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计算机控制系统(第三版) 版权信息
- ISBN：9787030713667
- 条形码：9787030713667 ; 978-7-03-071366-7
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
计算机控制系统(第三版) 内容简介
本书从计算机控制系统的信号转换开始，详细阐述了计算机控制系统的建模、性能分析、控制器设计、控制系统实现的理论、方法和实用技术。全书分10章，内容包括：信号转换与z变换，计算机控制系统的数学描述与性能分析，基于传递函数模型的数字控制器两类设计方法--模拟化设计方法和直接离散化设计方法，基于状态空间模型的极点配置设计方法，包含了线性二次型很优控制、自校正控制、模型预测控制和模糊控制的优选控制规律的设计方法，基于网络的控制系统分析和控制器设计方法，以及计算机控制系统的设计、实现技术和应用实例。全书理论联系实际，注重理论的详尽和控制方法的工程化改进，便于读者理解、掌握和实际应用。
计算机控制系统(第三版) 目录
目录
前言
第1章 计算机控制系统概述 1
1.1 引言 1
1.2 计算机控制系统的基本概念 1
1.2.1 计算机控制系统的组成 1
1.2.2 计算机控制系统的应用要求 3
1.2.3 计算机控制系统的性能指标 4
1.3 计算机控制系统的过程通道和总线接口技术 4
1.3.1 过程通道 5
1.3.2 总线接口技术 7
1.4 模拟与数字信号之间的相互转换 9
1.4.1 D/A转换及其误差 9
1.4.2 A/D转换及其误差 11
1.5 计算机控制系统的基本内容 13
1.5.1 信号变换问题 13
1.5.2 对象建模与性能分析 13
1.5.3 控制算法设计 13
1.5.4 控制系统仿真分析 13
1.5.5 控制系统实现技术 14
1.6 计算机控制系统的基本类型 14
本章小结 18
习题与思考题 18
第2章 信号转换与z变换 19
2.1 引言 19
2.2 信号变换原理 19
2.2.1 计算机控制系统信号转换分析 19
2.2.2 采样过程及采样函数的数学表示 20
2.2.3 采样函数的频谱分析及采样定理 22
2.2.4 采样周期 T的讨论 24
2.3 采样信号恢复与保持器 25
2.3.1 零阶保持器 27
2.3.2 一阶保持器 29
2.4 信号转换的工程化技术 30
2.4.1 A/D转换的基本工程化技术 30
2.4.2 D/A转换的基本工程化技术 34
2.5 z变换 37
2.5.1 z变换的定义 37
2.5.2 z变换的方法 39
2.5.3 z变换的基本定理 43
2.6 z反变换 49
2.6.1 长除法 49
2.6.2 部分分式法 50
2.6.3 留数法 53
2.7 扩展z变换 55
2.7.1 扩展z变换的定义 55
2.7.2 几种典型函数的扩展z变换 57
本章小结 59
习题与思考题 60
第3章 计算机控制系统的数学描述与性能分析 62
3.1 引言 62
3.2 线性常系数差分方程 62
3.2.1 离散系统与差分方程 62
3.2.2 差分方程求解 63
3.3 脉冲传递函数 67
3.3.1 脉冲传递函数的定义 68
3.3.2 脉冲传递函数的推导 68
3.3.3 离散系统的框图分析 70
3.3.4 计算机控制系统的脉冲传递函数 74
3.4 计算机控制系统稳定性分析 77
3.4.1 离散系统的稳定性条件 77
3.4.2 s平面与z平面的映射分析 78
3.4.3 采样周期与系统稳定性关系 81
3.5 计算机控制系统的代数稳定性判据 82
3.5.1 劳斯稳定性判据 82
3.5.2 朱利稳定性判据 84
3.6 计算机控制系统稳态过程分析 88
3.6.1 稳态误差与误差系数 88
3.6.2 系统类型与稳态误差 90
3.6.3 采样周期对稳态误差的影响 91
3.7 计算机控制系统暂态过程分析 93
3.7.1 z平面极点分布与暂态响应的关系 93
3.7.2 采样周期对暂态响应的影响 95
3.8 计算机控制系统的频域特性分析 98
3.8.1 离散系统的频域描述 98
3.8.2 离散系统频域稳定性分析 98
3.8.3 离散系统伯德图分析 100
本章小结 103
习题与思考题 103
第4章 数字控制器的模拟化设计方法 106
4.1 引言 106
4.2 模拟化设计方法基本原理 106
4.3 连续控制器的离散化方法 108
4.3.1 z变换法 108
4.3.2 差分变换法 109
4.3.3 双线性变换法 112
4.3.4 零极点匹配法 114
4.4 数字PID控制器 115
4.4.1 基本数字PID控制算法 115
4.4.2 数字PID控制算法的工程化改进 117
4.4.3 数字PID控制器的参数整定 121
4.5 Smith预估控制 124
4.5.1 纯滞后问题的提出 124
4.5.2 Smith预估控制设计原理 125
4.5.3 Smith预估控制算法的工程化改进 128
本章小结 131
习题与思考题 131
第5章 数字控制器的直接设计方法 133
5.1 引言 133
5.2 直接设计方法基本原理 133
5.3 *小拍控制器的设计方法 135
5.3.1 简单对象*小拍控制器设计 135
5.3.2 复杂对象*小拍控制器设计 140
5.4 昀小拍控制器的工程化改进 145
5.4.1 *小拍控制系统存在的问题 145
5.4.2 *小拍无纹波控制器的设计 146
5.4.3 针对输入信号类型敏感问题的改进 150
5.4.4 针对模型参数变化敏感问题的改进 154
5.5 大林算法 157
5.5.1 大林算法设计原理 157
5.5.2 振铃现象及其消除方法 160
5.6 大林算法工程应用中关键参数的选择 163
5.6.1 解决振铃现象中关键参数的选择 163
5.6.2 解决分数时滞问题中关键参数的选择 165
5.7 数字控制器的程序实现 169
5.7.1 直接程序设计法 169
5.7.2 串联程序设计法 170
5.7.3 并行程序设计法 171
本章小结 173
习题与思考题 173
第6章 基于状态空间模型的极点配置设计方法 175
6.1 引言 175
6.2 状态空间描述的基本概念 175
6.2.1 系统动态过程的两类描述 175
6.2.2 有关状态空间描述的基本定义 176
6.3 离散系统的状态空间模型 177
6.3.1 离散状态空间模型的建立 177
6.3.2 离散状态方程的求解 183
6.3.3 离散状态空间模型与z传递函数之间的关系 184
6.4 系统的能控性与能观性 185
6.4.1 能控性与能观性的概念 185
6.4.2 能控性判据与能观性判据 186
6.4.3 能控标准型与能观标准型 187
6.5 状态可测时按极点配置设计控制规律 189
6.6 按极点配置设计观测器 195
6.6.1 预报观测器 195
6.6.2 现时观测器 198
6.6.3 降阶观测器 200
6.7 状态不可测时控制器的设计 201
6.7.1 分离性原理 201
6.7.2 控制器设计 203
6.8 随动系统的设计 205
本章小结 206
习题与思考题 206
第7章先进控制规律的设计方法 208
7.1 引言 208
7.2 线性二次型昀优控制器的设计 208
7.2.1 概述 208
7.2.2 LQR*优控制器设计 209
7.2.3 跟踪系统设计 213
7.3 自校正控制器的设计 214
7.3.1 概述 214
7.3.2 *小二乘参数辨识算法 215
7.3.3 自校正控制器设计 219
7.4 模型预测控制器的设计 222
7.4.1 概述 222
7.4.2 预测模型 224
7.4.3 预测控制算法 227
7.5 模糊控制器的设计 232
7.5.1 概述 232
7.5.2 模糊控制原理 235
7.5.3 模糊PID控制器设计 239
本章小结 243
习题与思考题 243
第8章 基于网络的控制技术 244
8.1 引言 244
8.2 网络控制系统概述 244
8.2.1 网络控制系统的基本概念 244
8.2.2 网络控制系统的研究内容 246
8.3 网络控制系统建模与控制器设计 247
8.3.1 网络控制系统时延特性 247
8.3.2 PID网络控制器设计 249
8.4 云控制系统概述 252
8.4.1 云控制系统的基本概念 252
8.4.2 云控制系统的研究内容 254
8.5 云控制系统建模与控制器设计 255
8.5.1 云控制系统时延特性 255
8.5.2 极点配置云控制器设计 261
本章小结 267
习题与思考题 268
第9章 计算机控制系统仿真分析 269
9.1 引言 269
9.2 系统仿真的概念及分类 269
9.2.1 系统仿真的基本概念 269
9.2.2 系统仿真的分类 269
9.2.3 计算机仿真的基本过程 270
9.2.4 MATLAB仿真软件简介 272
9.3 计算机控制系统信号仿真分析 274
9.3.1 信号的种类 274
9.3.2 脉冲采样与MATLAB仿真 276
9.3.3 保持器与MATLAB仿真 277
9.4 计算机控制系统模型描述与性能仿真分析 280
9.4.1 离散传递函数模型 280
9.4.2 离散状态空间模型 281
9.4.3 离散系统的模型辨识 282
9.4.4 神经网络建模 288
9.4.5 计算机控制系统频域性能的仿真分析 290
9.5 数字控制器设计及其仿真 293
9.5.1 比例控制器设计 293
9.5.2 比例积分控制器设计 296
9.5.3 比例积分微分控制器设计 300
本章小结 302
习题与思考题 303
第10章 计算机控制系统的设计与实现 304
10.1 引言 304
10.2 计算机控制系统的设计原则与设计方法 304
10.2.1 设计原则 304
10.2.2 设计方法 305
10.3 计算机控制系统的硬件设计 306
10.3.1 执行机构与驱动技术 306
10.3.2 检测机构与传感器技术 306
10.4 计算机控制系统的软件设计 307
10.4.1 控制对象分析 307
10.4.2 数字控制器的实现问题 308
10.4.3 信号的数字滤波技术 309
10.5 数字控制器程序实现的性能分析 310
10.5.1 计算机控制系统的数值误差来源 310
10.5.2 数字控制器的精度确定原则及保证措施 312
10.5.3 微分环节的处理措施与工程实现方法 316
10.5.4 数字控制器误差及执行时间的检验方法 320
10.5.5 控制算法不同编排结构的优缺点分析 321
10.6 量化效应与采样周期误差分析 322
10.6.1 A/D转换的量化误差与孔径误差 322
10.6.2 采样周期造成的误差 322
10.7 计算机控制系统的可靠性与抗干扰技术 326
10.7.1 提高可靠性的措施 326
10.7.2 干扰的来源及传播途径 327
10.7.3 消除或抑制干扰影响的方法 328
本章小结 331
习题与思考题 332
参考文献 333
前言
第1章 计算机控制系统概述 1
1.1 引言 1
1.2 计算机控制系统的基本概念 1
1.2.1 计算机控制系统的组成 1
1.2.2 计算机控制系统的应用要求 3
1.2.3 计算机控制系统的性能指标 4
1.3 计算机控制系统的过程通道和总线接口技术 4
1.3.1 过程通道 5
1.3.2 总线接口技术 7
1.4 模拟与数字信号之间的相互转换 9
1.4.1 D/A转换及其误差 9
1.4.2 A/D转换及其误差 11
1.5 计算机控制系统的基本内容 13
1.5.1 信号变换问题 13
1.5.2 对象建模与性能分析 13
1.5.3 控制算法设计 13
1.5.4 控制系统仿真分析 13
1.5.5 控制系统实现技术 14
1.6 计算机控制系统的基本类型 14
本章小结 18
习题与思考题 18
第2章 信号转换与z变换 19
2.1 引言 19
2.2 信号变换原理 19
2.2.1 计算机控制系统信号转换分析 19
2.2.2 采样过程及采样函数的数学表示 20
2.2.3 采样函数的频谱分析及采样定理 22
2.2.4 采样周期 T的讨论 24
2.3 采样信号恢复与保持器 25
2.3.1 零阶保持器 27
2.3.2 一阶保持器 29
2.4 信号转换的工程化技术 30
2.4.1 A/D转换的基本工程化技术 30
2.4.2 D/A转换的基本工程化技术 34
2.5 z变换 37
2.5.1 z变换的定义 37
2.5.2 z变换的方法 39
2.5.3 z变换的基本定理 43
2.6 z反变换 49
2.6.1 长除法 49
2.6.2 部分分式法 50
2.6.3 留数法 53
2.7 扩展z变换 55
2.7.1 扩展z变换的定义 55
2.7.2 几种典型函数的扩展z变换 57
本章小结 59
习题与思考题 60
第3章 计算机控制系统的数学描述与性能分析 62
3.1 引言 62
3.2 线性常系数差分方程 62
3.2.1 离散系统与差分方程 62
3.2.2 差分方程求解 63
3.3 脉冲传递函数 67
3.3.1 脉冲传递函数的定义 68
3.3.2 脉冲传递函数的推导 68
3.3.3 离散系统的框图分析 70
3.3.4 计算机控制系统的脉冲传递函数 74
3.4 计算机控制系统稳定性分析 77
3.4.1 离散系统的稳定性条件 77
3.4.2 s平面与z平面的映射分析 78
3.4.3 采样周期与系统稳定性关系 81
3.5 计算机控制系统的代数稳定性判据 82
3.5.1 劳斯稳定性判据 82
3.5.2 朱利稳定性判据 84
3.6 计算机控制系统稳态过程分析 88
3.6.1 稳态误差与误差系数 88
3.6.2 系统类型与稳态误差 90
3.6.3 采样周期对稳态误差的影响 91
3.7 计算机控制系统暂态过程分析 93
3.7.1 z平面极点分布与暂态响应的关系 93
3.7.2 采样周期对暂态响应的影响 95
3.8 计算机控制系统的频域特性分析 98
3.8.1 离散系统的频域描述 98
3.8.2 离散系统频域稳定性分析 98
3.8.3 离散系统伯德图分析 100
本章小结 103
习题与思考题 103
第4章 数字控制器的模拟化设计方法 106
4.1 引言 106
4.2 模拟化设计方法基本原理 106
4.3 连续控制器的离散化方法 108
4.3.1 z变换法 108
4.3.2 差分变换法 109
4.3.3 双线性变换法 112
4.3.4 零极点匹配法 114
4.4 数字PID控制器 115
4.4.1 基本数字PID控制算法 115
4.4.2 数字PID控制算法的工程化改进 117
4.4.3 数字PID控制器的参数整定 121
4.5 Smith预估控制 124
4.5.1 纯滞后问题的提出 124
4.5.2 Smith预估控制设计原理 125
4.5.3 Smith预估控制算法的工程化改进 128
本章小结 131
习题与思考题 131
第5章 数字控制器的直接设计方法 133
5.1 引言 133
5.2 直接设计方法基本原理 133
5.3 *小拍控制器的设计方法 135
5.3.1 简单对象*小拍控制器设计 135
5.3.2 复杂对象*小拍控制器设计 140
5.4 昀小拍控制器的工程化改进 145
5.4.1 *小拍控制系统存在的问题 145
5.4.2 *小拍无纹波控制器的设计 146
5.4.3 针对输入信号类型敏感问题的改进 150
5.4.4 针对模型参数变化敏感问题的改进 154
5.5 大林算法 157
5.5.1 大林算法设计原理 157
5.5.2 振铃现象及其消除方法 160
5.6 大林算法工程应用中关键参数的选择 163
5.6.1 解决振铃现象中关键参数的选择 163
5.6.2 解决分数时滞问题中关键参数的选择 165
5.7 数字控制器的程序实现 169
5.7.1 直接程序设计法 169
5.7.2 串联程序设计法 170
5.7.3 并行程序设计法 171
本章小结 173
习题与思考题 173
第6章 基于状态空间模型的极点配置设计方法 175
6.1 引言 175
6.2 状态空间描述的基本概念 175
6.2.1 系统动态过程的两类描述 175
6.2.2 有关状态空间描述的基本定义 176
6.3 离散系统的状态空间模型 177
6.3.1 离散状态空间模型的建立 177
6.3.2 离散状态方程的求解 183
6.3.3 离散状态空间模型与z传递函数之间的关系 184
6.4 系统的能控性与能观性 185
6.4.1 能控性与能观性的概念 185
6.4.2 能控性判据与能观性判据 186
6.4.3 能控标准型与能观标准型 187
6.5 状态可测时按极点配置设计控制规律 189
6.6 按极点配置设计观测器 195
6.6.1 预报观测器 195
6.6.2 现时观测器 198
6.6.3 降阶观测器 200
6.7 状态不可测时控制器的设计 201
6.7.1 分离性原理 201
6.7.2 控制器设计 203
6.8 随动系统的设计 205
本章小结 206
习题与思考题 206
第7章先进控制规律的设计方法 208
7.1 引言 208
7.2 线性二次型昀优控制器的设计 208
7.2.1 概述 208
7.2.2 LQR*优控制器设计 209
7.2.3 跟踪系统设计 213
7.3 自校正控制器的设计 214
7.3.1 概述 214
7.3.2 *小二乘参数辨识算法 215
7.3.3 自校正控制器设计 219
7.4 模型预测控制器的设计 222
7.4.1 概述 222
7.4.2 预测模型 224
7.4.3 预测控制算法 227
7.5 模糊控制器的设计 232
7.5.1 概述 232
7.5.2 模糊控制原理 235
7.5.3 模糊PID控制器设计 239
本章小结 243
习题与思考题 243
第8章 基于网络的控制技术 244
8.1 引言 244
8.2 网络控制系统概述 244
8.2.1 网络控制系统的基本概念 244
8.2.2 网络控制系统的研究内容 246
8.3 网络控制系统建模与控制器设计 247
8.3.1 网络控制系统时延特性 247
8.3.2 PID网络控制器设计 249
8.4 云控制系统概述 252
8.4.1 云控制系统的基本概念 252
8.4.2 云控制系统的研究内容 254
8.5 云控制系统建模与控制器设计 255
8.5.1 云控制系统时延特性 255
8.5.2 极点配置云控制器设计 261
本章小结 267
习题与思考题 268
第9章 计算机控制系统仿真分析 269
9.1 引言 269
9.2 系统仿真的概念及分类 269
9.2.1 系统仿真的基本概念 269
9.2.2 系统仿真的分类 269
9.2.3 计算机仿真的基本过程 270
9.2.4 MATLAB仿真软件简介 272
9.3 计算机控制系统信号仿真分析 274
9.3.1 信号的种类 274
9.3.2 脉冲采样与MATLAB仿真 276
9.3.3 保持器与MATLAB仿真 277
9.4 计算机控制系统模型描述与性能仿真分析 280
9.4.1 离散传递函数模型 280
9.4.2 离散状态空间模型 281
9.4.3 离散系统的模型辨识 282
9.4.4 神经网络建模 288
9.4.5 计算机控制系统频域性能的仿真分析 290
9.5 数字控制器设计及其仿真 293
9.5.1 比例控制器设计 293
9.5.2 比例积分控制器设计 296
9.5.3 比例积分微分控制器设计 300
本章小结 302
习题与思考题 303
第10章 计算机控制系统的设计与实现 304
10.1 引言 304
10.2 计算机控制系统的设计原则与设计方法 304
10.2.1 设计原则 304
10.2.2 设计方法 305
10.3 计算机控制系统的硬件设计 306
10.3.1 执行机构与驱动技术 306
10.3.2 检测机构与传感器技术 306
10.4 计算机控制系统的软件设计 307
10.4.1 控制对象分析 307
10.4.2 数字控制器的实现问题 308
10.4.3 信号的数字滤波技术 309
10.5 数字控制器程序实现的性能分析 310
10.5.1 计算机控制系统的数值误差来源 310
10.5.2 数字控制器的精度确定原则及保证措施 312
10.5.3 微分环节的处理措施与工程实现方法 316
10.5.4 数字控制器误差及执行时间的检验方法 320
10.5.5 控制算法不同编排结构的优缺点分析 321
10.6 量化效应与采样周期误差分析 322
10.6.1 A/D转换的量化误差与孔径误差 322
10.6.2 采样周期造成的误差 322
10.7 计算机控制系统的可靠性与抗干扰技术 326
10.7.1 提高可靠性的措施 326
10.7.2 干扰的来源及传播途径 327
10.7.3 消除或抑制干扰影响的方法 328
本章小结 331
习题与思考题 332
参考文献 333
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计算机控制系统(第三版) 节选
第1章 计算机控制系统概述 1.1 引言 计算机控制是以控制理论与计算机技术为基础的一门新的工程科学技术，广泛应用于工业、交通、农业、军事等领域。随着控制理论和计算机技术的发展，以及工程技术人员对计算机应用技术的不断总结和创新，计算机控制系统的分析设计理论和方法不断得以完善和发展，并成为从事自动化技术工作的科技人员必须掌握的一门专业技术。 1946年世界上**台数字计算机诞生，从此引发了一场深刻的科学技术革命。20世纪50年代初产生了将数字计算机用于控制的思想，1955年美国 TRW航空公司与美国一个炼油厂合作，开始进行计算机控制的研究，这一开创性工作为计算机控制奠定了基础；1962年英国的帝国化学工业公司应用计算机直接控制(DDC)被控过程的变量；1972年开始，微型计算机的出现和发展，推动计算机控制进入了新发展阶段，并逐步取代模拟系统而成为主流控制系统。20世纪80年代以后，微型处理器件的迅速发展对计算机控制产生了深远的影响，相互关联的微计算机组合、共同负担工作负荷的系统应运而生；进入21世纪，随着网络和通信技术的发展，以及云计算技术的出现，计算机控制系统进一步向分散化、网络化的方向发展，出现了新的计算机控制系统结构，使计算机控制进入了又一个新发展阶段。 另外，控制理论也从20世纪40年代以传递函数模型为基础的古典控制理论，逐渐发展到60年代以状态空间模型为基础的现代控制理论，进而从80年代开始出现了以人工智能为基础的智能控制理论；与此同时，以*优控制、多变量控制、系统辨识及自适应控制、鲁棒控制、预测控制为代表的一系列先进控制理论和方法也得到了迅速发展，为计算机控制理论的发展创造了有利的条件。 与常规模拟控制相比，计算机参与的控制系统也称数字控制系统，在性能上得到大幅提高的同时，也产生了一系列新的基本理论和分析、设计方法。本书将从信号变换、对象建模与性能分析、控制算法设计、控制系统仿真、控制系统实现等5个方面系统讲述计算机控制系统分析和设计的基本理论和方法，其中，在信号变换的工程化、控制算法的工程化及控制系统实现的工程化部分进行了重点阐述。 本章概要 1.1节介绍计算机控制系统的发展进程和本书所要解决的基本问题；1.2节介绍计算机控制系统的基本概念，包括计算机控制系统的组成、特点、工业要求和常用的性能指标；1.3节介绍计算机控制系统的通道和总线接口技术；1.4节介绍信号变换中的A/D与 D/A转换原理；1.5节介绍本书涉及的计算机控制系统的理论问题；1.6节介绍计算机控制系统的基本类型。 1.2 计算机控制系统的基本概念 1.2.1 计算机控制系统的组成 由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，称为计算机控制系统。一个典型的电阻炉炉温计算机控制系统如图1.1所示。 图1.1 炉温计算机控制系统 炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号(毫伏级)，再经变送器变成标准信号(1～5V或4～20mA)从现场进入控制室；经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的给定温度比较，得到偏差信号，该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压(220V)进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小，从而调节炉温变化，*终达到计算机内部的给定温度。 将类似上述炉温计算机控制系统的各类计算机控制系统抽象化，得到图 1.2所示的计算机控制系统典型结构，其中图 1.1中的 A/D转换器包括图 1.2中的 A/D环节和采样开关，D/A转换器包括图 1.2中的 D/A环节和保持器。数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象组成控制的前向通道；而测量变送环节、A/D转换器组成控制的反馈通道。 图1.2 计算机控制系统典型结构 图1.2中包括三种信号，数字信号(时间上离散，幅值上量化)：*——给定输入，*——经A/D转换后的系统输出，*——由控制器计算的控制信号，—偏差信号；模拟信号(时间上连续，幅值上也连续)：*——系统输出(被控制量)，*转换后经保持器输出的控制量；离散模拟信号(时间上离散，幅值上连续)：*—经过采样开关的被控量信号，*——经*转换后的控制量信号。从图1.2可以看出，典型的计算机控制系统是连续-离散混合系统，其特点是：模拟、数字和离散模拟信号同在；输入输出均为模拟量的连续环节(被控对象、传感器)、输入和输出均为数字量的数字环节(数字控制器、偏差计算)、输入输出为两类不同量的离散模拟环节(A/D和D/A)共存。 如果忽略量化效应等因素，常将数字信号和离散模拟信号统称为离散信号(或采样信号)，而模拟信号也可称为连续信号。模拟控制系统可称为连续控制系统，而计算机控制系统常称为数字控制系统，有时也简称为离散控制系统。 计算机控制系统与常规的连续(模拟)控制系统相比，通常具有如下优点。 (1) 设计和控制灵活。在计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。还可以通过软件的标准化和模块化，反复、多次调用这些控制软件。 (2) 能实现集中监视和操作。由于计算机具有分时操作功能，采用计算机控制时，可以监视几个、几十个甚至上百个控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。 (3) 能实现综合控制。计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的存储、逻辑功能和判断功能，它可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时，能及时进行判断、选择*合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预，这些都是传统模拟控制无法胜任的。 (4) 可靠性高，抗干扰能力强。在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。另外，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。 1.2.2 计算机控制系统的应用要求 计算机控制系统大多应用于工业现场环境中，因此计算机控制系统应满足如下基本要求。 (1) 可靠性高。计算机控制系统通常用于控制不间断的生产过程，在运行期间不允许停机检测，一旦发生故障将会导致质量事故，甚至生产事故。因此要求计算机控制系统具有很高的可靠性。 (2) 实时性好。计算机控制系统对生产过程进行实时控制与监测，因此要求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化。当过程的状态参数出现偏差或故障时，系统要能及时响应，并能实时地进行报警和处理。 (3) 环境适应性强。有的工业现场环境复杂，存在电磁干扰，因此要求计算机控制系统具有很强的环境适应能力，如对温度 /湿度变化范围要求高；要具有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力等。 (4) 过程输入和输出配套较好。计算机控制系统要具有丰富的多种功能的过程输入和输出配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入输出模板；具有多种类型的信号调理功能，如隔离型和非隔离型信号调理等。 (5) 系统扩充性好。随着工厂自动化水平的提高，控制规模也在不断扩大，因此要求计算机控制系统具有灵活的扩充性。 (6) 系统开放性。要求计算机控制系统具有开放性体系结构，也就是说在主系统接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守开放性原则，以便于系统扩充、异机种连接、软件的可移植和互换。 (7) 控制软件包功能强。计算机控制系统应用软件包应具备丰富的控制算法，同时还应具有人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能。 1.2.3 计算机控制系统的性能指标 计算机控制系统的性能与连续控制系统类似，可以用稳定性、稳态特性和动态特性来表征，相应地用稳定性、稳态指标、动态指标和综合指标来衡量一个系统的好坏或优劣。这些基本性能指标以及性能指标与系统的固有参数和设计参数的关系，为分析和设计计算机控制系统提供了依据。 1. 稳定性 任何系统在扰动作用下都会偏离原来的平衡工作状态。稳定性是指当扰动作用消失以后，系统恢复原平衡状态的能力。稳定性是系统的固有特性，它与扰动的形式无关，只取决于系统本身的结构及参数。不稳定的系统是无法进行工作的。连续系统稳定的充分必要条件是闭环系统的特征根位于s左半平面，而离散系统稳定的充分必要条件是闭环系统的特征根位于z平面的单位圆内。 2. 稳态指标稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳态误差来表征。稳态误差是输出量的稳态值与给定值的差值，定义为 (1.1) *表示控制精度，因此希望*越小越好。稳态误差与控制系统本身的特性(如系统的开环传递函数)有关，也与系统的输入信号(如阶跃、速度或加速度输入信号)以及反馈通道的干扰(测量干扰或检测回路中的干扰)有关。 3. 动态指标 动态指标能够比较直观地反映控制系统的过渡过程特性。动态指标包括超调量*% 、调节时间ts 、峰值时间tp 、衰减比*和振荡次数 N，以上5项动态指标也称为时域指标，用得*多的是超调量*% 、调节时间ts和衰减比*。 4. 综合指标 设计*优控制系统时，既要考虑到能对系统的性能做出正确的评价，又要考虑到数学上容易处理或工程上便于实现，因此经常使用综合性能指标来评价一个控制系统。常用的综合性能指标为积分型指标，如 (1.2) 这种“先误差平方后积分”形式的性能指标用来权衡系统总体误差的大小，数学上容易处理，可以得到解析解，因此经常使用，如在宇宙飞船控制系统中按J*小设计，可使动力消耗*少。 1.3 计算机控制系统的过程通道和总线接口技术 图1.2所示的计算机控制系统典型结构，若从硬件实现的角度进一步细化，就得到图1.3所示的计算机控制系统的典型硬件组成示意图。 从图1.3可以看出，计算机控制系统的硬件构成包括三部分。 图1.3 计算机控制系统硬件组成示意图 (1)过程装置。包括被控对象、执行机构和测量变送装置。 (2)输入输出通道。包括过程通道和总线接口。 (3)计算机系统。包括计算机和外部设备。外部设备包括人机联系设备(如鼠标、键盘等)和通用外部设备(如显示器、打印机等)。 计算机内部包含完成各种功能的计算机程序，统称为计算机软件系统，具体包括系统软件、应用软件和数据库。系统软件是指为提高计算机使用效率和扩大功能、为用户使用和维护计算机提供方便的程序的总称，一般包括操作系统、程序设计系统和公共程序与诊断系统；应用软件是用户为解决实时控制问题、完成特定功能而设计和编写的各种程序的总称，一般包括过程监控程序、过程控制程序和信息管理程序；数据库是用于支持数据管理、存取的软件，它包括数据库和数据库管理系统等。 下面主要对输入输出通道中的过程通道和总线接口技术进行详细介绍。 1.3.1 过程通道 过程通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。过程输入通道把生产对象的被控参数变换成计算机可以接收的数字代码；而过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据，变换成可以对工业对象进行控制的信号。 1. 模拟量输入通道 图1.4是模拟量输入通道的组成与结构框图，可以看出模拟量输入通道通常由信号变换器、滤波器、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器、接口和控制电路等部分组成。
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