《北京市精品立項教材：計算機控制系統》對計算機控制系統的基本概念、組成原理、設計方法及應用進行了論述，主要內容包括計算機控制系統概述、計算機控制系統的理論基礎、數字PID控制器、直接數字控制器等。
本書是作者在早期出版的《微型計算機控制系統》和《微型計算機控制技術》基礎上，綜合了近年來作者在北方工業(yè)大學現場總線技術及自動化北京市重點實驗室的科研成果，吸收了國內外先進控制理論、技術和方法，經過反復修改和總結編著定稿的。本書被評為北京市精品立項教材。
本書系統地闡述了計算機控制系統的組成原理、控制結構、設計方法和實現方法，重視理論聯系實際，重視解決工程實際中出現的問題。在編寫過程中，本書盡量做到重點突出、層次分明、條例清晰，并列舉了大量工程實用技術和應用實例，建立了一套比較完整、科學和實用的計算機控制系統分析、設計和實現的基本體系。
全書共12章。第1章是對計算機控制系統的簡要概述，包括計算機控制系統組成、結構、特點、分類與發(fā)展前景等。第2章講述了計算機控制系統的理論基礎，包括計算機控制系統的信號變換、數學描述方法、脈沖傳遞函數及其系統分析等。隨后的幾章介紹了幾種數字控制器的設計方法：第3章是數字PID控制，包括基本PID算法、改進PID算法、：PID參數整定方法以及自抗擾控制器；第4章是直接數字控制器，包括控制器的設計原理、最少拍控制、大林算法以及控制器的實現方法；第5章是基于狀態(tài)空間模型的設計方法，包括狀態(tài)空間模型描述、能控性、能觀性與穩(wěn)定性分析、狀態(tài)反饋控制、狀態(tài)觀測器設計與最優(yōu)二次型控制等內容；第6章是模型預測控制，包括模型預測控制的基本原理和幾種典型的預測控制方法；第7章是模糊控制和神經元網絡控制，包括模糊控制原理、模糊PID控制、神經網絡控制和單神經元PID控制方法。第8章～第10章介紹了計算機控制的技術實現問題：第8章是過程輸入輸出通道，包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數字量輸入通道、數字量輸出通道以及通道中隔離電路的設計；第9章是人機接口技術，包括各種信息輸入、輸出裝置以及鍵盤顯示器的典型接口電路；第10章是抗干擾技術，包括計算機控制系統中干擾的來源和分類以及抗干擾的措施。第1l章講述了微型計算機控制系統的工程設計，包括設計的方法和步驟以及全數字位置伺服系統、全數字雙閉環(huán)直流調速系統、恒壓調速供水系統、數字呼吸機控制系統等四個應用實例。第12章介紹了工業(yè)控制計算機和網絡化控制系統，包括工控機系統、集散控制系統和現場總線控制系統等內容。本書第1章～第4章、第8章、第11章由孫德輝教授編寫，第5章一第7章由李志軍副教授編寫，第9章、第10章、第12章由史運濤副教授編寫，劉大千、李月恒參與了編寫和修訂。
本書可以作為自動化、電氣工程和計算機應用等專業(yè)高年級本科生和研究生的教材，也可作為廣大科研和工程技術人員的參考書。
由于作者水平有限，書中內容難免存在一些缺點和不足，殷切希望廣大讀者批評指正。
第1章 計算機控制系統概述
1.1 計算機控制系統的組成、結構與特點
1.1.1 計算機控制系統的組成
1.1.2 計算機控制系統的結構
1.1.3 計算機控制系統的特點
1.2 計算機控制系統的分類
1.2.1 計算機操作指導控制系統
1.2.2 直接數字控制系統
1.2.3 監(jiān)督計算機控制系統
1.2.4 集散控制系統
1.2.5 現場總線控制系統
1.2.6 計算機集成制造控制系統
1.3 計算機控制系統的發(fā)展前景
1.3.1 開放化
1.3.2 小型化
1.3.3 智能化
第2章 計算機控制系統的理論基礎
2.1 計算機控制系統的信號變換
2.1.1 信號的種類
2.1.2 A／D轉換器與采樣定理
2.1.3 D／A轉換器與保持器
2.1.4 計算機控制系統的簡化結構圖
2.2 線性離散控制系統的數學描述方法
2.2.1 差分方程
2.2.2 Z變換
2.2.3 Z變換的基本定理
2.2.4 Z反變換
2.2.5 用Z變換解差分方程
2.3 脈沖傳遞函數
2.3.1 脈沖傳遞函數的定義
2.3.2 脈沖傳遞函數的求法
2.3.3 離散系統結構圖的等效變換
2.4 線性離散控制系統的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差
2.4.1 穩(wěn)定性
2.4.2 穩(wěn)態(tài)誤差
第3章 數字Pm控制器
3.1 數字控制器的設計方法
3.1.1 計算機控制系統的等效結構圖
3.1.2 數字控制器的間接設計方法
3.2 PID控制算法
3.2.1 模擬PID控制器
3.2.2 數字：PID控制器
3.3 PID算法的幾種改進形式
3.3.1 帶有死區(qū)的PID控制算法
3.3.2 抗積分飽和的PID算法
3.3.3 不完全微分的PID控制算法
3.3.4 對象具有純滯后的PHD控制
3.4 PID控制器的參數整定
3.4.1 經驗法
3.4.2 試湊法
3.4.3 擴充臨界比例帶法
3.4.4 擴充階躍響應法
3.4.5 參數尋優(yōu)方法
3.4.6 自整定PID算法
3.5 自抗擾控制器
3.5.1 PID控制器的缺點
3.5.2 自抗擾控制器的結構
3.5.3 仿真實例
第4章 數字控制器的直接設計方法
4.1 直接設計法的原理與步驟
4.2 最少拍系統設計
4.2.1 最少拍系統D（z）的設計
4.2.2 最少拍系統的調整時間
4.2.3 數字控制器的可實現條件
4.2.4 最少拍系統的穩(wěn)定性
4.3 最少拍無紋波系統設計
4.4 大林算法
4.4.1 大林算法的基本形式
4.4.2 振鈴的強弱及振鈴的消除方法
4.5 數字控制器D（z）的實現
4.5.1 直接程序設計法
4.5.2 串行程序設計法
4.5.3 并行程序設計法
第5章 基于狀態(tài)空間方程的設計方法
5.1 離散時間系統的狀態(tài)空間描述
5.1.1 由差分方程建立離散狀態(tài)空間方程
5.1.2 由脈沖傳遞函數建立離散狀態(tài)空間方程
5.1.3 線性連續(xù)系統的離散化
5.1.4 離散狀態(tài)方程求解
5.1.5 線性離散系統的傳遞矩陣和特征方程
5.2 離散時間系統的能控性、能觀性與穩(wěn)定性
5.2.1 能控性及其判據
5.2.2 能觀性及其判據
5.2.3 穩(wěn)定性
5.3 狀態(tài)反饋控制
5.3.1 狀態(tài)反饋
5.3.2 極點配置
5.4 狀態(tài)觀測器
5.4.1 開環(huán)估計器
5.4.2 閉環(huán)狀態(tài)觀測器
5.4.3 帶有狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統
5.5 線性二次型最優(yōu)控制
5.5.1 性能指標
5.5.2 離散系統的無限時間二次型最優(yōu)控制
5.5.3 離散系統的有限時間二次型最優(yōu)控制
第6章 模型預測控制
6.1 MPC的基本原理
6.1.1 MPC的內部結構
6.1.2 一個簡單的例子
6.2 典型的模型預測控制算法
6.2.1 動態(tài)矩陣控制
6.2.2 模型算法控制
6.2.3 廣義預測控制
第7章 模糊控制與神經網絡控制
7.1 模糊數學基礎
7.1.1 模糊集合與模糊關系
7.1.2 模糊推理
7.2 模糊控制的基本原理
7.2.1 模糊化
7.2.2 知識庫
7.2.3 模糊推理與解模糊化
7.2.4 模糊控制的應用實例
7.3 模糊控制與PID的結合
7.3.1 模糊-PID復合控制
7.3.2 模糊自適應PID控制
7.4 神經網絡基礎
7.4.1 神經元數學模型
7.4.2 神經網絡的結構
7.4.3 神經網絡的學習規(guī)則
7.4.4 典型前向神經網絡（BP網絡）
7.5 單神經元PID控制
第8章 過程輸入輸出通道
8.1 模擬量輸入通道
8.1.1 傳感器
8.1.2 信號處理
8.1.3 多路轉換開關
8.1.4 放大器
8.1.5 采樣保持器
8.1.6 模數（A／D）轉換器
8.2 模擬量輸出通道
8.2.1 數模轉換器
8.2.2 電壓/電流變換器
8.3 數字量輸入通道
8.3.1 開關量輸入通道
8.3.2 脈沖量輸入通道
8.3.3 中斷輸人通道
8.4 數字量輸出通道
8.4.1 功率開關驅動
8.4.2 開關執(zhí)行器
8.5 通道中的隔離電路
8.5.1 數字隔離電路
8.5.2 模擬隔離放大器
第9章 人機接口技術
9.1 概述
9.2 信息輸入裝置
9.2.1 電位器輸入裝置
9.2.2 撥碼盤輸入裝置
9.2.3 鍵盤輸入裝置
9.2.4 鼠標輸入裝置
9.2.5 掃描儀輸入裝置
9.3 信息輸出裝置
9.3.1 發(fā)光二極管顯示器及接口電路
9.3.2 液晶顯示器及接口電路
9.3.3 圖形顯示器
9.3.4 微型打印機
9.4 觸摸屏
9.4.1 觸摸屏的工作原理
9.4.2 觸摸屏的三個基本技術特性
9.4.3 觸摸屏的主要類型
9.5 鍵盤顯示器典型接口電路-
9.5.1 串行口硬件譯碼鍵盤顯示器接口
9.5.2 8279鍵盤顯示器接口
9.5.3 8279鍵盤顯示器應用及編程方法
第10章 抗干擾技術
10.1 計算機控制系統干擾的來源及分類
10.1.1 干擾的來源
10.1.2 干擾的分類
10.2 幾種主要干擾的抑制方法
10.2.1 電源噪聲的抑制
10.2.2 過程通道的干擾抑制
10.2.3 接地技術
10.2.4 布線的抗干擾技術
10.2.5 CPU抗干擾技術
第11章 微型計算機控制系統的工程設計
11.1 微型計算機控制系統設計的方法和步驟
11.1.1 系統工程設計的基本要求
11.1.2 系統工程設計的特點
11.1.3 確定系統總體控制方案
11.1.4 建立系統的數學模型并確定控制算法
11.1.5 微型機與接口電路的選擇
11.1.6 系統總體設計
11.2 全數字位置隨動系統設計
11.2.1 系統基本單元設計
11.2.2 數字觸發(fā)器設計
11.2.3 數字控制器設計
11.2.4 系統的主程序框圖及程序清單
11.3 全數字雙閉環(huán)直流調速系統設計
11.3.1 系統組成原理
11.3.2 系統各單元設計
11.3.3 系統動態(tài)參數計算
11.3.4 系統軟件設計
11.4 微機控制的恒壓調速供水系統設計
11.4.1 系統主要單元設計
11.4.2 系統軟件設計
11.5 數字式呼吸機控制器設計
11.5.1 控制器組成原理
11.5.2 控制器單元硬件設計
11.5.3 控制器軟件設計
第12章 工控機系統與網絡化控制系統
12.1 工控機系統
12.1.1 工控機系統的組成
12.1.2 工控機的結構
12.1.3 工控機的I／O接口信號模板
12.1.4 工控機的應用實例
12.2 集散控制系統
12.2.1 DCS的基本結構
12.2.2 DCS的硬件構成
12.2.3 DCS的軟件構成
12.2.4 DCS的網絡構成
12.3 現場總線控制系統
12.3.1 現場總線概述
12.3.2 FCS的技術特點
12.3.3 幾種有影響的現場總線
附錄哪計算程序
參考文獻
�。�1）直接控制層軟件——完成系統的直接控制功能；
�。�2）監(jiān)督控制層軟件——完成系統的監(jiān)督控制和人機界面功能；
�。�3）高層管理軟件——完成系統的高層生產調度管理功能。
這三個層次的軟件分別具有自己的數據結構和圍繞各自數據結構的處理程序，以實現各個層次的功能。各個層次的軟件之間通過網絡軟件實現數據通信和功能協調，低層軟件為高層軟件提供基礎數據的支持，而系統則通過逐層提高的軟件實現比低一層軟件更多的功能和控制范圍。從數據本身所代表的物理意義來看，底層數據比較簡單，它們主要反映的是測量值，主要是作為控制計算的原始數據；而高層數據則逐級增加復雜程度，監(jiān)督控制層的數據除反映測量值外，還要反映生產設備的運行狀態(tài)，為操作人員掌握生產過程提供依據，因此需要增加很多特性，這就要對直接控制層提供的數據進行進一步的篩選和加工，使這些數據具備所需的特性；在高級管理層，原始數據除了要反映其測量值、生產設備運行狀態(tài)外，還要反映生產調度信息、生產質量信息及設備管理信息等，為生產管理人員和企業(yè)經營人員提供經營管理信息，因此還要對監(jiān)督控制層提供的數據再次進行篩選和加工，并且還要派生出一些新的數據，使其攜帶所需的信息。這種逐級增加并不斷豐富數據內容的體系結構正是現代DCS的最大特點。
按照上述的三個功能層次，系統將具有直接控制、監(jiān)督控制和高級管理這三個層次的數據庫。這些數據庫將分布在不同的節(jié)點上，因此需要通過各個節(jié)點之間的網絡通信軟件將各個層次的數據庫聯系在一起，并對數據內涵的逐級豐富提供網絡支持。因此，可以說一個DCS系統的軟件體系結構，主要決定于數據庫的組織方式和各個功能節(jié)點之間的網絡通信方式，這兩個要素的不同，決定了各家DCS的軟件體系結構，而且也造成了各家DCS的特點、性能及使用等諸方面的不同。
DCS中的數據庫有其自己的特點：
�。�1）DCS這樣的實時系統中，特別是直接控制層和監(jiān)督控制層的數據庫主要是指實時數據庫，實時數據庫比較注重數據訪問的實時性，因此實時數據庫都是建立在內存之中的，其容量也不是很大，一般在MB數量級。實時數據庫的數據結構都比較簡單。
�。�2）I）CS的數據庫是分布結構，借助網絡通信才能夠實現各種所期望的功能。例如，DCS中所有的現場I／0被分在若干現場控制站中，絕大部分的直接控制功能均可從本站得到原始數據，但也必然有一小部分功能要使用到不在本站的數據，這就需要進行引用，即通過網絡將其他站的數據讀取過來參加控制計算。如何才能夠保證這種引用達到快速、準確及盡量少地占用網絡資源，這就是系統體系結構設計所要解決的問題，其中包括網絡的規(guī)約、網絡通信的方式、物理I／0點的分站設計及各類功能軟件如何分布的設計等。
通過系統網絡，各個實時數據庫將最新的數據廣播到各個操作員站上，以實現全局數據庫的刷新。隨著DCS規(guī)模的不斷擴大和系統監(jiān)控功能的不斷加強，DCS逐步演變成帶有服務器的Chent／Sever結構，而全局數據庫也成為一種單備份的集中數據庫形式。各個現場控制站通過系統網絡對服務器的全局數據庫實現實時更新，而操作員站和其他專用功能節(jié)點則通過更高一層的網絡（在物理上可以與系統網絡是同一個網絡）從服務器上取得數據以實現本節(jié)點的功能，或在本節(jié)點上保存一個全局數據庫的子集，通過實時更新的方法以滿足本節(jié)點的功能對數據的需求。
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