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本書分為基礎(chǔ)篇、技術(shù)篇和應(yīng)用篇。基礎(chǔ)篇介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，包括系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的描述方法、連續(xù)系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法的回顧、離散系統(tǒng)的分析、數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。技術(shù)篇介紹了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及其接口技術(shù)、過程通道技術(shù)、可靠性和抗干擾技術(shù)、控制系統(tǒng)中的軟件技術(shù)組態(tài)軟件，以及集成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)許多關(guān)鍵技術(shù)的集散控制系統(tǒng)DCS。應(yīng)用篇介紹了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的具體模式和實(shí)例，包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的多種解決方案及案例分析、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在簡單過程控制和流程工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用實(shí)例。為方便教學(xué)和自學(xué)，所有章節(jié)都有引言和小結(jié)，配有思考題與習(xí)題。其中，小結(jié)以知識點(diǎn)提要列出，以方便慕課、微課、微視頻、翻轉(zhuǎn)課堂等現(xiàn)代教學(xué)資源的制作。本書作為精品課程建設(shè)的組成部分，提供了公開的網(wǎng)絡(luò)資源，包括各章的教學(xué)課件、參考文獻(xiàn)和有關(guān)思考題與習(xí)題的指導(dǎo)信息，以便于廣大師生使用。本書可作為電子信息科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、電氣工程及自動(dòng)化、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的教材和有關(guān)工程技術(shù)人員的參考資料。

第2版前言

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是信息時(shí)代推動(dòng)自動(dòng)化發(fā)展的重要?jiǎng)恿�。信息技術(shù)又促進(jìn)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展。正如本書第1版中所述，進(jìn)入21世紀(jì)后，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用也越來越廣泛，目前正朝著微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和規(guī)范化方向發(fā)展。微型化嵌入式計(jì)算機(jī)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(shè)備、通信設(shè)備等。特別是隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(microelectronic mechanical system，MEMS)等技術(shù)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(shù)可以深入到傳統(tǒng)的機(jī)電技術(shù)難以進(jìn)入的領(lǐng)域。智能化控制器具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自診斷和自修復(fù)功能，控制質(zhì)量也進(jìn)一步提高。特別是隨著高性價(jià)比微控制器(microcontroller unit,MCU)的飛速發(fā)展，各種智能產(chǎn)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(luò)化使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重心由信息加工單元轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的信息傳輸�？刂葡到y(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，不僅可以對整個(gè)工廠的生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，而且也使得跨地域的大規(guī)�？刂频靡詫�(shí)現(xiàn)。以互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)與控制技術(shù)的深度融合，推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng) 時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)設(shè)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(jī)接口等，這些都為構(gòu)建不同架構(gòu)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(hù)成本。本書出版5年來，深受廣大讀者的歡迎和認(rèn)可。為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，秉承系統(tǒng)性、新穎性、應(yīng)用性和適用性的原則，本書進(jìn)行了第2版的修訂。第2版保留了第1版的章節(jié)結(jié)構(gòu)，全書分為基礎(chǔ)篇、技術(shù)篇和應(yīng)用篇，分別介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)的基本理論、主要技術(shù)和工程應(yīng)用。對各章節(jié)進(jìn)行修訂的主要內(nèi)容如下：基礎(chǔ)篇中的第1章增加了新的引例，以體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，更新了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的信息；第2章增加了利用MATLAB工具實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)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(shù)篇中的第4章增加了基于ARM Cortex架構(gòu)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(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的介紹，刪去了8位DAC的內(nèi)容；第6章介紹了電源管理技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)EPA的簡介。應(yīng)用篇中的第9章增加了常見計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)解決方案的比較小結(jié)；第10章優(yōu)化了PID參數(shù)整定的實(shí)驗(yàn)過程，給出了衰減曲線法整定的例子；第11章保留了兩個(gè)流程工業(yè)自動(dòng)化中的工程實(shí)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(bǔ)充了附錄企業(yè)網(wǎng)址和參考文獻(xiàn)�？紤]到信息時(shí)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(xué)習(xí)的需求也越來越高，現(xiàn)將第1版中全書各章小結(jié)改為以知識點(diǎn)提要的形式列出，這樣可有利于慕課、微課、微視頻、翻轉(zhuǎn)課堂等現(xiàn)代化教學(xué)資源的制作。本書作為精品課程建設(shè)的組成部分，繼續(xù)提供公開的網(wǎng)絡(luò)資源，包括各章的教學(xué)課件、參考文獻(xiàn)、思考題與習(xí)題的指導(dǎo)信息，可參見網(wǎng)址http://tec.suda.edu.cn中有關(guān)精品課程的鏈接。丁建強(qiáng)老師負(fù)責(zé)全書的修訂和統(tǒng)稿，重點(diǎn)修訂了第1章至第6章、第9章；盧亞平老師重點(diǎn)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(xiàn)資料及工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的技術(shù)手冊，受益匪淺，再次對相關(guān)作者表示敬意和感謝。同時(shí)，本書的修訂得到了清華大學(xué)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(chǔ)篇溯本而求源，溫故而知新第1章概述 1.1自動(dòng)控制的基本概念 1.1.1自動(dòng)控制的引例 1.1.2自動(dòng)控制中的基本問題 1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 1.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類 1.2.3計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及其發(fā)展 1.3課程的研究內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法 1.3.1研究內(nèi)容 1.3.2學(xué)習(xí)方法本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)題第2章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ) 2.1控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(yīng)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(shè)計(jì) 2.2.1連續(xù)系統(tǒng)的性能指標(biāo) 2.2.2連續(xù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)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(guān)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(yīng)表示的離散系統(tǒng)模型 2.3.5z變換及其性質(zhì) 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(dòng)態(tài)特性分析本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)題第3章數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3.1數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法 3.1.1近似設(shè)計(jì)法 3.1.2解析設(shè)計(jì)法 3.2離散化方法 3.2.1積分變換法 3.2.2零極點(diǎn)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(dòng)系統(tǒng) 3.4.1最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)的原理 3.4.2最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.4.3最少拍無紋波隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.5控制算法的實(shí)現(xiàn) 3.5.1實(shí)現(xiàn)框圖與算法 3.5.2串行實(shí)現(xiàn)與并行實(shí)現(xiàn) 本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)題技術(shù)篇工欲善其事，必先利其器第4章控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)及其接口技術(shù) 4.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 4.1.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu) 4.1.2嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī) 4.1.3典型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品 4.2控制系統(tǒng)中的接口技術(shù) 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(jī)交互技術(shù) 4.3.1人機(jī)交互及其要求 4.3.2人機(jī)交互的設(shè)計(jì)技術(shù) 4.4工業(yè)控制計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)簡介 4.4.1系統(tǒng)軟件 4.4.2應(yīng)用軟件本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)題第5章計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn) 5.1.3執(zhí)行器及其分類 5.1.4伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī) 5.1.5變頻器與電動(dòng)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(diǎn) 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(shí)現(xiàn) 5.3輸出通道 5.3.1輸出通道的基本結(jié)構(gòu) 5.3.2輸出通道中的開關(guān)信號驅(qū)動(dòng) 5.3.3輸出通道中的模擬信號驅(qū)動(dòng) 5.3.4電機(jī)控制本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)題第6章控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 6.1可靠性與抗干擾技術(shù)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(shè)計(jì)的基本途徑 6.2硬件的可靠性與抗干擾技術(shù) 6.2.1元器件與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 6.2.2濾波與去耦電路 6.2.3隔離與屏蔽技術(shù) 6.2.4電源干擾的抑制與接地技術(shù) 6.2.5電源管理和熱插拔技術(shù) 6.2.6Watchdog技術(shù) 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(shù) 6.3.1存儲(chǔ)空間分配和程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6.3.2數(shù)字濾波技術(shù) 6.3.3數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò) 6.3.4開機(jī)自檢與故障診斷本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)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(diǎn) 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(diǎn)和組成 7.2.2MCGS工程構(gòu)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(diǎn)和組成 7.3.2組態(tài)王軟件的構(gòu)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(diǎn)和組成 7.4.2力控軟件的構(gòu)成 7.4.3力控組態(tài)過程本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)題第8章集散控制系統(tǒng) 8.1DCS的產(chǎn)生與發(fā)展 8.1.1DCS的產(chǎn)生 8.1.2DCS的發(fā)展 8.1.3EPA現(xiàn)場總線 8.2DCS的體系結(jié)構(gòu) 8.2.1DCS的分層結(jié)構(gòu) 8.2.2DCS的硬件結(jié)構(gòu) 8.2.3DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 8.2.4DCS的軟件結(jié)構(gòu) 8.3WebField JX300XP控制系統(tǒng) 8.3.1概述 8.3.2JX300XP系統(tǒng)的組成 8.3.3JX300XP系統(tǒng)的硬件 8.3.4JX300XP系統(tǒng)的軟件本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)題應(yīng)用篇學(xué)以致用，用學(xué)相長第9章計(jì)算機(jī)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(diǎn) 9.1.2案例1：由嵌入式系統(tǒng)控制的全自動(dòng)洗衣機(jī) 9.2基于智能控制儀表的解決方案 9.2.1組成和特點(diǎn) 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(diǎn) 9.3.2案例3： PLC控制的工業(yè)洗衣機(jī) 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(diǎn) 9.4.2案例4：潮流水槽計(jì)算機(jī)檢測與控制系統(tǒng) 9.5基于可編程自動(dòng)化控制器的解決方案 9.5.1組成和特點(diǎn) 9.5.2案例5： PAC在橋梁健康檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)題第10章計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在簡單過程控制中的應(yīng)用 10.1實(shí)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(shí)驗(yàn)過程 10.2實(shí)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(shè)計(jì) 10.2.5PID整定實(shí)驗(yàn)過程本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)題第11章計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在流程工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用 11.1DCS在循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用 11.1.1工藝介紹 11.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11.1.3系統(tǒng)組態(tài) 11.1.4控制流程 11.1.5系統(tǒng)運(yùn)行 11.2DCS在大中型氮肥裝置中的應(yīng)用 11.2.1工藝介紹 11.2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11.2.3系統(tǒng)組態(tài) 11.2.4控制流程 11.2.5系統(tǒng)運(yùn)行本章知識點(diǎn) 思考題與習(xí)題附錄有關(guān)工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品及企業(yè)網(wǎng)址參考文獻(xiàn)

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