本書分為基礎篇、技術篇和應用篇�；A篇介紹了計算機控制系統(tǒng)的理論基礎，包括系統(tǒng)數(shù)學模型的描述方法、連續(xù)系統(tǒng)分析設計方法的回顧、離散系統(tǒng)的分析、數(shù)字控制器的設計與實現(xiàn)等內容。技術篇介紹了工業(yè)控制計算機及其接口技術、過程通道技術、可靠性和抗干擾技術、控制系統(tǒng)中的軟件技術組態(tài)軟件，以及集成了計算機控制系統(tǒng)許多關鍵技術的集散控制系統(tǒng)DCS。應用篇介紹了計算機控制技術應用的具體模式和實例，包括計算機控制系統(tǒng)的多種解決方案及案例分析、計算機控制技術在簡單過程控制和流程工業(yè)自動化中的應用實例。為方便教學和自學，所有章節(jié)都有引言和小結，配有思考題與習題。其中，小結以知識點提要列出，以方便慕課、微課、微視頻、翻轉課堂等現(xiàn)代教學資源的制作。
本書作為精品課程建設的組成部分，提供了公開的網(wǎng)絡資源，包括各章的教學課件、參考文獻和有關思考題與習題的指導信息，以便于廣大師生使用。
本書可作為電子信息科學與技術、計算機科學與技術、電子信息工程、電氣工程及自動化、測控技術與儀器等專業(yè)的教材和有關工程技術人員的參考資料。
本書集作者多年計算機控制技術的教學和應用實踐經驗，本著學以致用的教學理念，通過基礎篇、技術篇和應用篇系統(tǒng)闡述了計算機控制系統(tǒng)原理技術應用。本書作為精品課程建設的組成部分，力求通過教材及課件、實驗指導書、參考資料、思考題與習題的指導信息等資源，構建立體化教學平臺，提供公開的網(wǎng)絡資源，包括①教學大綱；②精心制作的各章教學課件；③實驗指導書；④參考資料；⑤思考題與習題的指導信息等。
第2版前言
計算機控制技術是信息時代推動自動化發(fā)展的重要動力。信息技術又促進了計算機控制技術的深入發(fā)展。正如本書第1版中所述，進入21世紀后，計算機控制技術越來越成熟，應用也越來越廣泛，目前正朝著微型化、智能化、網(wǎng)絡化和規(guī)范化方向發(fā)展。微型化嵌入式計算機已滲透到控制前端和底層，如各種傳感器、執(zhí)行器、過程通道、交互設備、通信設備等。特別是隨著微電子機械系統(tǒng)(microelectronic mechanical system，MEMS)等技術的發(fā)展，器件的低成本、低功耗、高精度、微體積的特性越發(fā)顯著，使得控制技術可以深入到傳統(tǒng)的機電技術難以進入的領域。智能化控制器具有自適應、自學習、自診斷和自修復功能，控制質量也進一步提高。特別是隨著高性價比微控制器(microcontroller unit,MCU)的飛速發(fā)展，各種智能產品、智能制造層出不窮，而這些MCU及其算法是智能化控制的靈魂。網(wǎng)絡化使得控制系統(tǒng)的結構重心由信息加工單元轉向系統(tǒng)的信息傳輸�？刂葡到y(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，不僅可以對整個工廠的生產過程進行控制，而且也使得跨地域的大規(guī)�？刂频靡詫崿F(xiàn)。以互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術與控制技術的深度融合，推動了互聯(lián)網(wǎng) 時代的來臨和發(fā)展。規(guī)范化要求控制系統(tǒng)的硬件和軟件要有統(tǒng)一的標準，強調設備的互換性、系統(tǒng)的互連性。規(guī)范化使得控制系統(tǒng)的集成更為靈活，如各種規(guī)模的PLC可編程控制器、開放的組態(tài)軟件、集成開發(fā)環(huán)境和資源庫、各種通信協(xié)議、圖形化人機接口等，這些都為構建不同架構的控制系統(tǒng)帶來了方便，極大地提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，降低了系統(tǒng)的維護成本。本書出版5年來，深受廣大讀者的歡迎和認可。為了適應計算機控制技術的發(fā)展，秉承系統(tǒng)性、新穎性、應用性和適用性的原則，本書進行了第2版的修訂。第2版保留了第1版的章節(jié)結構，全書分為基礎篇、技術篇和應用篇，分別介紹計算機控制系統(tǒng)相關的基本理論、主要技術和工程應用。對各章節(jié)進行修訂的主要內容如下：基礎篇中的第1章增加了新的引例，以體現(xiàn)網(wǎng)絡技術在控制系統(tǒng)中的應用，更新了計算機控制技術發(fā)展的信息； 第2章增加了利用MATLAB工具實現(xiàn)模型轉換和迭代法求解脈沖傳遞函數(shù)的例子； 第3章優(yōu)化了數(shù)字PID控制的參數(shù)整定方法，增加了衰減曲線法。技術篇中的第4章增加了基于ARM Cortex架構的32位MCU的簡介，提供了PXI、CAN、Modbus接口信息； 第5章增加了一體化步進伺服驅動系統(tǒng)的介紹，刪去了8位DAC的內容； 第6章介紹了電源管理技術，優(yōu)化了Watchdog和數(shù)字濾波的說明； 第7章增加了組態(tài)王和力控監(jiān)控組態(tài)軟件的介紹； 第8章增加了現(xiàn)場總線國際標準EPA的簡介。應用篇中的第9章增加了常見計算機控制系統(tǒng)解決方案的比較小結； 第10章優(yōu)化了PID參數(shù)整定的實驗過程，給出了衰減曲線法整定的例子； 第11章保留了兩個流程工業(yè)自動化中的工程實例。另外，還修改和優(yōu)化了各章節(jié)中文字、圖片和表格，更新和補充了附錄企業(yè)網(wǎng)址和參考文獻。考慮到信息時代獲取知識的途徑越來越多，知識的表現(xiàn)形式越來越豐富，而且碎片化學習的需求也越來越高，現(xiàn)將第1版中全書各章小結改為以知識點提要的形式列出，這樣可有利于慕課、微課、微視頻、翻轉課堂等現(xiàn)代化教學資源的制作。本書作為精品課程建設的組成部分，繼續(xù)提供公開的網(wǎng)絡資源，包括各章的教學課件、參考文獻、思考題與習題的指導信息，可參見網(wǎng)址http://tec.suda.edu.cn中有關精品課程的鏈接。丁建強老師負責全書的修訂和統(tǒng)稿，重點修訂了第1章至第6章、第9章； 盧亞平老師重點修訂了第7章、第8章、第10章、第11章； 任曉老師參與了全書的修訂和核對工作。修訂編寫過程中，參考了大量同類書籍、文獻資料及工業(yè)自動化產品的技術手冊，受益匪淺，再次對相關作者表示敬意和感謝。同時，本書的修訂得到了清華大學出版社的大力支持，也在此表示感謝。由于作者水平有限，書中難免還有不足之處，敬請廣大讀者批評指正。編者2017年1月
目錄
基礎篇溯本而求源，溫故而知新
第1章概述
1.1自動控制的基本概念
1.1.1自動控制的引例
1.1.2自動控制中的基本問題
1.2計算機控制系統(tǒng)
1.2.1計算機控制系統(tǒng)的結構
1.2.2計算機控制系統(tǒng)的分類
1.2.3計算機控制技術及其發(fā)展
1.3課程的研究內容和學習方法
1.3.1研究內容
1.3.2學習方法
本章知識點
思考題與習題
第2章計算機控制系統(tǒng)的理論基礎
2.1控制系統(tǒng)的數(shù)學模型
2.1.1控制系統(tǒng)的描述方法
2.1.2用微分方程表示的系統(tǒng)模型
2.1.3用脈沖響應表示的系統(tǒng)模型
2.1.4拉普拉斯變換
2.1.5用傳遞函數(shù)表示的系統(tǒng)模型
2.1.6系統(tǒng)的方框圖
2.1.7狀態(tài)空間概念和模型框圖
2.2連續(xù)系統(tǒng)的分析和設計
2.2.1連續(xù)系統(tǒng)的性能指標
2.2.2連續(xù)系統(tǒng)的分析和設計方法回顧
2.3離散系統(tǒng)的描述方法
2.3.1離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的關系
2.3.2采樣過程和采樣定理
2.3.3序列和差分方程
2.3.4用脈沖響應表示的離散系統(tǒng)模型
2.3.5z變換及其性質
2.3.6脈沖傳遞函數(shù)
2.3.7離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述
2.3.8離散系統(tǒng)的其他描述方法
2.4離散系統(tǒng)的分析
2.4.1s平面和z平面之間的映射
2.4.2穩(wěn)定性分析
2.4.3靜態(tài)誤差分析
2.4.4動態(tài)特性分析
本章知識點
思考題與習題
第3章數(shù)字控制器的設計與實現(xiàn)
3.1數(shù)字控制器的設計方法
3.1.1近似設計法
3.1.2解析設計法
3.2離散化方法
3.2.1積分變換法
3.2.2零極點匹配法
3.2.3等效變換法
3.2.4離散化方法比較
3.3PID控制
3.3.1PID控制的原理
3.3.2數(shù)字PID控制算法
3.3.3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定
3.4最少拍隨動系統(tǒng)
3.4.1最少拍隨動系統(tǒng)的原理
3.4.2最少拍隨動系統(tǒng)的設計
3.4.3最少拍無紋波隨動系統(tǒng)的設計
3.5控制算法的實現(xiàn)
3.5.1實現(xiàn)框圖與算法
3.5.2串行實現(xiàn)與并行實現(xiàn)
本章知識點
思考題與習題
技術篇工欲善其事，必先利其器
第4章控制系統(tǒng)中的計算機及其接口技術
4.1工業(yè)控制計算機
4.1.1工業(yè)控制計算機的特點和結構
4.1.2嵌入式系統(tǒng)與單片機
4.1.3典型工業(yè)控制計算機的產品
4.2控制系統(tǒng)中的接口技術
4.2.1接口與總線
4.2.2并行接口
4.2.3串行接口
4.2.4現(xiàn)場總線
4.3控制系統(tǒng)中的人機交互技術
4.3.1人機交互及其要求
4.3.2人機交互的設計技術
4.4工業(yè)控制計算機軟件系統(tǒng)簡介
4.4.1系統(tǒng)軟件
4.4.2應用軟件
本章知識點
思考題與習題
第5章計算機控制系統(tǒng)中的過程通道
5.1傳感器與執(zhí)行器
5.1.1傳感器和變送器
5.1.2IEEE 1451智能變換器標準
5.1.3執(zhí)行器及其分類
5.1.4伺服電機和步進電機
5.1.5變頻器與電動執(zhí)行器
5.2輸入通道
5.2.1控制系統(tǒng)中的信號種類及特點
5.2.2數(shù)字量信號處理方式
5.2.3模擬量信號處理方式
5.2.4數(shù)據(jù)采集的原理和實現(xiàn)
5.3輸出通道
5.3.1輸出通道的基本結構
5.3.2輸出通道中的開關信號驅動
5.3.3輸出通道中的模擬信號驅動
5.3.4電機控制
本章知識點
思考題與習題
第6章控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術
6.1可靠性與抗干擾技術的基本概念
6.1.1可靠性的概念
6.1.2電磁兼容性
6.1.3噪聲的分類和耦合方式
6.1.4控制系統(tǒng)可靠性設計的基本途徑
6.2硬件的可靠性與抗干擾技術
6.2.1元器件與系統(tǒng)結構
6.2.2濾波與去耦電路
6.2.3隔離與屏蔽技術
6.2.4電源干擾的抑制與接地技術
6.2.5電源管理和熱插拔技術
6.2.6Watchdog技術
6.2.7印制板的抗干擾措施
6.3軟件的可靠性與抗干擾技術
6.3.1存儲空間分配和程序結構的設計
6.3.2數(shù)字濾波技術
6.3.3數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯
6.3.4開機自檢與故障診斷
本章知識點
思考題與習題
第7章控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件
7.1工控組態(tài)軟件概述
7.1.1組態(tài)軟件及其特點
7.1.2組態(tài)軟件的功能
7.1.3組態(tài)軟件的發(fā)展
7.2MCGS組態(tài)軟件
7.2.1MCGS組態(tài)軟件的特點和組成
7.2.2MCGS工程構成
7.2.3MCGS組態(tài)過程
7.3組態(tài)王組態(tài)軟件
7.3.1組態(tài)王軟件的特點和組成
7.3.2組態(tài)王軟件的構成
7.3.3組態(tài)王組態(tài)過程
7.4力控監(jiān)控組態(tài)軟件
7.4.1力控軟件的特點和組成
7.4.2力控軟件的構成
7.4.3力控組態(tài)過程
本章知識點
思考題與習題
第8章集散控制系統(tǒng)
8.1DCS的產生與發(fā)展
8.1.1DCS的產生
8.1.2DCS的發(fā)展
8.1.3EPA現(xiàn)場總線
8.2DCS的體系結構
8.2.1DCS的分層結構
8.2.2DCS的硬件結構
8.2.3DCS的網(wǎng)絡結構
8.2.4DCS的軟件結構
8.3WebField JX300XP控制系統(tǒng)
8.3.1概述
8.3.2JX300XP系統(tǒng)的組成
8.3.3JX300XP系統(tǒng)的硬件
8.3.4JX300XP系統(tǒng)的軟件
本章知識點
思考題與習題
應用篇學以致用，用學相長
第9章計算機控制系統(tǒng)的解決方案
9.1基于嵌入式系統(tǒng)的解決方案
9.1.1組成和特點
9.1.2案例1： 由嵌入式系統(tǒng)控制的全自動洗衣機
9.2基于智能控制儀表的解決方案
9.2.1組成和特點
9.2.2案例2： 基于智能控制儀表的電阻爐溫度控制系統(tǒng)
9.3基于可編程邏輯控制器的解決方案
9.3.1組成和特點
9.3.2案例3： PLC控制的工業(yè)洗衣機
9.4基于分布式數(shù)據(jù)采集與控制模塊的解決方案
9.4.1組成和特點
9.4.2案例4： 潮流水槽計算機檢測與控制系統(tǒng)
9.5基于可編程自動化控制器的解決方案
9.5.1組成和特點
9.5.2案例5： PAC在橋梁健康檢測系統(tǒng)中的應用
本章知識點
思考題與習題
第10章計算機控制技術在簡單過程控制中的應用
10.1實例1： 水箱液位控制
10.1.1被控對象和控制方案
10.1.2硬件組成
10.1.3組態(tài)過程
10.1.4PID整定實驗過程
10.2實例2： 鍋爐溫度控制
10.2.1被控對象和控制方案
10.2.2硬件組成
10.2.3組態(tài)過程
10.2.4PID算法設計
10.2.5PID整定實驗過程
本章知識點
思考題與習題
第11章計算機控制技術在流程工業(yè)自動化中的應用
11.1DCS在循環(huán)流化床鍋爐中的應用
11.1.1工藝介紹
11.1.2系統(tǒng)設計
11.1.3系統(tǒng)組態(tài)
11.1.4控制流程
11.1.5系統(tǒng)運行
11.2DCS在大中型氮肥裝置中的應用
11.2.1工藝介紹
11.2.2系統(tǒng)設計
11.2.3系統(tǒng)組態(tài)
11.2.4控制流程
11.2.5系統(tǒng)運行
本章知識點
思考題與習題
附錄有關工業(yè)自動化產品及企業(yè)網(wǎng)址
參考文獻
目錄
基礎篇溯本而求源，溫故而知新
第1章概述
1.1自動控制的基本概念
1.1.1自動控制的引例
1.1.2自動控制中的基本問題
1.2計算機控制系統(tǒng)
1.2.1計算機控制系統(tǒng)的結構
1.2.2計算機控制系統(tǒng)的分類
1.2.3計算機控制技術及其發(fā)展
1.3課程的研究內容和學習方法
1.3.1研究內容
1.3.2學習方法
本章知識點
思考題與習題
第2章計算機控制系統(tǒng)的理論基礎
2.1控制系統(tǒng)的數(shù)學模型
2.1.1控制系統(tǒng)的描述方法
2.1.2用微分方程表示的系統(tǒng)模型
2.1.3用脈沖響應表示的系統(tǒng)模型
2.1.4拉普拉斯變換
2.1.5用傳遞函數(shù)表示的系統(tǒng)模型
2.1.6系統(tǒng)的方框圖
2.1.7狀態(tài)空間概念和模型框圖
2.2連續(xù)系統(tǒng)的分析和設計
2.2.1連續(xù)系統(tǒng)的性能指標
2.2.2連續(xù)系統(tǒng)的分析和設計方法回顧
2.3離散系統(tǒng)的描述方法
2.3.1離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的關系
2.3.2采樣過程和采樣定理
2.3.3序列和差分方程
2.3.4用脈沖響應表示的離散系統(tǒng)模型
2.3.5z變換及其性質
2.3.6脈沖傳遞函數(shù)
2.3.7離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述
2.3.8離散系統(tǒng)的其他描述方法
2.4離散系統(tǒng)的分析
2.4.1s平面和z平面之間的映射
2.4.2穩(wěn)定性分析
2.4.3靜態(tài)誤差分析
2.4.4動態(tài)特性分析
本章知識點
思考題與習題
第3章數(shù)字控制器的設計與實現(xiàn)
3.1數(shù)字控制器的設計方法
3.1.1近似設計法
3.1.2解析設計法
3.2離散化方法
3.2.1積分變換法
3.2.2零極點匹配法
3.2.3等效變換法
3.2.4離散化方法比較
3.3PID控制
3.3.1PID控制的原理
3.3.2數(shù)字PID控制算法
3.3.3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定
3.4最少拍隨動系統(tǒng)
3.4.1最少拍隨動系統(tǒng)的原理
3.4.2最少拍隨動系統(tǒng)的設計
3.4.3最少拍無紋波隨動系統(tǒng)的設計
3.5控制算法的實現(xiàn)
3.5.1實現(xiàn)框圖與算法
3.5.2串行實現(xiàn)與并行實現(xiàn)
本章知識點
思考題與習題
技術篇工欲善其事，必先利其器
第4章控制系統(tǒng)中的計算機及其接口技術
4.1工業(yè)控制計算機
4.1.1工業(yè)控制計算機的特點和結構
4.1.2嵌入式系統(tǒng)與單片機
4.1.3典型工業(yè)控制計算機的產品
4.2控制系統(tǒng)中的接口技術
4.2.1接口與總線
4.2.2并行接口
4.2.3串行接口
4.2.4現(xiàn)場總線
4.3控制系統(tǒng)中的人機交互技術
4.3.1人機交互及其要求
4.3.2人機交互的設計技術
4.4工業(yè)控制計算機軟件系統(tǒng)簡介
4.4.1系統(tǒng)軟件
4.4.2應用軟件
本章知識點
思考題與習題
第5章計算機控制系統(tǒng)中的過程通道
5.1傳感器與執(zhí)行器
5.1.1傳感器和變送器
5.1.2IEEE 1451智能變換器標準
5.1.3執(zhí)行器及其分類
5.1.4伺服電機和步進電機
5.1.5變頻器與電動執(zhí)行器
5.2輸入通道
5.2.1控制系統(tǒng)中的信號種類及特點
5.2.2數(shù)字量信號處理方式
5.2.3模擬量信號處理方式
5.2.4數(shù)據(jù)采集的原理和實現(xiàn)
5.3輸出通道
5.3.1輸出通道的基本結構
5.3.2輸出通道中的開關信號驅動
5.3.3輸出通道中的模擬信號驅動
5.3.4電機控制
本章知識點
思考題與習題
第6章控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術
6.1可靠性與抗干擾技術的基本概念
6.1.1可靠性的概念
6.1.2電磁兼容性
6.1.3噪聲的分類和耦合方式
6.1.4控制系統(tǒng)可靠性設計的基本途徑
6.2硬件的可靠性與抗干擾技術
6.2.1元器件與系統(tǒng)結構
6.2.2濾波與去耦電路
6.2.3隔離與屏蔽技術
6.2.4電源干擾的抑制與接地技術
6.2.5電源管理和熱插拔技術
6.2.6Watchdog技術
6.2.7印制板的抗干擾措施
6.3軟件的可靠性與抗干擾技術
6.3.1存儲空間分配和程序結構的設計
6.3.2數(shù)字濾波技術
6.3.3數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯
6.3.4開機自檢與故障診斷
本章知識點
思考題與習題
第7章控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件
7.1工控組態(tài)軟件概述
7.1.1組態(tài)軟件及其特點
7.1.2組態(tài)軟件的功能
7.1.3組態(tài)軟件的發(fā)展
7.2MCGS組態(tài)軟件
7.2.1MCGS組態(tài)軟件的特點和組成
7.2.2MCGS工程構成
7.2.3MCGS組態(tài)過程
7.3組態(tài)王組態(tài)軟件
7.3.1組態(tài)王軟件的特點和組成
7.3.2組態(tài)王軟件的構成
7.3.3組態(tài)王組態(tài)過程
7.4力控監(jiān)控組態(tài)軟件
7.4.1力控軟件的特點和組成
7.4.2力控軟件的構成
7.4.3力控組態(tài)過程
本章知識點
思考題與習題
第8章集散控制系統(tǒng)
8.1DCS的產生與發(fā)展
8.1.1DCS的產生
8.1.2DCS的發(fā)展
8.1.3EPA現(xiàn)場總線
8.2DCS的體系結構
8.2.1DCS的分層結構
8.2.2DCS的硬件結構
8.2.3DCS的網(wǎng)絡結構
8.2.4DCS的軟件結構
8.3WebField JX300XP控制系統(tǒng)
8.3.1概述
8.3.2JX300XP系統(tǒng)的組成
8.3.3JX300XP系統(tǒng)的硬件
8.3.4JX300XP系統(tǒng)的軟件
本章知識點
思考題與習題
應用篇學以致用，用學相長
第9章計算機控制系統(tǒng)的解決方案
9.1基于嵌入式系統(tǒng)的解決方案
9.1.1組成和特點
9.1.2案例1： 由嵌入式系統(tǒng)控制的全自動洗衣機
9.2基于智能控制儀表的解決方案
9.2.1組成和特點
9.2.2案例2： 基于智能控制儀表的電阻爐溫度控制系統(tǒng)
9.3基于可編程邏輯控制器的解決方案
9.3.1組成和特點
9.3.2案例3： PLC控制的工業(yè)洗衣機
9.4基于分布式數(shù)據(jù)采集與控制模塊的解決方案
9.4.1組成和特點
9.4.2案例4： 潮流水槽計算機檢測與控制系統(tǒng)
9.5基于可編程自動化控制器的解決方案
9.5.1組成和特點
9.5.2案例5： PAC在橋梁健康檢測系統(tǒng)中的應用
本章知識點
思考題與習題
第10章計算機控制技術在簡單過程控制中的應用
10.1實例1： 水箱液位控制
10.1.1被控對象和控制方案
10.1.2硬件組成
10.1.3組態(tài)過程
10.1.4PID整定實驗過程
10.2實例2： 鍋爐溫度控制
10.2.1被控對象和控制方案
10.2.2硬件組成
10.2.3組態(tài)過程
10.2.4PID算法設計
10.2.5PID整定實驗過程
本章知識點
思考題與習題
第11章計算機控制技術在流程工業(yè)自動化中的應用
11.1DCS在循環(huán)流化床鍋爐中的應用
11.1.1工藝介紹
11.1.2系統(tǒng)設計
11.1.3系統(tǒng)組態(tài)
11.1.4控制流程
11.1.5系統(tǒng)運行
11.2DCS在大中型氮肥裝置中的應用
11.2.1工藝介紹
11.2.2系統(tǒng)設計
11.2.3系統(tǒng)組態(tài)
11.2.4控制流程
11.2.5系統(tǒng)運行
本章知識點
思考題與習題
附錄有關工業(yè)自動化產品及企業(yè)網(wǎng)址
參考文獻
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