1 大林算法的基本形式
4.4.2 振鈴的強弱及振鈴的消除方法
4.5 數(shù)字控制器D（z）的實現(xiàn)
4.5.1 直接程序設計法
4.5.2 串行程序設計法
4.5.3 并行程序設計法
第5章 基于狀態(tài)空間方程的設計方法
5.1 離散時間系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述
5.1.1 由差分方程建立離散狀態(tài)空間方程
5.1.2 由脈沖傳遞函數(shù)建立離散狀態(tài)空間方程
5.1.3 線性連續(xù)系統(tǒng)的離散化
5.1.4 離散狀態(tài)方程求解
5.1.5 線性離散系統(tǒng)的傳遞矩陣和特征方程
5.2 離散時間系統(tǒng)的能控性、能觀性與穩(wěn)定性
5.2.1 能控性及其判據(jù)
5.2.2 能觀性及其判據(jù)
5.2.3 穩(wěn)定性
5.3 狀態(tài)反饋控制
5.3.1 狀態(tài)反饋
5.3.2 極點配置
5.4 狀態(tài)觀測器
5.4.1 開環(huán)估計器
5.4.2 閉環(huán)狀態(tài)觀測器
5.4.3 帶有狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)
5.5 線性二次型最優(yōu)控制
5.5.1 性能指標
5.5.2 離散系統(tǒng)的無限時間二次型最優(yōu)控制
5.5.3 離散系統(tǒng)的有限時間二次型最優(yōu)控制
第6章 模型預測控制
6.1 MPC的基本原理
6.1.1 MPC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
6.1.2 一個簡單的例子
6.2 典型的模型預測控制算法
6.2.1 動態(tài)矩陣控制
6.2.2 模型算法控制
6.2.3 廣義預測控制
第7章 模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡控制
7.1 模糊數(shù)學基礎(chǔ)
7.1.1 模糊集合與模糊關(guān)系
7.1.2 模糊推理
7.2 模糊控制的基本原理
7.2.1 模糊化
7.2.2 知識庫
7.2.3 模糊推理與解模糊化
7.2.4 模糊控制的應用實例
7.3 模糊控制與PID的結(jié)合
7.3.1 模糊-PID復合控制
7.3.2 模糊自適應PID控制
7.4 神經(jīng)網(wǎng)絡基礎(chǔ)
7.4.1 神經(jīng)元數(shù)學模型
7.4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)
7.4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡的學習規(guī)則
7.4.4 典型前向神經(jīng)網(wǎng)絡（BP網(wǎng)絡）
7.5 單神經(jīng)元PID控制
第8章 過程輸入輸出通道
8.1 模擬量輸入通道
8.1.1 傳感器
8.1.2 信號處理
8.1.3 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)
8.1.4 放大器
8.1.5 采樣保持器
8.1.6 模數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換器
8.2 模擬量輸出通道
8.2.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器
8.2.2 電壓/電流變換器
8.3 數(shù)字量輸入通道
8.3.1 開關(guān)量輸入通道
8.3.2 脈沖量輸入通道
8.3.3 中斷輸人通道
8.4 數(shù)字量輸出通道
8.4.1 功率開關(guān)驅(qū)動
8.4.2 開關(guān)執(zhí)行器
8.5 通道中的隔離電路
8.5.1 數(shù)字隔離電路
8.5.2 模擬隔離放大器
第9章 人機接口技術(shù)
9.1 概述
9.2 信息輸入裝置
9.2.1 電位器輸入裝置
9.2.2 撥碼盤輸入裝置
9.2.3 鍵盤輸入裝置
9.2.4 鼠標輸入裝置
9.2.5 掃描儀輸入裝置
9.3 信息輸出裝置
9.3.1 發(fā)光二極管顯示器及接口電路
9.3.2 液晶顯示器及接口電路
9.3.3 圖形顯示器
9.3.4 微型打印機
9.4 觸摸屏
9.4.1 觸摸屏的工作原理
9.4.2 觸摸屏的三個基本技術(shù)特性
9.4.3 觸摸屏的主要類型
9.5 鍵盤顯示器典型接口電路-
9.5.1 串行口硬件譯碼鍵盤顯示器接口
9.5.2 8279鍵盤顯示器接口
9.5.3 8279鍵盤顯示器應用及編程方法
第10章 抗干擾技術(shù)
10.1 計算機控制系統(tǒng)干擾的來源及分類
10.1.1 干擾的來源
10.1.2 干擾的分類
10.2 幾種主要干擾的抑制方法
10.2.1 電源噪聲的抑制
10.2.2 過程通道的干擾抑制
10.2.3 接地技術(shù)
10.2.4 布線的抗干擾技術(shù)
10.2.5 CPU抗干擾技術(shù)
第11章 微型計算機控制系統(tǒng)的工程設計
11.1 微型計算機控制系統(tǒng)設計的方法和步驟
11.1.1 系統(tǒng)工程設計的基本要求
11.1.2 系統(tǒng)工程設計的特點
11.1.3 確定系統(tǒng)總體控制方案
11.1.4 建立系統(tǒng)的數(shù)學模型并確定控制算法
11.1.5 微型機與接口電路的選擇
11.1.6 系統(tǒng)總體設計
11.2 全數(shù)字位置隨動系統(tǒng)設計
11.2.1 系統(tǒng)基本單元設計
11.2.2 數(shù)字觸發(fā)器設計
11.2.3 數(shù)字控制器設計
11.2.4 系統(tǒng)的主程序框圖及程序清單
11.3 全數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計
11.3.1 系統(tǒng)組成原理
11.3.2 系統(tǒng)各單元設計
11.3.3 系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)計算
11.3.4 系統(tǒng)軟件設計
11.4 微機控制的恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)設計
11.4.1 系統(tǒng)主要單元設計
11.4.2 系統(tǒng)軟件設計
11.5 數(shù)字式呼吸機控制器設計
11.5.1 控制器組成原理
11.5.2 控制器單元硬件設計
11.5.3 控制器軟件設計
第12章 工控機系統(tǒng)與網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)
12.1 工控機系統(tǒng)
12.1.1 工控機系統(tǒng)的組成
12.1.2 工控機的結(jié)構(gòu)
12.1.3 工控機的I／O接口信號模板
12.1.4 工控機的應用實例
12.2 集散控制系統(tǒng)
12.2.1 DCS的基本結(jié)構(gòu)
12.2.2 DCS的硬件構(gòu)成
12.2.3 DCS的軟件構(gòu)成
12.2.4 DCS的網(wǎng)絡構(gòu)成
12.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
12.3.1 現(xiàn)場總線概述
12.3.2 FCS的技術(shù)特點
12.3.3 幾種有影響的現(xiàn)場總線
附錄哪計算程序
參考文獻
（1）直接控制層軟件——完成系統(tǒng)的直接控制功能；
�。�2）監(jiān)督控制層軟件——完成系統(tǒng)的監(jiān)督控制和人機界面功能；
�。�3）高層管理軟件——完成系統(tǒng)的高層生產(chǎn)調(diào)度管理功能。
這三個層次的軟件分別具有自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和圍繞各自數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理程序，以實現(xiàn)各個層次的功能。各個層次的軟件之間通過網(wǎng)絡軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和功能協(xié)調(diào)，低層軟件為高層軟件提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持，而系統(tǒng)則通過逐層提高的軟件實現(xiàn)比低一層軟件更多的功能和控制范圍。從數(shù)據(jù)本身所代表的物理意義來看，底層數(shù)據(jù)比較簡單，它們主要反映的是測量值，主要是作為控制計算的原始數(shù)據(jù)；而高層數(shù)據(jù)則逐級增加復雜程度，監(jiān)督控制層的數(shù)據(jù)除反映測量值外，還要反映生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)，為操作人員掌握生產(chǎn)過程提供依據(jù)，因此需要增加很多特性，這就要對直接控制層提供的數(shù)據(jù)進行進一步的篩選和加工，使這些數(shù)據(jù)具備所需的特性；在高級管理層，原始數(shù)據(jù)除了要反映其測量值、生產(chǎn)設備運行狀態(tài)外，還要反映生產(chǎn)調(diào)度信息、生產(chǎn)質(zhì)量信息及設備管理信息等，為生產(chǎn)管理人員和企業(yè)經(jīng)營人員提供經(jīng)營管理信息，因此還要對監(jiān)督控制層提供的數(shù)據(jù)再次進行篩選和加工，并且還要派生出一些新的數(shù)據(jù)，使其攜帶所需的信息。這種逐級增加并不斷豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容的體系結(jié)構(gòu)正是現(xiàn)代DCS的最大特點。
按照上述的三個功能層次，系統(tǒng)將具有直接控制、監(jiān)督控制和高級管理這三個層次的數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫將分布在不同的節(jié)點上，因此需要通過各個節(jié)點之間的網(wǎng)絡通信軟件將各個層次的數(shù)據(jù)庫聯(lián)系在一起，并對數(shù)據(jù)內(nèi)涵的逐級豐富提供網(wǎng)絡支持。因此，可以說一個DCS系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)，主要決定于數(shù)據(jù)庫的組織方式和各個功能節(jié)點之間的網(wǎng)絡通信方式，這兩個要素的不同，決定了各家DCS的軟件體系結(jié)構(gòu)，而且也造成了各家DCS的特點、性能及使用等諸方面的不同。
DCS中的數(shù)據(jù)庫有其自己的特點：
�。�1）DCS這樣的實時系統(tǒng)中，特別是直接控制層和監(jiān)督控制層的數(shù)據(jù)庫主要是指實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫比較注重數(shù)據(jù)訪問的實時性，因此實時數(shù)據(jù)庫都是建立在內(nèi)存之中的，其容量也不是很大，一般在MB數(shù)量級。實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都比較簡單。
�。�2）I）CS的數(shù)據(jù)庫是分布結(jié)構(gòu)，借助網(wǎng)絡通信才能夠?qū)崿F(xiàn)各種所期望的功能。例如，DCS中所有的現(xiàn)場I／0被分在若干現(xiàn)場控制站中，絕大部分的直接控制功能均可從本站得到原始數(shù)據(jù)，但也必然有一小部分功能要使用到不在本站的數(shù)據(jù)，這就需要進行引用，即通過網(wǎng)絡將其他站的數(shù)據(jù)讀取過來參加控制計算。如何才能夠保證這種引用達到快速、準確及盡量少地占用網(wǎng)絡資源，這就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計所要解決的問題，其中包括網(wǎng)絡的規(guī)約、網(wǎng)絡通信的方式、物理I／0點的分站設計及各類功能軟件如何分布的設計等。
通過系統(tǒng)網(wǎng)絡，各個實時數(shù)據(jù)庫將最新的數(shù)據(jù)廣播到各個操作員站上，以實現(xiàn)全局數(shù)據(jù)庫的刷新。隨著DCS規(guī)模的不斷擴大和系統(tǒng)監(jiān)控功能的不斷加強，DCS逐步演變成帶有服務器的Chent／Sever結(jié)構(gòu)，而全局數(shù)據(jù)庫也成為一種單備份的集中數(shù)據(jù)庫形式。各個現(xiàn)場控制站通過系統(tǒng)網(wǎng)絡對服務器的全局數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實時更新，而操作員站和其他專用功能節(jié)點則通過更高一層的網(wǎng)絡（在物理上可以與系統(tǒng)網(wǎng)絡是同一個網(wǎng)絡）從服務器上取得數(shù)據(jù)以實現(xiàn)本節(jié)點的功能，或在本節(jié)點上保存一個全局數(shù)據(jù)庫的子集，通過實時更新的方法以滿足本節(jié)點的功能對數(shù)據(jù)的需求。
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