计算机控制系统
2002-8
武汉理工大学出版社(武汉工业大学)
吴坚
303
当今世界已经进入了信息时代。随着微电子技术的发展，微型计算机的应用迅速渗透到各个领域。控制领域中计算机应用从单板机、可编程控制器、微机系统到工业网络，推动了生产方式的革命。计算机控制技术成为工业控制中最有潜力、最活跃的一个领域。随着生产规模的不断扩大，以及对系统的要求愈来愈高，新的计算机控制系统、管理系统乃至将控制、管理一体化的综合自动化系统正纷纷出现。本书以工业控制为出发点，以现代分布式控制系统思想为主线索，结合作者多年的工程应用实践，系统地介绍了计算机控制系统方面的原理与设计方法。本书强调实用性和系统性相结合，同时注重近年来的新技术介绍。本书拟将配套出版相应的多媒体教材版，以满足各类读者的需求。全书共分为8章。第一章作为基础，概略介绍了计算机控制系统分类、原理和组成；第二章介绍了过程输入输出通道技术；第三章介绍了数字控制器的设计；第四章介绍了工业控制计算机系统集成；第五章介绍了控制系统应用程序设计；第六章介绍常见控制策略以及先进控制方法的实现；第七章介绍了计算机控制系统的设计方法；第八章介绍了网络集成式分散控制系统。各章中列举了一些应用实例，以帮助读者理解计算机控制系统的一般设计原则与方法。本书参考学时为50学时左右，先修课程包括：微机原理及应用、软件技术基础、自动控制原理等。本书由西南科技大学、南京化工大学、重庆大学三校老师合作编写。本书的第一章、第五章由吴坚、吴斌、于春梅编写，第四章、第七章、第八章由李众立、刘成安、李磊民、武丽、胡莉编写，第二章、第三章、第六章由赵英凯、黄玉清、黄勤编写。全书内容由黄玉清、胡莉整理，由吴坚教授统稿。本书的多媒体教材由黄玉清、于春梅和武丽设计制作。武汉理工大学出版社杨学忠、黄春、段超在本书的编写出版过程中自始至终给予了热情的关心、帮助和支持，并主持了本书的校审且提出了宝贵意见。在此，谨表深切的谢意。由于作者水平有限，加之当今科学发展日新月异，尽管在编写过程中尽心尽力，书中不足或缺点在所难免，敬请读者见谅和批评指正，并能提出宝贵的意见。
本书通过总结作者的科研成果和吸收国内外的先进理论、方法和技术，以计算机控制技术和与控制理论有机结合为基础，从工业企业自动化系统的开放性、集散性、网络化的观点出发，将现代分布式控制系统作为主线索，先进的控制技术作为支撑，结合典型控制系统，介绍和论述计算机控制系统的原理、分析设计方法和应用技术。 本书主要介绍输入输出通道技术、数字控制器的设计、计算机控制系统的设计与实现、计算机控制策略与实现以及网络集成式分布控制系统。在系统控制软件设计中还介绍了系统组态、组态软件的基本概念、方法和技术；在系统设计与组成介绍中，立中于现场级，以策略为内核，把系统集成与实现的基础概念、方法和实现技术列为重点并兼顾管控一体化的实现基础。 本书可作为普通高等院校自动化、电气工程及其自动化、计算机应用、电子信息工程等专业及其相关专业的本科生、研究生及教师的教科书和教学参考书，也可作为广大科技工作者和工程技术人员的参考书。
1 计算机控制系统概论(1)1.1 计算机控制系统分类(1)1.1.1 典型的计算机控制系统(1)1.1.2 计算机控制系统分类(4)1.1.3 计算机控制系统的特点(9)1.2 计算机控制系统原理和组成(9)1.2.1 计算机控制系统基本原理(10)1.2.2 计算机控制系统的硬件组成(11)1.2.3 计算机控制系统的软件组成(13)1.3 计算机控制系统的性能及其指标(13)1.3.1 计算机控制系统的性能指标(13)1.3.2 控制对象对控制性能的影响(14)1.3.3 控制系统的工业控制机特点(15)1.4 计算机控制的发展与展望(16)1.4.1 现代计算机控制系统概论(16)1.4.2 新型控制策略与计算机控制系统(17)1.4.3 计算机控制系统软件技术的新发展(19)1.4.4 计算机控制系统的发展趋势(20)思考题和习题(22)2 过程输入输出通道技术(23)2.1 过程输入输出通道概述(23)2.1.1 模拟量输入通道的一般结构(23)2.1.2 模拟量输出通道的基本结构(24)2.1.3 开关量(数字量)输入通道的基本结构(24)2.1.4 开关量(数字量)输出通道的基本结构(25)2.2 数字量输入输出通道(25)2.2.1 数字量输入输出接口技术(25)2.2.2 数字量输入通道(26)2.2.3 数字量输出通道(28)2.3.模拟量输出通道(29)2.3.1 D/A转换器概述(29)2.3.2 常用D/A转换器及其接口技术(31)2.3.3 D/A转换模板(35)2.4 模拟量输入输出通道(38)2.4.1 模拟量输入通道中的信号变换(38)2.4.2 A/D转换器(39)2.4.3 常用A/D转换器及其接口技术(42)2.4.4 A/D转换模板(47)2.5 数据采集系统实例(51)2.5.1 数据采集系统的组成及基本功能(51)2.5.2 数据采集系统设计举例(52)思考题和习题(56)3 数字控制器的设计(57)3.1 概述(57)3.1.1 模拟化设计方法(58)3.1.2 离散化设计方法(58)3.1.3 两种方法的比较(58)3.2 模拟控制器的离散化(59)3.2.1 Z变换法(59)3.2.2 带有零阶保持器的Z变换法(60)3.2.3 差分变换法(60)3.2.4 双线性变换法(61)3.2.5 各种离散化方法的比较(63)3.3 数字PID控制(64)3.3.1 理想微分PID控制(64)3.3.2 实际微分PID控制(65)3.3.3 控制算法实施中的具体问题(69)3.4 数字PID控制算式的改进(73)3.4.1 微分先行(73)3.4.2 带死区的PID算法(73)3.4.3 积分分离PID算法(74)3.4.4 IPD算法(75)3.5 数字PID参数整定方法(75)3.5.1 PID控制器参数对系统性能的影响(76)3.5.2 采样周期T的选择(76)3.5.3 控制规律的选择(78)3.5.4 扩充比例度法(78)3.5.5 扩充响应曲线法（动态特性法）(80)3.5.6 衰减曲线法(80)3.5.7 数字PID的变参数整定(80)3.5.8 数字PID参数的最优整定(81)3.6 数字控制器的直接设计方法(83)3.6.1 最少拍随动系统设计(83)3.6.2 最少拍无纹波随动系统的设计(86)3.6.3 大林控制算法(89)3.7 数字控制器的计算机实现(94)3.7.1 直接型（Ⅰ）(94)3.7.2 直接型（Ⅱ）(95)3.7.3 串联型实现(96)3.7.4 并联型的实现(98)3.7.5 控制算法实现举例(99)3.7.6 控制算法的程序实现(100)思考题和习题(102)4 工业控制计算机组成概述(103)4.1 工业控制计算机及发展演变(103)4.1.1 工业控制计算机的组成结构及特点(103)4.1.2 工业控制机总线结构(106)4.1.3 工业控制机进展(117)4.2 总线工控机产品(119)4.2.1 IPC工业控制机(119)4.2.2 外围接口部件(123)4.2.3 工业控制系统中的人-机接口技术(127)4.2.4 嵌入式PC机(131)4.2.5 ADAM5510“嵌入式”控制器(137)4.3 可编程逻辑控制器（PLC）(142)4.3.1 PLC发展及工控特点(142)4.3.2 PLC产品概览(145)4.3.3 西门子(SIEMENS)可编程控制器(145)4.4 硬件系统集成应用(151)4.4.1 硬件组态集成概述(151)4.4.2 系统集成举例(153)思考题和习题(157)5 控制系统应用程序设计(158)5.1.工控机软件组成(158)5.1.1 系统软件(158)5.1.2 开发工具软件(161)5.1.3 应用软件(165)5.2 控制环节的软件思路(166)5.2.1 数据结构及其应用(166)5.2.2 测量数据预处理技术(170)5.2.3 数字控制器的工程实现(174)5.2.4 系统的有限字长数值问题(175)5.2.5 软件抗干扰技术(178)5.3 控制环节程序范例(181)5.3.1 标度变换程序(181)5.3.2 数字滤波程序(183)5.3.3 数字PID算法程序(184)5.3.4 串行通信程序(189)5.4 监控组态软件(193)5.4.1 概述(193)5.4.2 组态软件的功能简介(193)5.4.3 世纪星组态软件简介(195)5.4.4 组态软件应用(198)思考题和习题(200)6 计算机控制策略与实现(201)6.1 串级控制(201)6.2 前馈控制(202)6.2.1 基本概念(202)6.2.2 应用的举例(206)6.3 大纯滞后控制(208)6.3.1 Smith预估时间补偿(209)6.3.2 纯滞后采样控制(211)6.4 计算指标控制(214)6.5 超驰控制系统(217)6.6 Bang-Bang控制(218)6.6.1 概念(218)6.6.2 开关曲线(219)6.6.3 双模调节(221)6.7 预测控制(223)6.7.1 预测控制的结构形式(223)6.7.2 模型算法控制(224)6.7.3 动态矩阵控制(226)6.7.4 预测控制的性质(232)思考题和习题(233)7 计算机控制系统设计与实现(234)7.1 控制系统的工程设计方法(234)7.1.1 系统设计的原则(234)7.1.2 工程项目的确定(236)7.1.3 工程项目的设计(237)7.1.4 项目仿真与调试(238)7.2 控制系统可靠性技术(239)7.2.1 工业控制机的可靠性措施(239)7.2.2 控制系统的抗干扰措施(241)7.2.3 软件设计的可靠性措施(245)7.3 控制系统的设计与实现(246)7.3.1 系统总体方案设计(246)7.3.2 硬件的工程设计与实现(247)7.3.3 软件的工程设计与实现(249)7.3.4 系统的调试与运行(252)7.4 控制系统经济式设计与实现范例(255)7.4.1 概述(255)7.4.2 方案设计(255)7.4.3 硬软件设计与调试(256)7.5 控制系统集成式设计与实现范例(260)7.5.1 范例对象描述与需求分析(261)7.5.2 方案设计系统集成(262)思考题和习题(268)8 网络集成式分散控制系统(269)8.1 数据通信与工业网络(269)8.1.1 概述(269)8.1.2 网络标准与通信协议(271)8.1.3 工业控制网络结构与数据收发控制方式(274)8.1.4 工业网络的性能评价和选型(274)8.2 集散控制系统(276)8.2.1 DCS概述(276)8.2.2 DCS的分散过程控制级(280)8.2.3 DCS的集中操作监控级(282)8.2.4 DCS的综合信息管理级(282)8.2.5 TDCS3000集散控制系统简介(284)8.3 现场总线控制系统(285)8.3.1 现场总线概述(285)8.3.2 FCS体系结构(290)8.4 移动式混凝土厂拌设备FCS系统实例(292)8.4.1 概述(292)8.4.2 现场测控仪表设计与实现(294)8.4.3 控制系统及上位机设计(297)8.4.4 混凝土站网络集成式控制管理系统(299)思考题和习题(300)有关计算机控制系统的网站地址(301)参考文献(303)
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《计算机控制系统》可作为普通高等院校自动化、电气工程及其自动化、计算机应用、电子信息工程等专业及其相关专业的本科生、研究生及教师的教科书和教学参考书，也可作为广大科技工作者和工程技术人员的参考书。
