《計算機控制技術(shù)及應用》通過總結(jié)作者的科研成果和吸收國內(nèi)外的先進理論、方法和技術(shù)，以計算機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、開放化、智能化和集成化發(fā)展趨勢為主線索，主要介紹計算機控制系統(tǒng)的基本概念和計算機控制系統(tǒng)的典型形式，計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學描述與基本分析方法，以及數(shù)字PID控制器、最少拍控制系統(tǒng)、達林算法、狀態(tài)變量設(shè)計法等設(shè)計方法及其各種改進算法。重點突出計算機控制系統(tǒng)輸入輸出通道接口的設(shè)計方法和典型控制系統(tǒng)的設(shè)計案例與實現(xiàn)方法等。《計算機控制技術(shù)及應用》注重運用CDIO工程教育理念，立足培養(yǎng)實際動手能力、綜合應用能力、創(chuàng)新思維能力。每章均附有精選的習題。
《計算機控制技術(shù)及應用》配有免費電子課件，歡迎選用《計算機控制技術(shù)及應用》作教材的老師登錄索取。
《計算機控制技術(shù)及應用》可作為普通高等院校控制科學類、電子信息類、電氣工程類、儀器儀表類、機械電子類及其相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生及教師的教科書和教學參考書，也可作為廣大科技工作者和工程技術(shù)人員的參考書。
本教材是作者在重慶郵電大學自動化學院多年從事教學、科研的基礎(chǔ)上，經(jīng)多次試用，反復修改提高而成。本教材將有關(guān)教學和科研成果加以總結(jié)提高，并吸收了近年來本學科發(fā)展的理論、方法和技術(shù)，注重運用CDIO工程教育理念，立足培養(yǎng)實際動手能力、綜合應用能力、創(chuàng)新思維能力。
本教材注重知識內(nèi)容的系統(tǒng)性、先進性與實踐性，強調(diào)課程教學與社會需求的無縫連接、授人以“漁”。既注重對學生基礎(chǔ)知識的培養(yǎng)，也注意讓學生了解本課程的最新技術(shù)發(fā)展動態(tài)；既注重理論知識的系統(tǒng)性、實用性，也強調(diào)實踐內(nèi)容的應用性、工程性。為此，教材中大量選用了取自于作者所在團隊的最新科技成果、指導學生參加科技競賽的國家級獲獎作品、用于學生實踐的中藥萃取多總線集成控制系統(tǒng)工程實訓項目作為實例。
本教材共分7章，各章節(jié)介紹如下
第1章是緒論，主要介紹計算機控制的基本概念、發(fā)展歷程與趨勢、計算機控制技術(shù)的知識體系結(jié)構(gòu)。
第2章是計算機控制的數(shù)學基礎(chǔ)，主要包括采樣與保持的原理與基本概念、物理意義，開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)、閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的基本概念與計算方法以及采樣系統(tǒng)的動態(tài)分析方法及其穩(wěn)定性條件。
第3章主要討論計算機控制系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計方法，包括模擬控制器的離散化方法，數(shù)字PID控制器、最少拍控制系統(tǒng)及各種改進算法、達林算法等，重點介紹計算機控制中的控制方法與軟件。
4章主要探討高級數(shù)字控制器的分析與設(shè)計方法，包括數(shù)字控制器狀態(tài)變量分析理論基礎(chǔ)、控制系統(tǒng)的能控性與能觀測性、狀態(tài)反饋極點配置控制系統(tǒng)的設(shè)計方法、狀態(tài)觀測器的設(shè)計方法和具有狀態(tài)觀測器的控制系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。
第5章重點介紹計算機控制中的數(shù)據(jù)輸入輸出通道接口技術(shù)，包括數(shù)據(jù)輸入輸出通道的組成與功能、多路開關(guān)及采樣保持器、開關(guān)量輸出通道設(shè)計、開關(guān)量輸入通道設(shè)計、模擬量輸出通道設(shè)計、模擬量輸入通道設(shè)計、人機交互接口設(shè)計等內(nèi)容。介紹的數(shù)據(jù)輸入輸出通道接口可直接作為學生的實驗開發(fā)項目。
第6章結(jié)合計算機控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡化、控制分散化、節(jié)點智能化、系統(tǒng)集成化發(fā)展趨勢，介紹了集散控制系統(tǒng)、主要現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的基本內(nèi)容。素材均來自作者參加IEC SC／65C相關(guān)標準和EPA標準制定的成果，以及重慶郵電大學實訓中心的工程實訓系統(tǒng)。
第7章重點是以實際例子說明計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù)。其中多通道溫度采集系統(tǒng)重點介紹基于ARM單片機的數(shù)據(jù)通道接口與人機交互接口設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù)；智能小車控制系統(tǒng)重點介紹多傳感器數(shù)據(jù)通道接口、多執(zhí)行機構(gòu)控制數(shù)據(jù)通道接口及PID控制的設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù)；中藥萃取控制系統(tǒng)重點介紹多總線集成的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù)。
前言
第1章 緒論
1.1 自動化技術(shù)與信息技術(shù)的關(guān)系
1.2 自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
1.3 計算機控制系統(tǒng)基本原理
1.4 計算機控制系統(tǒng)的分類
1.4.1 按功能及結(jié)構(gòu)分類
1.4.2 按控制規(guī)律分類
1.4.3 按控制方式分類
1.5 計算機控制系統(tǒng)的特點
1.6 計算機控制系統(tǒng)的性能及其指標
1.6.1 性能指標
1.6.2 控制對象的特性對控制性能的影響
1.7 計算機控制技術(shù)的知識體系
1.8 計算機控制技術(shù)的發(fā)展
1.8.1 現(xiàn)代計算機技術(shù)對控制技術(shù)的影響
1.8.2 計算機控制技術(shù)的發(fā)展動向
習題1
第2章 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學描述
2.1 計算機控制系統(tǒng)數(shù)學描述方法的分類
2.2 信號的采樣與保持
2.2.1 信號的分類、
2.2.2 連續(xù)信號的采樣
2.2.3 采樣定理
2.2.4 信號復現(xiàn)與零階保持器
2.3 采樣系統(tǒng)的數(shù)學描述
2.3.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義
2.3.2 開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)
2.3.3 閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)
2.4 采樣系統(tǒng)的動態(tài)響應
2.5 采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性
2.6 采樣系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析
習題2
第3章 常規(guī)數(shù)字控制器的設(shè)計方法
3.1 數(shù)字控制器的設(shè)計方法分類
3.2 數(shù)字PID控制
3.2.1 理想微分PID控制
3.2.2 實際微分PID控制
3.2.3 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定
3.3 最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)
3.3.1 最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計
3.3.2 最少拍無紋波控制系統(tǒng)設(shè)計
3.3.3 最少拍控制系統(tǒng)的改進
3.4 達林算法
3.4.1 達林算法設(shè)計
3.4.2 振鈴現(xiàn)象及其消除方法
習題3
第4章 高級數(shù)字控制器的分析與設(shè)計
4.1 系統(tǒng)的能控性與能觀測性
4.1.1 基本概念
4.1.2 離散系統(tǒng)的能控性
4.1.3 離散系統(tǒng)的可觀測性
4.1.4 對偶原理
4.1.5 坐標變換與標準型
4.2 數(shù)字控制器狀態(tài)空間設(shè)計法
4.2.1 狀態(tài)反饋極點配置控制系統(tǒng)的設(shè)計
4.2.2 狀態(tài)觀測器的設(shè)計
4.2.3 具有狀態(tài)觀測器的極點配置
習題4
第5章 數(shù)據(jù)輸入輸出通道的接口技術(shù)
5.1 數(shù)據(jù)輸入輸出通道的組成與功能
5.1.1 數(shù)據(jù)通道的類型
5.1.2 數(shù)據(jù)通道的信息類型
5.1.3 數(shù)據(jù)通道的編址方式
5.1.4 CPU對數(shù)據(jù)通道的控制方式
5.1.5 數(shù)據(jù)通道接口設(shè)計應考慮的問題
5.2 多路開關(guān)及采樣保持器
5.2.1 多路開關(guān)與多路分配器
5.2.2 采樣保持器
5.3 開關(guān)量輸出通道
5.3.1 開關(guān)量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式
5.3.2 開關(guān)量輸出通道與CPU的接口
5.3.3 功率接口技術(shù)
5.4 開關(guān)量輸入通道
5.4.1 開關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式
5.4.2 開關(guān)量形式及變換
5.4.3 整形與電平變換
5.4.4 開關(guān)量輸入通道與CPU的接口
5.5 模擬量輸出通道
5.5.1 D／A轉(zhuǎn)換原理
5.5.2 D／A轉(zhuǎn)換器的選用
5.5.3 8位并行D／A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)
5.5.4 高于8位的并行D／A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)
5.5.5 串行D／A轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)
5.6 模擬量輸入通道
5.6.1 A／D轉(zhuǎn)換原理
5.6.2 A／D轉(zhuǎn)換器的選用
5.6.3 逐次逼近式并行A／D轉(zhuǎn)換器及其接口
5.6.4 雙積分A／D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)
5.6.5 串行A／D轉(zhuǎn)換器及其接口技術(shù)
習題5
第6章 計算機控制網(wǎng)絡技術(shù)概論
6.1 集散控制系統(tǒng)簡介
6.1.1 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程
6.1.2 集散控制系統(tǒng)的組成
6.1.3 Jx.300X集散控制系統(tǒng)
6.2 現(xiàn)場總線技術(shù)簡介
6.2.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的演變
6.2.2 現(xiàn)場總線技術(shù)的特點
6.2.3 現(xiàn)場總線標準化
6.2.4 典型現(xiàn)場總線簡介
6.3 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)簡介
6.3.1 工業(yè)以太網(wǎng)標準化進程
6.3.2 IEC61784-2標準體系結(jié)構(gòu)
6.3.3 IEC61784-2中主要標準簡介
6.3.4 IEC61784.1／2與IEC61158
習題6
第7章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
7.1 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法
7.1.1 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則
7.1.2 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟
7.2 計算機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程
7.2.1 計算機控制系統(tǒng)的可行性論證
7.2.2 計算機控制系統(tǒng)的工程設(shè)計
7.3 控制系統(tǒng)中的可靠性技術(shù)
7.3.1 冗余結(jié)構(gòu)技術(shù)
7.3.2 控制系統(tǒng)的抗干擾措施
7.3.3 軟件設(shè)計的可靠性措施
7.3.4 重視安裝工藝措施
7.4 多通道溫度采集系統(tǒng)
7.4.1 系統(tǒng)方案設(shè)計
7.4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
7.4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
7.4.4 系統(tǒng)調(diào)試與運行
7.5 智能小車控制系統(tǒng)
7.5.1 控制方案設(shè)計
7.5.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
7.5.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
7.5.4 系統(tǒng)調(diào)試與運行
7.6 中藥萃取控制系統(tǒng)
7.6.1 控制方案設(shè)計
7.6.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
7.6.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與組態(tài)
7.6.4 系統(tǒng)調(diào)試與運行
參考文獻
不同類型的兩部分是由A／D和D／A連接，以保證信息的暢通。圖2-2所示的系統(tǒng)若從A-B兩端向下看，（包括A／D，計算機，D／A）可以看成一個連續(xù)部分。而從A'-B'兩端向上看，則可將A／D、被控對象、D／A等效為一個離散系統(tǒng)。由于這兩種不同理解，因此在設(shè)計方法上就可以分為模擬化設(shè)計方法和離散化設(shè)計方法。由此可見，計算機控制系統(tǒng)的描述方法可分為：一是將連續(xù)的被控對象離散化，等效為一個離散系統(tǒng)數(shù)學模型，然后在離散系統(tǒng)的范疇內(nèi)分析整個閉環(huán)系統(tǒng)；二是將數(shù)字控制器等效為一個連續(xù)環(huán)節(jié)，然后采用連續(xù)系統(tǒng)的方法來分析與設(shè)計整個控制系統(tǒng)。一般來說，前一種方法使用較為普遍。本章即根據(jù)前一種方法，介紹計算機控制系統(tǒng)數(shù)學描述的建立過程。至于后一種方法可參考連續(xù)系統(tǒng)控制理論的建立過程。
從嚴格意義上講，離散控制、采樣控制、數(shù)字控制的含義并不完全相同。離散控制處理的是離散信號，采樣控制處理的是采樣信號，數(shù)字控制處理的是數(shù)字信號。所謂離散控制是指系統(tǒng)中有一處或幾處信號是一串脈沖信號或數(shù)碼，這些信號僅在離散瞬時上有值，這樣的系統(tǒng)稱為離散系統(tǒng)。把控制系統(tǒng)中的離散信號是脈沖序列形式的離散系統(tǒng)，稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。而把那些幅值被整量化的離散信號或數(shù)字序列形式的離散系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)或計算機控制系統(tǒng)。
2.2 信號的采樣與保持
前面已經(jīng)講過，計算機系統(tǒng)要把連續(xù)變化的量變成離散量后再進行處理。因此，計算機系統(tǒng)被稱為離散系統(tǒng)，亦稱采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)。這種離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別僅僅在于離散系統(tǒng)的信號是以采樣數(shù)據(jù)為主要形式，而連續(xù)系統(tǒng)則是連續(xù)信號。
2.2.1 信號的分類
模擬控制處理的是連續(xù)信號，它是連續(xù)時間變量t的函數(shù)，除個別間斷點外，這些信號的波形是光滑的曲線，如圖2-3a所示。這一類信號稱為模擬信號（analog signal），大多數(shù)客觀存在的信號都是屬于這一類信號。還有一類信號（如電報信號等），顯然它的時間取值是連續(xù)的，但它的幅度卻只限于有限個數(shù)值，這一類信號稱為量化信號（quantized signal），如圖2.3b所示。以上兩類信號都是連續(xù)時間信號。離散時間信號（簡稱離散信號，discretesignal）則與連續(xù)時間信號不同，它僅在一系列離散的時刻才有意義，因此它是離散時間變量tk的函數(shù)，如圖2-3c所示的離散信號只在t1、t2、t3…時刻有定義，在t1和t2和t3…之間則沒有定義。如果離散時間信號不僅時間取值是離散的，而且在幅度上又是量化的，則稱為數(shù)字信號（digital signal），如圖2-3d所示。在數(shù)字通信和計算機中傳輸和處理的信號就是數(shù)字信號。今后所討論的離散信號，可以是數(shù)字信號，也可以不是，它們在分析方法上并無區(qū)別。
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