章绪论1
1.1计算机控制概述1
1.1.1自动控制1
1.1.2计算机控制2
1.1.3计算机控制的组成3
1.1.4常用的计算机控制控制器及其特点5
1.2计算机在工业控制中的典型应用6
1.2.1操作指导控制6
1.2.2直接数字控制7
1.2.3监督计算机控制8
1.2.4集散控制9
1.2.5现场总线控制9
1.3计算机控制的发展概况及趋势10
1.3.1计算机控制的发展概况10
1.3.2计算机控制的发展趋势11
习题112
第2章输入输出接口与过程通道13
2.1输入输出通道概述13
2.2模拟量输入通道14
2.2.1模拟量输入通道的一般组成14
2.2.2典型的A/D转换器及其接口技术20
2.3模拟量输出通道27
2.3.1模拟量输出通道的结构形式27
2.3.2D/A转换器与计算机进行接口的一般问题28
2.3.3典型的D/A转换器及其接口技术29
2.4数字量(开关量)输入通道35
2.4.1数字量输入通道结构35
2.4.2数字量输入接口电路36
2.4.3输入调理电路36
2.5数字量(开关量)输出通道37
2.5.1数字量(开关量)输出通道结构37
2.5.2数字量输出接口38
2.5.3输出驱动电路38
2.6计算机控制的硬件抗干扰技术39
2.6.1工业现场的干扰及其对的影响40
2.6.2过程通道抗干扰技术42
2.6.3长线传输干扰及其方法44
2.6.4空间干扰的46
2.6.5主机抗干扰技术47
2.6.6计算机控制的接地与电源保护技术49
习题253
第3章工业控制计算机的总线技术57
3.1总线的分类57
3.1.1数据总线、地址总线、控制总线和电源总线58
3.1.2内部总线和外部总线58
3.1.3并行总线和串行总线59
3.2常用的总线简介59
3.2.1STD总线59
3.2.2PC系列总线603.3常用的外部总线66
3.3.1RS-232C总线66
3.3.2RS-422和RS-485总线66
3.3.3USB总线67
3.4总线接口扩展技术69
3.4.1总线接口扩展技术69
3.4.2外部总线接口扩展技术73
习题376
第4章计算机控制的数学描述及分析77
4.1计算机控制的信号变换理论77
4.1.1计算机控制的信号形式77
4.1.2信号的采样、量化、恢复及保持78
4.2计算机控制的数学描述80
4.2.1序列和差分方程80
4.2.2z变换与z反变换83
4.2.3计算机控制的脉冲传递函数85
4.3离散控制的分析91
4.3.1S平面和Z平面之间的映射91
4.3.2线性离散的稳定性判据92
4.3.3离散控制的稳态特性分析95
4.3.4离散控制的动态特性分析96
4.4离散控制的频率特性分析99
4.4.1频率特性定义99
4.4.2频率特性分析99
习题4101第5章计算机控制的常用设计技术103
5.1数字PID控制器的设计方法103
5.1.1模拟PID调节器103
5.1.2数字PID控制算法106
5.1.3数字PID控制算法的改进107
5.1.4数字PID控制器的参数整定112
5.2数字控制器的直接设计方法116
5.2.1数字控制器的直接设计步骤117
5.2.2少拍数字控制器的设计118
5.2.3少拍有纹波控制器的设计123
5.2.4少拍无纹波控制器的设计127
5.3纯滞后控制技术130
5.3.1史密斯预估控制130
5.3.2达林算法133
5.4串级控制技术137
5.4.1串级控制的结构和原理137
5.4.2数字串级控制算法138
5.4.3副回路微分先行串级控制算法139
5.5前馈-反馈控制技术141
5.5.1前馈控制的结构和原理141
5.5.2前馈-反馈控制结构141
5.5.3数字前馈-反馈控制算法144
5.6解耦控制技术145
5.6.1解耦控制原理147
5.6.2数字解耦控制算法148
习题5149第6章计算机控制的状态空间分析与设计方法151
6.1线性定常离散的状态空间描述151
6.1.1状态方程与输出方程151
6.1.2连续状态空间数学模型的离散化152
6.2线性定常离散的状态空间分析154
6.2.1状态方程的z变换求解154
6.2.2的稳定性155
6.2.3能控性、能达性和能观性155
6.3采用状态空间的输出反馈设计法157
6.3.1少拍无纹波的跟踪条件157
6.3.2输出反馈设计法的设计步骤158
6.4采用状态空间的极点配置设计法161
6.4.1按极点配置设计控制规律162
6.4.2按极点配置设计状态观测器165
6.4.3按极点配置设计控制器169
6.4.4跟踪设计173
6.5采用状态空间的优化设计法175
6.5.1LQ优控制器设计176
6.5.2状态优估计器设计180
6.5.3LQG优控制器设计185
6.5.4跟踪设计185
习题6186
第7章计算机控制的软件设计技术187
7.1计算机控制软件概述187
7.1.1计算机软件基础187
7.1.2计算机控制软件的组成188
7.1.3计算机控制软件的设计188
7.1.4计算机控制软件的功能189
7.2计算机控制应用程序设计技术190
7.2.1计算机控制应用程序设计原则190
7.2.2计算机控制应用程序的软件工程设计方法191
7.3计算机控制中的人机交互技术199
7.3.1人机交互的概念及其要求199
7.3.2人机交互的设计技术200
7.4计算机控制的组态软件技术201
7.4.1组态软件及其特点201
7.4.2组态软件的功能202
7.4.3组态软件的组成结构203
7.4.4组态软件的发展204
7.4.5几种组态软件产品介绍204
7.5计算机控制的软件抗干扰技术206
7.5.1指令冗余技术206
7.5.2软件陷阱技术207
7.5.3数字滤波技术208
7.5.4开机自检与故障诊断技术210
习题7211
第8章计算机先进控制技术213
8.1动态矩阵控制213
8.1.1预测模型213
8.1.2滚动优化214
8.1.3反馈校正215
8.2模型算法控制218
8.2.1预测模型218
8.2.2参考轨迹218
8.2.3滚动优化219
8.2.4实例仿真221
8.3模型预测控制223
8.3.1模型预测控制的基本原理223
8.3.2模型预测控制的可行性和稳定性分析227
8.4显式模型预测控制229
8.4.1离线计算232
8.4.2在线计算235
8.4.3实例仿真236
8.5基于凸优化的快速模型预测控制237
8.5.1凸优化工具CVXGEN简介237
8.5.2CVXGEN求解器的生成237
8.5.3算法控制性能分析240
第9章三自由度直升机半实物仿真与实时控制245
9.1Quanser三自由度直升机的结构和数学模型245
9.2三自由度直升机PID控制器设计250
9.3三自由度直升机PID控制数值仿真251
9.4三自由度直升机控制半实物仿真与实时控制256
9.4.1半实物仿真256
9.4.2不含主动干扰情况258
9.4.3含主动干扰情况264
9.5三自由度直升机半实物仿真PID控制实验结果269
9.5.1不含主动干扰情况269
9.5.2含主动干扰情况272
9.6三自由度直升机H2/H∞控制器设计276
9.6.1H2控制器设计及仿真276
9.6.2H∞控制器设计及仿真283
9.6.3mixed H2/H∞控制器设计及仿真287
9.7三自由度直升机H2/H∞控制半实物实验293
9.7.1三自由度直升机H2/H∞调节控制实验293
9.7.2三自由度直升机H2/H∞跟踪控制实验307
参考文献313

本书系统地阐述了计算机控制系统的分析方法、设计方法和工程实现方法。本书共分9章,主要内容包括: 计算机控制系统的组成及其典型形式、计算机控制系统的输入输出接口与过程通道、工业控制计算机的总线技术、计算机控制系统的数学描述及特性分析、计算机控制系统的常用设计技术、计算机控制系统的状态空间分析与设计方法、计算机控制系统的软件设计技术、计算机优选控制技术、三自由度直升机半实物仿真与实时控制。本书内容丰富、体系新颖,注重理论与应用、软件与硬件、设计与实现的有机结合,系统性和实践性强。为了便于教学和自学,本书每章都配有不同类型的习题。
本书可作为普通高等院校自动化类、电气工程类、电子信息类、仪器仪表类及其他相关专业的本科生教材,也可作为科研和工程技术人员的参考用书。