计算机控制技术及其应用（第2版）_丁建强、任晓、卢亚平_9787302459903

计算机控制技术及其应用（第2版）

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丛书名：高等学校电子信息类专业系列教材

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本书分为基础篇、技术篇和应用篇。基础篇介绍了计算机控制系统的理论基础，包括系统数学模型的描述方法、连续系统分析设计方法的回顾、离散系统的分析、数字控制器的设计与实现等内容。技术篇介绍了工业控制计算机及其接口技术、过程通道技术、可靠性和抗干扰技术、控制系统中的软件技术组态软件，以及集成了计算机控制系统许多关键技术的集散控制系统DCS。应用篇介绍了计算机控制技术应用的具体模式和实例，包括计算机控制系统的多种解决方案及案例分析、计算机控制技术在简单过程控制和流程工业自动化中的应用实例。为方便教学和自学，所有章节都有引言和小结，配有思考题与习题。其中，小结以知识点提要列出，以方便慕课、微课、微视频、翻转课堂等现代教学资源的制作。本书作为精品课程建设的组成部分，提供了公开的网络资源，包括各章的教学课件、参考文献和有关思考题与习题的指导信息，以便于广大师生使用。本书可作为电子信息科学与技术、计算机科学与技术、电子信息工程、电气工程及自动化、测控技术与仪器等专业的教材和有关工程技术人员的参考资料。

第2版前言

计算机控制技术是信息时代推动自动化发展的重要动力。信息技术又促进了计算机控制技术的深入发展。正如本书第1版中所述，进入21世纪后，计算机控制技术越来越成熟，应用也越来越广泛，目前正朝着微型化、智能化、网络化和规范化方向发展。微型化嵌入式计算机已渗透到控制前端和底层，如各种传感器、执行器、过程通道、交互设备、通信设备等。特别是随着微电子机械系统(microelectronic mechanical system，MEMS)等技术的发展，器件的低成本、低功耗、高精度、微体积的特性越发显著，使得控制技术可以深入到传统的机电技术难以进入的领域。智能化控制器具有自适应、自学习、自诊断和自修复功能，控制质量也进一步提高。特别是随着高性价比微控制器(microcontroller unit,MCU)的飞速发展，各种智能产品、智能制造层出不穷，而这些MCU及其算法是智能化控制的灵魂。网络化使得控制系统的结构重心由信息加工单元转向系统的信息传输。控制系统的规模不断扩大，不仅可以对整个工厂的生产过程进行控制，而且也使得跨地域的大规模控制得以实现。以互联网为代表的新一代信息技术与控制技术的深度融合，推动了互联网时代的来临和发展。规范化要求控制系统的硬件和软件要有统一的标准，强调设备的互换性、系统的互连性。规范化使得控制系统的集成更为灵活，如各种规模的PLC可编程控制器、开放的组态软件、集成开发环境和资源库、各种通信协议、图形化人机接口等，这些都为构建不同架构的控制系统带来了方便，极大地提高了系统的开发效率，降低了系统的维护成本。本书出版5年来，深受广大读者的欢迎和认可。为了适应计算机控制技术的发展，秉承系统性、新颖性、应用性和适用性的原则，本书进行了第2版的修订。第2版保留了第1版的章节结构，全书分为基础篇、技术篇和应用篇，分别介绍计算机控制系统相关的基本理论、主要技术和工程应用。对各章节进行修订的主要内容如下：基础篇中的第1章增加了新的引例，以体现网络技术在控制系统中的应用，更新了计算机控制技术发展的信息；第2章增加了利用MATLAB工具实现模型转换和迭代法求解脉冲传递函数的例子；第3章优化了数字PID控制的参数整定方法，增加了衰减曲线法。技术篇中的第4章增加了基于ARM Cortex架构的32位MCU的简介，提供了PXI、CAN、Modbus接口信息；第5章增加了一体化步进伺服驱动系统的介绍，删去了8位DAC的内容；第6章介绍了电源管理技术，优化了Watchdog和数字滤波的说明；第7章增加了组态王和力控监控组态软件的介绍；第8章增加了现场总线国际标准EPA的简介。应用篇中的第9章增加了常见计算机控制系统解决方案的比较小结；第10章优化了PID参数整定的实验过程，给出了衰减曲线法整定的例子；第11章保留了两个流程工业自动化中的工程实例。另外，还修改和优化了各章节中文字、图片和表格，更新和补充了附录企业网址和参考文献。考虑到信息时代获取知识的途径越来越多，知识的表现形式越来越丰富，而且碎片化学习的需求也越来越高，现将第1版中全书各章小结改为以知识点提要的形式列出，这样可有利于慕课、微课、微视频、翻转课堂等现代化教学资源的制作。本书作为精品课程建设的组成部分，继续提供公开的网络资源，包括各章的教学课件、参考文献、思考题与习题的指导信息，可参见网址http://tec.suda.edu.cn中有关精品课程的链接。丁建强老师负责全书的修订和统稿，重点修订了第1章至第6章、第9章；卢亚平老师重点修订了第7章、第8章、第10章、第11章；任晓老师参与了全书的修订和核对工作。修订编写过程中，参考了大量同类书籍、文献资料及工业自动化产品的技术手册，受益匪浅，再次对相关作者表示敬意和感谢。同时，本书的修订得到了清华大学出版社的大力支持，也在此表示感谢。由于作者水平有限，书中难免还有不足之处，敬请广大读者批评指正。编者2017年1月

目录基础篇溯本而求源，温故而知新第1章概述 1.1自动控制的基本概念 1.1.1自动控制的引例 1.1.2自动控制中的基本问题 1.2计算机控制系统 1.2.1计算机控制系统的结构 1.2.2计算机控制系统的分类 1.2.3计算机控制技术及其发展 1.3课程的研究内容和学习方法 1.3.1研究内容 1.3.2学习方法本章知识点思考题与习题第2章计算机控制系统的理论基础 2.1控制系统的数学模型 2.1.1控制系统的描述方法 2.1.2用微分方程表示的系统模型 2.1.3用脉冲响应表示的系统模型 2.1.4拉普拉斯变换 2.1.5用传递函数表示的系统模型 2.1.6系统的方框图 2.1.7状态空间概念和模型框图 2.2连续系统的分析和设计 2.2.1连续系统的性能指标 2.2.2连续系统的分析和设计方法回顾 2.3离散系统的描述方法 2.3.1离散系统与连续系统的关系 2.3.2采样过程和采样定理 2.3.3序列和差分方程 2.3.4用脉冲响应表示的离散系统模型 2.3.5z变换及其性质 2.3.6脉冲传递函数 2.3.7离散系统的状态空间描述 2.3.8离散系统的其他描述方法 2.4离散系统的分析 2.4.1s平面和z平面之间的映射 2.4.2稳定性分析 2.4.3静态误差分析 2.4.4动态特性分析本章知识点思考题与习题第3章数字控制器的设计与实现 3.1数字控制器的设计方法 3.1.1近似设计法 3.1.2解析设计法 3.2离散化方法 3.2.1积分变换法 3.2.2零极点匹配法 3.2.3等效变换法 3.2.4离散化方法比较 3.3PID控制 3.3.1PID控制的原理 3.3.2数字PID控制算法 3.3.3数字PID控制的参数整定 3.4最少拍随动系统 3.4.1最少拍随动系统的原理 3.4.2最少拍随动系统的设计 3.4.3最少拍无纹波随动系统的设计 3.5控制算法的实现 3.5.1实现框图与算法 3.5.2串行实现与并行实现本章知识点思考题与习题技术篇工欲善其事，必先利其器第4章控制系统中的计算机及其接口技术 4.1工业控制计算机 4.1.1工业控制计算机的特点和结构 4.1.2嵌入式系统与单片机 4.1.3典型工业控制计算机的产品 4.2控制系统中的接口技术 4.2.1接口与总线 4.2.2并行接口 4.2.3串行接口 4.2.4现场总线 4.3控制系统中的人机交互技术 4.3.1人机交互及其要求 4.3.2人机交互的设计技术 4.4工业控制计算机软件系统简介 4.4.1系统软件 4.4.2应用软件本章知识点思考题与习题第5章计算机控制系统中的过程通道 5.1传感器与执行器 5.1.1传感器和变送器 5.1.2IEEE 1451智能变换器标准 5.1.3执行器及其分类 5.1.4伺服电机和步进电机 5.1.5变频器与电动执行器 5.2输入通道 5.2.1控制系统中的信号种类及特点 5.2.2数字量信号处理方式 5.2.3模拟量信号处理方式 5.2.4数据采集的原理和实现 5.3输出通道 5.3.1输出通道的基本结构 5.3.2输出通道中的开关信号驱动 5.3.3输出通道中的模拟信号驱动 5.3.4电机控制本章知识点思考题与习题第6章控制系统的可靠性与抗干扰技术 6.1可靠性与抗干扰技术的基本概念 6.1.1可靠性的概念 6.1.2电磁兼容性 6.1.3噪声的分类和耦合方式 6.1.4控制系统可靠性设计的基本途径 6.2硬件的可靠性与抗干扰技术 6.2.1元器件与系统结构 6.2.2滤波与去耦电路 6.2.3隔离与屏蔽技术 6.2.4电源干扰的抑制与接地技术 6.2.5电源管理和热插拔技术 6.2.6Watchdog技术 6.2.7印制板的抗干扰措施 6.3软件的可靠性与抗干扰技术 6.3.1存储空间分配和程序结构的设计 6.3.2数字滤波技术 6.3.3数据的检错和纠错 6.3.4开机自检与故障诊断本章知识点思考题与习题第7章控制系统的组态软件 7.1工控组态软件概述 7.1.1组态软件及其特点 7.1.2组态软件的功能 7.1.3组态软件的发展 7.2MCGS组态软件 7.2.1MCGS组态软件的特点和组成 7.2.2MCGS工程构成 7.2.3MCGS组态过程 7.3组态王组态软件 7.3.1组态王软件的特点和组成 7.3.2组态王软件的构成 7.3.3组态王组态过程 7.4力控监控组态软件 7.4.1力控软件的特点和组成 7.4.2力控软件的构成 7.4.3力控组态过程本章知识点思考题与习题第8章集散控制系统 8.1DCS的产生与发展 8.1.1DCS的产生 8.1.2DCS的发展 8.1.3EPA现场总线 8.2DCS的体系结构 8.2.1DCS的分层结构 8.2.2DCS的硬件结构 8.2.3DCS的网络结构 8.2.4DCS的软件结构 8.3WebField JX300XP控制系统 8.3.1概述 8.3.2JX300XP系统的组成 8.3.3JX300XP系统的硬件 8.3.4JX300XP系统的软件本章知识点思考题与习题应用篇学以致用，用学相长第9章计算机控制系统的解决方案 9.1基于嵌入式系统的解决方案 9.1.1组成和特点 9.1.2案例1：由嵌入式系统控制的全自动洗衣机 9.2基于智能控制仪表的解决方案 9.2.1组成和特点 9.2.2案例2：基于智能控制仪表的电阻炉温度控制系统 9.3基于可编程逻辑控制器的解决方案 9.3.1组成和特点 9.3.2案例3： PLC控制的工业洗衣机 9.4基于分布式数据采集与控制模块的解决方案 9.4.1组成和特点 9.4.2案例4：潮流水槽计算机检测与控制系统 9.5基于可编程自动化控制器的解决方案 9.5.1组成和特点 9.5.2案例5： PAC在桥梁健康检测系统中的应用本章知识点思考题与习题第10章计算机控制技术在简单过程控制中的应用 10.1实例1：水箱液位控制 10.1.1被控对象和控制方案 10.1.2硬件组成 10.1.3组态过程 10.1.4PID整定实验过程 10.2实例2：锅炉温度控制 10.2.1被控对象和控制方案 10.2.2硬件组成 10.2.3组态过程 10.2.4PID算法设计 10.2.5PID整定实验过程本章知识点思考题与习题第11章计算机控制技术在流程工业自动化中的应用 11.1DCS在循环流化床锅炉中的应用 11.1.1工艺介绍 11.1.2系统设计 11.1.3系统组态 11.1.4控制流程 11.1.5系统运行 11.2DCS在大中型氮肥装置中的应用 11.2.1工艺介绍 11.2.2系统设计 11.2.3系统组态 11.2.4控制流程 11.2.5系统运行本章知识点思考题与习题附录有关工业自动化产品及企业网址参考文献

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