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| 內容簡介： |
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本书系统地讲述了计算机控制系统基本原理与实现技术。全书共9章，分为四部分：①计算机控制的理论基础，包括计算机控制的基本概念、系统信号分析、计算机控制系统的分析方法；②计算机控制系统设计，包括间接设计法（PID 控制、史密斯预估法）、直接设计法（最少拍无波纹设计、大林算法）和离散系统状态空间分析与设计方法；③计算机控制系统工程实现技术，包括预测PI 控制的性能及使用方法，集散控制系统、现场总线等典型的计算机控制系统以及人工智能、工业大数据、工业互联网在计算机控制系统中的应用；④介绍三组实验，包括以单片机为核心构建的简单的计算机控制系统、以CODESYS 为核心构建的集散控制系统和预测PI 控制实验。本书可作为高等学校自动化、计算机应用、信息工程等专业高年级本科生和研究生的教材，也可作为相关专业领域科研和工程技术人员的参考书。
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| 目錄：
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第1章 概论001
1.1 计算机控制系统的基本概念002
1.2 计算机控制系统的硬件组成003
1.2.1 计算机系统003
1.2.2 检测仪表004
1.2.3 执行机构004
1.2.4 通信网络005
1.2.5 IO 器件005
1.2.6 人机界面005
1.3 计算机控制系统的软件组成005
1.3.1 系统软件006
1.3.2 应用软件007
1.4 几种典型计算机控制系统008
1.4.1 数据采集与操作指导系统008
1.4.2 直接数字控制系统008
1.4.3 监督计算机控制系统009
1.4.4 分级计算机控制系统010
1.5 本书的主要内容011
练习题011
第2章 离散系统分析与设计的数学基础012
2.1 模拟信号和数字信号的相互转换013
2.1.1 模拟信号013
2.1.2 采样信号013
2.1.3 数字信号014
2.2 采样过程的数学描述014
2.3 采样信号的频谱分析015
2.4 采样定理017
2.5 信号的非理想采样与重构019
2.5.1 信号的非理想采样019
2.5.2 信号的非理想重构020
2.6 z 变换与z 反变换022
2.6.1 z 变换的定义023
2.6.2 常见信号的z 变换024
2.6.3 z 变换的性质和定理025
2.6.4 从拉普拉斯变换式求取z 变换028
2.6.5 z 反变换030
2.7 用z 变换求解动态系统的差分方程032
2.7.1 线性定常离散系统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 变换求解033
2.8 线性离散动态系统的z 传递函数034
练习题035
第3章 计算机控制系统的分析037
3.1 计算机控制系统的简化框图038
3.1.1 被控对象038
3.1.2 数字控制器040
3.2 计算机控制系统的z 传递函数040
3.2.1 系统连续环节的z 传递函数的求取040
3.2.2 闭环z 传递函数的求取045
3.3 计算机控制系统的特性分析046
3.3.1 过渡过程特性046
3.3.2 稳定性分析050
3.3.3 稳态误差分析052
3.3.4 计算机控制系统的采样周期054
练习题055
第4章 数字控制器的间接设计方法057
4.1 数字控制器间接设计方法思路058
4.1.1 间接设计方法的步骤058
4.1.2 控制器的离散化方法059
4.2 数字PID 控制器062
4.2.1 模拟PID 控制062
4.2.2 数字PID 控制064
4.3 改进的数字PID 控制066
4.3.1 积分分离PID 算法066
4.3.2 抗积分饱和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 带死区的PID 算法069
4.4 数字PID 控制器的参数整定方法069
4.4.1 采样周期T 的选择确定070
4.4.2 控制器参数K P 、T I 、T D 的选择方法070
4.4.3 PID 参数整定方法总结073
4.5 史密斯预估控制073
4.5.1 史密斯预估补偿原理073
4.5.2 史密斯预估补偿数字控制器075
练习题075
第5章 数字控制器的直接设计方法077
5.1 数字控制器的直接设计步骤078
5.2 最少拍控制系统设计080
5.2.1 闭环脉冲传递函数的确定080
5.2.2 典型输入下的最少拍控制系统分析081
5.3 最少拍有波纹随动系统的设计083
5.4 最少拍无波纹随动系统的设计087
5.5 大林算法090
5.5.1 大林算法的数字控制器基本形式090
5.5.2 振铃现象及其消除091
5.5.3 大林算法的设计步骤094
练习题094
第6章 离散系统状态空间分析与设计095
6.1 线性离散系统的状态空间描述096
6.1.1 由差分方程建立离散状态方程 097
6.1.2 由z 传递函数建立离散状态空间表达式098
6.2 计算机控制系统状态方程106
6.3 线性离散系统的z 特征方程和稳定性110
6.3.1 线性离散系统的z 特征方程110
6.3.2 线性离散系统的稳定性111
6.4 线性离散状态方程的求解112
6.5 线性离散系统的能控性和能观测性114
6.6 状态反馈控制与状态观测器设计117
6.6.1 状态反馈控制117
6.6.2 状态观测器设计118
练习题119
第7章 预测PI 控制及工程实践120
7.1 一阶对象的预测PI 控制器的结构121
7.2 预测PI 控制系统的离散化及状态空间形式122
7.3 PPI 控制器和PID 控制器的比较124
7.3.1 PID 控制器简介124
7.3.2 PID 控制系统的结构及其状态空间形式125
7.3.3 仿真比较126
7.4 预测PI 控制器和简化的预测PI 控制器的比较128
7.4.1 SPPI 控制器的结构和状态空间形式128
7.4.2 PPI 和SPPI 控制系统的性能分析129
7.5 积分系统的双预测PI 控制132
7.5.1 简介132
7.5.2 双预测PI 控制系统的结构及状态空间形式133
7.5.3 仿真比较137
7.6 双预测PI 控制算法在生物发酵罐温度控制中的应用140
7.6.1 过程描述140
7.6.2 模型的建立141
7.6.3 控制系统的设计142
7.6.4 仿真实验143
7.6.5 与PI、PD、PID 控制算法的性能比较144
7.6.6 实际控制效果148
练习题149
第8章 计算机集散控制系统及其前沿技术150
8.1 集散控制系统的组成151
8.1.1 DCS 的结构151
8.1.2 现场总线控制系统153
8.2 集散控制系统现场控制层的硬件设备155
8.2.1 数据采集设备155
8.2.2 微处理器系统160
8.2.3 智能仪表161
8.2.4 可编程控制器系统162
8.2.5 可编程自动化控制器PAC 163
8.2.6 工业控制计算机IPC 164
8.3 集散控制系统的软件技术166
8.3.1 计算机控制系统软件的基本功能166
8.3.2 计算机控制系统软件的特点167
8.3.3 计算机控制系统的软件分类167
8.3.4 国际工业控制编程标准IEC 61131-3 168
8.3.5 CODESYS 软件与软PLC 技术169
8.4 集散控制系统的通信技术173
8.4.1 串行总线通信网络173
8.4.2 工业以太网和现场总线176
8.4.3 OPC 数据交换规范180
8.5 计算机控制系统与信息新技术183
8.5.1 工业互联网183
8.5.2 工业大数据185
8.5.3 工业人工智能186
练习题188
第9章 计算机控制实验189
9.1 基于8051 单片机的计算机控制实验190
9.1.1 实验装置的基本结构及功能190
9.1.2 带积分分离的PID 控制算法实验192
9.2 基于CODESYS 的分散控制系统开发实验198
9.2.1 实验系统的软硬件环境199
9.2.2 创建项目201
9.2.3 现场层、车间层的设备组态202
9.2.4 编写控制程序207
9.2.5 控制系统的人机界面开发216
9.2.6 OPC UA Server 功能设置224
9.3 预测PI 控制实验226
9.3.1 预测PI 控制算法226
9.3.2 报警子程序229
9.3.3 主程序PLC_PRG 的处理流程230
参考文献232
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| 內容試閱：
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计算机控制技术课程涉及自动控制技术、计算机技术及通信技术，需讲授的知识点非常多，同时该课程不仅理论性强，工程性也很强。因此讲授该课程需要较多的课时。为了在有限的时间内让学生既有重点又能较全面地掌握该门课程，本书力求深入浅出地讲述计算机控制技术的核心知识，结合案例就工程应用非常广泛的计算机控制技术展开讨论，将该课程的实验有机地融入教材。
本书第2、3章讲述计算机控制系统的分析方法；第4章和第5章讲述计算机控制系统的设计方法；第9章是相应的实验，通过实验读者可以了解计算机控制系统的软硬件构成及控制算法的具体实现。在课时有限的情况下，可以着重讲授这些章节。第6章讲述离散系统状态空间分析和设计方法；第7章将新型实用的控制算法（预测PI 控制）和案例相结合，便于读者理解如何将新型控制算法应用于实际工程以解决复杂系统的控制问题；第8章讲述常见的计算机集散控制系统，并在此基础上加入了相关的工业人工智能、工业大数据、工业互联网等信息前沿技术。可在课时允许的情况下选用以上各个章节。
本书第1～3章由王直杰编写，第4、5、7章由任正云编写，第6章由索靖慧编写，第8、9章由左锋编写。
本书是编者在多年教学实践的基础上，参考了众多参考资料编写而成的。由于编者水平有限，书中难免会有疏漏之处，恳请读者批评指正。
编著者
2024年3月
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