計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

前言

近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)及其它相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的相關(guān)知識(shí)不僅是電氣信息類專業(yè)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的最主要部分之一，同時(shí)已經(jīng)成為工科各專業(yè)學(xué)生常用的必備知識(shí)。為了能夠更好地完成計(jì)算機(jī)控制技術(shù)類課程的教學(xué)任務(wù)，在總結(jié)作者多年來(lái)教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，吸取了作者以前出版相關(guān)教材的經(jīng)驗(yàn)，參考教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)制定的“高等學(xué)校本科自動(dòng)化指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范”中對(duì)三種類型（研究主導(dǎo)型、工程研究應(yīng)用型和應(yīng)用技術(shù)主導(dǎo)型）自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)領(lǐng)域的基本要求，編寫了本教材。該課程的教學(xué)可以由各校教師根據(jù)教學(xué)大綱的要求在50－70學(xué)時(shí)調(diào)整實(shí)施。本教材內(nèi)容圍繞著計(jì)算機(jī)閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)這一主線，以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法為核心，由淺人深地對(duì)相關(guān)基本理論和應(yīng)用加以闡述。作者力求將復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題按照讀者容易理解的方式敘述出來(lái)。書中注重理論和實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，在強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上適當(dāng)減少總篇幅，充實(shí)和擴(kuò)展了一些現(xiàn)代工業(yè)控制應(yīng)用中的新方法和新理論，注意加強(qiáng)解決工程實(shí)際問(wèn)題基本方法的介紹。教材編寫中參考了許多學(xué)校的教學(xué)大綱，注意到了本課程與其它專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課在內(nèi)容上的分工和交叉，內(nèi)容注意系統(tǒng)性和層次劃分，在有利于教師對(duì)不同層次和專業(yè)授課的靈活取材的同時(shí)也有利于讀者自學(xué)或作為參考書。使用本教材教學(xué)時(shí)要求的先行課為“自動(dòng)控制理論”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”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(guò)程控制系統(tǒng)”、“可編程控制器原理”、“現(xiàn)場(chǎng)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(yáng)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(yáng)老師編寫，第五章由霍愛(ài)清老師編寫，第六章由霍愛(ài)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(yáng)老師統(tǒng)稿。在本教材的編寫過(guò)程中，得到了許多同事和同行的關(guān)心和幫助，在此表示真誠(chéng)的感謝。另外，由于作者水平所限，書中難免存在缺點(diǎn)和不足之處，殷切希望廣大讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　本書以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與控制理論有機(jī)結(jié)合為基礎(chǔ)，圍繞著計(jì)算機(jī)閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)這一主線，由淺入深地對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的有關(guān)基本理論和應(yīng)用加以闡述。本書的主要特點(diǎn)是注意加強(qiáng)解決工程實(shí)際問(wèn)題基本方法的介紹；注重理論和實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合；增加應(yīng)用實(shí)例；結(jié)合典型控制系統(tǒng)，介紹和論述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理、分析設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用技術(shù)。 　　本書主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出通道技術(shù)、數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。書中注意本科階段“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程與其它專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的交叉重復(fù)部分的處理；充實(shí)和擴(kuò)展了一些現(xiàn)代工業(yè)控制應(yīng)用中的新方法和新理論；適當(dāng)考慮了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析的相關(guān)內(nèi)容；注意系統(tǒng)性和層次劃分，使其在有利于教師對(duì)不同層次學(xué)生授課的靈活取材的同時(shí)也有利于讀者自學(xué)?！　”緯勺鳛槠胀ǜ叩仍盒Ｗ詣?dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、電子信息工程等專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)的本科生或研究生的教科書或教學(xué)參考書，也可作為廣大科技工作者和工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第一章　緒論　1.1　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念　　1.1.1　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的定義　　1.1.2　計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展概況　　1.1.3　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成　1.2　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)　　1.2.1　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類　　1.2.2　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展　　1.2.3　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)　　1.2.4　工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的要求　1.3　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仿真技術(shù)　習(xí)題第二章　過(guò)程輸入/輸出通道　2.1　概述　　2.1.1　過(guò)程通道的分類及基本結(jié)構(gòu)　　2.1.2　人機(jī)接口及其應(yīng)用　2.2　采樣與量化　　2.2.1　采樣過(guò)程與采樣定理　　2.2.2　量化與復(fù)現(xiàn)重構(gòu)　　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(zhuǎn)換器及接口　　2.3.3　多路轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式　　2.4.2　D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)　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(yīng)用　2.6　工業(yè)控制計(jì)算機(jī)I/O模板　　2.6.1　概述　　2.6.2　典型應(yīng)用　本章小節(jié)　習(xí)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(jié)構(gòu)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(shù)平均濾波　　3.2.3　加權(quán)平均濾波　　3.2.4　中值濾波　　3.2.5　慣性濾波　　3.2.6　復(fù)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(jié)　3.3　線性化處理　　3.3.1　計(jì)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(biāo)度變換　　3.4.1　誤差修正　　3.4.2　標(biāo)度變換　3.5　應(yīng)用實(shí)例——二級(jí)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(jié)　習(xí)題第四章　程序控制和數(shù)值控制　4.1　微型計(jì)算機(jī)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(jī)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(diǎn)比較法插補(bǔ)原理　4.3　步進(jìn)電機(jī)的控制　　4.3.1　步進(jìn)電機(jī)的工作原理　　4.3.2　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理　　4.3.3　步進(jìn)電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)　　4.3.4　步進(jìn)電機(jī)變速控制程序　　4.3.5　單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用舉例　本章小結(jié)　習(xí)題第五章　控制規(guī)律的離散化設(shè)計(jì)　5.1　最小拍控制器設(shè)計(jì)　　5.1.1　最小拍有紋波控制器的設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)方法　　5.1.2　最小拍有紋波系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題　　5.1.3　最小拍無(wú)紋波控制器設(shè)計(jì)　5.2　數(shù)字控制器的計(jì)算機(jī)實(shí)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(jié)及例題　5.3　應(yīng)用實(shí)例——示教機(jī)械手控制　　5.3.1　工作原理　　5.3.2　數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)　本章小結(jié)　習(xí)題第六章　控制規(guī)律的模擬化設(shè)計(jì)　6.1　概述　　6.1.1　模擬化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)　　6.1.2　模擬化設(shè)計(jì)方法的分類　　6.1.3　模擬化設(shè)計(jì)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(jìn)　　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(luò)的數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)　　6.4.1　沖激響應(yīng)不變法　　6.4.2　零—極點(diǎn)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(yǔ)言在數(shù)字控制器模擬化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用　6.6　應(yīng)用舉例——隧道窯計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)　本章小結(jié)　習(xí)題第七章　復(fù)雜控制規(guī)律的設(shè)計(jì)　7.1　大林（Dahlin）算法　　7.1.1　適用對(duì)象　　7.1.2　期望設(shè)計(jì)目標(biāo)　　7.1.3　設(shè)計(jì)步驟　　7.1.4　振鈴現(xiàn)象及其消除　7.2　史密斯（Smith）預(yù)估控制　　7.2.1　Smith預(yù)估控制原理　　7.2.2　Smith預(yù)估控制算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)　　7.2.3　Dahlin算法和Smith預(yù)估控制的比較　7.3　串級(jí)控制　　7.3.1　串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理　　7.3.2　串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)　　7.3.3　串級(jí)控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)　　7.3.4　串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)　　7.3.5　串級(jí)控制系統(tǒng)控制規(guī)律的選擇　　7.3.6　串級(jí)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(bǔ)償算法　　7.4.3　前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)　　7.4.4　前饋反饋控制系統(tǒng)　7.5　應(yīng)用實(shí)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(jié)　習(xí)題第八章　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)　8.1　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和步驟　　8.1.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟　　8.1.2　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和可行性評(píng)價(jià)　　8.1.3　控制主機(jī)和I/O通道的選擇　　8.1.4　控制算法的確定與應(yīng)用程序設(shè)計(jì)　　8.1.5　系統(tǒng)的調(diào)試與試運(yùn)行　8.2　計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)　　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(yīng)用舉例——工業(yè)過(guò)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(shè)計(jì)　本章小結(jié)　習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在第二次世界大戰(zhàn)末開(kāi)始用于軍事領(lǐng)域。20世紀(jì)50年代初開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中得到應(yīng)用。1959年在美國(guó)德克薩斯州的波特阿瑟（PortArthur）煉油廠實(shí)現(xiàn)了聚合裝置的以數(shù)據(jù)處理和操作指導(dǎo)為主要內(nèi)容的計(jì)算機(jī)監(jiān)控，開(kāi)創(chuàng)了工業(yè)計(jì)算機(jī)控制的新時(shí)代。盡管其后也有一些應(yīng)用的例子，但由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)本身存在價(jià)格昂貴和可靠性差等缺陷，這一時(shí)期基本上是計(jì)算機(jī)控制的試驗(yàn)期。1962年，英國(guó)的帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司（ICI）運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)代替原有的模擬控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)200多個(gè)變量的數(shù)據(jù)檢測(cè)和100多個(gè)執(zhí)行器的控制，構(gòu)成了被稱為直接數(shù)字控制（DDC）的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)在工業(yè)過(guò)程控制中進(jìn)入了實(shí)用階段。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了從大型機(jī)到小型機(jī)，再到微型機(jī)的發(fā)展過(guò)程，使計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用不斷普及，進(jìn)入到了真正的實(shí)用階段。特別是進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異以及與先進(jìn)控制技術(shù)相結(jié)合使計(jì)算機(jī)控制技術(shù)深入到了人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)入了一個(gè)全新的高速發(fā)展時(shí)期。20世紀(jì)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(jì)算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)走向柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、集散化和遞階化的開(kāi)端。20世紀(jì)90年代興起的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）開(kāi)創(chuàng)了“現(xiàn)場(chǎng)總線儀表一工作站”的控制結(jié)構(gòu)模式，使計(jì)算機(jī)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(gè)人計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的發(fā)展，基于PC機(jī)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）也得到了廣泛的應(yīng)用。上世紀(jì)末期發(fā)展起來(lái)的單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)等以其價(jià)格低和體積小的優(yōu)勢(shì)，使智能儀器和智能儀表在控制場(chǎng)合中的應(yīng)用也越來(lái)越廣?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的日益復(fù)雜化和大型化趨勢(shì)，對(duì)控制計(jì)算機(jī)提出了更高的要求。計(jì)算機(jī)不僅要完成面向過(guò)程的控制和優(yōu)化任務(wù)，還要在獲取生產(chǎn)過(guò)程各種信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行這個(gè)過(guò)程的信息綜合和優(yōu)化調(diào)度，完成生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)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(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)被稱為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）或計(jì)算機(jī)集成過(guò)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(dòng)化控制器（PAC）和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）等各種控制系統(tǒng)也為計(jì)算機(jī)控制方法提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理和控制決策運(yùn)算工作都是由軟件完成的，因此也就為各種復(fù)雜的、先進(jìn)的和智能的算法的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)提供了可能。預(yù)測(cè)控制、模糊控制、魯棒控制、智能控制、自適應(yīng)控制、軟測(cè)量等等應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》由西安電子科技大學(xué)出版社出版。

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