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计算机控制技术 [陈红卫主编]
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资料介绍
计算机控制技术
作者：陈红卫主编
出版时间：2017
丛编项： 普通高等教育电气工程与自动化类“十三五”规划教材
内容简介
本书是“十三五”江苏省高等学校重点教材，着重介绍计算机控制系统的概念、结构与组成，理论基础，控制算法，相关技术以及系统设计与应用实例。全书共6章，主要内容以工控机、PLC为控制主机，工业锅炉、船舶可调螺距螺旋桨、大型耙吸式挖泥船等为控制对象构成计算机控制系统，讲述计算机控制理论，常用数字控制技术与先进控制技术，系统设计方法、原则与步骤以及软硬件的具体设计过程。本书内容简明扼要，深入浅出，融入了作者多年教学与工程实践的经验与体会。书中有适量的例题与习题，并对其中部分应用实例在MATLAB环境下进行了仿真。
目录
目 录
前 言
第1 章 绪论 1
1.1 计算机控制系统的基本概念 1
1.1.1 开环控制与闭环控制 1
1.1.2 计算机控制系统的含义 2
1.2 计算机控制系统的组成 3
1.2.1 计算机控制系统的硬件构成 3
1.2.2 计算机控制系统的软件构成 4
1.3 计算机控制系统的典型类型 5
1.3.1 操作指导控制系统 5
1.3.2 直接数字控制系统 6
1.3.3 监督控制系统 6
1.3.4 集散控制系统 7
1.3.5 现场总线控制系统 8
1.4 计算机控制系统的发展概况与趋势 9
1.4.1 计算机控制系统的发展概况 9
1.4.2 计算机控制系统的发展趋势 10
习 题 13
第2 章 计算机控制系统的理论基础 14
2.1 连续系统数学模型的表示方法 14
2.1.1 控制系统数学模型及其类型 14
2.1.2 建立数学模型的方法 15
2.1.3 控制系统中基本环节的传递函数 17
2.1.4 控制系统的结构图及其等效变换 18
2.1.5 反馈控制系统的传递函数 20
2.2 连续信号的离散化 21
2.2.1 信号的采样与恢复 21
2.2.2 采样周期的选择 22
2.3 Z 变换与反变换 23
2.3.1 Z 变换的定义 23
2.3.2 Z 变换方法 23
2.3.3 Z 变换的基本定理 25
2.3.4 Z 反变换 27
2.4 离散系统与差分方程 28
目 录
V
2.4.1 离散系统 28
2.4.2 差分方程 29
2.4.3 差分方程求解 29
2.5 离散系统的传递函数 31
2.5.1 Z 传递函数的定义 31
2.5.2 Z 传递函数的求法 31
2.5.3 开环Z 传递函数 32
2.5.4 闭环Z 传递函数 33
2.6 计算机控制系统的性能分析 34
2.6.1 计算机控制系统的稳定性分析 34
2.6.2 计算机控制系统的稳态误差分析 37
2.6.3 计算机控制系统的响应特性分析 38
习题 41
第3 章 常用数字控制技术 43
3.1 最少拍数字控制 43
3.1.1 最少拍数字控制系统的设计 43
3.1.2 最少拍无纹波控制系统的设计 46
3.2 模拟化设计方法 47
3.2.1 模拟设计的步骤 47
3.2.2 D(s)离散化成D(z)的方法 48
3.3 PID 控制 51
3.3.1 模拟PID 控制 52
3.3.2 数字PID 控制 52
3.3.3 改进的数字PID 控制 54
3.3.4 数字PID 控制器的参数选定 58
3.3.5 数字PID 控制器应用实例 61
3.4 纯滞后控制 64
3.4.1 史密斯（Smith）预估控制 64
3.4.2 大林（Dahllin）算法 68
3.5 串级控制 73
3.5.1 串级控制系统的结构和特点 73
3.5.2 串级控制算法 75
3.5.3 串级控制系统的设计 75
3.6 前馈-反馈控制 76
3.6.1 前馈-反馈控制的概念 76
3.6.2 前馈-反馈控制系统的原理和结构 76
3.6.3 数字前馈-反馈控制算法 78
3.7 解耦控制 79
3.7.1 耦合控制系统 79
3.7.2 解耦控制原理 80
3.7.3 数字解耦控制算法 81
习题 82
第4 章 先进控制技术 83
4.1 概述 83
4.2 模糊控制技术 84
4.2.1 模糊控制的数学基础 85
4.2.2 模糊控制原理 87
4.2.3 模糊控制器 87
4.2.4 模糊控制算法仿真 93
4.2.5 模糊控制算法应用实例 96
4.3 预测控制技术 98
4.3.1 预测模型 99
4.3.2 预测控制算法 105
4.3.3 预测控制算法仿真111
4.4 神经网络控制技术112
4.4.1 神经网络基础113
4.4.2 神经网络控制118
4.4.3 神经网络算法仿真 121
习题 124
第5 章 计算机控制系统的设计 126
5.1 设计原则与步骤 126
5.1.1 设计原则 126
5.1.2 设计步骤 127
5.2 控制主机 129
5.2.1 工业控制计算机 130
5.2.2 可编程序控制器 132
5.3 控制软件开发平台 137
5.3.1 工业组态软件 137
5.3.2 PLC 软件开发环境 140
5.4 工业控制网络 142
5.4.1 控制网络的类型与特点 142
5.4.2 现场总线 142
5.4.3 工业以太网 144
5.5 系统数据预处理技术 145
5.5.1 采样数据的合理性判别与报警 146
5.5.2 数字滤波 146
5.5.3 数值变换 148
5.6 系统抗干扰与可靠性技术 150
5.6.1 干扰来源 151
5.6.2 硬件抗干扰技术 151
5.6.3 系统供电与接地技术 152
5.6.4 软件可靠性技术 156
5.7 硬件与软件的具体设计 157
5.7.1 硬件的具体设计 157
5.7.2 软件的具体设计 160
习题 163
第6 章计算机控制系统的设计与应用实例 164
6.1 锅炉控制系统 164
6.1.1 锅炉工艺流程 164
6.1.2 锅炉控制对象分析 165
6.1.3 控制规律的选择 166
6.1.4 锅炉控制系统总体设计 168
6.1.5 系统硬件设计 169
6.1.6 检测装置和执行机构 170
6.1.7 系统软件设计 170
6.2 船舶可调螺距螺旋桨控制系统 170
6.2.1 调距桨及其控制方式 171
6.2.2 调距桨航速控制原理 172
6.2.3 调距桨控制系统结构 172
6.2.4 调距桨遥控系统总体设计 173
6.2.5 调距桨遥控系统硬件设计 177
6.2.6 系统软件设计 181
6.3 大型耙吸式挖泥船集成控制系统 188
6.3.1 耙吸式挖泥船集成控制系统概况 188
6.3.2 系统组成和功能 188
6.3.3 系统硬件设计 192
6.3.4 系统软件设计 194
6.4 船舶综合计算机控制系统 198
6.4.1 船舶自动化概述 198
6.4.2 船舶自动化典型产品介绍 199
习题 205
附录 206
附录A 常用Z 变换表 206
附录B 典型模糊隶属度函数 207
参考文献 208
作者：陈红卫主编
出版时间：2017
丛编项： 普通高等教育电气工程与自动化类“十三五”规划教材
内容简介
本书是“十三五”江苏省高等学校重点教材，着重介绍计算机控制系统的概念、结构与组成，理论基础，控制算法，相关技术以及系统设计与应用实例。全书共6章，主要内容以工控机、PLC为控制主机，工业锅炉、船舶可调螺距螺旋桨、大型耙吸式挖泥船等为控制对象构成计算机控制系统，讲述计算机控制理论，常用数字控制技术与先进控制技术，系统设计方法、原则与步骤以及软硬件的具体设计过程。本书内容简明扼要，深入浅出，融入了作者多年教学与工程实践的经验与体会。书中有适量的例题与习题，并对其中部分应用实例在MATLAB环境下进行了仿真。
目录
目 录
前 言
第1 章 绪论 1
1.1 计算机控制系统的基本概念 1
1.1.1 开环控制与闭环控制 1
1.1.2 计算机控制系统的含义 2
1.2 计算机控制系统的组成 3
1.2.1 计算机控制系统的硬件构成 3
1.2.2 计算机控制系统的软件构成 4
1.3 计算机控制系统的典型类型 5
1.3.1 操作指导控制系统 5
1.3.2 直接数字控制系统 6
1.3.3 监督控制系统 6
1.3.4 集散控制系统 7
1.3.5 现场总线控制系统 8
1.4 计算机控制系统的发展概况与趋势 9
1.4.1 计算机控制系统的发展概况 9
1.4.2 计算机控制系统的发展趋势 10
习 题 13
第2 章 计算机控制系统的理论基础 14
2.1 连续系统数学模型的表示方法 14
2.1.1 控制系统数学模型及其类型 14
2.1.2 建立数学模型的方法 15
2.1.3 控制系统中基本环节的传递函数 17
2.1.4 控制系统的结构图及其等效变换 18
2.1.5 反馈控制系统的传递函数 20
2.2 连续信号的离散化 21
2.2.1 信号的采样与恢复 21
2.2.2 采样周期的选择 22
2.3 Z 变换与反变换 23
2.3.1 Z 变换的定义 23
2.3.2 Z 变换方法 23
2.3.3 Z 变换的基本定理 25
2.3.4 Z 反变换 27
2.4 离散系统与差分方程 28
目 录
V
2.4.1 离散系统 28
2.4.2 差分方程 29
2.4.3 差分方程求解 29
2.5 离散系统的传递函数 31
2.5.1 Z 传递函数的定义 31
2.5.2 Z 传递函数的求法 31
2.5.3 开环Z 传递函数 32
2.5.4 闭环Z 传递函数 33
2.6 计算机控制系统的性能分析 34
2.6.1 计算机控制系统的稳定性分析 34
2.6.2 计算机控制系统的稳态误差分析 37
2.6.3 计算机控制系统的响应特性分析 38
习题 41
第3 章 常用数字控制技术 43
3.1 最少拍数字控制 43
3.1.1 最少拍数字控制系统的设计 43
3.1.2 最少拍无纹波控制系统的设计 46
3.2 模拟化设计方法 47
3.2.1 模拟设计的步骤 47
3.2.2 D(s)离散化成D(z)的方法 48
3.3 PID 控制 51
3.3.1 模拟PID 控制 52
3.3.2 数字PID 控制 52
3.3.3 改进的数字PID 控制 54
3.3.4 数字PID 控制器的参数选定 58
3.3.5 数字PID 控制器应用实例 61
3.4 纯滞后控制 64
3.4.1 史密斯（Smith）预估控制 64
3.4.2 大林（Dahllin）算法 68
3.5 串级控制 73
3.5.1 串级控制系统的结构和特点 73
3.5.2 串级控制算法 75
3.5.3 串级控制系统的设计 75
3.6 前馈-反馈控制 76
3.6.1 前馈-反馈控制的概念 76
3.6.2 前馈-反馈控制系统的原理和结构 76
3.6.3 数字前馈-反馈控制算法 78
3.7 解耦控制 79
3.7.1 耦合控制系统 79
3.7.2 解耦控制原理 80
3.7.3 数字解耦控制算法 81
习题 82
第4 章 先进控制技术 83
4.1 概述 83
4.2 模糊控制技术 84
4.2.1 模糊控制的数学基础 85
4.2.2 模糊控制原理 87
4.2.3 模糊控制器 87
4.2.4 模糊控制算法仿真 93
4.2.5 模糊控制算法应用实例 96
4.3 预测控制技术 98
4.3.1 预测模型 99
4.3.2 预测控制算法 105
4.3.3 预测控制算法仿真111
4.4 神经网络控制技术112
4.4.1 神经网络基础113
4.4.2 神经网络控制118
4.4.3 神经网络算法仿真 121
习题 124
第5 章 计算机控制系统的设计 126
5.1 设计原则与步骤 126
5.1.1 设计原则 126
5.1.2 设计步骤 127
5.2 控制主机 129
5.2.1 工业控制计算机 130
5.2.2 可编程序控制器 132
5.3 控制软件开发平台 137
5.3.1 工业组态软件 137
5.3.2 PLC 软件开发环境 140
5.4 工业控制网络 142
5.4.1 控制网络的类型与特点 142
5.4.2 现场总线 142
5.4.3 工业以太网 144
5.5 系统数据预处理技术 145
5.5.1 采样数据的合理性判别与报警 146
5.5.2 数字滤波 146
5.5.3 数值变换 148
5.6 系统抗干扰与可靠性技术 150
5.6.1 干扰来源 151
5.6.2 硬件抗干扰技术 151
5.6.3 系统供电与接地技术 152
5.6.4 软件可靠性技术 156
5.7 硬件与软件的具体设计 157
5.7.1 硬件的具体设计 157
5.7.2 软件的具体设计 160
习题 163
第6 章计算机控制系统的设计与应用实例 164
6.1 锅炉控制系统 164
6.1.1 锅炉工艺流程 164
6.1.2 锅炉控制对象分析 165
6.1.3 控制规律的选择 166
6.1.4 锅炉控制系统总体设计 168
6.1.5 系统硬件设计 169
6.1.6 检测装置和执行机构 170
6.1.7 系统软件设计 170
6.2 船舶可调螺距螺旋桨控制系统 170
6.2.1 调距桨及其控制方式 171
6.2.2 调距桨航速控制原理 172
6.2.3 调距桨控制系统结构 172
6.2.4 调距桨遥控系统总体设计 173
6.2.5 调距桨遥控系统硬件设计 177
6.2.6 系统软件设计 181
6.3 大型耙吸式挖泥船集成控制系统 188
6.3.1 耙吸式挖泥船集成控制系统概况 188
6.3.2 系统组成和功能 188
6.3.3 系统硬件设计 192
6.3.4 系统软件设计 194
6.4 船舶综合计算机控制系统 198
6.4.1 船舶自动化概述 198
6.4.2 船舶自动化典型产品介绍 199
习题 205
附录 206
附录A 常用Z 变换表 206
附录B 典型模糊隶属度函数 207
参考文献 208
