本书较系统、全面地介绍了微型计算机控制系统的理论与各种应用技术。本书兼顾基础性、实用性和先进性，注重工程应用。全书共分8章，主要内容有：微型计算机控制系统概述、过程输入/输出通道、计算机控制系统的理论基础、数字PID控制器、直接数字控制器、模糊控制、伺服装置与数字控制系统、控制网络技术及现场总线、微型计算机控制系统设计方法及实例等。各章都有小结并附有相应的思考与练习，书的最后还附有3个课程设计实例供选用。

本书较系统、全面地介绍了微型计算机控制系统的理论与各种应用技术。

第1章 绪论 1
1.1 计算机控制系统概述 2
1.1.1 微机控制系统的特征 2
1.1.2 微机控制系统硬件组成 5
1.1.3 微机控制系统软件 7
1.2 计算机控制系统的典型形式 8
1.2.1 操作指导控制系统 8
1.2.2 直接式数字控制系统 8
1.2.3 监督式计算机控制系统 9
1.2.4 集散计算机控制系统 9
1.2.5 现场总线控制系统 10
1.3 计算机控制系统的发展概况
及趋势 11
本章小结 12
思考与练习 13
第2章 输入/输出接口与过程通道 14
2.1 过程输入/输出通道概述 14
2.1.1 过程输入/输出通道的类型
及功能 14
2.1.2 过程输入/输出通道与CPU交换
的信息类型 14
2.1.3 过程通道的编址方式 15
2.2 模拟量输入通道 15
2.2.1 模拟量输入通道的结构 15
2.2.2 信号调理 15
2.2.3 多路转换器 16
2.2.4 采样保持器 18
2.2.5 A/D转换器 20
2.2.6 8位A/D转换芯片ADC0809 22
2.2.7 12位A/D转换器AD574 25
2.3 模拟量输出通道 28
2.3.1 模拟量输出逻辑的结构 29
2.3.2 D/A转换器 29
2.3.3 0832 D/A转换器芯片及其接口
电路 31
2.3.4 12位D/A转换器DAC1210
芯片 35
2.3.5 模拟量输出通道的设计 35
2.4 开关量输入逻辑 37
2.4.1 开关量输入逻辑的结构 37
2.4.2 过程开关量形式及变换 37
2.4.3 开关量输入逻辑接口技术 41
2.5 开关量输出通道 41
2.5.1 开关量输出逻辑的结构 41
2.5.2 开关量输出逻辑的接口技术 42
2.5.3 典型功率驱动电路 42
本章小结 43
思考与练习 44
第3章 计算机控制基础理论 45
3.1 计算机控制系统的信号变换理论 45
3.1.1 计算机控制系统的信号形式 45
3.1.2 信号的采样、量化、恢复及
保持 46
3.2 计算机控制系统的数学描述 49
3.2.1 z变换与z反变换 49
3.2.2 线性定常离散系统的差分方程
及其求解 57
3.2.3 计算机控制系统的脉冲传递
函数 58
3.2.4 开环和闭环脉冲传递函数 58
3.3 离散控制系统的特性分析 63
3.3.1 S平面到Z平面的映射 63
3.3.2 离散控制系统的稳定的充要
条件 64
3.3.3 线性离散系统的稳定判据 64
3.3.4 离散控制系统的过渡过程分析 67
3.3.5 离散控制系统的稳态误差分析 70
3.4 离散控制系统的根轨迹设计法 74
3.5 离散控制系统的频域设计法 78
本章小结 80
思考与练习 80
第4章 计算机控制系统的常规控制策略 82
4.1 PID算法的数字实现 82
4.1.1 PID控制规律及其调节作用 83
4.1.2 PID算法的数字实现 86
4.1.3 几种改进的PID控制算法 89
4.1.4 PID控制器的参数整定 95
4.2 最少拍无差随动系统的设计 99
4.2.1 典型输入下理想最少拍无差
系统的设计 101
4.2.2 最少拍控制器的物理可实现性
和稳定性要求 103
4.2.3 最少拍有纹波控制器的设计 104
4.2.4 最少拍无差控制器的局限性 108
4.3 最少拍无纹波随动系统的设计 110
4.4 纯滞后对象的控制算法——大林
算法 116
4.4.1 大林算法的设计原则及数字
控制器的形式 116
4.4.2 振铃现象的产生及其消除 117
4.4.3 大林算法的设计步骤 121
4.5 纯滞后对象的控制算法——施密斯
（Smith）预估控制 122
4.5.1 Smith预估器原理 122
4.5.2 Smith补偿器的计算机实现 124
本章小结 126
思考与练习 127
第5章 运动伺服的数字控制系统 128
5.1 运动伺服控制系统的基本组成
结构 128
5.2 运动伺服控制系统中的位置
检测器件 130
5.2.1 位置检测器件的要求和种类 130
5.2.2 光电脉冲编码器 131
5.2.3 感应同步器 132
5.2.4 旋转变压器 133
5.3 直流电机伺服控制系统 136
5.3.1 直流电机的基本结构和工作
原理 136
5.3.2 直流电机的调速方法 138
5.3.3 调速系统性能指标 139
5.4 步进电机控制系统 141
5.4.1 步进电机的基本结构和工作
原理 141
5.4.2 步进电动机的基本参数 142
5.4.3 步进电机的控制方法 143
5.5 交流电机控制系统 145
5.5.1 三相永磁同步电机的基本结构、
工作原理与数学模型 145
5.5.2 矢量控制的基本原理 148
5.5.3 交流电机的矢量控制系统 149
本章小结 150
思考与练习 150
第6章 计算机控制系统的新型控制
策略 151
6.1 智能控制研究现状、主要特点
及其基本应用 151
6.2 模糊控制 154
6.2.1 模糊控制理论基础 154
6.2.2 模糊控制系统的原理与设计
过程 162
6.2.3 模糊控制在温控系统中
的应用 164
6.3 神经控制 169
6.3.1 神经网络系统模型 169
6.3.2 BP网络 172
6.3.3 神经网络控制的结构 175
6.4 遗传算法 179
6.4.1 遗传算法基础理论 179
6.4.2 遗传算法的改进策略 180
6.5 专家控制 182
6.5.1 专家系统基本概念 182
6.5.2 家系统的原理和结构 183
6.5.3 专家控制系统的建立步骤
与设计原则 185
6.6 其他先进控制技术 187
6.6.1 自适应控制 187
6.6.2 鲁棒控制 189
6.6.3 预测控制 190
6.6.4 量子控制 192
本章小结 194
思考与练习 195
第7章 控制网络技术及现场总线 196
7.1 控制网络技术概述 196
7.1.1 企业网络的层次模型 196
7.1.2 控制网络与信息网络的区别 197
7.1.3 控制网络的类型 198
7.2 计算机网络 198
7.2.1 计算机网络的发展 198
7.2.2 计算机网络的功能与分类 199
7.2.3 计算机网络体系结构 202
7.3 现场总线控制系统技术 203
7.3.1 现场总线概述 204
7.3.2 现场总线标准 205
7.3.3 典型现场总线简介 207
7.3.4 CAN总线 209
7.4 计算机控制系统总线简介 218
7.4.1 总线的概念及分类 218
7.4.2 并行总线 218
7.4.3 串行总线 221
7.5 工业控制组态软件技术 226
7.5.1 组态的概念 226
7.5.2 流行的工控组态软件 227
本章小结 229
思考与练习 230
第8章 计算机控制系统的设计与实现 231
8.1 计算机控制系统的设计原则
与步骤 231
8.1.1 系统设计原则 231
8.1.2 系统设计步骤 233
8.2 系统的工程设计与实现 235
8.2.1 系统总体方案设计 235
8.2.2 硬件的工程设计与实现 236
8.2.3 软件的工程设计与实现 237
8.2.4 系统的调试与运行 238
8.3 计算机控制系统可靠性设计 238
8.3.1 干扰的形成与分类 239
8.3.2 硬件抗干扰技术 240
8.3.3 软件抗干扰技术 242
8.4 计算机控制系统设计实例 245
8.4.1 单回路电阻炉温度控制系统 245
8.4.2 污水处理控制系统 253
本章小结 257
思考与练习 257
附录A 课程设计实例 258
参考文献 264

前 言
工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为适应这一需求而发展起来的，它主要研究如何将计算机技术和自动化控制理论应用于工业生产过程，设计出满足需求的计算机控制系统，这需要自动控制领域的工程技术和研发人员既要掌握自动控制基础理论，还要掌握与计算机控制系统相关的硬件、软件及控制规律、网络技术及现场总线技术等方面的专业知识和技术。计算机控制技术已成为我国高等学校自动化专业、电气自动化专业、电子信息类专业、机械电子类专业的主干课程之一。
本书共分8章。第1章绪论介绍计算机控制技术的基本概念、系统组成、典型结构及计算机控制系统的发展概况。第2章主要介绍模拟量输入/输出通道，A/D、D/A转换器及其接口技术，开关量输入/输出通道及接口技术、功率驱动电路。第3章主要介绍离散控制系统的信号变换、z变换与差分方程、系统脉冲传递函数、离散控制系统的稳定性分析、动态及稳态性能分析以及离散控制系统根轨迹及频域设计方法。第4章主要介绍数字PID算法及参数整定方法，最少拍有纹波及无纹波控制器的设计、大林算法及Smith预估数字控制器设计方法等。第5章主要介绍运动伺服系统的基本构成，伺服控制系统中的检测器件，直流电机控制系统、步机电机控制系统及交流电机控制系统。第6章主要介绍智能控制现状及一些常用智能控制方法，如模糊控制、神经网络控制、遗传算法、专家控制等。第7章主要介绍控制网络及计算机网络基本技术、现场总线技术及CAN总线技术、计算机控制系统总线技术及工业控制组态软件技术。第8章主要包括计算机系统的设计原则与步骤、系统工程设计与实现、可靠性设计、以及计算机控制系统设计实例。附录部份介绍了常见的几种课程设计实例。
本书作者结合多年的教学与科研工作经验，力求兼顾系统性、实用性、先进性、工程性，叙述简洁，层次分明，在传统控制的基础上对先进控制也做了相应的介绍。为便于学生更好地理解书中的基本知识和概念，每章还附有大量的思考与练习题。全书由成都大学电子信息工程学院方红统筹安排，并编写第1、2、4章，喻晓红统稿并编写第3、7章及课程设计实例，严刚峰编写第5、6、8章。唐毅谦教授对全书内容进行了审定并编写了本书的部分内容。
本书参考并吸取了大量国内出版的教材、论文的长处，在此表示感谢。由于编者水平有限，书中难免存在缺漏或不妥之处，敬请读者批评指正。
作 者
2014年5月