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1.内容提要

    本书详细介绍了计算机控制技术的基本原理、控制方法和计算机控制系统的设计实例。本书共分为9章内容，分别介绍计算机控制系统概述、过程通道、计算机控制系统的数学模型、数字PID控制算法、常用数字控制器的设计、复杂数字控制器设计、工业控制计算机、计算机控制系统的设计实例、校企合作案例—计算机控制系统应用。
    本书可以作为高等学校自动化、电气工程及其自动化、计算机应用、机电一体化等专业及其相关专业高年级本科生的教材，还可以供研究生和相关科技人员作为参考书。

2.第3版前言

    根据2019年12月教育部深化新工科建设座谈会暨卓越大学联盟高校新工科教育研讨会的有关精神，在原编写的计算机控制技术的基础上，根据应用型本科专业的特点，再次修订了计算机控制技术的教材。
    计算机控制技术广泛应用于工业生产中，对于推动工业技术的发展及新工科的建设起到一定的作用。近年来，随着电力电子技术、自动控制技术、智能控制技术的发展，计算机控制技术也发生了很大的变化，新的计算机控制系统不断出现，促进了自动化的发展。本书系统地讲述了计算机控制系统的组成结构、原理、控制器的设计及应用，既有理论分析又有应用实例。本书覆盖了工业控制计算机、输入/输出通道、计算机控制系统的理论基础、计算机控制算法及计算机控制系统的设计与实现等内容，以引导读者按照理论分析、仿真研究与工程应用等来进行计算机控制系统的分析与设计。
    计算机控制技术主要内容包括四部分：第一部分主要是计算机控制技术的基础，主要包括计算机控制技术概述、过程通道的原理及数字滤波技术处理；第二部分主要讨论计算机控制技术的控制算法、数字控制器的设计及其应用；第三部分主要讲述工业控制计算机；第四部分主要介绍计算机控制系统的设计方法和应用。
    为了让读者能全面地、系统地掌握计算机控制系统的知识，达到教育部对应用型本科的要求，在编写本教材时，根据应用型本科的特点，本书在编写过程中力求由浅入深、循序渐进、通俗易懂，基本概念和基本知识的解释准确清晰，计算机控制技术知识的说明简明扼要，注重将计算机控制系统的硬件和软件有机地结合起来，注重计算机工业控制的软件设计及其应用。通过典型的控制系统的软件和硬件设计来使读者更深入地理解计算机控制系统的各个组成部分，本书的编写重点突出，以帮助读者掌握关键技术并全面理解本书内容。
    本书共分9章：第1章主要介绍计算机控制系统概述；第2章主要介绍过程通道；第3章主要介绍计算机控制系统的数学模型；第4章主要介绍数字PID控制算法；第5章主要介绍常用数字控制器的设计；第6章主要介绍复杂数字控制器设计；第7章主要介绍工业控制计算机；第8章主要介绍计算机控制系统的设计实例；第9章主要通过校企合作案例介绍计算机控制系统的应用。
    本书由张燕红任主编，马金祥、姚文卿任副主编，其中第1章至第5章由张燕红编写，第6章至第8章由马金祥编写，第9章由姚文卿编写，本书由张建生主审。
    为了方便教师教学和与作者交流，本书作者将向该教材的教学单位提供PPT及相关教学资料，联系方式zhangyh@czu.cn。
    由于作者水平有限，书中难免有错误或不足之处，敬请广大读者批评、指正。

                                                                  编者
                                                                 2020年7月

3.目录

1计算机控制系统概述（1）
1.1计算机控制系统的概念（1）
1.2计算机控制系统的组成（3）
1.2.1硬件组成（3）
1.2.2软件组成（6）
1.3计算机在工业控制中的典型应用（7）
1.4计算机控制系统举例（12）
1.5计算机控制系统的发展概况及趋势（14）
1.5.1计算机控制系统的发展概况（14）
1.5.2计算机控制系统的发展趋势（15）
思考题与习题1（16）
2过程通道（17）
2.1信号的采样和多路开关（17）
2.1.1采样定理（17）
2.1.2采样、量化与编码（19）
2.1.3多路开关（21）
2.2模拟量输入通道（24）
2.3模拟量输出通道（33）
2.3.1模拟量输出通道的两种基本结构形式（33）
2.3.2D／A转换器及接口（34）
2.4数字量输入／输出通道（41）
2.4.1数字量输入/输出通道的一般结构（41）
2.4.2数字量输入通道（41）
2.4.3数字量输出通道（43）
2.5过程通道的抗干扰措施（43）
2.5.1干扰信号的分类（43）
2.5.2干扰的抑制（45）
2.6数字滤波技术（45）
2.6.1程序判断滤波（46）
2.6.2中值滤波（47）
2.6.3算术平均值滤波（48）
2.6.4加权平均值滤波（49）
2.6.5滑动平均值滤波（49）
2.6.6RC低通数字滤波（49）
2.6.7复合数字滤波（50）
2.6.8各种数字滤波性能的比较（51）
思考题与习题2（52）
3计算机控制系统的数学模型（53）
3.1计算机控制系统的数学描述（53）
3.1.1差分方程（53）
3.1.2Z变换（54）
3.1.3Z反变换（59）
3.1.4脉冲传递函数（61）
3.2计算机控制系统的稳定性分析（67）
3.2.1S平面和Z平面之间的映射关系（67）
3.2.2离散控制系统稳定判据（68）
3.2.3离散控制系统稳态误差分析（70）
3.3离散控制系统动态特性分析（73）
3.3.1脉冲传递函数分析离散控制系统的过渡过程（74）
3.3.2零极点分布与动态性能之间的关系（75）
思考题与习题3（76）
4数字PID控制算法（78）
4.1标准的PID算法（78）
4.1.1位置型PID控制算式（79）
4.1.2增量型PID控制算式（80）
4.1.3位置型PID算式的递推算式(偏差系数控制算式)（82）
4.2改进的PID算法（83）
4.2.1抑制积分饱和的PID算法（83）
4.2.2带有死区的PID算式（86）
4.2.3不完全微分的PID算式（87）
4.2.4微分先行PID控制（90）
4.2.5时间最优PID控制（90）
4.2.6PID比率控制（91）
4.3数字PID算法应用中的问题（93）
4.3.1数字PID算法实施中的几个问题（93）
4.3.2数字PID调节中的几个实际问题（94）
4.4PID参数整定方法（96）
4.4.1采样周期T的选择（96）
4.4.2凑试法整定PID控制器参数（97）
4.4.3扩充临界比例度法（98）
4.4.4扩充响应曲线法（99）
4.4.5归一参数整定法（100）
4.4.6优选法（100）
4.5PID算法仿真实例（100）
4.5.1仿真模型的结构（100）
4.5.2控制算法仿真的实现方法（101）
思考题与习题4（107）
5常用数字控制器的设计（108）
5.1概述（108）
5.2最少拍随动系统的设计（109）
5.2.1最少拍系统的设计（109）
5.2.2最少拍系统的局限性（117）
5.3最少拍无纹波系统的设计（120）
5.4非最少的有限拍控制（122）
5.5惯性因子法（123）
5.6大林(Dahlin)算法（125）
5.7数字控制器在控制系统中的实现方法（130）
5.7.1直接程序设计法（130）
5.7.2串行程序设计法（131）
5.7.3并行程序设计法（132）
5.7.4数字控制器的设计（134）
思考题与习题5（135）
6复杂数字控制器设计（136）
6.1纯滞后系统的Smith控制算法（136）
6.1.1Smith预估器的工作原理（136）
6.1.2Smith预估器的数字实现（139）
6.1.3数字Smith预估控制系统（140）
6.2串级控制算法（140）
6.2.1串级控制工作原理（140）
6.2.2串级控制的实现（143）
6.2.3控制系统中副回路的设计（145）
6.2.4主回路和副回路的匹配问题（145）
6.2.5主、副调节器正反作用方式的确定（145）
6.2.6控制系统调节器的选型和参数整定（146）
6.2.7串级控制系统的工业应用（146）
6.3比值控制（147）
6.3.1单闭环比值控制（147）
6.3.2双闭环比值控制（148）
6.3.3变比值控制（149）
6.4前馈控制（149）
6.4.1前馈控制的原理（149）
6.4.2完全补偿的条件（150）
6.4.3前馈—反馈控制（150）
6.5动态矩阵控制算法（151）
6.5.1DMC的基本原理（152）
6.5.2动态矩阵控制系统设计参数的选择（158）
思考题与习题6（161）
7工业控制计算机（162）
7.1工业控制计算机的特点及要求（162）
7.2单片微型计算机（163）
7.3可编程序控制器（164）
7.4总线工控机（167）
思考题与习题7（172）
8计算机控制系统的设计实例（173）
8.1计算机控制系统的设计原则（173）
8.2计算机控制系统的设计过程（174）
8.3设计举例——电炉温控过程计算机控制系统（179）
8.3.1电炉温控过程控制要求（179）
8.3.2系统硬件设计（180）
8.3.3系统软件设计（181）
8.3.4系统仿真（183）
8.4设计举例——机械手独立PD控制系统（185）
8.4.1控制律设计（185）
8.4.2收敛性分析（186）
8.4.3仿真实例（186）
思考题与习题8（190）
9校企合作案例（191）
9.1工业机器人及机器视觉应用系统（191）
9.1.1产品概述（191）
9.1.2产品特点（191）
9.1.3技术性能（191）
9.2机器人应用训练系统组成（192）
9.2.1系统组成（192）
9.2.2机构功能（192）
9.2.3设备运行（193）
9.3元器件功能介绍（194）
9.3.1传感器的定义（194）
9.3.2各传感器接线方式（195）
9.3.3气动元件及工作原理图（196）
9.4变频器使用说明（198）
9.4.1操作面板的认知与操作（198）
9.4.2端子接线图（199）
9.4.3基本操作（200）
9.4.4面板操作（201）
9.4.5主要参数设置（202）
9.5RFID识别系统（202）
9.5.1RFID识别系统介绍（202）
9.5.2RFID通信协议分析（203）
9.5.3三菱PLC控制程序设计（203）
9.5.4工件种类及编码（204）
9.6机器视觉系统应用（204）
9.6.1视觉系统安装（204）
9.6.2视觉系统使用（205）
9.6.3新建应用（207）
9.7工业机器人应用（209）
9.7.1机器人示教单元使用（209）
9.7.2机器人软件使用（212）
9.7.3机器人常用控制指令（219）
9.8工业机器人综合应用（222）
9.8.1运行准备（222）
9.8.2检查设置（223）
9.8.3机器人跟踪程序调试（223）
9.8.4设备运行（224）
附录部分函数的Z变换、拉氏变换表（226）
参考文献（227）