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1.內容提要

    本書詳細介紹了計算機控制技術的基本原理、控制方法和計算機控制系統的設計實例。本書共分為9章內容，分別介紹計算機控制系統概述、過程通道、計算機控制系統的數學模型、數字PID控制算法、常用數字控制器的設計、復雜數字控制器設計、工業(yè)控制計算機、計算機控制系統的設計實例、校企合作案例—計算機控制系統應用。
    本書可以作為高等學校自動化、電氣工程及其自動化、計算機應用、機電一體化等專業(yè)及其相關專業(yè)高年級本科生的教材，還可以供研究生和相關科技人員作為參考書。

2.第3版前言

    根據2019年12月教育部深化新工科建設座談會暨卓越大學聯盟高校新工科教育研討會的有關精神，在原編寫的計算機控制技術的基礎上，根據應用型本科專業(yè)的特點，再次修訂了計算機控制技術的教材。
    計算機控制技術廣泛應用于工業(yè)生產中，對于推動工業(yè)技術的發(fā)展及新工科的建設起到一定的作用。近年來，隨著電力電子技術、自動控制技術、智能控制技術的發(fā)展，計算機控制技術也發(fā)生了很大的變化，新的計算機控制系統不斷出現，促進了自動化的發(fā)展。本書系統地講述了計算機控制系統的組成結構、原理、控制器的設計及應用，既有理論分析又有應用實例。本書覆蓋了工業(yè)控制計算機、輸入/輸出通道、計算機控制系統的理論基礎、計算機控制算法及計算機控制系統的設計與實現等內容，以引導讀者按照理論分析、仿真研究與工程應用等來進行計算機控制系統的分析與設計。
    計算機控制技術主要內容包括四部分：第一部分主要是計算機控制技術的基礎，主要包括計算機控制技術概述、過程通道的原理及數字濾波技術處理；第二部分主要討論計算機控制技術的控制算法、數字控制器的設計及其應用；第三部分主要講述工業(yè)控制計算機；第四部分主要介紹計算機控制系統的設計方法和應用。
    為了讓讀者能全面地、系統地掌握計算機控制系統的知識，達到教育部對應用型本科的要求，在編寫本教材時，根據應用型本科的特點，本書在編寫過程中力求由淺入深、循序漸進、通俗易懂，基本概念和基本知識的解釋準確清晰，計算機控制技術知識的說明簡明扼要，注重將計算機控制系統的硬件和軟件有機地結合起來，注重計算機工業(yè)控制的軟件設計及其應用。通過典型的控制系統的軟件和硬件設計來使讀者更深入地理解計算機控制系統的各個組成部分，本書的編寫重點突出，以幫助讀者掌握關鍵技術并全面理解本書內容。
    本書共分9章：第1章主要介紹計算機控制系統概述；第2章主要介紹過程通道；第3章主要介紹計算機控制系統的數學模型；第4章主要介紹數字PID控制算法；第5章主要介紹常用數字控制器的設計；第6章主要介紹復雜數字控制器設計；第7章主要介紹工業(yè)控制計算機；第8章主要介紹計算機控制系統的設計實例；第9章主要通過校企合作案例介紹計算機控制系統的應用。
    本書由張燕紅任主編，馬金祥、姚文卿任副主編，其中第1章至第5章由張燕紅編寫，第6章至第8章由馬金祥編寫，第9章由姚文卿編寫，本書由張建生主審。
    為了方便教師教學和與作者交流，本書作者將向該教材的教學單位提供PPT及相關教學資料，聯系方式zhangyh@czu.cn。
    由于作者水平有限，書中難免有錯誤或不足之處，敬請廣大讀者批評、指正。

                                                                  編者
                                                                 2020年7月

3.目錄

1計算機控制系統概述（1）
1.1計算機控制系統的概念（1）
1.2計算機控制系統的組成（3）
1.2.1硬件組成（3）
1.2.2軟件組成（6）
1.3計算機在工業(yè)控制中的典型應用（7）
1.4計算機控制系統舉例（12）
1.5計算機控制系統的發(fā)展概況及趨勢（14）
1.5.1計算機控制系統的發(fā)展概況（14）
1.5.2計算機控制系統的發(fā)展趨勢（15）
思考題與習題1（16）
2過程通道（17）
2.1信號的采樣和多路開關（17）
2.1.1采樣定理（17）
2.1.2采樣、量化與編碼（19）
2.1.3多路開關（21）
2.2模擬量輸入通道（24）
2.3模擬量輸出通道（33）
2.3.1模擬量輸出通道的兩種基本結構形式（33）
2.3.2D／A轉換器及接口（34）
2.4數字量輸入／輸出通道（41）
2.4.1數字量輸入/輸出通道的一般結構（41）
2.4.2數字量輸入通道（41）
2.4.3數字量輸出通道（43）
2.5過程通道的抗干擾措施（43）
2.5.1干擾信號的分類（43）
2.5.2干擾的抑制（45）
2.6數字濾波技術（45）
2.6.1程序判斷濾波（46）
2.6.2中值濾波（47）
2.6.3算術平均值濾波（48）
2.6.4加權平均值濾波（49）
2.6.5滑動平均值濾波（49）
2.6.6RC低通數字濾波（49）
2.6.7復合數字濾波（50）
2.6.8各種數字濾波性能的比較（51）
思考題與習題2（52）
3計算機控制系統的數學模型（53）
3.1計算機控制系統的數學描述（53）
3.1.1差分方程（53）
3.1.2Z變換（54）
3.1.3Z反變換（59）
3.1.4脈沖傳遞函數（61）
3.2計算機控制系統的穩(wěn)定性分析（67）
3.2.1S平面和Z平面之間的映射關系（67）
3.2.2離散控制系統穩(wěn)定判據（68）
3.2.3離散控制系統穩(wěn)態(tài)誤差分析（70）
3.3離散控制系統動態(tài)特性分析（73）
3.3.1脈沖傳遞函數分析離散控制系統的過渡過程（74）
3.3.2零極點分布與動態(tài)性能之間的關系（75）
思考題與習題3（76）
4數字PID控制算法（78）
4.1標準的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算式的遞推算式(偏差系數控制算式)（82）
4.2改進的PID算法（83）
4.2.1抑制積分飽和的PID算法（83）
4.2.2帶有死區(qū)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時間最優(yōu)PID控制（90）
4.2.6PID比率控制（91）
4.3數字PID算法應用中的問題（93）
4.3.1數字PID算法實施中的幾個問題（93）
4.3.2數字PID調節(jié)中的幾個實際問題（94）
4.4PID參數整定方法（96）
4.4.1采樣周期T的選擇（96）
4.4.2湊試法整定PID控制器參數（97）
4.4.3擴充臨界比例度法（98）
4.4.4擴充響應曲線法（99）
4.4.5歸一參數整定法（100）
4.4.6優(yōu)選法（100）
4.5PID算法仿真實例（100）
4.5.1仿真模型的結構（100）
4.5.2控制算法仿真的實現方法（101）
思考題與習題4（107）
5常用數字控制器的設計（108）
5.1概述（108）
5.2最少拍隨動系統的設計（109）
5.2.1最少拍系統的設計（109）
5.2.2最少拍系統的局限性（117）
5.3最少拍無紋波系統的設計（120）
5.4非最少的有限拍控制（122）
5.5慣性因子法（123）
5.6大林(Dahlin)算法（125）
5.7數字控制器在控制系統中的實現方法（130）
5.7.1直接程序設計法（130）
5.7.2串行程序設計法（131）
5.7.3并行程序設計法（132）
5.7.4數字控制器的設計（134）
思考題與習題5（135）
6復雜數字控制器設計（136）
6.1純滯后系統的Smith控制算法（136）
6.1.1Smith預估器的工作原理（136）
6.1.2Smith預估器的數字實現（139）
6.1.3數字Smith預估控制系統（140）
6.2串級控制算法（140）
6.2.1串級控制工作原理（140）
6.2.2串級控制的實現（143）
6.2.3控制系統中副回路的設計（145）
6.2.4主回路和副回路的匹配問題（145）
6.2.5主、副調節(jié)器正反作用方式的確定（145）
6.2.6控制系統調節(jié)器的選型和參數整定（146）
6.2.7串級控制系統的工業(yè)應用（146）
6.3比值控制（147）
6.3.1單閉環(huán)比值控制（147）
6.3.2雙閉環(huán)比值控制（148）
6.3.3變比值控制（149）
6.4前饋控制（149）
6.4.1前饋控制的原理（149）
6.4.2完全補償的條件（150）
6.4.3前饋—反饋控制（150）
6.5動態(tài)矩陣控制算法（151）
6.5.1DMC的基本原理（152）
6.5.2動態(tài)矩陣控制系統設計參數的選擇（158）
思考題與習題6（161）
7工業(yè)控制計算機（162）
7.1工業(yè)控制計算機的特點及要求（162）
7.2單片微型計算機（163）
7.3可編程序控制器（164）
7.4總線工控機（167）
思考題與習題7（172）
8計算機控制系統的設計實例（173）
8.1計算機控制系統的設計原則（173）
8.2計算機控制系統的設計過程（174）
8.3設計舉例——電爐溫控過程計算機控制系統（179）
8.3.1電爐溫控過程控制要求（179）
8.3.2系統硬件設計（180）
8.3.3系統軟件設計（181）
8.3.4系統仿真（183）
8.4設計舉例——機械手獨立PD控制系統（185）
8.4.1控制律設計（185）
8.4.2收斂性分析（186）
8.4.3仿真實例（186）
思考題與習題8（190）
9校企合作案例（191）
9.1工業(yè)機器人及機器視覺應用系統（191）
9.1.1產品概述（191）
9.1.2產品特點（191）
9.1.3技術性能（191）
9.2機器人應用訓練系統組成（192）
9.2.1系統組成（192）
9.2.2機構功能（192）
9.2.3設備運行（193）
9.3元器件功能介紹（194）
9.3.1傳感器的定義（194）
9.3.2各傳感器接線方式（195）
9.3.3氣動元件及工作原理圖（196）
9.4變頻器使用說明（198）
9.4.1操作面板的認知與操作（198）
9.4.2端子接線圖（199）
9.4.3基本操作（200）
9.4.4面板操作（201）
9.4.5主要參數設置（202）
9.5RFID識別系統（202）
9.5.1RFID識別系統介紹（202）
9.5.2RFID通信協議分析（203）
9.5.3三菱PLC控制程序設計（203）
9.5.4工件種類及編碼（204）
9.6機器視覺系統應用（204）
9.6.1視覺系統安裝（204）
9.6.2視覺系統使用（205）
9.6.3新建應用（207）
9.7工業(yè)機器人應用（209）
9.7.1機器人示教單元使用（209）
9.7.2機器人軟件使用（212）
9.7.3機器人常用控制指令（219）
9.8工業(yè)機器人綜合應用（222）
9.8.1運行準備（222）
9.8.2檢查設置（223）
9.8.3機器人跟蹤程序調試（223）
9.8.4設備運行（224）
附錄部分函數的Z變換、拉氏變換表（226）
參考文獻（227）