計算機控制技術

前言

近些年來，計算機控制技術在工業(yè)生產及其它相關領域的應用得到了飛速的發(fā)展。計算機控制技術的相關知識不僅是電氣信息類專業(yè)學生知識結構的最主要部分之一，同時已經(jīng)成為工科各專業(yè)學生常用的必備知識。為了能夠更好地完成計算機控制技術類課程的教學任務，在總結作者多年來教學和科研經(jīng)驗的基礎上，吸取了作者以前出版相關教材的經(jīng)驗，參考教育部高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會制定的“高等學校本科自動化指導性專業(yè)規(guī)范”中對三種類型（研究主導型、工程研究應用型和應用技術主導型）自動化專業(yè)知識領域的基本要求，編寫了本教材。該課程的教學可以由各校教師根據(jù)教學大綱的要求在50－70學時調整實施。本教材內容圍繞著計算機閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)這一主線，以計算機控制系統(tǒng)的硬件結構和軟件算法為核心，由淺人深地對相關基本理論和應用加以闡述。作者力求將復雜的技術問題按照讀者容易理解的方式敘述出來。書中注重理論和實際應用的結合，在強調工程應用的基礎上適當減少總篇幅，充實和擴展了一些現(xiàn)代工業(yè)控制應用中的新方法和新理論，注意加強解決工程實際問題基本方法的介紹。教材編寫中參考了許多學校的教學大綱，注意到了本課程與其它專業(yè)基礎課和專業(yè)課在內容上的分工和交叉，內容注意系統(tǒng)性和層次劃分，在有利于教師對不同層次和專業(yè)授課的靈活取材的同時也有利于讀者自學或作為參考書。使用本教材教學時要求的先行課為“自動控制理論”、“微機原理與接口技術”等。后續(xù)或平行的限選和任選課程可以有“控制系統(tǒng)數(shù)字仿真”、“過程控制系統(tǒng)”、“可編程控制器原理”、“現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)”和“集散控制系統(tǒng)”等。本教材第一章由湯楠和穆向陽老師共同編寫，第二章由程為彬老師編寫，第三章由高煒欣老師編寫，第四章由穆向陽老師編寫，第五章由霍愛清老師編寫，第六章由霍愛清和汪躍龍老師共同編寫，第七章由湯楠老師編寫，第八章由汪躍龍老師編寫，最后由湯楠、穆向陽老師統(tǒng)稿。在本教材的編寫過程中，得到了許多同事和同行的關心和幫助，在此表示真誠的感謝。另外，由于作者水平所限，書中難免存在缺點和不足之處，殷切希望廣大讀者批評指正。

內容概要

　　本書以計算機控制技術與控制理論有機結合為基礎，圍繞著計算機閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)這一主線，由淺入深地對計算機控制技術的有關基本理論和應用加以闡述。本書的主要特點是注意加強解決工程實際問題基本方法的介紹；注重理論和實際應用的結合；增加應用實例；結合典型控制系統(tǒng)，介紹和論述計算機控制系統(tǒng)的原理、分析設計方法和應用技術。 　　本書主要介紹計算機控制系統(tǒng)的輸入輸出通道技術、數(shù)字控制器的設計、計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。書中注意本科階段“計算機控制技術”課程與其它專業(yè)基礎課程和專業(yè)課程的交叉重復部分的處理；充實和擴展了一些現(xiàn)代工業(yè)控制應用中的新方法和新理論；適當考慮了計算機輔助設計和分析的相關內容；注意系統(tǒng)性和層次劃分，使其在有利于教師對不同層次學生授課的靈活取材的同時也有利于讀者自學?！　”緯勺鳛槠胀ǜ叩仍盒Ｗ詣踊?、電氣工程及其自動化、計算機應用、電子信息工程等專業(yè)及其相關專業(yè)的本科生或研究生的教科書或教學參考書，也可作為廣大科技工作者和工程技術人員的參考書。

書籍目錄

第一章　緒論　1.1　計算機控制系統(tǒng)的基本概念　　1.1.1　計算機控制系統(tǒng)的定義　　1.1.2　計算機控制的發(fā)展概況　　1.1.3　計算機控制系統(tǒng)的組成　1.2　計算機控制系統(tǒng)的分類與特點　　1.2.1　計算機控制系統(tǒng)的分類　　1.2.2　計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展　　1.2.3　計算機控制系統(tǒng)的特點　　1.2.4　工業(yè)控制計算機的要求　1.3　計算機控制系統(tǒng)仿真技術　習題第二章　過程輸入/輸出通道　2.1　概述　　2.1.1　過程通道的分類及基本結構　　2.1.2　人機接口及其應用　2.2　采樣與量化　　2.2.1　采樣過程與采樣定理　　2.2.2　量化與復現(xiàn)重構　　2.2.3　采樣周期的選擇　2.3　模擬量輸入通道　　2.3.1　模擬量輸入通道的組成　　2.3.2　A/D轉換器及接口　　2.3.3　多路轉換器　　2.3.4　采樣與保持　2.4　模擬量輸出通道　　2.4.1　多路模擬輸出的結構形式　　2.4.2　D/A轉換接口技術　2.5　數(shù)字量輸入/輸出通道　　2.5.1　數(shù)字量輸入通道　　2.5.2　數(shù)字量輸出通道　　2.5.3　數(shù)字量接口典型應用　2.6　工業(yè)控制計算機I/O模板　　2.6.1　概述　　2.6.2　典型應用　本章小節(jié)　習題第三章　數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理　3.1　概述　　3.1.1　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結構和功能　　3.1.2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展　3.2　數(shù)字濾波　　3.2.1　程序判斷濾波　　3.2.2　算術平均濾波　　3.2.3　加權平均濾波　　3.2.4　中值濾波　　3.2.5　慣性濾波　　3.2.6　復合濾波　　3.2.7　高通濾波　　3.2.8　帶通濾波　　3.2.9　數(shù)字濾波小結　3.3　線性化處理　　3.3.1　計算法　　3.3.2　查表法與插值逼近　　3.3.3　折線近似　3.4　誤差修正和標度變換　　3.4.1　誤差修正　　3.4.2　標度變換　3.5　應用實例——二級分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)　　3.5.1　系統(tǒng)功能　　3.5.2　系統(tǒng)硬件組成　　3.5.3　系統(tǒng)軟件組成　本章小結　習題第四章　程序控制和數(shù)值控制　4.1　微型計算機順序控制器　　4.1.1　順序控制　　4.1.2　順序控制器　4.2　數(shù)字程序控制　　4.2.1　微機數(shù)控系統(tǒng)的組成與分類　　4.2.2　數(shù)值控制的基本原理　　4.2.3　逐點比較法插補原理　4.3　步進電機的控制　　4.3.1　步進電機的工作原理　　4.3.2　步進電機控制系統(tǒng)原理　　4.3.3　步進電機控制程序的設計　　4.3.4　步進電機變速控制程序　　4.3.5　單片機步進電機應用舉例　本章小結　習題第五章　控制規(guī)律的離散化設計　5.1　最小拍控制器設計　　5.1.1　最小拍有紋波控制器的設計原理與設計方法　　5.1.2　最小拍有紋波系統(tǒng)存在的主要問題　　5.1.3　最小拍無紋波控制器設計　5.2　數(shù)字控制器的計算機實現(xiàn)　　5.2.1　直接程序法　　5.2.2　串行程序法　　5.2.3　并行程序法　　5.2.4　小結及例題　5.3　應用實例——示教機械手控制　　5.3.1　工作原理　　5.3.2　數(shù)字調節(jié)器的設計與實現(xiàn)　本章小結　習題第六章　控制規(guī)律的模擬化設計　6.1　概述　　6.1.1　模擬化設計方法的主要特點　　6.1.2　模擬化設計方法的分類　　6.1.3　模擬化設計方法的基本條件　6.2　基本數(shù)字PID控制　　6.2.1　位置式PID　　6.2.2　增量式PID　　6.2.3　幾種基本PID算法的比較　6.3　數(shù)字PID的改進　　6.3.1　抑制積分飽和的方法　　6.3.2　抑制干擾的方法　　6.3.3　帶死區(qū)的PID算法　　6.3.4　阻尼PID算法　　6.3.5　采樣PID算法　6.4　模擬校正網(wǎng)絡的數(shù)字濾波器實現(xiàn)　　6.4.1　沖激響應不變法　　6.4.2　零—極點匹配法　　6.4.3　零階保持器法　　6.4.4　雙線性變換法　　6.4.5　差分變換法　　6.4.6　幾種離散化方法的比較　6.5　MATLAB語言在數(shù)字控制器模擬化設計中的應用　6.6　應用舉例——隧道窯計算機控制系統(tǒng)　　6.6.1　控制系統(tǒng)的功能　　6.6.2　硬件系統(tǒng)的組成　　6.6.3　軟件系統(tǒng)的設計　本章小結　習題第七章　復雜控制規(guī)律的設計　7.1　大林（Dahlin）算法　　7.1.1　適用對象　　7.1.2　期望設計目標　　7.1.3　設計步驟　　7.1.4　振鈴現(xiàn)象及其消除　7.2　史密斯（Smith）預估控制　　7.2.1　Smith預估控制原理　　7.2.2　Smith預估控制算法的數(shù)字實現(xiàn)　　7.2.3　Dahlin算法和Smith預估控制的比較　7.3　串級控制　　7.3.1　串級控制系統(tǒng)的工作原理　　7.3.2　串級控制系統(tǒng)的特點　　7.3.3　串級控制的數(shù)字實現(xiàn)　　7.3.4　串級控制系統(tǒng)的設計　　7.3.5　串級控制系統(tǒng)控制規(guī)律的選擇　　7.3.6　串級控制系統(tǒng)的整定　7.4　前饋控制　　7.4.1　前饋控制系統(tǒng)的概念　　7.4.2　前饋控制系統(tǒng)的完全補償算法　　7.4.3　前饋控制系統(tǒng)的特點　　7.4.4　前饋反饋控制系統(tǒng)　7.5　應用實例　　7.5.1　合成氨溫度控制系統(tǒng)　　7.5.2　鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)　本章小結　習題第八章　計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)　8.1　計算機控制系統(tǒng)設計的基本方法和步驟　　8.1.1　系統(tǒng)設計的基本步驟　　8.1.2　系統(tǒng)的總體設計和可行性評價　　8.1.3　控制主機和I/O通道的選擇　　8.1.4　控制算法的確定與應用程序設計　　8.1.5　系統(tǒng)的調試與試運行　8.2　計算機控制系統(tǒng)的可靠性　　8.2.1　概述　　8.2.2　系統(tǒng)硬件的可靠性　　8.2.3　系統(tǒng)軟件的可靠性　8.3　計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術　　8.3.1　干擾源及其傳播路徑　　8.3.2　空間抗干擾措施　　8.3.3　I/O通道抗干擾措施　　8.3.4　電源系統(tǒng)抗干擾措施　　8.3.5　地線配置抗干擾措施　　8.3.6　軟件系統(tǒng)抗干擾措施　8.4　應用舉例——工業(yè)過程控制系統(tǒng)　　8.4.1　控制系統(tǒng)的功能　　8.4.2　硬件系統(tǒng)的組成　　8.4.3　軟件系統(tǒng)的設計　本章小結　習題參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：計算機控制技術在第二次世界大戰(zhàn)末開始用于軍事領域。20世紀50年代初開始在工業(yè)生產的自動測量和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中得到應用。1959年在美國德克薩斯州的波特阿瑟（PortArthur）煉油廠實現(xiàn)了聚合裝置的以數(shù)據(jù)處理和操作指導為主要內容的計算機監(jiān)控，開創(chuàng)了工業(yè)計算機控制的新時代。盡管其后也有一些應用的例子，但由于當時的計算機本身存在價格昂貴和可靠性差等缺陷，這一時期基本上是計算機控制的試驗期。1962年，英國的帝國化學工業(yè)公司（ICI）運用電子計算機代替原有的模擬控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對200多個變量的數(shù)據(jù)檢測和100多個執(zhí)行器的控制，構成了被稱為直接數(shù)字控制（DDC）的計算機控制系統(tǒng)，標志著計算機在工業(yè)過程控制中進入了實用階段。隨著微電子技術的發(fā)展，計算機經(jīng)歷了從大型機到小型機，再到微型機的發(fā)展過程，使計算機控制應用不斷普及，進入到了真正的實用階段。特別是進入新世紀以來，計算機技術的日新月異以及與先進控制技術相結合使計算機控制技術深入到了人類社會的各個領域，進入了一個全新的高速發(fā)展時期。20世紀70年代出現(xiàn)的集散控制系統(tǒng)（DCS）和可編程序控制器（PLC），是計算機工業(yè)控制系統(tǒng)走向柔性化、網(wǎng)絡化、集散化和遞階化的開端。20世紀90年代興起的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）開創(chuàng)了“現(xiàn)場總線儀表一工作站”的控制結構模式，使計算機控制系統(tǒng)做到了徹底分散，更加提高了系統(tǒng)的可靠性。另一方面，隨著個人計算機和單片機的發(fā)展，基于PC機的工業(yè)控制計算機（IPC）也得到了廣泛的應用。上世紀末期發(fā)展起來的單片機及嵌入式系統(tǒng)等以其價格低和體積小的優(yōu)勢，使智能儀器和智能儀表在控制場合中的應用也越來越廣?，F(xiàn)代工業(yè)生產規(guī)模的日益復雜化和大型化趨勢，對控制計算機提出了更高的要求。計算機不僅要完成面向過程的控制和優(yōu)化任務，還要在獲取生產過程各種信息的基礎上進行這個過程的信息綜合和優(yōu)化調度，完成生產、經(jīng)營管理和其它綜合管理工作。這種集企業(yè)的管理、監(jiān)督與控制為一體的計算機綜合自動化系統(tǒng)被稱為計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）或計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS）。此外，監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、可編程自動化控制器（PAC）和無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）等各種控制系統(tǒng)也為計算機控制方法提供了新的應用領域。計算機控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理和控制決策運算工作都是由軟件完成的，因此也就為各種復雜的、先進的和智能的算法的應用和實現(xiàn)提供了可能。預測控制、模糊控制、魯棒控制、智能控制、自適應控制、軟測量等等應用于工業(yè)生產過程并取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

編輯推薦

《計算機控制技術》由西安電子科技大學出版社出版。

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