第一章绪论

计算机控制系统是利用计算机代替了自动控制系统的控制器，以自动控制技术、计算机技术、检测技术、计算机通信与网络等技术为基础，利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力，使得计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。本章是本课程的导入章节，主要介绍计算机控制系统的一般概念与组成、典型结构、性能指标以及计算机控制系统的发展概况和趋势。

●1.1 计算机控制系统概述

计算机控制系统是指采用了数字控制器的自动控制系统。本节主要介绍计算机控制系统课程的主要授课内容、评价方式，并简述计算机控制系统概念与组成，以及计算机控制系统的典型结构。

●1.2计算机控制系统性能及其指标（拓展）

计算机控制系统的性能分析和要求与连续控制系统相似，可用系统的稳定性、能控性、能观性、动态特性及稳态特性（精度）来表征。本节主要介绍影响计算机控制系统性能的主要指标，简述控制对象特性对系统控制性能影响。

●1.3计算机控制系统的发展趋势

计算机控制系统从第一台数字计算机诞生开始一直在不断发展，几十年来，随着计算机技术的发展，计算机控制系统及其技术已经取得了巨大进步和发展，得到了广泛的应用。本节主要介绍计算机控制系统的发展历史以及在如今信息化时代背景下计算机控制系统的发展趋势。

第二章输入输出接口与过程通道技术

在计算机控制系统中，输入输出过程通道（简称过程通道）是连接计算机和生产过程（被控对象）必不可少的重要部分。过程通道的主要任务是将生产过程中的各种参量和状态通过检测器件转换成计算机所能接收的信息送入计算机，计算机按确定算法计算后，再将计算结果以数字量或转换成模拟量的形式输出给执行机构，从而实现被控对象的自动控制。本章主要介绍模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道等四种过程通道技术。

●2.1输入输出通道结构与常用传感器

对生产过程实现自动控制，就必须对它的运行状态和参数进行检测，生产过程的被控参数都是随时间变化的模拟物理量，通过传感器及其变送器把它们转换成电流或电压信号，才能与计算机实现信息交互。本节主要概述输入输出通道的作用以及用于检测生产过程和参数的常用传感器。

●2.2模拟量输入通道设计

模拟量输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。为了保证生产过程的运行状态和参数能够准确无误地传送到计算机，需要对系统输入通道进行合理设计。本节主要通过介绍模拟量输入通道中的信号调理、多路转换器、程控放大器、采样保持器以及A/D转换器等单元来阐述模拟量输入通道的设计方法。

●2.3模拟量输出通道设计

模拟量输出通道的功能是把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。本节通过介绍模拟量输出通道的D/A转换器、输出保持、多路切换开关和功放电路等单元来阐述模拟量输出通道的设计方法。

●2.4数字（开关量）输入输出通道设计

在计算机控制系统中，除了模拟量的输入输出以外，开关量的输入输出同样十分重要。开关的开断，触点的闭合，以及设备的安全状况等，都以开关量的形势式输入到计算机。本节通过介绍CPU接口逻辑电路、输入缓冲器和输出锁存器、输入/输出电气接口（开关量输入信号调理和输出信号驱动电路）等单元来阐述数字量（开关量）输入输出通道的设计方法。

●2.5数字滤波

来自传感器或变送器的信号中，往往混杂了各种频率的干扰信号。为了抑制这些干扰信号，需要采用数字滤波技术。所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入信号进行数学处理，减少干扰在信号中的比重，提高信号的真实性。本节主要介绍六种常用的数字滤波算法。

●2.6其它数据预处理

1生产过程中的各种参数具有不同的量纲，如电压的单位为V，电流的单位为A，温度的单位为℃等。这些具有不同量纲和数值范围的信号又都经各种形式的变送器转化为统一信号范围，因此需要进行标度变换，本节主要介绍生产过程参数的标度变换方法。2在系统的输入通道中，一般都存在零点偏移和漂移、放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，本节主要介绍保证测试数据在长期测试准确性的误差校准方法。

第三章工业控制计算机

工业控制计算机简称工控机，是为满足工业生产过程的数据采集、监测与控制等要求而设计的一类计算机的总称。工控机通常采用开放式总线结构，将各种过程通道做成相应的模板或模块，以便与工业现场的各种传感器及执行机构直接连接，并配有功能齐全的控制软件。本章主要介绍工业控制计算机的结构和特点、系统总线技术、工业PC机和DCS现场控制站，最后简要介绍PLC和常用智能测控仪表。

●3.1工业控制计算机概述

由于工控机应用于工业环境，需要与被控对象直接接口，在计算机系统结构设计及使用方面均需考虑现场可能存在的高温、潮湿、粉尘等恶劣环境及各种电磁干扰。因此，工控机与传统计算机相比有其鲜明的特点。本节主要介绍工控机的主要特点以及其组成与分类。

●3.2工业控制计算机总线结构

总线是连接一个或多个部件的一组电缆的总称，通常包括地址总线、数据总线和控制总线。工控机通常通过总线与不同功能模块连接。本节主要介绍工控机常用的内部及外部总线结构。

●3.3总线型工业控制计算机

总线型工控机是控制系统中最常用的工控机，本节主要介绍IPC工控机以及DSC现场控制站的结构组成以及硬件特点。

●3.4其它工业测控装置

用于工业控制和生产调度管理的计算机都属于工业控制计算机范畴。因此，广义上讲，小到单片机，大到现场工作站，从通用工业计算机到专用测控仪表均属工业控制计算机的范畴。本节主要介绍嵌入式控制器以及智能测控仪表。

第四章计算机控制系统的理论基础

在连续系统中，所处理的信号都是时间的连续信号；而计算机只能处理数字信号，因此需要将连续信号进行采样和离散化处理，变成数字信号。把连续信号变换为脉冲序列的装置称为采样开关，又称采样器。如果系统中有一处或多处采样开关，则该系统称为采样系统。进经过采样后信号是在时间上离散的脉冲序列，称为离散信号。离散信号经过量化处理后，才能成为计算机可以处理的数字信号。本章主要介绍计算机控制系统中的信号采样和保持技术以及连续信号离散化方法。

●4.1信号的采样和保持

为了将连续信号传输到计算机中，首先需要将连续信号进行采样和保持。为了不失真的保留连续信号特性，需要对采样和保持过程进行数学分析。本节主要介绍信号采样和保持的数学描述以及采样和保持过程的特性。

●4.2连续系统的离散化

计算机控制系统的控制问题实际上就是数字控制器的设计问题。数字控制器的设计可分为连续化设计技术和离散化设计技术，本节主要介绍前者。连续化设计技术，是一种离散系统的等效设计方法，即假设系统是一个连续系统，没有采样开关，先设计一个模拟（连续时间）控制器Gcc(s)。再离散化Gcc(s)得到数字控制器D(z)，简单地说就是连续系统离散化。本节主要内容介绍各种离散化方法。

第五章数字PID控制算法

在工业控制中，PID控制是应用最为广泛的一种控制规律。所谓PID控制，就是按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）来进行控制。它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点，在各类控制系统中占有重要地位。本章主要介绍在计算机控制中常用的PID控制算法数字形式、数字PID算法改进以及PID参数整定。

●5.1基本数字PID

在计算机控制系统中，控制器每隔一个控制周期进行一次控制量的计算，并输出到执行机构，因此为了实现PID控制需要将连续PID控制算法离散化成数字形式。本节主要介绍计算机控制中的基本数字PID。

●5.2数字PID的改进

在计算机控制系统中，针对不同的被控对象、不同的控制要求，可以采用不同的PID改进算法。本节主要介绍计算机控制系统中PID控制算法的积分项和微分项的改进策略。

●5.3数字PID参数的整定

在使用PID控制算法进行自动控制时，为了取得最佳控制效果需要对数字PID控制器的控制参数进行整定。本节主要介绍数字PID控制器的工程整定方法。

●5.4数字PID的工程实现（拓展）

计算机控制系统的实际应用是一个复杂问题，工程上需要考虑多种因素，本节主要介绍数字PID在工程实践应用中有关变量、参数的限定和设置等问题。

第六章复杂控制算法

对大多数工业过程系统，采用常规PID控制技术即可达到满意的控制效果。但对于复杂对象及有特殊控制要求的系统，采用常规PID控制技术难以达到目的。在这种情况下，则需要采用其它控制算法。本章主要介绍计算机控制系统常用的复杂控制技术，包括纯滞后控制、串级控制以及前馈-反馈控制技术、模糊控制技术等。

●6.1施密斯预估控制

在工业过程（如热工、化工）控制中，由于物料或能量的传输延迟，使得被控对象具有纯滞后性质，对象的这种纯滞后性质对控制性能极为不利。当对象的纯滞后时间与对象的时间常数T之比，即时，采用常规的PID控制会使控制过程严重超调，稳定性变差。本节介绍针对纯滞后时间较长的工业过程中常用的施密斯(Smith)预估控制技术。

●6.2串级控制

当系统中同时有几个因素影响同一个被控量时，如果只控制其中一个因素，将难以满足系统的控制性能。为了控制可能引起被控量变化的其它因素对控制性能影响，需要引入串级控制方法。本节主要介绍多回路控制系统中的串级控制算法。

●6.3前馈-反馈控制

按偏差的反馈控制能够产生作用的前提是，被控量必须偏离设定值。也就是说，在干扰的作用下，被控量必须先偏离设定值，然后通过偏差进行控制，抵消干扰的影响。如果干扰不断产生，则系统总是跟在干扰作用之后波动，特别是系统滞后严重时波动就更为严重，此时就要引入前馈控制来抵消外部扰动对系统的影响。本节介绍如何在控制实践中构建前馈-反馈控制系统。

●6.4模糊控制（拓展）

传统的控制系统分析与设计大多依赖于被控对象的精确数学模型，但许多实际系统和过程都比较复杂，很难建立精确的数学模型和设计出合适的控制器。模糊控制不是采用纯数学建模的方法，而是结合专家的知识和思维，进行学习与推理、联想和决策的过程，由计算机来辨识和建模，并进行控制。因此，它属于智能控制的范畴。本节重点介绍模糊控制系统组成、各主要结构模块的基本内容。

第七章计算机控制系统的软件设计

计算机控制系统是由相应的硬件和软件构成的，必须为计算机提供或研制相应的软件，使人的控制知识与思维加入到计算机中，才能对生产过程进行自动控制。计算机控制系统测控软件也是将硬件功能和控制算法得以具体展现给用户的重要手段。本章主要介绍计算机控制系统的相关软件设计技术。

●7.1计算机控制软件概述

本节主要介绍计算机控制软件的组成以及软件需要实现的主要功能。

●7.2实时数据库

数据库是“按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库”。是一个长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的、统一管理的大量数据的集合。计算机控制系统对实时性要求很高，为此需要提供一类对事务和数据都是有定时特性或显式的定时限制的数据库系统——即实时数据库。本节主要介绍计算机控制系统中的实时数据库技术。

●7.3计算机控制软件设计

计算机控制系统软件具有实时性强、可靠性高和多功能的要求，控制系统软件应具有合理的系统结构，才能灵活地配置和扩充系统功能，实现控制、显示、打印和其它管理功能，以使整个系统高效运行。本节主要介绍计算机控制系统的软件结构、平台和操作系统选择、软件设计原则和设计方法。

●7.4工业组态软件

组态软件是面向系统监控与数据采集系统（SCADA）系统的软件平台，为自动化工程技术人员提供了一种采用搭积木的方式制作现场控制过程和控制界面的工具，本节主要介绍工控组态软件的组成与特点以及组态软件的开发与调试。

第八章分布式控制系统

分布式计算机控制系统（Distributed Control System）是在吸取了模拟仪表控制系统和计算机控制系统优点的基础上发展起来的控制系统。它在实现控制功能分散的同时，实现了危险性的分散，并将参数显示和操作功能进行集中，它是以计算机(Computer)、控制(Control)、通讯(Communication)和CRT显示(通常简称为4C技术)为特征的计算机控制系统。本章介绍典型DCS的基本概念、体系结构、基本类型、基于IPC-DCS和现场总线控制系统。

●8.1分布式控制系统的组成和体系结构

分布式计算机控制系统也称为计算机集散控制系统，简称集散控制系统（DCS）。本节介绍分布式控制系统的基本组成与体系结构。

●8.2分布式控制系统基本类型

分布式控制系统有多种结构形式，本节将介绍基于IPC构成的分布式控制系统以及基于PLC构成的分布式控制系统。

●8.3现场总线系统（拓展）

随着数字计算机技术以及数字通信技术的发展，分布式控制系统出现了以现场总线为纽带的新型自动化系统，即所谓的现场总线控制系统（Fieldbus Control System，简称FCS）。本节主要介绍现场总线控制系统结构特征以及相关现场总线技术。

第九章计算机控制系统设计与实现

计算机控制系统的设计是综合运用各种知识的过程，系统设计人员不仅需要具有一定的生产工艺方面的知识，而且需要了解自动检测技术、计算机控制理论、通信技术、电子技术等方面的知识。本章讨论计算机控制系统设计的原则和一般步骤，计算机控制系统的工程设计与实现，软硬件抗干扰设计，并介绍两个典型的工程设计实例。

●9.1计算机控制系统设计概述

尽管计算机控制的生产过程多种多样，且系统的设计方案和技术指标也是千变万化，但在计算机控制系统的设计与实现过程中，设计原则与步骤基本相同。本节将介绍计算机控制系统主要设计原则以及设计步骤。

●9.2计算机控制系统抗干扰设计（拓展）

计算机控制系统抗干扰的方法有硬件措施、软件措施，还有软硬件结合的措施，成功而有效的抗干扰措施是由硬件和软件相结合构成的，本节将介绍计算机控制系统中的软硬件抗干扰技术。

●9.3基于工业PC的计算机测控系统设计

本节以生物发酵的工业控制过程为例详细介绍基于工业PC的计算机测控系统软硬件设计方法。

●9.4基于网络结构的计算机控制系统（拓展）

本节以污水处理工艺为例详细介绍基于网络结构的计算机测控系统软硬件设计方法。

第十章计算机控制系统实验与综合设计

计算机控制系统最终目标是利用计算机实现被控对象的控制，前面九章节内容详细介绍了计算机控制系统设计的硬件技术、控制算法以及软件技术。本章以三容水箱为控制对象，详细讲授解如何在系统层面真正实现系统的自动控制。

●10.1计算机控制系统实验台概述

计算机控制系统教学实验平台是集计算机控制、自动控制、单片机技术、通信技术和软件编程为一体的多功能实验装置。该实验台不仅可满足《计算机控制技术》、《自动控制原理》、《单片机技术与应用》、《检测技术与传感器》等自动化专业学科的实验教学需求，还可为非线性耦合系统的监控、故障诊断、算法研究以及测控系统软件开发提供良好的硬件平台。本节将简单介绍计算机控制实验平台基本结构。

●10.2实验台测控系统

计算机控制系统实验平台主要由计算机系统、数据采集控制单元、传感器、执行器、测控面板、通信单元和开关电源等部分构成。其中数据采集控制单元是最关键部分，本节详细介绍计算机控制系统实验平台测控系统的基本结构及各部分检测控制模块的原理。

●10.3 ADuC834微控制器介绍（拓展）

ADuC834微控制器是计算机控制系统实验台测控系统的核心芯片，它是一个基于8051内核的SOC级微控制器，本节主要介绍ADuC834芯片中的ADC、DAC、PWM模块、定时器以及存储器。

●10.4实验一 压力采集及数字滤波

在计算机控制系统中，水箱的液位是通过压力传感器间接测得的，作为液位控制过程的最重要的参数，需要对压力进行准确检测，本节讲述如何实现压力采集以及对压力采集信号进行数字滤波。

●10.5实验二 信号误差校准

在实际计算机控制系统中，需要对传感器检测的信号进行转换及校准，才能作为实际物理量的测量值，输入控制系统。本节以计算机控制系统试验台中的水箱液位检测为例，学习讲述如何进行信号误差的校准。

●10.6实验三 单水箱液位PID控制

在之前理论课的学习中已经学习了基本的数字PID算法、PID算法的改进以及参数的整定等内容。本节以计算机控制系统实验平台的水箱液位控制为例，学习讨论如何实现不同的PID控制算法。

●10.7实验四 Matlab混合编程和PID改进算法温度控制

温度是过程控制中最常见的控制变量，比如冰箱温度的控制、热水器水温控制、空调室内温度控制等，本节以计算机控制系统实验台为对象，学习讲解单水箱温度的PID控制、改进算法、Matlab环境下控制算法编程以及动态链接库dll产生和调用的方法。

●10.8实验五 液位串级控制

串级控制是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种控制结构。它是在原控制回路中，通过增加一个或几个采用PID控制的内回路，用以控制可能引起被控量变化的其它因素，从而有效地抑制被控对象的时滞特性，提高系统的快速性。本节以计算机控制系统实验台中水箱液位为对象，学习介绍液位的串级控制方法。

●10.9实验六 基于组态王的单水箱的温度控制

组态软件是面向系统监控与数据采集系统的软件平台，为自动化工程技术人员提供了一种采用搭积木的方式制作现场控制过程和控制界面的工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。本节以计算机控制系统实验台水箱温度为对象，学习探讨如何利用Modbus通信协议，通过组态王软件编写上位机测控程序，实现温度采集、控制计算与控制输出实现单水箱的温度控制。

●10.10计算机控制系统综合设计

本课程最后一部分内容是通过应用已经学习的关于计算机控制系统理论知识和技术，完成具体实际过程的计算机控制系统设计方案。本节介绍项目的内容、要求、评分标准和规则等内容。