计算机大家也许都会操作，但你对计算机控制系统了解吗？计算机的领域非常广泛，光是某一方面就有很深的内容。本书也是如此，它从工程实际应用的角度出发，注重基础性、系统性和实用性，较深入地介绍了计算机控制系统的基本知识及分析和设计方法。

本书从工程实际应用的角度出发，注重基础性、系统性和实用性，较深入地介绍了计算机控制系统的基本知识及分析和设计方法。全书共十章，包括绪论、计算机控制系统设计的硬件基础、计算机控制系统的数学基础、计算机控制系统的特性分析、计算机控制系统的间接设计法、计算机控制系统的直接设计法、数字控制器的状态空间设计方法、计算机控制系统设计、嵌入式系统与网络控制、计算机控制系统的可靠性设计。每一章后面都给出了相应的习题，并在书中提供了部分习题参考答案供学生参考、对照。本书还配备了相应的多媒体教材，一方面可以帮助理解和消化教材的有关内容，另一方面也可供学生课下学习、参阅。  本书可作为自动化专业学生的教材或参考书，也可供有关教师、科研人员及工程技术人员学习参考。

第一章绪论………………………………………(1)

1．1计算机控制系统概述…………………(1)

1．2计算机控制系统的类型………………(4)

1．3计算机控制理论………………………(7)

1．4计算机控制系统应用实例……………(8)

1．5计算机控制系统的发展………………(12)

第二章计算机控制系统设计的硬件

基础…………………………………………(16)

2．1开关量输入……………………………(16)

2．2开关量输出……………………………(21)

2．3模拟量输人……………………………(24)

2．4模拟量输出……………………………(37)

2．5计算机控制系统中的电源……………(39)

2．6信号采样与重构………………………(48)

2．7数字滤波………………………………(60)

习题…………………………………………(61)

第三章计算机控制系统的数学

基础…………………………………………(63)

3．1差分方程………………………………(63)

3．2 z变换…………………………………(67)

3．3逆z变换 ………………………………(70)

3．4脉冲传递函数…………………………(73)

习题…………………………………………(79)

第四章计算机控制系统的特性

分析…………………………………………(81)

4．1计算机控制系统的稳定性……………(81)

4．2计算机控制系统的动态特性…………(89)

4．3计算机控制系统的稳态误差…………(93)

4．4离散系统的根轨迹和频率特性………(95)

习题…………………………………………(100)

第五章计算机控制系统的间接设

计法…………………………………………(104)

5．1概述……………………………………(104)

5．2基本设计方法…………………………(104)

5．3数字PID控制器的设计 ………………(112)

5．4数字PID控制器算法的改进 …………(117)

5．5数字PID控制器的参数整定 …………(125)

习题…………………………………………(130)

第六章 计算机控制系统的直接设

计法…………………………………………(132)

6．1概述……………………………………(132)

6．2最少拍控制系统设计…………………(133)

6．3纯滞后对象的控制算法………………(145)

6．4设计数字控制器的根轨迹法…………(152)

6．5数字控制器的频域设计法……………(159)

习题…………………………………………(166)

第七章 数字控制器的状态空间设计

方法…………………………………………(170)

7．1 线性系统的状态空间描述及线性

离散系统状态空间…………………………(170)

7．2线性定常离散系统的能控性和能

观性…………………………………………(174)

7．3状态反馈设计法………………………(182)

7．4输出反馈设计法………………………(187)

7．5状态观测器设计………………………(188)

习题…………………………………………(194)

第八章 计算机控制系统设计…………………(197)

8．1计算机控制系统的设计步骤…………(197)

8．2数字伺服系统…………………………(204)

8．3双闭环直流数字调速系统……………(206)

8．4电阻炉温度控制系统…………………(212)

8．5数字程序控制系统……………………(219)

 习题……………………………………………(229)

第九章嵌入式系统与网络控制…………………(231)

9．1 概述…………………………………(231)

9．2嵌入式系统……………………………(232)

9．3 网络控制……………………………(244)

习题…………………………………………(256)

第十章计算机控制系统的可靠性

设计…………………………………………(257)

10．1概述 …………………………………(257)

10．2干扰的来源 …………………………(258)

10．3 电源与供电系统的抗干扰措施 …(259)

10．4信号传输通道的抗干扰措施 ………(263)

10．5系统可靠性设计 ……………………(267)

10．6故障诊断技术 ………………………(272)

习题…………………………………………(275)

部分习题参考答案 ………-……………………(276)

参考文献…………………………………………(281)

计算机控制系统的组成

计算机控制系统由计算机系统和被控对象组成，计算机系统又由硬件和软件组成。

(1)硬件

硬件包括计算机、过程输入／输出通道、外部设备和操作台等。

①计算机

计算机是计算机控制系统的核心，通过接口可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。其具体功能是完成程序存储、程序执行、数值计算、逻辑判断、数据处理等工作。

  ②过程输入／输出通道

    过程输入／输出通道是在计算机和被控对象(或生产过程)之间设置的信息传送和转换的连接通道。过程输入通道把被控对象(或生产过程)的被控参数转换成计算机可以处理的数字代码。过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据，转换成可以对被控对象(或生产过程)进行控制的信号。过程输入／输出通道一般分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。

  ③外部设备

    实现计算机和外界交换信息的设备称为外部设备(简称外设)。外部设备包括人一机通信设备、输入／输出设备和外存储器(简称外存)等。输入设备有键盘、光电输入机等。它主要用来输入程序和数据。输出设备有打印机、记录仪、纸带穿孔机、显示器(数码显示器或CRT显示器)等。它主要用来向操作人员提供各种信息和数据，以便及时了解控制过程。外存储器有磁带装置、磁盘装置等。它兼有输入／输出功能，主要用来存储系统程序和数据。

  ④操作台

    操作台是操作人员与计算机控制系统进行“对话”的设备，主要包括如下几部分。

    (a)显示装置，如显示屏幕、LED或LCD数码显示器，主要用来显示操作人员要求显示的内容或报警信号。

    (b)一组或几组功能键，通过功能键，可向主机申请中断服务。功能键包括复位键、启动键、打印键、显示键等。

    (c)一组或几组数字键，用来输入某些数据或修改控制系统的某些参数。

(2)软件

  软件是指能够完成各种功能的计算机控制系统的程序系统。它是计算机系统的神经中枢，整个系统的动作，都是在软件的指挥下进行工作的。它由系统软件和应用软件组成。

  系统软件是指能提高计算机使用效率，扩大功能，为用户使用、维护和管理计算机提供方便的程序的总称。系统软件通常包括操作系统、语言加工系统和诊断系统，具有一定的通用性．一般随硬件一起由计算机生产厂家提供。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统中则是指完成系统内各种任务的程序，如控制程序、数据采集及处理程序、巡回检测及报警程序等。

  目前，计算机控制技术在国民经济、生活和国防建设等各个领域得到了广泛的应用。大到非常庞杂的控制系统，小到各种微型控制设备，计算机控制技术在其中均起着越来越重要的作用。随着计算机技术的迅速发展及微型计算机的日益普及，尤其是各种性能优良、价格低廉的嵌入式微控制器的出现，使得用计算机实现的控制器成本不断降低，从而推动了计算机在控制系统中的应用。同时，由于通过软件编程可以实现各种复杂、灵活的控制算法，因而计算机控制技术广泛地应用于工农业生产、交通运输以及国防建设等各个领域，并取得了良好的控制效果。

本书以微型计算机为控制工具，较深入地介绍计算机控制系统的基本知识和基本应用技术。全书共分十章。第一章介绍计算机控制系统的一些基本概念；计算机控制系统的组成、特点；计算机控制系统的分类；计算机控制理论及计算机控制系统的发展。第二章介绍计算机控制系统的过程通道与接口、电源、信号的采样与重构以及数字滤波等基本知识。第三章介绍计算机控制系统的数学基础，包括差分方程、z变换理论、脉冲传递函数。第四章介绍计算机控制系统的特性分析，包括稳定性分析、动态特性分析及稳态误差分析。第五章介绍数字控制器的模拟化设计方法，包括模拟控制器与数字控制器的转换以及数字PID控制器的设计方法。第六章介绍数字控制器直接设计法的原理、方法，包括最少拍无差有纹波、无纹波系统的设计方法；史密斯预估器设计方法；大林算法以及数字控制器的根轨迹设计法和频域设计法。第七章介绍基于状态空间模型的数字控制器设计方法。第八章介绍计算机控制系统的设计方法和步骤，以及计算机控制系统的应用实例。第九章介绍应用非常广泛的嵌入式系统的基本概念、应用领域、设计实例和发展状况，介绍网络控制的基本特点、结构和应用问题。第十章介绍计算机控制系统的可靠性技术，包括干扰的来源以及抗干扰措施、冗余技术、故障诊断技术以及软件可靠性技术。

本书立足于基础性、实用性、先进性，从系统的概念出发讲述各部分内容，尽量用易于理解的方式和语言阐述问题。为方便学生理解、消化书中的基本知识和基本概念，本书提供了大量的MATLAB仿真示例。每一章后面都给出了大量的习题，并在书中提供了部分习题参考答案。本书还配备了相应的多媒体教材，一方面可以帮助理解和消化教材的有关内容，另一方面也可供学生课下学习、参阅。

学习本书一般需要具备以下背景知识：连续控制系统理论的基本知识；微机原理和微机接口技术的基本知识等。

全书由吉林大学李元春教授主编、统稿，王德军、于在河、高巍参编。书中第一、六、七、九章由李元春、王德军编写；第二、八、十章由李元春、于在河编写；第三、四、五章由李元春、高巍编写。

哈尔滨工业大学郑载满教授担任本书的主审，对本书的编写提出了许多宝贵意见，在此表示诚挚的感谢。

由于编者水平有限，书中不当和错误之处在所难免，殷切希望广大读者批评指正。