教材首先介紹Z變換以及如何采用Z變換建立廣義對象的Z傳遞函數(shù)，然后建立計算機控制系統(tǒng)的開環(huán)及閉環(huán)傳遞函數(shù)并分析系統(tǒng)的控制性能指標。在分析的基礎(chǔ)上，講述兩種控制算法的設(shè)計方法：(1)間接設(shè)計法(PID控制、史密斯預(yù)估法)；(2)直接設(shè)計法(最小拍無紋波設(shè)計、大林算法)。簡要介紹離散系統(tǒng)狀態(tài)空間分析與設(shè)計方法。以工程實踐的形式講述預(yù)測PI控制的性能及使用方法，進一步闡述集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線等典型的計算機控制系統(tǒng)以及人工智能、工業(yè)大數(shù)據(jù)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在其中的應(yīng)用。最后給出三組實驗：(1)以單片機為核心構(gòu)建的簡單的計算機控制系統(tǒng)；(2)以CODESYS為核心構(gòu)建的集散控制系統(tǒng)；(3)預(yù)測PI控制實驗。
第1章 概論001
1.1 計算機控制系統(tǒng)的基本概念002
1.2 計算機控制系統(tǒng)的硬件組成003
1.2.1 計算機系統(tǒng)003
1.2.2 檢測儀表004
1.2.3 執(zhí)行機構(gòu)004
1.2.4 通信網(wǎng)絡(luò)005
1.2.5 IO 器件005
1.2.6 人機界面005
1.3 計算機控制系統(tǒng)的軟件組成005
1.3.1 系統(tǒng)軟件006
1.3.2 應(yīng)用軟件007
1.4 幾種典型計算機控制系統(tǒng)008
1.4.1 數(shù)據(jù)采集與操作指導(dǎo)系統(tǒng)008
1.4.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)008
1.4.3 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)009
1.4.4 分級計算機控制系統(tǒng)010
1.5 本書的主要內(nèi)容011
練習(xí)題011
第2章 離散系統(tǒng)分析與設(shè)計的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)012
2.1 模擬信號和數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換013
2.1.1 模擬信號013
2.1.2 采樣信號013
2.1.3 數(shù)字信號014
2.2 采樣過程的數(shù)學(xué)描述014
2.3 采樣信號的頻譜分析015
2.4 采樣定理017
2.5 信號的非理想采樣與重構(gòu)019
2.5.1 信號的非理想采樣019
2.5.2 信號的非理想重構(gòu)020
2.6 z 變換與z 反變換022
2.6.1 z 變換的定義023
2.6.2 常見信號的z 變換024
2.6.3 z 變換的性質(zhì)和定理025
2.6.4 從拉普拉斯變換式求取z 變換028
2.6.5 z 反變換030
2.7 用z 變換求解動態(tài)系統(tǒng)的差分方程032
2.7.1 線性定常離散系統(tǒng)差分方程的一般形式032
2.7.2 差分方程的迭代法求解033
2.7.3 差分方程的z 變換求解033
2.8 線性離散動態(tài)系統(tǒng)的z 傳遞函數(shù)034
練習(xí)題035
第3章 計算機控制系統(tǒng)的分析037
3.1 計算機控制系統(tǒng)的簡化框圖038
3.1.1 被控對象038
3.1.2 數(shù)字控制器040
3.2 計算機控制系統(tǒng)的z 傳遞函數(shù)040
3.2.1 系統(tǒng)連續(xù)環(huán)節(jié)的z 傳遞函數(shù)的求取040
3.2.2 閉環(huán)z 傳遞函數(shù)的求取045
3.3 計算機控制系統(tǒng)的特性分析046
3.3.1 過渡過程特性046
3.3.2 穩(wěn)定性分析050
3.3.3 穩(wěn)態(tài)誤差分析052
3.3.4 計算機控制系統(tǒng)的采樣周期054
練習(xí)題055
第4章 數(shù)字控制器的間接設(shè)計方法057
4.1 數(shù)字控制器間接設(shè)計方法思路058
4.1.1 間接設(shè)計方法的步驟058
4.1.2 控制器的離散化方法059
4.2 數(shù)字PID 控制器062
4.2.1 模擬PID 控制062
4.2.2 數(shù)字PID 控制064
4.3 改進的數(shù)字PID 控制066
4.3.1 積分分離PID 算法066
4.3.2 抗積分飽和PID 算法067
4.3.3 不完全微分PID 算法068
4.3.4 微分先行PID 算法068
4.3.5 帶死區(qū)的PID 算法069
4.4 數(shù)字PID 控制器的參數(shù)整定方法069
4.4.1 采樣周期T 的選擇確定070
4.4.2 控制器參數(shù)K P 、T I 、T D 的選擇方法070
4.4.3 PID 參數(shù)整定方法總結(jié)073
4.5 史密斯預(yù)估控制073
4.5.1 史密斯預(yù)估補償原理073
4.5.2 史密斯預(yù)估補償數(shù)字控制器075
練習(xí)題075
第5章 數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法077
5.1 數(shù)字控制器的直接設(shè)計步驟078
5.2 最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計080
5.2.1 閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的確定080
5.2.2 典型輸入下的最少拍控制系統(tǒng)分析081
5.3 最少拍有波紋隨動系統(tǒng)的設(shè)計083
5.4 最少拍無波紋隨動系統(tǒng)的設(shè)計087
5.5 大林算法090
5.5.1 大林算法的數(shù)字控制器基本形式090
5.5.2 振鈴現(xiàn)象及其消除091
5.5.3 大林算法的設(shè)計步驟094
練習(xí)題094
第6章 離散系統(tǒng)狀態(tài)空間分析與設(shè)計095
6.1 線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述096
6.1.1 由差分方程建立離散狀態(tài)方程 097
6.1.2 由z 傳遞函數(shù)建立離散狀態(tài)空間表達式098
6.2 計算機控制系統(tǒng)狀態(tài)方程106
6.3 線性離散系統(tǒng)的z 特征方程和穩(wěn)定性110
6.3.1 線性離散系統(tǒng)的z 特征方程110
6.3.2 線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性111
6.4 線性離散狀態(tài)方程的求解112
6.5 線性離散系統(tǒng)的能控性和能觀測性114
6.6 狀態(tài)反饋控制與狀態(tài)觀測器設(shè)計117
6.6.1 狀態(tài)反饋控制117
6.6.2 狀態(tài)觀測器設(shè)計118
練習(xí)題119
第7章 預(yù)測PI 控制及工程實踐120
7.1 一階對象的預(yù)測PI 控制器的結(jié)構(gòu)121
7.2 預(yù)測PI 控制系統(tǒng)的離散化及狀態(tài)空間形式122
7.3 PPI 控制器和PID 控制器的比較124
7.3.1 PID 控制器簡介124
7.3.2 PID 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其狀態(tài)空間形式125
7.3.3 仿真比較126
7.4 預(yù)測PI 控制器和簡化的預(yù)測PI 控制器的比較128
7.4.1 SPPI 控制器的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)空間形式128
7.4.2 PPI 和SPPI 控制系統(tǒng)的性能分析129
7.5 積分系統(tǒng)的雙預(yù)測PI 控制132
7.5.1 簡介132
7.5.2 雙預(yù)測PI 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及狀態(tài)空間形式133
7.5.3 仿真比較137
7.6 雙預(yù)測PI 控制算法在生物發(fā)酵罐溫度控制中的應(yīng)用140
7.6.1 過程描述140
7.6.2 模型的建立141
7.6.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計142
7.6.4 仿真實驗143
7.6.5 與PI、PD、PID 控制算法的性能比較144
7.6.6 實際控制效果148
練習(xí)題149
第8章 計算機集散控制系統(tǒng)及其前沿技術(shù)150
8.1 集散控制系統(tǒng)的組成151
8.1.1 DCS 的結(jié)構(gòu)151
8.1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)153
8.2 集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制層的硬件設(shè)備155
8.2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備155
8.2.2 微處理器系統(tǒng)160
8.2.3 智能儀表161
8.2.4 可編程控制器系統(tǒng)162
8.2.5 可編程自動化控制器PAC 163
8.2.6 工業(yè)控制計算機IPC 164
8.3 集散控制系統(tǒng)的軟件技術(shù)166
8.3.1 計算機控制系統(tǒng)軟件的基本功能166
8.3.2 計算機控制系統(tǒng)軟件的特點167
8.3.3 計算機控制系統(tǒng)的軟件分類167
8.3.4 國際工業(yè)控制編程標準IEC 61131-3 168
8.3.5 CODESYS 軟件與軟PLC 技術(shù)169
8.4 集散控制系統(tǒng)的通信技術(shù)173
8.4.1 串行總線通信網(wǎng)絡(luò)173
8.4.2 工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線176
8.4.3 OPC 數(shù)據(jù)交換規(guī)范180
8.5 計算機控制系統(tǒng)與信息新技術(shù)183
8.5.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)183
8.5.2 工業(yè)大數(shù)據(jù)185
8.5.3 工業(yè)人工智能186
練習(xí)題188
第9章 計算機控制實驗189
9.1 基于8051 單片機的計算機控制實驗190
9.1.1 實驗裝置的基本結(jié)構(gòu)及功能190
9.1.2 帶積分分離的PID 控制算法實驗192
9.2 基于CODESYS 的分散控制系統(tǒng)開發(fā)實驗198
9.2.1 實驗系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境199
9.2.2 創(chuàng)建項目201
9.2.3 現(xiàn)場層、車間層的設(shè)備組態(tài)202
9.2.4 編寫控制程序207
9.2.5 控制系統(tǒng)的人機界面開發(fā)216
9.2.6 OPC UA Server 功能設(shè)置224
9.3 預(yù)測PI 控制實驗226
9.3.1 預(yù)測PI 控制算法226
9.3.2 報警子程序229
9.3.3 主程序PLC_PRG 的處理流程230
參考文獻232
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