本書以“數(shù)據(jù)流”為主線，從信號處理角度出發(fā)，圍繞問題描述和解決方案設(shè)計與實現(xiàn)兩個角度組織材料，介紹計算機控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計理論和工程實現(xiàn)技術(shù)。同時，本書提供了多種學(xué)習(xí)支持材料，如電子課件、教學(xué)指導(dǎo)手冊、部分習(xí)題解答和線上虛擬仿真實驗，能更好地幫助學(xué)生認(rèn)識計算機控制的并發(fā)實時任務(wù)管理本質(zhì)，樹立正確的國家觀、民族觀、歷史觀和文化觀。本書適用于自動化類專業(yè)本科教學(xué)，也適合作為非自動化類專業(yè)學(xué)生或相關(guān)工程技術(shù)人員的參考書。
李東升，工學(xué)博士，副教授，山東省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎獲得者。承擔(dān)或參與校級教研項目4項，國家級重點科研項目3項，出版教材1部，科研論文多篇。
目 錄
問題篇
第1章 計算機控制系統(tǒng) 2
1.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 2
1.2 系統(tǒng) 2
1.3 控制系統(tǒng) 4
1.3.1 控制 4
1.3.2 從模擬控制到計算機控制 4
1.4 計算機控制系統(tǒng) 7
1.4.1 基本結(jié)構(gòu) 7
1.4.2 構(gòu)成要素 8
1.4.3 特點 10
1.5 計算機控制系統(tǒng)的典型架構(gòu) 10
1.5.1 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 11
1.5.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 11
1.5.3 監(jiān)督控制系統(tǒng) 12
1.5.4 分布式控制系統(tǒng) 13
1.5.5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 15
1.5.6 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 16
1.6 計算機控制系統(tǒng)的工程方法 17
1.6.1 工程方法的必要性 17
1.6.2 基于產(chǎn)品生命周期管理的工程方法 18
1.6.3 基于文檔的設(shè)計 19
1.6.4 基于模型的設(shè)計 21
1.7 線上學(xué)習(xí)：認(rèn)識LabVIEW 24
1.8 練習(xí)題 29
1.9 思政討論：我國的計時技術(shù) 30
第2章 信號的采樣和重構(gòu) 31
2.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 31
2.2 計算機控制系統(tǒng)的信號問題 31
2.2.1 信號問題 31
2.2.2 信息與信號 32
2.2.3 信息度量 34
2.2.4 問題描述 35
2.3 信號采樣 36
2.3.1 采樣過程 36
2.3.2 線上學(xué)習(xí)：LabVIEW入門 39
2.3.3 采樣定理 49
2.3.4 工程中的采樣 52
2.3.5 線上學(xué)習(xí)：控件與仿真循環(huán) 55
2.4 信號重構(gòu) 59
2.4.1 香農(nóng)重構(gòu) 60
2.4.2 保持法重構(gòu) 60
2.5 采樣保持電路 62
2.5.1 基本電路 62
2.5.2 采樣保持器 64
2.5.3 主要技術(shù)參數(shù) 64
2.6 練習(xí)題 66
2.7 思政討論：基于信息的控制 67
分析篇
第3章 連續(xù)對象的離散行為 70
3.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 70
3.2 連續(xù)對象的行為描述 70
3.2.1 圖形表示法 71
3.2.2 解析表示法 74
3.3 線上學(xué)習(xí)：使用LabVIEW建立連續(xù)對象模型 77
3.3.1 使用仿真函數(shù)建立連續(xù)對象模型 79
3.3.2 使用控件設(shè)計函數(shù)建立連續(xù)對象模型 85
3.4 離散觀察：計算機視角的對象行為 91
3.4.1 圖形表示法 92
3.4.2 解析表示法 92
3.5 線上學(xué)習(xí)：使用LabVIEW建立離散對象模型 94
3.5.1 直接建立離散對象模型 94
3.5.2 間接建立離散對象模型 98
3.5.3 同類型對象的模型轉(zhuǎn)換 105
3.6 混合系統(tǒng)及其行為描述 109
3.6.1 混合系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 109
3.6.2 混合系統(tǒng)的行為描述 110
3.6.3 模型互連 113
3.7 線上學(xué)習(xí)：使用LabVIEW建立混合系統(tǒng)模型 116
3.7.1 通過仿真函數(shù)建立混合系統(tǒng)模型 116
3.7.2 通過控件設(shè)計VI建立混合系統(tǒng)模型 123
3.8 練習(xí)題 129
3.9 思政討論：多元的觀點，相同的立場 130
第4章 期望：行為變化的描述 132
4.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 132
4.2 混合系統(tǒng)的時間響應(yīng) 132
4.2.1 一般形式 133
4.2.2 典型響應(yīng) 134
4.3 線上學(xué)習(xí)：使用LabVIEW輔助計算 138
4.3.1 使用仿真函數(shù)計算 138
4.3.2 使用控件設(shè)計VI計算 143
4.4 基于頻域的行為分析 146
4.4.1 穩(wěn)定性 146
4.4.2 魯棒性 155
4.4.3 快速性 157
4.5 線上學(xué)習(xí)：使用LabVIEW輔助分析 159
4.5.1 伯德圖VI 159
4.5.2 奈奎斯特圖VI 161
4.6 練習(xí)題 162
4.7 思政討論：聯(lián)結(jié)個人與社會，釋放創(chuàng)新活力 164
決策篇
第5章 離散時間控制：模擬設(shè)計方法 167
5.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 167
5.2 設(shè)計思想 167
5.3 離散化方法 168
5.3.1 第一類近似：移動平均濾波 168
5.3.2 第二類近似：加窗濾波 172
5.4 數(shù)字PID控制 174
5.4.1 模擬PID控制器 175
5.4.2 數(shù)字PID控制器 178
5.4.3 離散化產(chǎn)生的問題與對策 180
5.4.4 參數(shù)整定 183
5.5 線上學(xué)習(xí)：倒立擺的控制（基于模擬設(shè)計方法） 185
5.5.1 基于模型的控制設(shè)計 185
5.5.2 車桿問題 186
5.6 練習(xí)題 190
5.7 思政討論：站在前人的肩膀上，繼往開來 191
第6章 離散時間控制：數(shù)字設(shè)計方法 192
6.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 192
6.2 設(shè)計思想 192
6.3 頻率響應(yīng)法 193
6.4 Ragazzini法 196
6.4.1 無限沖激響應(yīng)濾波 196
6.4.2 有限沖激響應(yīng)濾波 198
6.5 狀態(tài)空間設(shè)計法 201
6.5.1 極點配置 201
6.5.2 狀態(tài)估計 205
6.5.3 能控性和能觀性 208
6.6 線上學(xué)習(xí)：倒立擺的控制（基于數(shù)字設(shè)計方法） 209
6.6.1 層次化設(shè)計 209
6.6.2 車桿問題及求解 213
6.7 練習(xí)題 215
6.8 思政討論：追隨時代的腳步，精益求精 216
施效篇
第7章 從函數(shù)到算法 219
7.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 219
7.2 計算問題 219
7.2.1 計算時延引起的問題 220
7.2.2 量化引起的問題 221
7.3 可控實現(xiàn)形式 227
7.4 運算結(jié)構(gòu) 228
7.4.1 基本運算單元 229
7.4.2 直接型結(jié)構(gòu) 229
7.4.3 串聯(lián)型結(jié)構(gòu) 232
7.4.4 并聯(lián)型結(jié)構(gòu) 233
7.4.5 不同結(jié)構(gòu)的比較 234
7.5 線上學(xué)習(xí)：數(shù)字PID控制算法 234
7.5.1 數(shù)字PID控制 234
7.5.2 LabVIEW中的數(shù)字PID控制 236
7.6 練習(xí)題 241
第8章 計算機控制：軟硬件協(xié)同實現(xiàn) 244
8.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 244
8.2 從信號耦合網(wǎng)絡(luò)到能量耦合網(wǎng)絡(luò) 245
8.2.1 軟硬件協(xié)同設(shè)計 245
8.2.2 從信息處理角度看計算機控制 250
8.2.3 組件、接口和信號 252
8.3 運算設(shè)備 256
8.3.1 通用計算機 256
8.3.2 嵌入式計算機 257
8.4 通用I/O接口 258
8.4.1 技術(shù)指標(biāo) 258
8.4.2 存儲器映射 259
8.4.3 數(shù)據(jù)傳輸方法 262
8.4.4 接口操作策略 264
8.5 處理不一致的數(shù)據(jù) 266
8.5.1 濾波 266
8.5.2 標(biāo)度變換 270
8.5.3 常見的非線性問題及對策 271
8.6 線上學(xué)習(xí)：LabVIEW的儀器控制 272
8.6.1 儀器控制 272
8.6.2 儀器驅(qū)動 273
8.6.3 VISA 277
8.7 練習(xí)題 285
第9章 并發(fā)實時調(diào)度 286
9.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 286
9.2 并發(fā)實時調(diào)度 287
9.2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的系統(tǒng) 287
9.2.2 基本概念 288
9.2.3 實時任務(wù)調(diào)度 293
9.3 系統(tǒng)設(shè)計：使用狀態(tài)圖 298
9.3.1 功能描述 298
9.3.2 功能分解 300
9.3.3 任務(wù)構(gòu)建 301
9.3.4 系統(tǒng)配置 304
9.4 可靠性設(shè)計模式 306
9.4.1 可靠性 306
9.4.2 影響系統(tǒng)可靠性的因素 307
9.4.3 可靠性設(shè)計 307
9.5 線上學(xué)習(xí)：基于模式的系統(tǒng)設(shè)計 313
9.5.1 設(shè)計模式 313
9.5.2 經(jīng)典狀態(tài)機 313
9.5.3 生產(chǎn)者/消費者模式 323
9.6 練習(xí)題 324
參考文獻(xiàn) 325
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