本书系统地介绍了计算机控制技术的基本理论、设计方法以及工程应用。其主要内容包括计算机控制系统概述、计算机控制系统的接口技术、过程输入输出通道、两级计算机控制系统、计算机控制系统程序设计、数字控制器的模拟化设计方法、数字控制器的离散化设计方法和复杂控制规律。本书在编写上注重理论联系实际，既重视理论体系的完整性，又注重工程实际应用。
　　本书可作为高等院校自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程、计算机科学与技术、新能源科学与工程、机电一体化、数控技术等专业的本科生和研究生教材，同时也可作为有关工程技术人员的参考书。

基础性，计算机控制技术涉及知识面广，为了在有限的学时中将*主要的知识点包括进去，对教材内容进行了优化整合，经过整合后教材共8章内容。
　　实用性，教材以51系列单片机为主要依托，讲述计算机控制系统的分析与设计方法，内容具体，使读者能够快速理解计算机控制系统的基本概念。
　　系统性，既注重计算机控制技术的基础性和实用性，又要兼顾到计算机控制理论体系的完整性和先进性，因此在教材的第8章讲述了复杂控制规律。

计算机控制技术研究以计算机为控制载体的自动控制系统的分析与设计问题。今天，计算机控制技术已经在工业过程控制、运动控制、数控机床、机器人、航空航天等领域获得了广泛的应用，计算机控制技术日益彰显出勃勃生机。由于IntelMCS-51系列单片机技术成熟，量大面广，作为控制算法的载体在计算机控制技术中具有得天独厚的作用。
　　本书系统地介绍了计算机控制系统的基本理论、设计方法以及工程应用，全书共8章，主要内容如下。
　　第1章计算机控制系统概述，介绍计算机控制系统的组成、计算机控制系统的分类、计算机控制系统的发展趋势。
　　第2章计算机控制系统的接口技术，包括存储器及I/O接口的编址方式、可编程并行接口8255A和8155接口技术、键盘与显示器接口。
　　第3章过程输入输出通道，包括过程通道及其分类、数字量输入/输出通道、模拟量输入通道、模拟量输出通道、模数转换器ADC0809、数模转换(D/A)接口。
　　第4章两级计算机控制系统，包括串行接口基础、MCS-51的串行接口、MCS-51与PC通信程序。
　　第5章计算机控制系统程序设计，包括判断程序、巡回检测程序、越限报警程序、步进电机控制程序、控制算法PID程序、数字滤波程序、标度变换程序、线性化处理程序。
　　第6章数字控制器的模拟化设计方法，包括数字控制器的模拟化设计方法概述、模拟控制器的离散化方法、数字PID控制算法及其改进、采样周期的选择、PID数字控制器的参数整定。
　　第7章数字控制器的离散化设计方法，包括数字控制器的离散化设计方法、最小拍有波纹控制系统的设计、最小拍无波纹控制系统的设计、控制算法在计算机上的实现。
　　第8章复杂控制规律，包括Smith预估计器、Dahlin算法、前馈控制、串级控制、多变量解耦控制。
　　在本书的编写过程中，作者特别注意理论联系实际，在总结多年从事计算机控制系统设计工作的经验和教训的基础上，吸收国内外先进的理论、方法和技术，从工程实际出发精选大量的工业控制实例，给出了计算机控制系统中的控制算法、硬件电路和软件程序，使读者建立起计算机控制系统的概念。同时，通过该课程的学习，使读者掌握计算机控制系统的分析与设计方法，培养其独立设计和开发计算机控制系统的能力。本书立足于工程实践，突出基本概念、基本理论和基本方法，既注重计算机控制理论体系的先进性、系统性和完整性，又注重这些理论在实际中应用的实用性，力争做到重点突出、层次分明、条理清晰、言简意赅。
　　本书第1～3章和第5～7章由蓝益鹏编写，第4章和第8章由刘桂秋编写。在本书的编写过程中，硕士生陈其林、胡学成和黄洋洋进行了部分文字和图片的编辑工作，在此对他们表示感谢。
　　本书在编写过程中参考和引用了书后的参考文献，在此对各位作者表示由衷的感谢。
　　由于时间仓促，作者水平有限，书中疏漏和不足之处在所难免，敬请各位读者批评指正。
　　编者

第1章 计算机控制系统概述 1
1.1 计算机控制系统的组成 1
1.1.1 计算机控制系统的硬件 1
1.1.2 计算机控制系统的软件 2
1.2 计算机控制系统的分类 3
1.2.1 操作指导控制系统 3
1.2.2 直接数字控制系统(DDC) 4
1.2.3 计算机监督系统(SCC) 5
1.2.4 嵌入式系统 6
1.2.5 现场总线控制系统(FCS) 8
1.3 计算机控制系统的发展趋势 9
习题与思考题 11
第2章 计算机控制系统的接口技术 13
2.1 存储器及I/O接口的编址方式 13
2.1.1 编址方法 13
2.1.2 程序存储器的扩展 19
2.1.3 数据存储器的扩展 19
2.2 可编程并行接口8255A 19
2.2.1 8255A的结构 19
2.2.2 8255A的操作方式 22
2.2.3 接口方法 26
2.3 8155与MCS-51接口技术 30
2.3.1 8155的结构 30
2.3.2 8155 RAM/IO接口寻址方法 31
2.3.3 命令寄存器及状态寄存器 32
2.3.4 8155的定时器/计数器 34
2.3.5 8155与MCS-51接口方法举例 35
2.4 键盘与显示器接口 36
2.4.1 LED显示器接口 36
2.4.2 键盘接口 42
2.4.3 8155键盘显示器接口 43
习题与思考题 47
第3章 过程输入输出通道 49
3.1 过程通道及其分类 49
3.2 数字量输入/输出通道 49
3.2.1 数字量输入通道 50
3.2.2 数字量输出通道 50
3.3 模拟量输入通道 51
3.3.1 输入信号的处理 52
3.3.2 放大器 52
3.3.3 采样/保持器(S/H) 53
3.3.4 多路开关 56
3.3.5 模数转换器 60
3.4 模数转换器ADC0809 60
3.4.1 A/D转换的原理 60
3.4.2 A/D转换器的技术指标 61
3.4.3 ADC0809的结构 61
3.4.4 ADC0809与MCS-51接口 64
3.5 模拟量输出通道 66
3.6 数模转换(D/A)接口 66
3.6.1 D/A转换的原理 67
3.6.2 DAC0832的结构 68
3.6.3 DAC0832与MCS-51的接口方法 69
习题与思考题 72
第4章 两级计算机控制系统 75
4.1 串行接口基础 75
4.1.1 串行接口的常用术语 75
4.1.2 RS-232C总线 77
4.2 MCS-51的串行接口 80
4.2.1 串行接口的组成和特性 80
4.2.2 多机通信 82
4.2.3 串行接口应用举例——双机通信 83
4.3 MCS-51与PC通信程序 87
4.3.1 用汇编语言编写的MCS-51与PC通信程序 87
4.3.2 用C语言编写的MCS-51与PC通信程序 92
4.3.3 PC与8031多机通信技术 93
4.3.4 PC与MCS-51单片机组成的两级控制系统 94
习题与思考题 94
第5章 计算机控制系统程序设计 97
5.1 判断程序 97
5.1.1 算术判断程序 97
5.1.2 逻辑判断程序 100
5.1.3 标志判断程序 102
5.2 巡回检测程序 103
5.2.1 巡回检测中的模拟量输入通道 103
5.2.2 采样定理与采样周期的选取 104
5.2.3 巡回检测系统程序的设计 105
5.3 越限报警程序 108
5.3.1 软件报警程序 108
5.3.2 直接报警程序 112
5.4 步进电机控制程序 113
5.4.1 步进电机的工作原理 113
5.4.2 步进电机的控制 114
5.4.3 步进电机控制程序的设计 121
5.5 控制算法PID程序 125
5.5.1 PID控制算法 125
5.5.2 PID控制算法程序设计 128
5.6 数字滤波程序 139
5.6.1 程序判断滤波 139
5.6.2 中值滤波 143
5.6.3 算术平均值滤波 144
5.6.4 加权平均值滤波 145
5.6.5 RC数字低通滤波 145
5.6.6 复合数字滤波 146
5.6.7 数字滤波程序小结 147
5.7 标度变换程序 147
5.7.1 线性参数标度变换程序 148
5.7.2 非线性参数标度变换程序 149
5.8 线性化处理程序 150
5.8.1 线性插值 151
5.8.2 抛物线插值 151
5.8.3 线性插值法的应用举例 152
习题与思考题 158
第6章 数字控制器的模拟化设计方法 161
6.1 数字控制器的模拟化设计方法概述 161
6.1.1 模拟化设计方法 161
6.1.2 模拟化设计方法的应用 161
6.2 模拟控制器的离散化方法 162
6.2.1 零阶保持器法 162
6.2.2 双线性变换法 163
6.2.3 差分变换法 165
6.3 数字PID控制算法及其改进 166
6.3.1 数字PID控制算法 166
6.3.2 数字PID控制算法的改进 169
6.4 采样周期的选择 175
6.5 PID数字控制器的参数整定 177
6.5.1 凑试法 177
6.5.2 优选法 178
6.5.3 扩充临界比例度法 179
6.5.4 扩充响应曲线法 180
6.5.5 归一参数整定法 181
6.5.6 PID数字控制器设计举例 181
习题与思考题 185
第7章 数字控制器的离散化设计方法 187
7.1 Z变换 187
7.1.1 采样函数的拉氏变换 187
7.1.2 采样函数的Z变换 187
7.1.3 Z变换的性质 190
7.1.4 用Z变换解线性常系数差分方程 194
7.1.5 Z反变换 196
7.1.6 扩展Z变换 199
7.2 数字控制器的离散化设计方法概述 205
7.2.1 离散化设计方法 205
7.2.2 离散化设计方法的基本原理 205
7.2.3 设计步骤 206
7.2.4 系统的性能指标 206
7.3 最小拍有波纹控制系统的设计 207
7.3.1 确定闭环脉冲传递函数WB(z)的方法 207
7.3.2 最小拍有波纹系统的设计举例 213
7.3.3 最小拍有波纹系统的局限性 217
7.4 最小拍无波纹控制系统的设计 220
7.4.1 最小拍系统产生波纹的原因 220
7.4.2 最小拍无波纹系统WB(z)的确定方法 220
7.4.3 最小拍无波纹系统的设计举例 220
7.5 控制算法在计算机上的实现 223
7.5.1 直接程序法 223
7.5.2 串行程序法 224
7.5.3 并行程序法 225
习题与思考题 227
第8章 复杂控制规律 229
8.1 Smith预估计器 229
8.1.1 纯滞后补偿原理 229
8.1.2 带Smith预估计器的DDC
系统 231
8.2 Dahlin算法 233
8.2.1 数字控制器D(z)的形式 233
8.2.2 振铃现象及其消除 235
8.2.3 具有纯滞后系统的数字控制器的直接设计步骤 237
8.2.4 Dahlin算法与Smith补偿法的比较 237
8.3 前馈控制 238
8.3.1 前馈控制原理 238
8.3.2 前馈—反馈控制 240
8.4 串级控制 243
8.4.1 串级控制系统的组成和工作原理 243
8.4.2 串级控制系统的特点 245
8.4.3 串级控制系统的应用范围 250
8.4.4 用计算机实现的串级控制系统 251
8.4.5 串级控制系统的设计 255
8.5 多变量解耦控制 259
8.5.1 多变量解耦控制问题的概述 259
8.5.2 解耦控制原理 260
8.5.3 多变量解耦控制器的设计 262
习题与思考题 264
参考文献 265