計算機控制系統(tǒng)

前言

本書是作者在早期出版的《微型計算機控制系統(tǒng)》和《微型計算機控制技術(shù)》基礎(chǔ)上，綜合了近年來作者在北方工業(yè)大學(xué)現(xiàn)場總線技術(shù)及自動化北京市重點實驗室的科研成果，吸收了國內(nèi)外先進控制理論、技術(shù)和方法，經(jīng)過反復(fù)修改和總結(jié)編著定稿的。本書被評為北京市精品立項教材。本書系統(tǒng)地闡述了計算機控制系統(tǒng)的組成原理、控制結(jié)構(gòu)、設(shè)計方法和實現(xiàn)方法，重視理論聯(lián)系實際，重視解決工程實際中出現(xiàn)的問題。在編寫過程中，本書盡量做到重點突出、層次分明、條例清晰，并列舉了大量工程實用技術(shù)和應(yīng)用實例，建立了一套比較完整、科學(xué)和實用的計算機控制系統(tǒng)分析、設(shè)計和實現(xiàn)的基本體系。全書共12章。第1章是對計算機控制系統(tǒng)的簡要概述，包括計算機控制系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)、特點、分類與發(fā)展前景等。第2章講述了計算機控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，包括計算機控制系統(tǒng)的信號變換、數(shù)學(xué)描述方法、脈沖傳遞函數(shù)及其系統(tǒng)分析等。隨后的幾章介紹了幾種數(shù)字控制器的設(shè)計方法：第3章是數(shù)字PID控制，包括基本PID算法、改進PID算法、：PID參數(shù)整定方法以及自抗擾控制器；第4章是直接數(shù)字控制器，包括控制器的設(shè)計原理、最少拍控制、大林算法以及控制器的實現(xiàn)方法；第5章是基于狀態(tài)空間模型的設(shè)計方法，包括狀態(tài)空間模型描述、能控性、能觀性與穩(wěn)定性分析、狀態(tài)反饋控制、狀態(tài)觀測器設(shè)計與最優(yōu)二次型控制等內(nèi)容；第6章是模型預(yù)測控制，包括模型預(yù)測控制的基本原理和幾種典型的預(yù)測控制方法；第7章是模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制，包括模糊控制原理、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和單神經(jīng)元PID控制方法。第8章～第10章介紹了計算機控制的技術(shù)實現(xiàn)問題：第8章是過程輸入輸出通道，包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道以及通道中隔離電路的設(shè)計；第9章是人機接口技術(shù)，包括各種信息輸入、輸出裝置以及鍵盤顯示器的典型接口電路；第10章是抗干擾技術(shù)，包括計算機控制系統(tǒng)中干擾的來源和分類以及抗干擾的措施。第1l章講述了微型計算機控制系統(tǒng)的工程設(shè)計，包括設(shè)計的方法和步驟以及全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)、全數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)、數(shù)字呼吸機控制系統(tǒng)等四個應(yīng)用實例。第12章介紹了工業(yè)控制計算機和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，包括工控機系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等內(nèi)容。本書第1章～第4章、第8章、第11章由孫德輝教授編寫，第5章一第7章由李志軍副教授編寫，第9章、第10章、第12章由史運濤副教授編寫，劉大千、李月恒參與了編寫和修訂。本書可以作為自動化、電氣工程和計算機應(yīng)用等專業(yè)高年級本科生和研究生的教材，也可作為廣大科研和工程技術(shù)人員的參考書。由于作者水平有限，書中內(nèi)容難免存在一些缺點和不足，殷切希望廣大讀者批評指正。

內(nèi)容概要

《計算機控制系統(tǒng)》對計算機控制系統(tǒng)的基本概念、組成原理、設(shè)計方法及應(yīng)用進行了全面和系統(tǒng)的論述，主要內(nèi)容包括計算機控制系統(tǒng)概述、計算機控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、數(shù)字PID控制器、直接數(shù)字控制器、基于狀態(tài)空間模型的設(shè)計方法、模型預(yù)測控制、模糊控制與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、過程輸入輸出通道、人機接口與抗干擾技術(shù)、微型計算機控制系統(tǒng)的工程設(shè)計、工業(yè)控制計算機和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。　　《計算機控制系統(tǒng)》是作者在早期出版的《微型計算機控制系統(tǒng)》和《微型計算機控制技術(shù)》基礎(chǔ)上，結(jié)合了作者近年來的教學(xué)和科研成果，吸收了國內(nèi)外先進控制理論、技術(shù)和方法編寫而成的。《計算機控制系統(tǒng)》重視理論聯(lián)系實際，列舉了大量工程實用技術(shù)和應(yīng)用實例，可作為自動化、電氣工程和計算機應(yīng)用等專業(yè)高年級本科生和研究生的教材，也可作為廣大科研和工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第1章 計算機控制系統(tǒng)概述　1.1 計算機控制系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與特點　　1.1.1 計算機控制系統(tǒng)的組成　　1.1.2 計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)　　1.1.3 計算機控制系統(tǒng)的特點　1.2 計算機控制系統(tǒng)的分類　　1.2.1 計算機操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)　　1.2.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)　　1.2.3 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)　　1.2.4 集散控制系統(tǒng)　　1.2.5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)　　1.2.6 計算機集成制造控制系統(tǒng)　1.3 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展前景　　1.3.1 開放化　　1.3.2 小型化　　1.3.3 智能化第2章 計算機控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)　2.1 計算機控制系統(tǒng)的信號變換　　2.1.1 信號的種類　　2.1.2 A／D轉(zhuǎn)換器與采樣定理　　2.1.3 D／A轉(zhuǎn)換器與保持器　　2.1.4 計算機控制系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)圖　2.2 線性離散控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述方法　　2.2.1 差分方程　　2.2.2 Z變換　　2.2.3 Z變換的基本定理　　2.2.4 Z反變換　　2.2.5 用Z變換解差分方程　2.3 脈沖傳遞函數(shù)　　2.3.1 脈沖傳遞函數(shù)的定義　　2.3.2 脈沖傳遞函數(shù)的求法　　2.3.3 離散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的等效變換　2.4 線性離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差　　2.4.1 穩(wěn)定性　　2.4.2 穩(wěn)態(tài)誤差第3章 數(shù)字Pm控制器　3.1 數(shù)字控制器的設(shè)計方法　　3.1.1 計算機控制系統(tǒng)的等效結(jié)構(gòu)圖　　3.1.2 數(shù)字控制器的間接設(shè)計方法　3.2 PID控制算法　　3.2.1 模擬PID控制器　　3.2.2 數(shù)字：PID控制器　3.3 PID算法的幾種改進形式　　3.3.1 帶有死區(qū)的PID控制算法　　3.3.2 抗積分飽和的PID算法　　3.3.3 不完全微分的PID控制算法　　3.3.4 對象具有純滯后的PHD控制　　　3.4 PID控制器的參數(shù)整定　　3.4.1 經(jīng)驗法　　3.4.2 試湊法　　3.4.3 擴充臨界比例帶法　　3.4.4 擴充階躍響應(yīng)法　　3.4.5 參數(shù)尋優(yōu)方法　　3.4.6 自整定PID算法　3.5 自抗擾控制器　　3.5.1 PID控制器的缺點　　3.5.2 自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)　　3.5.3 仿真實例第4章 數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法第5章 基于狀態(tài)空間方程的設(shè)計方法第6章 模型預(yù)測控制第7章 模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制第8章 過程輸入輸出通道第9章 人機接口技術(shù)第10章 抗干擾技術(shù)第11章 微型計算機控制系統(tǒng)的工程設(shè)計第12章 工控機系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)附錄　哪計算程序參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：（1）直接控制層軟件——完成系統(tǒng)的直接控制功能；（2）監(jiān)督控制層軟件——完成系統(tǒng)的監(jiān)督控制和人機界面功能；（3）高層管理軟件——完成系統(tǒng)的高層生產(chǎn)調(diào)度管理功能。這三個層次的軟件分別具有自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和圍繞各自數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理程序，以實現(xiàn)各個層次的功能。各個層次的軟件之間通過網(wǎng)絡(luò)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和功能協(xié)調(diào)，低層軟件為高層軟件提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持，而系統(tǒng)則通過逐層提高的軟件實現(xiàn)比低一層軟件更多的功能和控制范圍。從數(shù)據(jù)本身所代表的物理意義來看，底層數(shù)據(jù)比較簡單，它們主要反映的是測量值，主要是作為控制計算的原始數(shù)據(jù)；而高層數(shù)據(jù)則逐級增加復(fù)雜程度，監(jiān)督控制層的數(shù)據(jù)除反映測量值外，還要反映生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)，為操作人員掌握生產(chǎn)過程提供依據(jù)，因此需要增加很多特性，這就要對直接控制層提供的數(shù)據(jù)進行進一步的篩選和加工，使這些數(shù)據(jù)具備所需的特性；在高級管理層，原始數(shù)據(jù)除了要反映其測量值、生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)外，還要反映生產(chǎn)調(diào)度信息、生產(chǎn)質(zhì)量信息及設(shè)備管理信息等，為生產(chǎn)管理人員和企業(yè)經(jīng)營人員提供經(jīng)營管理信息，因此還要對監(jiān)督控制層提供的數(shù)據(jù)再次進行篩選和加工，并且還要派生出一些新的數(shù)據(jù)，使其攜帶所需的信息。這種逐級增加并不斷豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容的體系結(jié)構(gòu)正是現(xiàn)代DCS的最大特點。按照上述的三個功能層次，系統(tǒng)將具有直接控制、監(jiān)督控制和高級管理這三個層次的數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫將分布在不同的節(jié)點上，因此需要通過各個節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)通信軟件將各個層次的數(shù)據(jù)庫聯(lián)系在一起，并對數(shù)據(jù)內(nèi)涵的逐級豐富提供網(wǎng)絡(luò)支持。因此，可以說一個DCS系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)，主要決定于數(shù)據(jù)庫的組織方式和各個功能節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)通信方式，這兩個要素的不同，決定了各家DCS的軟件體系結(jié)構(gòu)，而且也造成了各家DCS的特點、性能及使用等諸方面的不同。DCS中的數(shù)據(jù)庫有其自己的特點：（1）DCS這樣的實時系統(tǒng)中，特別是直接控制層和監(jiān)督控制層的數(shù)據(jù)庫主要是指實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫比較注重數(shù)據(jù)訪問的實時性，因此實時數(shù)據(jù)庫都是建立在內(nèi)存之中的，其容量也不是很大，一般在MB數(shù)量級。實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都比較簡單。（2）I）CS的數(shù)據(jù)庫是分布結(jié)構(gòu)，借助網(wǎng)絡(luò)通信才能夠?qū)崿F(xiàn)各種所期望的功能。例如，DCS中所有的現(xiàn)場I／0被分在若干現(xiàn)場控制站中，絕大部分的直接控制功能均可從本站得到原始數(shù)據(jù)，但也必然有一小部分功能要使用到不在本站的數(shù)據(jù)，這就需要進行引用，即通過網(wǎng)絡(luò)將其他站的數(shù)據(jù)讀取過來參加控制計算。如何才能夠保證這種引用達到快速、準確及盡量少地占用網(wǎng)絡(luò)資源，這就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計所要解決的問題，其中包括網(wǎng)絡(luò)的規(guī)約、網(wǎng)絡(luò)通信的方式、物理I／0點的分站設(shè)計及各類功能軟件如何分布的設(shè)計等。通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，各個實時數(shù)據(jù)庫將最新的數(shù)據(jù)廣播到各個操作員站上，以實現(xiàn)全局數(shù)據(jù)庫的刷新。隨著DCS規(guī)模的不斷擴大和系統(tǒng)監(jiān)控功能的不斷加強，DCS逐步演變成帶有服務(wù)器的Chent／Sever結(jié)構(gòu)，而全局數(shù)據(jù)庫也成為一種單備份的集中數(shù)據(jù)庫形式。各個現(xiàn)場控制站通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對服務(wù)器的全局數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實時更新，而操作員站和其他專用功能節(jié)點則通過更高一層的網(wǎng)絡(luò)（在物理上可以與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是同一個網(wǎng)絡(luò)）從服務(wù)器上取得數(shù)據(jù)以實現(xiàn)本節(jié)點的功能，或在本節(jié)點上保存一個全局數(shù)據(jù)庫的子集，通過實時更新的方法以滿足本節(jié)點的功能對數(shù)據(jù)的需求。

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