目 錄
問題篇
第1章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 2
1.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 2
1.2 系統(tǒng) 2
1.3 控制系統(tǒng) 4
1.3.1 控制 4
1.3.2 從模擬控制到計(jì)算機(jī)控制 4
1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 7
1.4.1 基本結(jié)構(gòu) 7
1.4.2 構(gòu)成要素 8
1.4.3 特點(diǎn) 10
1.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型架構(gòu) 10
1.5.1 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 11
1.5.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 11
1.5.3 監(jiān)督控制系統(tǒng) 12
1.5.4 分布式控制系統(tǒng) 13
1.5.5 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 15
1.5.6 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 16
1.6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程方法 17
1.6.1 工程方法的必要性 17
1.6.2 基于產(chǎn)品生命周期管理的工程方法 18
1.6.3 基于文檔的設(shè)計(jì) 19
1.6.4 基于模型的設(shè)計(jì) 21
1.7 線上學(xué)習(xí)：認(rèn)識(shí)LabVIEW 24
1.8 練習(xí)題 29
1.9 思政討論：我國(guó)的計(jì)時(shí)技術(shù) 30
第2章 信號(hào)的采樣和重構(gòu) 31
2.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 31
2.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)問題 31
2.2.1 信號(hào)問題 31
2.2.2 信息與信號(hào) 32
2.2.3 信息度量 34
2.2.4 問題描述 35
2.3 信號(hào)采樣 36
2.3.1 采樣過程 36
2.3.2 線上學(xué)習(xí)：LabVIEW入門 39
2.3.3 采樣定理 49
2.3.4 工程中的采樣 52
2.3.5 線上學(xué)習(xí)：控件與仿真循環(huán) 55
2.4 信號(hào)重構(gòu) 59
2.4.1 香農(nóng)重構(gòu) 60
2.4.2 保持法重構(gòu) 60
2.5 采樣保持電路 62
2.5.1 基本電路 62
2.5.2 采樣保持器 64
2.5.3 主要技術(shù)參數(shù) 64
2.6 練習(xí)題 66
2.7 思政討論：基于信息的控制 67
分析篇
第3章 連續(xù)對(duì)象的離散行為 70
3.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 70
3.2 連續(xù)對(duì)象的行為描述 70
3.2.1 圖形表示法 71
3.2.2 解析表示法 74
3.3 線上學(xué)習(xí)：使用LabVIEW建立連續(xù)對(duì)象模型 77
3.3.1 使用仿真函數(shù)建立連續(xù)對(duì)象模型 79
3.3.2 使用控件設(shè)計(jì)函數(shù)建立連續(xù)對(duì)象模型 85
3.4 離散觀察：計(jì)算機(jī)視角的對(duì)象行為 91
3.4.1 圖形表示法 92
3.4.2 解析表示法 92
3.5 線上學(xué)習(xí)：使用LabVIEW建立離散對(duì)象模型 94
3.5.1 直接建立離散對(duì)象模型 94
3.5.2 間接建立離散對(duì)象模型 98
3.5.3 同類型對(duì)象的模型轉(zhuǎn)換 105
3.6 混合系統(tǒng)及其行為描述 109
3.6.1 混合系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 109
3.6.2 混合系統(tǒng)的行為描述 110
3.6.3 模型互連 113
3.7 線上學(xué)習(xí)：使用LabVIEW建立混合系統(tǒng)模型 116
3.7.1 通過仿真函數(shù)建立混合系統(tǒng)模型 116
3.7.2 通過控件設(shè)計(jì)VI建立混合系統(tǒng)模型 123
3.8 練習(xí)題 129
3.9 思政討論：多元的觀點(diǎn)，相同的立場(chǎng) 130
第4章 期望：行為變化的描述 132
4.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 132
4.2 混合系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng) 132
4.2.1 一般形式 133
4.2.2 典型響應(yīng) 134
4.3 線上學(xué)習(xí)：使用LabVIEW輔助計(jì)算 138
4.3.1 使用仿真函數(shù)計(jì)算 138
4.3.2 使用控件設(shè)計(jì)VI計(jì)算 143
4.4 基于頻域的行為分析 146
4.4.1 穩(wěn)定性 146
4.4.2 魯棒性 155
4.4.3 快速性 157
4.5 線上學(xué)習(xí)：使用LabVIEW輔助分析 159
4.5.1 伯德圖VI 159
4.5.2 奈奎斯特圖VI 161
4.6 練習(xí)題 162
4.7 思政討論：聯(lián)結(jié)個(gè)人與社會(huì)，釋放創(chuàng)新活力 164
決策篇
第5章 離散時(shí)間控制：模擬設(shè)計(jì)方法 167
5.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 167
5.2 設(shè)計(jì)思想 167
5.3 離散化方法 168
5.3.1 第一類近似：移動(dòng)平均濾波 168
5.3.2 第二類近似：加窗濾波 172
5.4 數(shù)字PID控制 174
5.4.1 模擬PID控制器 175
5.4.2 數(shù)字PID控制器 178
5.4.3 離散化產(chǎn)生的問題與對(duì)策 180
5.4.4 參數(shù)整定 183
5.5 線上學(xué)習(xí)：倒立擺的控制（基于模擬設(shè)計(jì)方法） 185
5.5.1 基于模型的控制設(shè)計(jì) 185
5.5.2 車桿問題 186
5.6 練習(xí)題 190
5.7 思政討論：站在前人的肩膀上，繼往開來 191
第6章 離散時(shí)間控制：數(shù)字設(shè)計(jì)方法 192
6.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 192
6.2 設(shè)計(jì)思想 192
6.3 頻率響應(yīng)法 193
6.4 Ragazzini法 196
6.4.1 無限沖激響應(yīng)濾波 196
6.4.2 有限沖激響應(yīng)濾波 198
6.5 狀態(tài)空間設(shè)計(jì)法 201
6.5.1 極點(diǎn)配置 201
6.5.2 狀態(tài)估計(jì) 205
6.5.3 能控性和能觀性 208
6.6 線上學(xué)習(xí)：倒立擺的控制（基于數(shù)字設(shè)計(jì)方法） 209
6.6.1 層次化設(shè)計(jì) 209
6.6.2 車桿問題及求解 213
6.7 練習(xí)題 215
6.8 思政討論：追隨時(shí)代的腳步，精益求精 216
施效篇
第7章 從函數(shù)到算法 219
7.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 219
7.2 計(jì)算問題 219
7.2.1 計(jì)算時(shí)延引起的問題 220
7.2.2 量化引起的問題 221
7.3 可控實(shí)現(xiàn)形式 227
7.4 運(yùn)算結(jié)構(gòu) 228
7.4.1 基本運(yùn)算單元 229
7.4.2 直接型結(jié)構(gòu) 229
7.4.3 串聯(lián)型結(jié)構(gòu) 232
7.4.4 并聯(lián)型結(jié)構(gòu) 233
7.4.5 不同結(jié)構(gòu)的比較 234
7.5 線上學(xué)習(xí)：數(shù)字PID控制算法 234
7.5.1 數(shù)字PID控制 234
7.5.2 LabVIEW中的數(shù)字PID控制 236
7.6 練習(xí)題 241
第8章 計(jì)算機(jī)控制：軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn) 244
8.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 244
8.2 從信號(hào)耦合網(wǎng)絡(luò)到能量耦合網(wǎng)絡(luò) 245
8.2.1 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) 245
8.2.2 從信息處理角度看計(jì)算機(jī)控制 250
8.2.3 組件、接口和信號(hào) 252
8.3 運(yùn)算設(shè)備 256
8.3.1 通用計(jì)算機(jī) 256
8.3.2 嵌入式計(jì)算機(jī) 257
8.4 通用I/O接口 258
8.4.1 技術(shù)指標(biāo) 258
8.4.2 存儲(chǔ)器映射 259
8.4.3 數(shù)據(jù)傳輸方法 262
8.4.4 接口操作策略 264
8.5 處理不一致的數(shù)據(jù) 266
8.5.1 濾波 266
8.5.2 標(biāo)度變換 270
8.5.3 常見的非線性問題及對(duì)策 271
8.6 線上學(xué)習(xí)：LabVIEW的儀器控制 272
8.6.1 儀器控制 272
8.6.2 儀器驅(qū)動(dòng) 273
8.6.3 VISA 277
8.7 練習(xí)題 285
第9章 并發(fā)實(shí)時(shí)調(diào)度 286
9.1 學(xué)習(xí)目標(biāo) 286
9.2 并發(fā)實(shí)時(shí)調(diào)度 287
9.2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng) 287
9.2.2 基本概念 288
9.2.3 實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度 293
9.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：使用狀態(tài)圖 298
9.3.1 功能描述 298
9.3.2 功能分解 300
9.3.3 任務(wù)構(gòu)建 301
9.3.4 系統(tǒng)配置 304
9.4 可靠性設(shè)計(jì)模式 306
9.4.1 可靠性 306
9.4.2 影響系統(tǒng)可靠性的因素 307
9.4.3 可靠性設(shè)計(jì) 307
9.5 線上學(xué)習(xí)：基于模式的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 313
9.5.1 設(shè)計(jì)模式 313
9.5.2 經(jīng)典狀態(tài)機(jī) 313
9.5.3 生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式 323
9.6 練習(xí)題 324
參考文獻(xiàn) 325