計算機控制系統(tǒng)

前言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜性與集成化程度的增加，計算機控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中已成為不可或缺的部分，這就要求從事自動控制的研究人員和工程技術(shù)人員在掌握自動控制理論和生產(chǎn)工藝流程原理的同時，必須掌握計算機控制系統(tǒng)的有關(guān)硬件、軟件、控制策略、數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等諸多方面的專門知識與技術(shù)，從而不但能夠分析與應(yīng)用，而且能夠設(shè)計并實施滿足實際工業(yè)生產(chǎn)過程需要的計算機控制系統(tǒng)。近二十多年來，計算機控制作為一門新興學(xué)科方向，從理論到技術(shù)飛速發(fā)展，知識更新很快。許多高等院校都面向本科高年級或研究生相應(yīng)地開設(shè)了“計算機控制系統(tǒng)”或“計算機控制系統(tǒng)與軟件”課程，以適應(yīng)形勢發(fā)展的需要?！队嬎銠C控制系統(tǒng)》一書便是作者在多年來講授該門課程的基礎(chǔ)上，在化學(xué)工業(yè)出版社的大力支持下，綜合了浙江大學(xué)控制系在教學(xué)與科研兩方面的經(jīng)驗，參考了國內(nèi)外大量的文獻和著作，按教材的形式進行編著的。書中不僅對計算機控制系統(tǒng)的概念，包括總體描述和基本構(gòu)成、接口技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、常用控制策略、軟件技術(shù)(數(shù)據(jù)庫技術(shù))、系統(tǒng)設(shè)計與實施技術(shù)等作了較為系統(tǒng)和全面的介紹，而且還用一定的篇幅，比較詳細地介紹了工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的一些熱點，如嵌入式系統(tǒng)、現(xiàn)場總線、企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)等。由于計算機技術(shù)與自動化技術(shù)的發(fā)展非常迅速，在編寫本書的過程中，作者一方面力求做到比較全面和系統(tǒng)地介紹計算機控制系統(tǒng)的特點，強調(diào)系統(tǒng)的整體概念、基礎(chǔ)理論與技術(shù)；另一方面注重突出先進性，介紹利用計算機控制系統(tǒng)實施先進的控制策略以及與其他學(xué)科的交叉應(yīng)用，并反映出自動化領(lǐng)域研究的熱點和發(fā)展的趨勢。同時，書中還通過一些已在實際中應(yīng)用的計算機控制系統(tǒng)實例來加強對有關(guān)技術(shù)問題的理解。盡量做到重點突出、層次分明、條理清晰，便于教學(xué)，便于自學(xué)。因此，本書不僅可以作為自動化、電氣工程及其自動化、機電一體化及計算機應(yīng)用等專業(yè)本科高年級學(xué)生和研究生的教材或教學(xué)參考書使用，還可以作為從事工業(yè)控制及相關(guān)領(lǐng)域工作人員的參考書和工具書。全書共分十章，第一章是緒論部分，第二章介紹計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，第三章介紹計算機控制系統(tǒng)的總線技術(shù)，第四章介紹計算機控制系統(tǒng)的接口技術(shù)，第五章介紹數(shù)據(jù)通信技術(shù)，第六章介紹計算機控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，第七章介紹計算機控制系統(tǒng)的常用控制策略，第八章介紹計算機控制系統(tǒng)的軟件技術(shù)，第九章介紹計算機控制系統(tǒng)的實施及一些應(yīng)用實例，第十章介紹流程工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)。作為教材，講授本書全部內(nèi)容約需要50～60學(xué)時。根據(jù)學(xué)時數(shù)的多少，可適當(dāng)增減授課內(nèi)容。書中有些章節(jié)內(nèi)容若已經(jīng)在前面的課程中學(xué)過，可以讓學(xué)生自己復(fù)習(xí)鞏固。如第二章基礎(chǔ)知識與第六章計算機網(wǎng)絡(luò)的某些小節(jié)的相關(guān)知識等。為體現(xiàn)該門課程應(yīng)具有的先進性、直觀性，大幅度增加課堂教學(xué)的信息量，并引導(dǎo)學(xué)生開闊思路，積極思考，主動參與教學(xué)與討論，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，作者編制了一套基于全書內(nèi)容的開放式電子教學(xué)輔助軟件，可供選擇該教材的老師在教學(xué)時使用。該軟件一方面可以根據(jù)教學(xué)時數(shù)的多少直接進行內(nèi)容的取舍，選用其中一部分或全部；一方面還可根據(jù)教學(xué)需要在其基礎(chǔ)上方便地自行進行內(nèi)容的增添或修改。本書是在2005年出版的同名教材第二版的基礎(chǔ)上，重新組織修訂的。修訂后全書的章節(jié)進行重新編排，內(nèi)容上既注意深度與先進性又注意與實際緊密結(jié)合,結(jié)構(gòu)更加合理。修訂版仍由王慧教授定稿。參加編寫與修訂工作的人員有王慧(第一章、第七章和第八章部分內(nèi)容)，趙豫紅(第二章、第九章和第十章內(nèi)容),劉泓(第三～六章和第八章部分內(nèi)容)。趙豫紅負責(zé)全書的統(tǒng)稿及書稿的全部事務(wù)性工作。在本書的成書與修訂過程中，自始至終得到了前輩周春暉先生、孫優(yōu)賢院士、錢積新教授、金以慧教授等過程控制界專家的熱心鼓勵和幫助，得到了浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)系、工業(yè)控制研究所的大力支持，書中的一些素材直接引自同事的一些技術(shù)報告和文獻,同事李江副教授參與了本書第一版、第二版的編著工作，在此均深表謝意!需要說明的是，書中的一些觀點僅代表作者的看法，由于能力與水平有限，本書難免存在著不妥之處，殷切希望讀者不吝賜教。王慧2011年7月于杭州浙大求是園

內(nèi)容概要

　　《計算機控制系統(tǒng)（第3版）》系《計算機控制系統(tǒng)》一書的第三版，比較全面地闡述了構(gòu)成計算機控制系統(tǒng)的各方面的理論知識與技術(shù)基礎(chǔ)?！队嬎銠C控制系統(tǒng)（第3版）》在精選第二版主要內(nèi)容的基礎(chǔ)上，修訂與增補了新的內(nèi)容，全書共分十章。主要內(nèi)容有：計算機控制系統(tǒng)的一般知識與概述；計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)；計算機控制系統(tǒng)中的總線技術(shù)；輸入輸出接口技術(shù)；數(shù)據(jù)通信技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（包括計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識、無線通信網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線技術(shù)等）；控制策略、模型預(yù)測控制和模糊控制，并對工程上的實現(xiàn)也作了介紹；軟件技術(shù)（包括數(shù)據(jù)庫技術(shù)、應(yīng)用軟件以及商品化的工業(yè)控制軟件等）。在介紹了基本的理論知識與技術(shù)基礎(chǔ)后，《計算機控制系統(tǒng)（第3版）》還詳盡地介紹了典型的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、方法以及不同規(guī)模的計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例，最后介紹了流程工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)（現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)）?！　　队嬎銠C控制系統(tǒng)（第3版）》深入淺出，內(nèi)容豐富，系統(tǒng)性強，不僅適合于高等院校自動化、電氣工程及其自動化、機電一體化及計算機應(yīng)用等相關(guān)專業(yè)高年級本科生或研究生作為“計算機控制系統(tǒng)”或相近課程的教材，同時也可供從事工業(yè)控制及相關(guān)領(lǐng)域工作人員參考?！　　队嬎銠C控制系統(tǒng)（第3版）》作者為了方便教學(xué)，已制作出可供電子教學(xué)用的投影版軟件。

書籍目錄

第一章 緒論1第一節(jié) 計算機控制系統(tǒng)的一般概念1一、計算機控制系統(tǒng)概述1二、計算機控制系統(tǒng)的組成2三、計算機控制系統(tǒng)的效益3第二節(jié) 計算機控制系統(tǒng)的分類4一、計算機巡回檢測和操作指導(dǎo)系統(tǒng)4二、計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC5三、計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC5四、計算機集散控制系統(tǒng)DCS6五、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS6六、工業(yè)過程的計算機集成制造系統(tǒng)(流程CIMS)7第三節(jié) 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)9一、設(shè)計與實施計算機控制系統(tǒng)的一般步驟9二、計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法9第四節(jié) 過程計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢10思考題與習(xí)題12第二章 計算機控制系統(tǒng)基礎(chǔ)13第一節(jié) 計算機控制系統(tǒng)的采樣及信號特點13一、計算機控制系統(tǒng)的信號形式13二、信號的采樣、采樣周期和采樣定理14三、信號的保持15第二節(jié) 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型16一、Z變換16二、計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型21第三節(jié) 離散控制系統(tǒng)的分析25一、系統(tǒng)的穩(wěn)定性25二、系統(tǒng)的可控性、可達性和可觀性、可檢測性26三、系統(tǒng)的靈敏性和魯棒性28思考題與習(xí)題30第三章 計算機控制系統(tǒng)中的總線技術(shù)32第一節(jié) 總線技術(shù)概論32一、總線的概念32二、總線的分類34三、總線的模板化結(jié)構(gòu)35四、總線的體系結(jié)構(gòu)35五、總線的控制方式37第二節(jié) RS232總線39一、RS232標(biāo)準的功能特性39二、RS232標(biāo)準的電氣特性40三、RS232的機械特性41四、RS232的常用連接方法41第三節(jié) RS449、RS422、RS423及RS485標(biāo)準43一、RS449標(biāo)準接口43二、RS422標(biāo)準接口44三、RS423標(biāo)準接口44四、RS485標(biāo)準接口45第四節(jié) SPI總線48一、SPI總線的組成48二、SPI總線的時序48三、SPI示例電路48第五節(jié) I2C總線49一、I2C總線的特點49二、I2C總線的工作原理49三、I2C示例電路51思考題與習(xí)題51第四章 計算機的輸入輸出接口技術(shù)52第一節(jié) 模擬量輸出接口52一、D/A轉(zhuǎn)換器原理及器件52二、D/A轉(zhuǎn)換器接口與隔離技術(shù)56三、D/A轉(zhuǎn)換模板的標(biāo)準化設(shè)計59第二節(jié) 模擬量輸入接口63一、A/D轉(zhuǎn)換原理及器件63二、A/D轉(zhuǎn)換器接口與隔離技術(shù)67三、A/D轉(zhuǎn)換模板的標(biāo)準化設(shè)計73第三節(jié) 開關(guān)量輸入輸出接口75一、開關(guān)量的概念及種類75二、開關(guān)量輸入接口76三、開關(guān)量輸出接口76四、開關(guān)量輸入輸出模板的標(biāo)準化設(shè)計76第四節(jié) 人機交互接口78一、鍵盤接口78二、顯示器接口79三、打印機接口87四、其他人機接口88思考題與習(xí)題91第五章 計算機控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信技術(shù)93第一節(jié) 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識93一、數(shù)據(jù)通信概述93二、數(shù)據(jù)傳輸方式96三、多路復(fù)用技術(shù)97四、數(shù)據(jù)交換技術(shù)98第二節(jié) 數(shù)據(jù)通信設(shè)備102一、通信適配器102二、調(diào)制解調(diào)器103三、通信介質(zhì)（媒質(zhì)）104第三節(jié) 數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯106一、奇/偶校驗106二、循環(huán)冗余校驗CRC107三、恒比碼109思考題與習(xí)題109第六章 計算機控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)110第一節(jié) 概述110一、計算機網(wǎng)絡(luò)的定義110二、計算機網(wǎng)絡(luò)的主要功能111三、計算機網(wǎng)絡(luò)的分類111四、計算機網(wǎng)絡(luò)的基本協(xié)議113第二節(jié) 計算機局域網(wǎng)絡(luò)114一、局域網(wǎng)絡(luò)和拓撲結(jié)構(gòu)114二、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)116第三節(jié) 計算機網(wǎng)絡(luò)互連及其協(xié)議118一、概述118二、網(wǎng)絡(luò)互連方法118三、網(wǎng)絡(luò)互連部件118四、廣域網(wǎng)和遠程網(wǎng)122五、Internet124第四節(jié) 控制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線130一、控制網(wǎng)絡(luò)130二、現(xiàn)場總線概述132三、現(xiàn)場總線標(biāo)準137四、具有代表性的現(xiàn)場總線140第五節(jié) 無線網(wǎng)絡(luò)通信151一、Zigbee技術(shù)151二、藍牙技術(shù)153三、WiFi技術(shù)154四、幾種無線通信技術(shù)的比較155第六節(jié) 控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)156一、控制系統(tǒng)中計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)156二、企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)管理158三、實施案例161思考題與習(xí)題162第七章 計算機控制系統(tǒng)中的控制策略164第一節(jié) 數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)處理164一、采樣數(shù)據(jù)的合理性判別及報警164二、數(shù)字濾波165三、數(shù)據(jù)處理167第二節(jié) 數(shù)字PID控制算法169一、標(biāo)準數(shù)字PID控制算法169二、數(shù)字PID控制算法的改進170三、數(shù)字PID控制的參數(shù)整定173四、PID控制回路的性能評估176第三節(jié) 基于數(shù)字PID控制的多回路控制系統(tǒng)177一、串級控制系統(tǒng)178二、前饋控制系統(tǒng)179三、純滯后補償控制系統(tǒng)180第四節(jié) 模型預(yù)測控制181一、模型預(yù)測控制的基本原理181二、動態(tài)矩陣控制(DMC)183三、模型算法控制(MAC)193四、廣義預(yù)測控制（GPC）198五、小結(jié)202第五節(jié) 模糊控制202一、預(yù)備知識202二、模糊控制的基本原理205三、模糊控制器的設(shè)計206四、模糊控制器的改進211五、模糊控制器的工業(yè)應(yīng)用舉例212第六節(jié) 控制策略的工程實現(xiàn)214一、給定值處理215二、被控量處理216三、偏差處理216四、控制策略的實現(xiàn)217五、控制量處理217六、自動/手動切換218思考題與習(xí)題219第八章 計算機控制系統(tǒng)軟件技術(shù)基礎(chǔ)221第一節(jié) 概述221一、計算機控制系統(tǒng)軟件技術(shù)基礎(chǔ)221二、計算機控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成222三、計算機控制系統(tǒng)軟件特點222第二節(jié) 面向計算機控制的操作系統(tǒng)223一、操作系統(tǒng)的功能和任務(wù)223二、操作系統(tǒng)的分類225三、實時操作系統(tǒng)226四、嵌入式操作系統(tǒng)228第三節(jié) 計算機控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫229一、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述229二、實時數(shù)據(jù)庫236三、分布式實時數(shù)據(jù)庫247第四節(jié) 數(shù)據(jù)庫的接口設(shè)計248第五節(jié) 計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件250一、計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件的需求250二、應(yīng)用軟件設(shè)計技術(shù)251三、應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境及平臺254四、計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計254五、商品化的工業(yè)控制軟件255思考題與習(xí)題256第九章 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施257第一節(jié) 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則和步驟257一、計算機控制系統(tǒng)設(shè)計原則257二、設(shè)計與實施過程計算機控制系統(tǒng)的步驟259第二節(jié) 計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施260一、計算機控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計260二、硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn)262三、軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn)263四、控制系統(tǒng)的調(diào)試與投運265第三節(jié) 過程計算機控制系統(tǒng)的抗干擾與可靠性技術(shù)266一、計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)266二、系統(tǒng)供電與接地技術(shù)269三、看門狗及其電源掉電檢測技術(shù)272第四節(jié) 計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例273一、典型長網(wǎng)紙機的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計實例273二、基于RTLinux和PC/104的微型無人空間飛行器控制系統(tǒng)280三、以工業(yè)控制計算機為核心的鍋爐控制系統(tǒng)284四、基于PLC與DCS的大中型計算機控制系統(tǒng)288五、結(jié)論295思考題與習(xí)題296第十章 流程工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)297第一節(jié) 概述297一、CIMS的概念與發(fā)展297二、流程工業(yè)CIMS與離散工業(yè)CIMS之比較300第二節(jié) 流程工業(yè)CIMS的體系結(jié)構(gòu)302一、流程工業(yè)CIMS的功能結(jié)構(gòu)及遞階控制層次302二、流程工業(yè)CIMS的體系結(jié)構(gòu)模型304三、基于三層結(jié)構(gòu)的流程工業(yè)現(xiàn)代集成制造體系結(jié)構(gòu)308四、間歇生產(chǎn)方式對流程工業(yè)CIMS的影響309第三節(jié) 流程工業(yè)CIMS的核心問題及關(guān)鍵技術(shù)310一、系統(tǒng)集成310二、系統(tǒng)優(yōu)化314三、建立CIMS集成環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)316四、實現(xiàn)流程工業(yè)CIMS功能集成的關(guān)鍵技術(shù)318第四節(jié) 流程工業(yè)CIMS設(shè)計示例322一、CIMS的體系結(jié)構(gòu)323二、實施效果325思考題與習(xí)題325附錄ASCII碼326一、非打印ASCII碼（控制代碼）326二、可打印ASCII碼（控制代碼）326三、按字節(jié)計算CRC的C語言程序示例327參考文獻329

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：計算機控制是一門實踐性非常強的技術(shù)，其效益只有通過所設(shè)計的計算機控制系統(tǒng)在實際工業(yè)過程成功地實施后才能獲得。而用于實際工業(yè)過程的計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)不但需要有自動控制理論和計算機控制技術(shù)作為基礎(chǔ)，而且需要熟悉被控工業(yè)過程，并對組成自動化系統(tǒng)所必需的自動化儀表有相當(dāng)?shù)牧私?。雖然工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)所控制的對象各不相同，控制方案與具體設(shè)計指標(biāo)也不同，然而系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的原則卻是相同的，即：可靠性高，操作性好，實時性強，具有一定的通用性（至少在同行業(yè)可以推廣），潛在經(jīng)濟效益高。一、設(shè)計與實施計算機控制系統(tǒng)的一般步驟設(shè)計與實現(xiàn)過程計算機控制系統(tǒng)的一般步驟可分成如下幾步。①總體設(shè)計在設(shè)計控制系統(tǒng)之前，要全面了解該被控工業(yè)過程，與工藝技術(shù)人員一起在需求分析的基礎(chǔ)上確定總體的控制方案，包括確定計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的被控變量、控制變量、檢測量及現(xiàn)場儀表安裝位置、報警參數(shù)等，并計算出系統(tǒng)總的資金投入與實施計算機控制系統(tǒng)后可獲得的社會效益和經(jīng)濟效益。②建立數(shù)學(xué)模型采用過程機理分析、系統(tǒng)辨識或兩者相結(jié)合的方法，建立被控對象的靜態(tài)和動態(tài)的數(shù)學(xué)模型，并在可能的條件下進行模型的校正。③控制系統(tǒng)綜合對設(shè)計的控制系統(tǒng)提出滿足一定經(jīng)濟指標(biāo)及技術(shù)指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，并尋求合適的滿足所提出目標(biāo)函數(shù)的控制規(guī)律。如，在最優(yōu)控制中廣泛采用二次型目標(biāo)函數(shù)，運用極大值原理或動態(tài)規(guī)劃，求出最優(yōu)控制律，使目標(biāo)函數(shù)取到極小值。這里往往利用已建好的數(shù)學(xué)模型，采用計算機輔助方法設(shè)計控制系統(tǒng)，并進行各種條件下的計算機數(shù)字仿真。④計算機硬件與控制系統(tǒng)工程化設(shè)計對計算機控制系統(tǒng)的硬件提出具體的設(shè)計要求，包括對計算機主機及相應(yīng)外部設(shè)備、過程信號檢測及變送儀表、過程輸入輸出接口設(shè)備、供電電源及機房、抗干擾措施等提出要求并予以實現(xiàn)。

編輯推薦

《計算機控制系統(tǒng)(第3版)》是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材,自動化國家級特色專業(yè)系列規(guī)劃教材之一。

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