計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

前言

目前，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在人們的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。大到非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)，小到各種微型控制設(shè)備，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在其中均起著越來越重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的日益普及，尤其是各種性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的嵌入式控制器的發(fā)展，使得用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制器的成本不斷降低，其性能卻不斷提高，從而推動了計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。同時(shí)，通過軟件編程可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜、靈活的控制算法，因而計(jì)算機(jī)控制技術(shù)得以廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及國防建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域，并取得了良好的控制效果。本書是以微型計(jì)算機(jī)為控制工具，較深入地介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本知識和基本應(yīng)用技術(shù)。全書共分十章。第一章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一些基本概念；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類；計(jì)算機(jī)控制理論及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展。第二章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過程通道與接口、電源、信號的采樣與重構(gòu)以及數(shù)字濾波等基本知識。第三章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，包括差分方程、z變換理論、脈沖傳遞函數(shù)。第四章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析，包括穩(wěn)定性分析、動態(tài)特性分析及穩(wěn)態(tài)誤差分析。第五章介紹數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法，包括模擬控制器與數(shù)字控制器的轉(zhuǎn)換以及數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)方法。第六章介紹數(shù)字控制器直接設(shè)計(jì)法的原理、方法；介紹最少拍無差有波紋、無波紋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；史密斯預(yù)估器設(shè)計(jì)方法；大林設(shè)計(jì)方法；數(shù)字控制器的根軌跡設(shè)計(jì)法和頻域設(shè)計(jì)法。第七章介紹基于狀態(tài)空間模型的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法。第八章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)舉例。第九章介紹新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，包括當(dāng)今應(yīng)用非常廣泛的嵌入式系統(tǒng)的基本概念、應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)實(shí)例和發(fā)展?fàn)顩r；集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及其應(yīng)用問題。第十章介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)，包括干擾的來源及其抗干擾措施、冗余技術(shù)及故障診斷技術(shù)。

內(nèi)容概要

　　本書從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，注重基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性和實(shí)用性，較深入地介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本知識及分析和設(shè)計(jì)方法?！队?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(第2版)》共十章，包括緒論、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特性分析、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的間接設(shè)計(jì)方法、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的直接設(shè)計(jì)方法、數(shù)字控制器的狀態(tài)空間設(shè)計(jì)方法、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。每一章后面都給出了大量的習(xí)題’并在書后提供了部分習(xí)題的參考答案?！队?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(第2版)》還配備了相應(yīng)的多媒體教學(xué)課件，一方面方便學(xué)生理解、消化相關(guān)知識，另一方面也可供學(xué)生課下學(xué)習(xí)參閱。
　　本書可作為自動化專業(yè)學(xué)生的教材或參考書，也可供有關(guān)教師、科研人員及工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

作者簡介

　　李元春，籍貫吉林省，1962年生，工學(xué)博士，現(xiàn)為吉林大學(xué)控制科學(xué)與工程系教授，博士生導(dǎo)師。主要從事本科生“計(jì)算機(jī)控制”研究生“最優(yōu)控制”、“機(jī)器人控制”等課程的教學(xué)工作和復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)建模與控制，智能機(jī)械與機(jī)器人控制等方面的科研工作。1995～1996年在日本神戶大學(xué)進(jìn)行訪問研究，目前已承擔(dān)完成國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，國家“九五”攻關(guān)項(xiàng)目、教育部高等學(xué)校骨干教師資助計(jì)劃及吉林省杰出青年基金等國家及省部委項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲機(jī)械工業(yè)部科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)。在國際國內(nèi)著名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文60多篇，其中被SCI.EJ.ISTP收錄20余篇。
　　現(xiàn)為教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會委員。

書籍目錄

第一章　緒論　
　1.1　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述　
　1.2　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的類型　
　1.3　計(jì)算機(jī)控制理論　
　1.4　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例　
　1.5　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展　
第二章　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)　
　2.1　開關(guān)量輸入　
　2.2　開關(guān)量輸出　
　2.3　模擬量輸入　
　2.4　模擬量輸出　
　2.5　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的電源　
　2.6　信號采樣與重構(gòu)　
　2.7　數(shù)字濾波　
　習(xí)題　
第三章　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)　
　3.1　差分方程　
　3.2　z變換　
　3.3　逆z變換　
　3.4　脈沖傳遞函數(shù)　
　習(xí)題　
第四章　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特性分析　
　4.1　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性　
　4.2　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的動態(tài)特性　
　4.3　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差　
　4.4　離散系統(tǒng)根軌跡和頻率特性　
　習(xí)題　
第五章　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的間接設(shè)計(jì)方法　
　5.1　概述　
　5.2　基本設(shè)計(jì)方法　
　5.3　數(shù)字pid控制器的設(shè)計(jì)　
　5.4　數(shù)字pid控制器算法的改進(jìn)　
　5.5　數(shù)字pid控制器的參數(shù)整定　
　習(xí)題　
第六章　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的直接設(shè)計(jì)方法　
　6.1　概述　
　6.2　最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)　
　6.3　純滯后對象的控制算法　
　6.4　設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的根軌跡法　
　6.5　數(shù)字控制器的頻域設(shè)計(jì)法　
　習(xí)題　
第七章　數(shù)字控制器的狀態(tài)空間設(shè)計(jì)方法　
　7.1　線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述及線性離散系統(tǒng)狀態(tài)空間　
　7.2　線性定常離散系統(tǒng)的能控性和能觀性　
　7.3　狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)法　
　7.4　輸出反饋設(shè)計(jì)法　
　7.5　狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)　
　7.6　應(yīng)用狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)　
　7.7　二次型最優(yōu)控制算法設(shè)計(jì)　
　習(xí)題　
第八章　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)　
　8.1　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟　
　8.2　數(shù)字伺服系統(tǒng)　
　8.3　雙閉環(huán)直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)　
　8.4　電阻爐溫度控制系統(tǒng)　
　8.5　數(shù)字程序控制系統(tǒng)　
　習(xí)題　
第九章　新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)　
　9.1　嵌入式系統(tǒng)　
　9.2　集散控制系統(tǒng)　
　9.3　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)　
　9.4　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)　
　習(xí)題　
第十章　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)　
　10.1　概述　
　10.2　干擾的來源　
　10.3　電源與供電系統(tǒng)的抗干擾措施　
　10.4　信號傳輸通道的抗干擾措施　
　10.5　系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)　
　10.6　故障診斷技術(shù)　
　習(xí)題　
　部分習(xí)題參考答案　
參考資料

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：微處理器的速度影響控制運(yùn)算處理的速度，如果系統(tǒng)控制任務(wù)多、控制算法復(fù)雜，就應(yīng)考慮采用速度較高的微處理器。速度的選擇可與字長的選擇一并考慮。對于同一算法、同一精度要求，當(dāng)微處理器的字長短時(shí)，就要采用多字節(jié)運(yùn)算，完成控制和計(jì)算的時(shí)間就會增長，為保證控制的實(shí)時(shí)性，就必須選用執(zhí)行速度快的微處理器。c.微處理器的尋址范圍尋址范圍反映了微處理器可以擴(kuò)充的存儲器空間的I／O空間的大小，如果系統(tǒng)需要存儲的數(shù)據(jù)量大，需要擴(kuò)充的I／O端口數(shù)量多，則應(yīng)選擇尋址范圍大的微處理器。d.微處理器的指令系統(tǒng)和尋址方式一般情況下，微處理器的指令系統(tǒng)越完善、指令條數(shù)和尋址方式越多，其針對特定操作的指令也必然增多，這可使處理速度加快，編程方便靈活，程序長度減少。對于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來說，尤其要求微處理器具有豐富的邏輯判斷指令、數(shù)學(xué)運(yùn)算指令和外部設(shè)備控制指令。e.微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也是影響系統(tǒng)性能的重要因素，它包括內(nèi)部寄存器的種類和數(shù)量、是否具有內(nèi)部存儲器及其容量、是否包含內(nèi)部定時(shí)／計(jì)數(shù)電路、是否有片內(nèi)的I／O接口電路等。例如，MCS一51系列的8751單片機(jī)具有21個(gè)特殊功能寄存器、兩個(gè)片內(nèi)定時(shí)／計(jì)數(shù)器、128字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM和4K字節(jié)的片內(nèi)EPROM，這就可以使得訪問外部存儲器的次數(shù)減少，從而加快了執(zhí)行速度，而且需要擴(kuò)充的外部電路減少，甚至完全不需要外部電路，從而簡化了系統(tǒng)。f.微處理器的中斷系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)是具有實(shí)時(shí)控制功能，它包括兩層含義，一是在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)控制能力，為保證實(shí)時(shí)控制，除了選擇速度較快的微處理器外，往往對某些變化較快的信號或較重要的信號采用中斷方式處理；二是在發(fā)生故障時(shí)具有緊急處理的能力，一般是將故障信號（如掉電信號）作為系統(tǒng)最高級中斷源。因此，要求微處理器具有完善的中斷系統(tǒng)，提供足夠的中斷源、復(fù)雜的中斷管理方式等。

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《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(第2版)》：普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材

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