本書系統地介紹了計算機控制技術的基本理論、設計方法以及工程應用。其主要內容包括計算機控制系統概述、計算機控制系統的接口技術、過程輸入輸出通道、兩級計算機控制系統、計算機控制系統程序設計、數字控制器的模擬化設計方法、數字控制器的離散化設計方法和復雜控制規律。本書在編寫上注重理論聯系實際，既重視理論體系的完整性，又注重工程實際應用。
本書可作為高等院校自動化、電氣工程及其自動化、電子信息工程、計算機科學與技術、新能源科學與工程、機電一體化、數控技術等專業的本科生和研究生教材，同時也可作為有關工程技術人員的參考書。
基礎性，計算機控制技術涉及知識面廣，為了在有限的學時中將*主要的知識點包括進去，對教材內容進行了優化整合，經過整合后教材共8章內容。
實用性，教材以51系列單片機為主要依托，講述計算機控制系統的分析與設計方法，內容具體，使讀者能夠快速理解計算機控制系統的基本概念。
系統性，既注重計算機控制技術的基礎性和實用性，又要兼顧到計算機控制理論體系的完整性和先進性，因此在教材的第8章講述了復雜控制規律。
計算機控制技術研究以計算機為控制載體的自動控制系統的分析與設計問題。今天，計算機控制技術已經在工業過程控制、運動控制、數控機床、機器人、航空航天等領域獲得了廣泛的應用，計算機控制技術日益彰顯出勃勃生機。由于IntelMCS-51系列單片機技術成熟，量大面廣，作為控制算法的載體在計算機控制技術中具有得天獨厚的作用。
本書系統地介紹了計算機控制系統的基本理論、設計方法以及工程應用，全書共8章，主要內容如下。
第1章計算機控制系統概述，介紹計算機控制系統的組成、計算機控制系統的分類、計算機控制系統的發展趨勢。
第2章計算機控制系統的接口技術，包括存儲器及I/O接口的編址方式、可編程并行接口8255A和8155接口技術、鍵盤與顯示器接口。
第3章過程輸入輸出通道，包括過程通道及其分類、數字量輸入/輸出通道、模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、模數轉換器ADC0809、數模轉換(D/A)接口。
第4章兩級計算機控制系統，包括串行接口基礎、MCS-51的串行接口、MCS-51與PC通信程序。
第5章計算機控制系統程序設計，包括判斷程序、巡回檢測程序、越限報警程序、步進電機控制程序、控制算法PID程序、數字濾波程序、標度變換程序、線性化處理程序。
第6章數字控制器的模擬化設計方法，包括數字控制器的模擬化設計方法概述、模擬控制器的離散化方法、數字PID控制算法及其改進、采樣周期的選擇、PID數字控制器的參數整定。
第7章數字控制器的離散化設計方法，包括數字控制器的離散化設計方法、最小拍有波紋控制系統的設計、最小拍無波紋控制系統的設計、控制算法在計算機上的實現。
第8章復雜控制規律，包括Smith預估計器、Dahlin算法、前饋控制、串級控制、多變量解耦控制。
在本書的編寫過程中，作者特別注意理論聯系實際，在總結多年從事計算機控制系統設計工作的經驗和教訓的基礎上，吸收國內外先進的理論、方法和技術，從工程實際出發精選大量的工業控制實例，給出了計算機控制系統中的控制算法、硬件電路和軟件程序，使讀者建立起計算機控制系統的概念。同時，通過該課程的學習，使讀者掌握計算機控制系統的分析與設計方法，培養其獨立設計和開發計算機控制系統的能力。本書立足于工程實踐，突出基本概念、基本理論和基本方法，既注重計算機控制理論體系的先進性、系統性和完整性，又注重這些理論在實際中應用的實用性，力爭做到重點突出、層次分明、條理清晰、言簡意賅。
本書第1～3章和第5～7章由藍益鵬編寫，第4章和第8章由劉桂秋編寫。在本書的編寫過程中，碩士生陳其林、胡學成和黃洋洋進行了部分文字和圖片的編輯工作，在此對他們表示感謝。
本書在編寫過程中參考和引用了書后的參考文獻，在此對各位作者表示由衷的感謝。
由于時間倉促，作者水平有限，書中疏漏和不足之處在所難免，敬請各位讀者批評指正。
編者
第1章 計算機控制系統概述 1
1.1 計算機控制系統的組成 1
1.1.1 計算機控制系統的硬件 1
1.1.2 計算機控制系統的軟件 2
1.2 計算機控制系統的分類 3
1.2.1 操作指導控制系統 3
1.2.2 直接數字控制系統(DDC) 4
1.2.3 計算機監督系統(SCC) 5
1.2.4 嵌入式系統 6
1.2.5 現場總線控制系統(FCS) 8
1.3 計算機控制系統的發展趨勢 9
習題與思考題 11
第2章 計算機控制系統的接口技術 13
2.1 存儲器及I/O接口的編址方式 13
2.1.1 編址方法 13
2.1.2 程序存儲器的擴展 19
2.1.3 數據存儲器的擴展 19
2.2 可編程并行接口8255A 19
2.2.1 8255A的結構 19
2.2.2 8255A的操作方式 22
2.2.3 接口方法 26
2.3 8155與MCS-51接口技術 30
2.3.1 8155的結構 30
2.3.2 8155 RAM/IO接口尋址方法 31
2.3.3 命令寄存器及狀態寄存器 32
2.3.4 8155的定時器/計數器 34
2.3.5 8155與MCS-51接口方法舉例 35
2.4 鍵盤與顯示器接口 36
2.4.1 LED顯示器接口 36
2.4.2 鍵盤接口 42
2.4.3 8155鍵盤顯示器接口 43
習題與思考題 47
第3章 過程輸入輸出通道 49
3.1 過程通道及其分類 49
3.2 數字量輸入/輸出通道 49
3.2.1 數字量輸入通道 50
3.2.2 數字量輸出通道 50
3.3 模擬量輸入通道 51
3.3.1 輸入信號的處理 52
3.3.2 放大器 52
3.3.3 采樣/保持器(S/H) 53
3.3.4 多路開關 56
3.3.5 模數轉換器 60
3.4 模數轉換器ADC0809 60
3.4.1 A/D轉換的原理 60
3.4.2 A/D轉換器的技術指標 61
3.4.3 ADC0809的結構 61
3.4.4 ADC0809與MCS-51接口 64
3.5 模擬量輸出通道 66
3.6 數模轉換(D/A)接口 66
3.6.1 D/A轉換的原理 67
3.6.2 DAC0832的結構 68
3.6.3 DAC0832與MCS-51的接口方法 69
習題與思考題 72
第4章 兩級計算機控制系統 75
4.1 串行接口基礎 75
4.1.1 串行接口的常用術語 75
4.1.2 RS-232C總線 77
4.2 MCS-51的串行接口 80
4.2.1 串行接口的組成和特性 80
4.2.2 多機通信 82
4.2.3 串行接口應用舉例——雙機通信 83
4.3 MCS-51與PC通信程序 87
4.3.1 用匯編語言編寫的MCS-51與PC通信程序 87
4.3.2 用C語言編寫的MCS-51與PC通信程序 92
4.3.3 PC與8031多機通信技術 93
4.3.4 PC與MCS-51單片機組成的兩級控制系統 94
習題與思考題 94
第5章 計算機控制系統程序設計 97
5.1 判斷程序 97
5.1.1 算術判斷程序 97
5.1.2 邏輯判斷程序 100
5.1.3 標志判斷程序 102
5.2 巡回檢測程序 103
5.2.1 巡回檢測中的模擬量輸入通道 103
5.2.2 采樣定理與采樣周期的選取 104
5.2.3 巡回檢測系統程序的設計 105
5.3 越限報警程序 108
5.3.1 軟件報警程序 108
5.3.2 直接報警程序 112
5.4 步進電機控制程序 113
5.4.1 步進電機的工作原理 113
5.4.2 步進電機的控制 114
5.4.3 步進電機控制程序的設計 121
5.5 控制算法PID程序 125
5.5.1 PID控制算法 125
5.5.2 PID控制算法程序設計 128
5.6 數字濾波程序 139
5.6.1 程序判斷濾波 139
5.6.2 中值濾波 143
5.6.3 算術平均值濾波 144
5.6.4 加權平均值濾波 145
5.6.5 RC數字低通濾波 145
5.6.6 復合數字濾波 146
5.6.7 數字濾波程序小結 147
5.7 標度變換程序 147
5.7.1 線性參數標度變換程序 148
5.7.2 非線性參數標度變換程序 149
5.8 線性化處理程序 150
5.8.1 線性插值 151
5.8.2 拋物線插值 151
5.8.3 線性插值法的應用舉例 152
習題與思考題 158
第6章 數字控制器的模擬化設計方法 161
6.1 數字控制器的模擬化設計方法概述 161
6.1.1 模擬化設計方法 161
6.1.2 模擬化設計方法的應用 161
6.2 模擬控制器的離散化方法 162
6.2.1 零階保持器法 162
6.2.2 雙線性變換法 163
6.2.3 差分變換法 165
6.3 數字PID控制算法及其改進 166
6.3.1 數字PID控制算法 166
6.3.2 數字PID控制算法的改進 169
6.4 采樣周期的選擇 175
6.5 PID數字控制器的參數整定 177
6.5.1 湊試法 177
6.5.2 優選法 178
6.5.3 擴充臨界比例度法 179
6.5.4 擴充響應曲線法 180
6.5.5 歸一參數整定法 181
6.5.6 PID數字控制器設計舉例 181
習題與思考題 185
第7章 數字控制器的離散化設計方法 187
7.1 Z變換 187
7.1.1 采樣函數的拉氏變換 187
7.1.2 采樣函數的Z變換 187
7.1.3 Z變換的性質 190
7.1.4 用Z變換解線性常系數差分方程 194
7.1.5 Z反變換 196
7.1.6 擴展Z變換 199
7.2 數字控制器的離散化設計方法概述 205
7.2.1 離散化設計方法 205
7.2.2 離散化設計方法的基本原理 205
7.2.3 設計步驟 206
7.2.4 系統的性能指標 206
7.3 最小拍有波紋控制系統的設計 207
7.3.1 確定閉環脈沖傳遞函數WB(z)的方法 207
7.3.2 最小拍有波紋系統的設計舉例 213
7.3.3 最小拍有波紋系統的局限性 217
7.4 最小拍無波紋控制系統的設計 220
7.4.1 最小拍系統產生波紋的原因 220
7.4.2 最小拍無波紋系統WB(z)的確定方法 220
7.4.3 最小拍無波紋系統的設計舉例 220
7.5 控制算法在計算機上的實現 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
習題與思考題 227
第8章 復雜控制規律 229
8.1 Smith預估計器 229
8.1.1 純滯后補償原理 229
8.1.2 帶Smith預估計器的DDC
系統 231
8.2 Dahlin算法 233
8.2.1 數字控制器D(z)的形式 233
8.2.2 振鈴現象及其消除 235
8.2.3 具有純滯后系統的數字控制器的直接設計步驟 237
8.2.4 Dahlin算法與Smith補償法的比較 237
8.3 前饋控制 238
8.3.1 前饋控制原理 238
8.3.2 前饋—反饋控制 240
8.4 串級控制 243
8.4.1 串級控制系統的組成和工作原理 243
8.4.2 串級控制系統的特點 245
8.4.3 串級控制系統的應用范圍 250
8.4.4 用計算機實現的串級控制系統 251
8.4.5 串級控制系統的設計 255
8.5 多變量解耦控制 259
8.5.1 多變量解耦控制問題的概述 259
8.5.2 解耦控制原理 260
8.5.3 多變量解耦控制器的設計 262
習題與思考題 264
參考文獻 265
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