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第1章 绪论1

1.1 计算机控制系统概述1

1.1.1 一般概念2

1.1.2 系统的组成3

1.1.3 系统的典型结构5

1.2 计算机控制系统性能8

1.2.1 系统性能指标8

1.2.2 控制对象对控制性能的影响9

1.3 计算机控制系统的发展概况与趋势9

1.3.1 发展概况9

1.3.2 发展趋势11

思考题与习题12

第2章 输入输出接口与过程通道技术13

2.1 输入输出过程通道概述13

2.2 模拟量输入通道14

2.2.1 信号调理14

2.2.2 多路转换开关22

2.2.3 可编程增益放大器24

2.2.4 采样保持器25

2.2.5 A/D转换器29

2.2.6 模拟量输入通道设计举例33

2.3 模拟量输出接口与通道35

2.3.1 模拟量输出通道35

2.3.2 D/A转换器及其接口36

2.3.3 电压／电流转换器39

2.4 数字量（开关量）输入输出通道41

2.4.1 数字量（开关量）输入输出通道概述41

2.4.2 数字量（开关量）输入通道41

2.4.3 数字量（开关量）输出通道43

2.5 过程通道的抗干扰与可靠性设计45

2.5.1 干扰源与干扰的耦合45

2.5.2 过程通道抗干扰措施48

2.6 测量数据的预处理52

2.6.1 数字滤波52

2.6.2 其他数据预处理55

2.7 输入输出通道模板实例58

2.7.1 多功能输入输出板卡58

2.7.2 IPC开关量输入输出通道61

思考题与习题62

第3章 工业控制计算机63

3.1 工业控制计算机的特点与组成结构63

3.1.1 工业控制计算机的特点63

3.1.2 工业控制计算机的组成结构和分类64

3.2 工业控制计算机的总线结构67

3.2.1 总线结构概述及分类67

3.2.2 常用内部总线68

3.2.3 常用外部总线79

3.3 总线型工业控制计算机86

3.3.1 IPC工业控制机86

3.3.2 DCS现场控制站89

3.4 工业控制器与测控装置93

3.4.1 可编程序控制器93

3.4.2 嵌入式工控机97

3.4.3 单元式控制器103

3.4.4 智能测控仪表106

思考题与习题111

第4章 计算机控制系统的理论基础113

4.1 信号的采样与保持114

4.1.1 采样过程114

4.1.2 采样过程的数学描述及特性分析115

4.1.3 信号保持116

4.1.4 采样定理116

4.2 Z变换理论117

4.2.1 Z变换定义118

4.2.2 Z变换性质118

4.2.3 Z变换方法121

4.2.4 Z反变换122

4.3 计算机控制系统的数学描述124

4.3.1 差分方程及其求解124

4.3.2 脉冲传递函数126

4.4 计算机控制系统的分析129

4.4.1 计算机控制系统的稳定性分析129

4.4.2 计算机控制系统的稳态误差分析132

4.4.3 计算机控制系统的性能指标134

4.5 连续系统的离散化135

4.5.1 连续系统的离散化方法及特点135

4.5.2 MATLAB在连续域—离散域变换中的应用136

4.5.3 采样周期及保持器对离散系统的影响140

思考题与习题141

第5章 数字PID控制算法144

5.1 准连续PID控制算法144

5.1.1 模拟PID调节器144

5.1.2 基本数字PID控制145

5.2 数字PID控制的改进147

5.2.1 积分项的改进147

5.2.2 微分项的改进149

5.2.3 其他改进算法151

5.3 数字PID参数的整定152

5.3.1 PID控制器参数对控制性能的影响152

5.3.2 控制周期的选取155

5.3.3 PID控制参数的工程整定法156

5.3.4 PID控制参数的自整定法158

5.4 数字PID控制器的工程实现160

5.4.1 给定值处理160

5.4.2 被控量处理161

5.4.3 偏差处理162

5.4.4 PID计算163

5.4.5 控制量处理163

5.4.6 自动／手动切换164

5.4.7 无扰动切换165

5.4.8 PID控制块参数表165

5.5 MATLAB在数字PID控制器设计中的应用166

5.5.1 PID控制算法的M文件编写166

5.5.2 利用Simulink设计数字PID控制器167

思考题与习题168

第6章 复杂控制算法169

6.1 数字控制器设计原理169

6.2 最小拍控制系统的设计170

6.2.1 最小拍控制原理170

6.2.2 最小拍控制器设计的稳定性问题174

6.2.3 无纹波最小拍控制系统设计176

6.2.4 有限拍控制177

6.2.5 惯性因子法179

6.3 纯滞后控制180

6.3.1 施密斯预估控制181

6.3.2 大林算法183

6.4 常用多回路控制186

6.4.1 串级控制186

6.4.2 前馈-反馈控制188

6.5 模型预测控制191

6.5.1 模型预测控制的基本原理191

6.5.2 模型算法控制192

6.5.3 动态矩阵控制196

6.5.4 预测控制软件包200

6.6 模糊控制203

6.6.1 模糊控制概述203

6.6.2 模糊控制的数学基础204

6.6.3 模糊控制系统的结构与原理213

6.6.4 模糊控制器的设计步骤与方法216

6.6.5 模糊控制器的改进221

6.6.6 MATLAB在模糊控制器设计中的应用222

思考题与习题225

第7章 计算机控制系统的软件设计227

7.1 计算机控制系统软件概述227

7.1.1 计算机控制系统软件的组成227

7.1.2 计算机控制系统软件的功能228

7.2 实用数据结构228

7.2.1 数据结构基本概念228

7.2.2 实用数据结构算法234

7.3 实时数据库技术237

7.3.1 数据库技术概述237

7.3.2 计算机控制系统中的实时数据库242

7.3.3 实时数据库的设计243

7.4 计算机控制系统的软件设计245

7.4.1 计算机控制系统应用软件设计的需求246

7.4.2 计算机控制系统操作系统的选择246

7.4.3 计算机控制系统应用程序开发平台250

7.4.4 计算机控制系统实时数据库的选择251

7.4.5 计算机控制系统应用软件的构建251

7.4.6 计算机控制系统应用软件编程的基本方法253

7.4.7 实时控制程序的结构设计254

7.5 工控组态软件255

7.5.1 工控组态软件概述255

7.5.2 工控组态软件的组成与特点256

7.5.3 工控组态软件开发及调试258

7.5.4 用工控组态软件构建应用控制软件的基本步骤261

思考题与习题262

第8章 分布式计算机控制系统263

8.1 概述263

8.1.1 系统的基本组成263

8.1.2 系统的特点264

8.1.3 系统的发展265

8.2 分布式控制系统（DCS）的体系结构268

8.2.1 DCS的层次结构268

8.2.2 DCS的硬件结构270

8.2.3 DCS的软件结构271

8.2.4 DCS的网络结构275

8.3 分布式控制系统基本类型275

8.3.1 集散型控制系统275

8.3.2 集散型控制系统存在的问题278

8.3.3 基于IPC构成的分布式控制系统278

8.3.4 基于PLC构成的分布式控制系统283

8.4 现场总线控制系统284

8.4.1 现场总线概述284

8.4.2 基金会现场总线285

8.4.3 过程现场总线287

8.4.4 LonWorks总线288

8.4.5 HART通信协议290

8.4.6 CAN通信协议292

8.4.7 现场总线控制系统设计294

8.5 基于工业以太网和现场总线的分布式控制系统296

8.5.1 工业以太网技术296

8.5.2 基于工业以太网和现场总线构成的分布式控制系统301

思考题与习题303

第9章 计算机控制系统设计与实现304

9.1 系统设计的原则与步骤304

9.1.1 系统设计的原则304

9.1.2 系统设计的步骤305

9.2 计算机控制系统的可靠性技术309

9.2.1 控制系统的抗干扰设计309

9.2.2 控制系统CPU可靠性设计314

9.2.3 控制系统的软件可靠性设计316

9.2.4 控制系统的冗余设计318

9.3 基于工业PC的计算机测控系统设计实例318

9.3.1 系统方案设计319

9.3.2 系统硬件设计321

9.3.3 系统软件设计322

9.4 基于网络结构的计算机测控系统设计实例323

9.4.1 系统方案设计323

9.4.2 系统网络结构设计326

9.4.3 系统硬件设备选型与设计327

9.4.4 系统软件设计及系统组态330

思考题与习题333

参考文献334