1、 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 电子信息与电气学科规划教材自动化专业 微型计算机控制技术 徐 安 陈 耀 李锐华 郭其一 编著 白英彩 审 内 容 简 介 本书围绕“微机控制算法及其实现”这一主题，系统而有重点地讲述了运动控制、常用控制、现代控制和智能控制中的各种主要算法的思路精髓和微机实现这些算法的要领，并从实际应用的角度出发，介绍了微机控制系统与信号的数学描述、常用数据结构和数据处理、嵌入式操作系统基础、系统设计及电磁兼容技术。根据信息与控制日益交融的发展趋势，介绍了微机控制网络与现场总线。本书力求从电类专业“软（件）硬（件）兼施”、“强（电）弱（电）结合”的特色出发，对微型计算机
2、控制技术的学习和应用提供切实的指导和帮助。本书可作为高等院校有关课程的教材，也可作为电子技术人员的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 微型计算机控制技术/徐安等编著北京：电子工业出版社，2008.10 电子信息与电气学科规划教材自动化专业 ISBN 978-7-121-07394-6 微 徐 微型计算机计算机控制高等学校教材 TP273 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2008）第 142029 号 策划编辑：凌 毅 责任编辑：余 义 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：
3、100036 开 本：7871092 1/16 印张：22.25 字数：570 千字 印 次：2008 年 10 月第 1 次印刷 印 数：4000 册 定价：33.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：(010)88258888。III 前 言 目前，绝大多数自动控制都是使用计算机来实现的。微型计算机控制技术的发展，使得以微型计算机为控制器核心的嵌入式测控装置与系统广泛渗透到国民经济的各行各业中，已经无时无刻、无处不在地影响着每个现
4、代人的生活。在我国高等工科院校中，普遍开设了微型计算机控制技术及其相关课程。本书围绕“微机控制算法及其实现”这一主题，系统而有重点地讲述了运动控制、常用控制、现代控制和智能控制中的各种主要算法的思路精髓和微机实现这些算法的要领，并从实际应用的角度出发，介绍了微机控制系统与信号的数学描述、常用数据结构和数据处理、嵌入式操作系统基础、系统设计及电磁兼容技术。根据信息与控制日益交融的发展趋势，介绍了微机控制网络与现场总线。微型计算机控制技术内容十分丰富，每一个专题的详细阐述都需要一本或几本专著。本书注意了与“微控制器原理与应用”等相关课程的分工协调、统筹兼顾，力求从电类专业“软（件）硬（件）兼施”、
5、“强（电）弱（电）结合”的特色出发，对微型计算机控制技术的学习和应用提供切实的指导和帮助。本书可作为高等院校有关课程的教材，也可作为电子技术人员的参考书。实验和实践对微型计算机控制技术的学习和应用极为重要。本书在第11章中，以 DP01 多MCU 实验系统为平台，以多种控制算法、数据传输方式与总线在智能家居中的应用为主题，给出了微型计算机控制技术的设计性、综合性实验大纲，引导和鼓励学生发挥想象力和创造性。多年来，于海生、周德泽、王晓明、桑楠、谢剑英、陈炳和、高金源、王慧、齐蓉、何玉彬、蔡德聪、阳宪惠、何克忠、袁南儿、蔡自兴、张乃尧、白英彩、吴启迪、窦振中、涂时亮、王常力、陈汝全、金以慧、王锦标
6、、严隽薇、周立功、潘新民、胡寿松、吴坚等教授在微型计算机控制技术的教育园地里辛勤耕耘，本书多处引用了他们的研究成果，谨在此表示衷心的感谢。广州周立功单片机发展有限公司上海分公司经理曾成奇、微芯科技咨询（上海）有限公司经理刘晖、飞思卡尔半导体（中国）有限公司上海分公司经理张明峰、高拓微电子技术有限公司经理魏敏和吴健等为本书提供了重要帮助，谨在此表示诚挚的感谢。担任本书主审的上海交通大学白英彩教授认真审阅了全书，提出了指导性的建议和中肯的意见；研究生吴霄、张振富、顾鸣、郁海华、郭凯杰和丁才云等为程序设计和图文制作输入付出了辛勤的劳动，在此谨致以深切的谢意。本书由徐安组织编写，李锐华、陈耀、郭其一分
7、别参加了第 3,6 章和第 7,8,10 章的编写。本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，得到了同济大学教材、学术著作出版基金委员会的资助。本书提供配套的电子课件，可登录电子工业出版社的华信资源教育网：或 ，注册后免费下载。限于编者水平，书中错误和不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。联系地址：。编 者 V 目 录 第 1 章 概论（1）1.1 控制用微型计算机（1）1.1.1 控制用微型计算机的类型（1）1.1.2 控制用微型计算机的选用（3）1.2 微型计算机控制系统（3）1.2.1 微机控制系统的组成（3）1.2.2 微机控制系统的工作过程与方式（4）1.2.3 微机控制系统的功能与
8、特点（5）1.2.4 微机控制系统的结构（7）1.3 微机控制技术的发展与作用（10）1.3.1 控制理论与控制技术的发展（10）1.3.2 微机控制技术的发展（11）1.3.3 微机控制技术的作用（11）1.3.4 微机控制技术的前景（11）习题与思考题（12）第 2 章 常用数据结构和数据处理（13）2.1 常用数据结构（13）2.1.1 数据结构的基本概念（13）2.1.2 控制系统的特殊数据结构（20）2.2 采样与数据处理（22）2.2.1 采样周期的选择（22）2.2.2 常用数据处理（24）2.3 数字滤波（26）2.3.1 常用数字滤波方法（27）2.3.2 数字滤波方法的选择
9、（29）习题与思考题（29）第 3 章 微机控制系统与信号的数学描述（30）3.1 微机控制系统中的信号变换（30）3.1.1 信号的采样与保持（31）3.1.2 采样定理（31）3.1.3 离散时间信号（32）3.2 线性定常离散系统的描述与差分方程（33）3.2.1 线性定常离散系统的描述（33）VI 3.2.2 线性常系数差分方程（34）3.2.3 应用迭代法求解差分方程（34）3.3 Z 变换及其应用（35）3.3.1 Z 变换定义（35）3.3.2 Z 变换方法（36）3.3.3 Z 逆变换（42）3.3.4 应用 Z 变换求解差分方程（45）3.4 脉冲传递函数（46）3.4.1
10、脉冲传递函数定义（46）3.4.2 零阶保持器及其脉冲传递函数（47）3.4.3 开环系统脉冲传递函数（49）3.4.4 闭环系统脉冲传递函数（50）习题与思考题（53）第 4 章 运动控制技术（54）4.1 顺序控制（54）4.1.1 顺序控制原理（54）4.1.2 顺序控制系统特性（55）4.1.3 专用顺序控制器设计（55）4.1.4 通用顺序控制器的选用（56）4.2 程序控制（56）4.2.1 程序控制原理（56）4.2.2 逐点比较法直线插补（57）4.2.3 逐点比较法圆弧插补（59）4.2.4 运动控制芯片（62）4.3 可编程控制器（63）4.3.1 PLC 的主要功能与特点
11、（63）4.3.2 PLC 的结构与工作原理（64）4.3.3 PLC 常用编程语言（67）4.3.4 PLC 的选用（70）4.4 直流电动机控制（71）4.4.1 直流电动机调速原理（72）4.4.2 直流电动机不可逆 PWM 系统（74）4.4.3 直流电动机可逆 PWM 系统（75）4.4.4 专用运动控制处理器（79）4.5 交流异步电动机控制（81）4.5.1 交流异步电动机变频调速原理（81）4.5.2 变频调速的机械特性及其补偿（86）4.5.3 SPWM 波发生器及其应用（87）4.5.4 矢量控制与直接转矩控制（88）VII 4.6 步进电动机控制（91）4.6.1 反应式
12、步进电动机的结构和工作原理（91）4.6.2 步进电动机的工作方式（93）4.6.3 步进电动机特性（95）4.6.4 步进电动机的驱动方式（98）4.6.5 步进电动机的控制（100）4.7 无刷直流电动机控制（102）4.7.1 无刷直流电动机的原理与结构（102）4.7.2 无刷直流电动机的绕组连接方式（104）4.7.3 无刷直流电动机的控制（108）习题与思考题（111）第 5 章 常用控制技术（112）5.1 数字 PID 控制（112）5.1.1 PID 控制（112）5.1.2 PID 算法的计算机实现（114）5.1.3 PID 算法的改进（115）5.1.4 PID 控制的
13、参数整定（120）5.2 纯滞后补偿控制（123）5.2.1 大林（Dahlin）算法（123）5.2.2 史密斯（Smith）预估控制（126）5.3 最少拍控制（127）5.3.1 不同控制对象的最少拍控制设计（127）5.3.2 不同输入函数的最少拍控制设计（129）5.3.3 最少拍控制设计的局限性（131）5.3.4 最少拍无纹波控制的设计（132）5.4 串级控制（133）5.4.1 串级控制系统结构和工作原理（134）5.4.2 串级控制系统的特点（134）5.4.3 串级控制系统的设计（136）5.4.4 串级控制系统的应用（137）5.5 前馈控制（138）5.5.1 前馈控
14、制原理与结构（138）5.5.2 前馈-反馈控制（138）5.5.3 前馈-串级控制（139）5.5.4 前馈控制的设计原则与参数整定（139）5.6 线性数字控制器的计算机实现（140）5.6.1 线性数字控制器的一般形式（140）5.6.2 数字控制算法的计算机实现（141）习题与思考题（142）VIII 第 6 章 现代控制技术（144）6.1 线性离散系统的状态空间描述（144）6.1.1 MIMO 线性离散系统的状态空间描述（144）6.1.2 线性离散系统状态方程的求解（157）6.1.3 线性离散系统的 Z 传递矩阵和 Z 特征方程（159）6.1.4 微型计算机控制系统的离散状
15、态空间表达式（161）6.2 离散系统的能控性和能观测性（164）6.2.1 离散系统的能控性（164）6.2.2 离散系统的能观测性（167）6.3 离散系统的状态空间设计（169）6.3.1 MIMO 线性离散系统的状态空间设计方法（169）6.3.2 MIMO 离散系统设计实例（170）习题与思考题（177）第 7 章 智能控制技术（179）7.1 模糊控制（179）7.1.1 模糊数学基础（179）7.1.2 模糊关系与模糊推理（185）7.1.3 模糊控制原理（191）7.1.4 模糊控制设计实例（195）7.2 专家控制（200）7.2.1 专家系统（200）7.2.2 专家控制系
16、统（203）7.2.3 专家控制系统的设计（206）7.3 人工神经网络控制（208）7.3.1 人工神经网络的基本模型（209）7.3.2 人工神经网络学习规则（219）7.3.3 人工神经网络控制的结构方案（221）7.3.4 人工神经网络控制的特点（225）7.4 多种控制策略的渗透和结合（226）7.4.1 模糊神经网络（FNN）控制（226）7.4.2 神经网络专家系统（228）7.5 基于进化和群体智能的控制算法（230）7.5.1 遗传算法（230）7.5.2 蚁群算法（232）习题与思考题（235）第 8 章 嵌入式操作系统基础（236）8.1 嵌入式系统（236）8.1.1 嵌入式系统的基本概念（236）8.1.2 嵌入式系统的体系结构（236）IX 8.1.3 嵌入式系统的特点（237）8.1.4 嵌入式系统的类型（237）8.2 嵌入式操作系统（238）8.2.1 嵌入式操作系统的基本概念（238）8.2.2 嵌入式操作系统的实现技术（239）8.2.3 嵌入式操作系统的性能指标（242）8.2.4 嵌入式操作系统的分类（243）8.2.5 使用嵌入式操作系统的优
