第1章 绪论 1
1.1 计算机控制系统概述 1
1.1.1 计算机控制系统的特征 1
1.1.2 计算机控制系统的工作原理 2
1.1.3 计算机控制系统的硬件组成 3
1.1.4 计算机控制系统的软件组成 4
1.2 计算机控制系统的分类 4
1.2.1 操作指导控制系统 4
1.2.2 直接数字控制系统 5
1.2.3 监督计算机控制系统 6
1.2.4 集散控制系统 7
1.2.5 现场总线控制系统 8
1.2.6 计算机集成制造系统 8
1.2.7 物联网控制系统 8
1.3 计算机控制系统的发展概况与发展趋势 9
1.3.1 计算机控制系统的发展概况 9
1.3.2 计算机控制系统的发展趋势 12
1.4 通用微处理器——STC89C51 14
1.4.1 STC89C51的组成 14
1.4.2 STC89C51的引脚介绍 14
1.4.3 单片机最小系统 15
1.4.4 STC89C51单片机的简单例程——流水灯 17
思考与练习 20
第2章 计算机控制系统的硬件设计技术 21
2.1 计算机控制系统常用主机 21
2.1.1 工业控制计算机（IPC） 21
2.1.2 可编程逻辑控制器（PLC） 21
2.1.3 嵌入式系统 21
2.2 数字量输入/输出通道 22
2.2.1 数字量输入/输出接口技术 22
2.2.2 数字量输入（DI）通道 23
2.2.3 数字量输出（DO）通道 26
2.3 模拟量输入通道 27
2.3.1 模拟量输入通道的组成 27
2.3.2 I/V变换电路 28
2.3.3 多路模拟开关 28
2.3.4 前置放大器 29
2.3.5 采样保持器 30
2.3.6 常用A/D转换器 30
2.3.7 A/D转换器接口及ADC采集系统设计 34
2.3.8 模拟量输入通道设计方法 39
2.4 模拟量输出通道 39
2.4.1 模拟量输出通道的结构形式 39
2.4.2 D/A转换器 40
2.4.3 V/I变换电路 48
2.4.4 模拟量输出通道设计方法 50
2.5 键盘接口技术 50
2.5.1 键盘的组成、 抖动及消除按键抖动的措施 50
2.5.2 独立式按键接口技术 52
2.5.3 矩阵式键盘接口技术 52
2.6 显示接口技术 57
2.6.1 LED显示接口技术 57
2.6.2 LED驱动芯片MAX7221 62
2.6.3 LCD显示接口技术 65
2.7 计算机控制系统硬件抗干扰技术 78
2.7.1 干扰的来源 78
2.7.2 干扰窜入计算机控制系统的主要途径 78
2.7.3 干扰的耦合方式 80
2.7.4 计算机控制系统的硬件抗干扰技术 81
2.7.5 计算机控制系统的接地和电源保护技术 89
2.8 设计实例 93
思考与练习 100
第3章 计算机控制系统的理论分析 101
3.1 计算机控制系统数学描述方法的分类 101
3.2 信号的采样与保持 101
3.2.1 信号的分类 101
3.2.2 连续信号的采样 101
3.2.3 采样定理 102
3.2.4 信号的恢复与零阶保持器 103
3.3 采样系统的数学描述 104
3.3.1 脉冲传递函数的定义 104
3.3.2 开环采样系统的脉冲传递函数 106
3.3.3 闭环采样系统的脉冲传递函数 108
3.4 离散系统的稳定性分析 109
3.4.1 S平面与Z平面的关系 109
3.4.2 离散系统输出响应的一般关系式 115
3.4.3 离散系统稳定性的判定 116
3.5 离散系统的过渡响应分析 119
3.6 离散系统的稳态准确度分析 122
3.6.1 离散系统的稳态误差 122
3.6.2 典型信号作用下离散系统的稳态误差 123
3.6.3 干扰信号作用下的离散稳态误差 125
3.6.4 采样周期对稳态误差的影响 125
3.7 离散系统的输出响应 129
3.7.1 离散系统在采样点间的响应 129
3.7.2 被控对象含延时的输出响应 130
3.8 离散系统的根轨迹分析法 131
3.9 离散系统的频域分析法 135
思考与练习 140
第4章 数字控制技术 142
4.1 数字控制系统概述 142
4.1.1 数字控制系统的组成 142
4.1.2 数字控制的原理 143
4.1.3 电动机中数字控制系统的分类 144
4.1.4 伺服控制系统 145
4.2 步进电动机伺服控制技术 146
4.2.1 步进伺服系统的构成 146
4.2.2 步进电动机的工作原理 147
4.2.3 步进电动机的工作方式 148
4.2.4 步进电动机工控机控制技术 149
4.2.5 步进电动机单片机控制技术 151
4.3 直流伺服电动机伺服控制技术 153
4.3.1 直流伺服电动机的工作原理 153
4.3.2 直流伺服电动机的驱动与控制 155
4.4 交流伺服电动机伺服控制技术 159
4.4.1 交流伺服电动机的原理与组成 159
4.4.2 交流伺服电动机与步进电动机的比较 160
思考与练习 161
第5章 常规及复杂控制技术 162
5.1 数字控制器的模拟化设计 162
5.1.1 数字控制器的模拟化设计步骤 162
5.1.2 数字PID控制器 165
5.1.3 数字PID控制器的改进 174
5.1.4 数字PID算法的参数整定方法及采样周期T的确定 188
5.2 数字控制器的离散化设计 192
5.2.1 数字控制器的离散化设计步骤 192
5.2.2 最少拍控制器的设计 193
5.2.3 最少拍无纹波控制器的设计 212
5.3 纯滞后控制技术 223
5.3.1 大林算法 223
5.3.2 振铃现象的消除 226
5.3.3 Smith预估控制 229
5.4 数字控制器的程序实现 234
5.4.1 直接实现法 234
5.4.2 串接实现法 235
5.4.3 并接实现法 237
5.5 前馈控制系统设计 238
5.5.1 前馈控制系统 238
5.5.2 前馈-反馈复合控制系统的结构 239
5.5.3 前馈-反馈控制算法 240
5.6 线性系统的能控性与能观性 243
5.6.1 基本概念 243
5.6.2 离散系统的能控性 244
5.6.3 离散系统的可观测性 246
5.6.4 对偶原理 247
5.6.5 坐标变换与标准型 247
5.7 数字控制器状态空间设计法 250
5.7.1 状态反馈极点配置控制系统的设计 250
5.7.2 状态观测器的设计 252
5.7.3 具有状态观测器的极点配置 255
思考与练习 259
第6章 物联网控制技术 260
6.1 基本概念 260
6.2 数据传输模式 260
6.2.1 以太网 260
6.2.2 IoT网络 260
6.2.3 PLC的无线总线系统 261
6.3 HC-05嵌入式蓝牙串口通信模块 262
6.3.1 HC-05蓝牙模块主要引脚定义 263
6.3.2 设置HC-05蓝牙模块为主模块的步骤 263
6.3.3 AT配置指令 264
6.3.4 利用51单片机与HC-05蓝牙模块实现手机控制LED 268
6.4 ESP8266 WiFi模块 270
6.4.1 ESP8266 WiFi 模块AT指令 272
6.4.2 利用手机通过WiFi实现LED亮灭控制 276
6.5 物联网控制系统设计实例 279
6.5.1 门禁系统硬件架构设计 279
6.5.2 门禁系统硬件选型 281
6.5.3 门禁系统嵌入式软件设计 283
思考与练习 283
第7章 计算机控制系统的软件设计技术 284
7.1 计算机控制系统软件概述 284
7.1.1 软件设计的方法 284
7.1.2 计算机控制系统应用软件 286
7.1.3 监控组态软件 288
7.2 测量数据预处理技术 291
7.2.1 系统误差的自动校准 291
7.2.2 线性化处理 293
7.2.3 标度变换 295
7.2.4 插值算法 297
7.2.5 越限报警处理 301
7.3 软件抗干扰技术 301
7.3.1 数字滤波技术 302
7.3.2 输入/输出数字量的软件抗干扰技术 332
7.3.3 指令冗余技术 332
7.3.4 软件陷阱技术 333
7.4 数字PID控制器的工程实现 333
7.4.1 给定值处理模块的实现 334
7.4.2 被控量处理模块的实现 335
7.4.3 偏差处理模块的实现 335
7.4.4 控制算法模块的实现 336
7.4.5 控制量处理模块的实现 337
7.4.6 自动/手动切换模块的实现 337
思考与练习 339
第8章 计算机控制系统的设计与实现 340
8.1 系统设计的原则与步骤 340
8.1.1 系统设计的原则 340
8.1.2 系统设计的步骤 342
8.2 系统的工程设计与实现 343
8.2.1 总体方案设计 343
8.2.2 硬件的工程设计和实现 344
8.2.3 软件的工程设计和实现 346
8.2.4 系统的调试与运行 347
8.3 仪器用温箱温度控制系统的设计 348
8.3.1 控制任务与工艺要求 348
8.3.2 系统的组成和基本工作原理 349
8.3.3 被控对象模型和参数的求取 350
8.3.4 控制规律的选择和参数的确定 351
8.3.5 硬件系统详细设计 352
8.3.6 固件程序设计 360
思考与练习 373
参考文献 374