計算機控制技術及工程應用
計算機控制技術及工程應用
《計算機控制技術及工程應用》以PC匯流排工業控制計算機為主線，闡述了計算機的控制技術及工程應用。全書共分14章，內容包括：計算機控制概述，模擬量輸出通道，模擬量輸入通道，數字量輸入/輸出通道，鍵盤及其介面技術，顯示器及其介面技術，數據處理技術，抗干擾技術，數字控制器的設計，控制網路技術，IPC與PLC，DCS與FCS，監控組態軟體，控制系統設計與工程實現。
第1 章計算機控制概述………………………………………………………………………… 1
1. 1控制系統組成…………………………………………………………………………… 1
1. 1. 1控制系統概念………………………………………………………………… 1
1. 1. 2硬體組成……………………………………………………………………… 3
1. 1. 3軟體組成……………………………………………………………………… 4
1. 2控制系統分類…………………………………………………………………………… 6
1. 2. 1數據採集系統………………………………………………………………… 6
1. 2. 2操作指導控制系統…………………………………………………………… 6
1. 2. 3直接數字控制系統…………………………………………………………… 7
1. 2. 4監督計算機控制系統………………………………………………………… 7
1. 2. 5分散控制系統………………………………………………………………… 8
1. 2. 6現場匯流排控制系統…………………………………………………………… 8
1. 2. 7計算機集成製造系統………………………………………………………… 9
1. 3控制裝置種類…………………………………………………………………………… 9
1. 3. 1可編程式控制制器………………………………………………………………… 10
1. 3. 2可編程調節器………………………………………………………………… 10
1. 3. 3匯流排式工控機………………………………………………………………… 10
1. 3. 4嵌入式計算機系統…………………………………………………………… 11
1. 3. 5其他控制裝置………………………………………………………………… 11
本章小結……………………………………………………………………………………… 12
思考題………………………………………………………………………………………… 12
第2 章模擬量輸出通道……………………………………………………………………… 13
2. 1D/ A 轉換器…………………………………………………………………………… 14
2. 1. 1工作原理與性能指標………………………………………………………… 14
2. 1. 28 位DAC0832 晶元………………………………………………………… 16
2. 1. 312 位DAC1210 晶元………………………………………………………… 17
2. 2介面電路……………………………………………………………………………… 18
2. 2. 1DAC0832 介面電路………………………………………………………… 18
2. 2. 2DAC1210 介面電路………………………………………………………… 19
2. 3輸出方式……………………………………………………………………………… 20
2. 3. 1電壓輸出方式………………………………………………………………… 20
2. 3. 2電流輸出方式………………………………………………………………… 22
2. 3. 3自動/手動切換輸出方式…………………………………………………… 24
2. 4D/ A 轉換模板………………………………………………………………………… 25
2. 4. 1D/ A 轉換模板的通用性…………………………………………………… 25
2. 4. 2D/ A 轉換模板的設計舉例………………………………………………… 26
本章小結……………………………………………………………………………………… 28
思考題………………………………………………………………………………………… 28
第3 章模擬量輸入通道……………………………………………………………………… 29
3. 1信號調理電路………………………………………………………………………… 29
3. 2多路模擬開關………………………………………………………………………… 30
3. 2. 1結構原理……………………………………………………………………… 30
3. 2. 2擴展電路……………………………………………………………………… 31
3. 3前置放大器…………………………………………………………………………… 32
3. 3. 1測量放大器…………………………………………………………………… 32
3. 3. 2可變增益放大器……………………………………………………………… 32
3. 4採樣保持器…………………………………………………………………………… 33
3. 4. 1數據採樣定理………………………………………………………………… 34
3. 4. 2零階採樣保持器……………………………………………………………… 34
3. 5A/ D 轉換器…………………………………………………………………………… 36
3. 5. 1工作原理與性能指標………………………………………………………… 36
3. 5. 2ADC0809 及其介面電路…………………………………………………… 40
3. 5. 3AD574A 晶元及其介面電路………………………………………………… 44
3. 6A/ D 轉換模板………………………………………………………………………… 46
本章小結……………………………………………………………………………………… 49
思考題………………………………………………………………………………………… 49
第4 章數字量輸入/輸出通道………………………………………………………………… 50
4. 1光電耦合隔離技術…………………………………………………………………… 50
4. 1. 1光電耦合隔離器……………………………………………………………… 50
4. 1. 2光電耦合隔離電路…………………………………………………………… 51
4. 2數字量輸入通道……………………………………………………………………… 52
4. 2. 1開關輸入電路………………………………………………………………… 52
4. 2. 2脈衝計數電路………………………………………………………………… 53
4. 3數字量輸出通道……………………………………………………………………… 54
4. 3. 1三極體驅動電路……………………………………………………………… 54
4. 3. 2繼電器驅動電路……………………………………………………………… 55
4. 3. 3晶閘管驅動電路……………………………………………………………… 56
4. 3. 4固態繼電器驅動電路………………………………………………………… 57
4. 4DI/ DO 模板…………………………………………………………………………… 58
本章小結……………………………………………………………………………………… 59
思考題………………………………………………………………………………………… 59
第5 章鍵盤及其介面技術…………………………………………………………………… 60
5. 1鍵盤輸入電路………………………………………………………………………… 60
5. 1. 1鍵盤的抖動干擾……………………………………………………………… 60
5. 1. 2抖動干擾的消除……………………………………………………………… 60
5. 2非編碼獨立式鍵盤…………………………………………………………………… 61
5. 2. 1查詢法介面電路……………………………………………………………… 62
5. 2. 2中斷法介面電路……………………………………………………………… 63
5. 3非編碼矩陣式鍵盤…………………………………………………………………… 64
5. 3. 1矩陣式鍵盤的結構組成……………………………………………………… 64
5. 3. 2矩陣式鍵盤的程序設計……………………………………………………… 65
5. 4編碼鍵盤……………………………………………………………………………… 67
5. 4. 1二進位編碼器………………………………………………………………… 67
5. 4. 2編碼鍵盤介面電路…………………………………………………………… 68
本章小結……………………………………………………………………………………… 69
思考題………………………………………………………………………………………… 70
第6 章顯示器及其介面技術………………………………………………………………… 71
6. 1LED 顯示器…………………………………………………………………………… 71
6. 1. 1LED 顯示器的結構原理……………………………………………………… 71
6. 1. 2LED 顯示器的顯示方式……………………………………………………… 73
6. 1. 3LED 顯示器介面電路………………………………………………………… 75
6. 2LCD …………………………………………………………………………………… 79
6. 2. 1LCD 的結構原理……………………………………………………………… 79
6. 2. 2LCD 的驅動方式……………………………………………………………… 80
6. 2. 3段位式LCD 介面電路……………………………………………………… 82
6. 2. 4點陣式LCD 介面電路……………………………………………………… 84
6. 3圖形顯示器…………………………………………………………………………… 87
6. 3. 1圖形顯示器概述……………………………………………………………… 87
6. 3. 2圖形顯示畫面………………………………………………………………… 88
本章小結……………………………………………………………………………………… 92
思考題………………………………………………………………………………………… 92 第7 章數據處理技術………………………………………………………………………… 93
7. 1測量數據預處理技術………………………………………………………………… 93
7. 1. 1系統誤差的自動校準………………………………………………………… 93
7. 1. 2數據字長的預處理…………………………………………………………… 94
7. 2數字濾波方法………………………………………………………………………… 95
7. 2. 1平均值濾波…………………………………………………………………… 95
7. 2. 2中值濾波……………………………………………………………………… 96
7. 2. 3限幅濾波……………………………………………………………………… 97
7. 2. 4慣性濾波……………………………………………………………………… 97
7. 3標度變換演演算法………………………………………………………………………… 98
7. 3. 1線性式變換…………………………………………………………………… 98
7. 3. 2非線性式變換……………………………………………………………… 100
7. 3. 3多項式變換………………………………………………………………… 101
7. 3. 4查表法……………………………………………………………………… 103
7. 4越限報警處理………………………………………………………………………… 104
7. 4. 1越限報警程序……………………………………………………………… 104
7. 4. 2越限報警方式……………………………………………………………… 105
本章小結…………………………………………………………………………………… 107
思考題……………………………………………………………………………………… 108
第8 章抗干擾技術…………………………………………………………………………… 109
8. 1干擾的來源與傳播途徑……………………………………………………………… 109
8. 1. 1干擾的來源………………………………………………………………… 109
8. 1. 2干擾的傳播途徑…………………………………………………………… 110
8. 2硬體抗干擾措施……………………………………………………………………… 111
8. 2. 1串模干擾的抑制…………………………………………………………… 111
8. 2. 2共模干擾的抑制…………………………………………………………… 113
8. 2. 3長線傳輸干擾的抑制……………………………………………………… 116
8. 2. 4信號線的選擇與敷設……………………………………………………… 118
8. 2. 5電源系統的抗干擾………………………………………………………… 119
8. 2. 6接地系統的抗干擾………………………………………………………… 123
8. 3軟體抗干擾措施……………………………………………………………………… 126
8. 3. 1指令冗餘技術……………………………………………………………… 126
8. 3. 2軟體陷阱技術……………………………………………………………… 126
8. 4程序運行監視系統…………………………………………………………………… 127
8. 4. 1Watchdog Timer 工作原理………………………………………………… 127
8. 4. 2Watchdog Timer 實現方法………………………………………………… 128
本章小結…………………………………………………………………………………… 128
思考題……………………………………………………………………………………… 129
第9 章數字控制器的設計…………………………………………………………………… 130
9. 1數字控制器的連續化設計…………………………………………………………… 130
9. 1. 1數字控制器的連續化設計步驟…………………………………………… 130
9. 1. 2PID 控制規律……………………………………………………………… 132
9. 1. 3數字PID 控制演演算法………………………………………………………… 135
9. 1. 4改進的數字PID 控制演演算法………………………………………………… 137
9. 1. 5數字PID 參數的整定……………………………………………………… 142
9. 2數字控制器離散化設計……………………………………………………………… 146
9. 2. 1數字控制器的離散化設計步驟…………………………………………… 146
9. 2. 2最少拍控制系統的設計…………………………………………………… 147
9. 2. 3純滯后控制………………………………………………………………… 155
9. 3數字串級控制器的設計……………………………………………………………… 159
9. 3. 1串級控制的結構和原理…………………………………………………… 160
9. 3. 2串級控制系統的確定……………………………………………………… 161
9. 3. 3數字串級控制演演算法………………………………………………………… 161
9. 4數字前饋控制器的設計……………………………………………………………… 162
9. 4. 1前饋控制的結構和原理…………………………………………………… 162
9. 4. 2前饋—反饋控制結構……………………………………………………… 163
9. 4. 3數字前饋—反饋控制演演算法………………………………………………… 164
9. 5數字程序控制器的設計……………………………………………………………… 165
9. 5. 1數字程序控制基礎………………………………………………………… 165
9. 5. 2逐點比較法插補原理……………………………………………………… 167
9. 5. 3步進電機控制技術………………………………………………………… 175
本章小結…………………………………………………………………………………… 180
思考題……………………………………………………………………………………… 180
第10 章控制網路技術……………………………………………………………………… 182
10. 1數據通信基礎……………………………………………………………………… 182
10. 1. 1數據通信系統…………………………………………………………… 182
10. 1. 2數據傳輸編碼…………………………………………………………… 185
10. 1. 3多路復用技術…………………………………………………………… 187
10. 1. 4通信同步技術…………………………………………………………… 189
10. 1. 5常用傳輸介質…………………………………………………………… 191
10. 2通信網路技術……………………………………………………………………… 191
10. 2. 1網路拓撲結構…………………………………………………………… 191
10. 2. 2網路控制方法…………………………………………………………… 192
10. 2. 3差錯控制技術…………………………………………………………… 193
10. 3網路體系結構……………………………………………………………………… 195
10. 4串列通信匯流排……………………………………………………………………… 198
10. 4. 1RS -232C 通信匯流排……………………………………………………… 198
10. 4. 2RS -422/485 通信匯流排………………………………………………… 203
10. 5工業乙太網………………………………………………………………………… 206
10. 5. 1乙太網及其優勢………………………………………………………… 207
10. 5. 2工業乙太網的關鍵技術………………………………………………… 207
10. 5. 3基於乙太網的控制網路系統…………………………………………… 208
10. 5. 4幾種典型的實時乙太網………………………………………………… 210
本章小結…………………………………………………………………………………… 211
思考題……………………………………………………………………………………… 211
第11 章IPC 與PLC ………………………………………………………………………… 212
11. 1IPC 結構組成……………………………………………………………………… 212
11. 1. 1硬體組成………………………………………………………………… 212
11. 1. 2軟體組成………………………………………………………………… 213
11. 2IPC 匯流排結構……………………………………………………………………… 214
11. 2. 1內部匯流排………………………………………………………………… 214
11. 2. 2外部匯流排………………………………………………………………… 217
11. 3IPC 功能特點……………………………………………………………………… 217
11. 4IPC 產品簡介……………………………………………………………………… 218
11. 4. 1工業計算機機箱………………………………………………………… 218
11. 4. 2工業級底板……………………………………………………………… 219
11. 4. 3工業級CPU 卡…………………………………………………………… 219
11. 4. 4PCI 匯流排I/ O 卡………………………………………………………… 220
11. 5PLC 結構組成……………………………………………………………………… 222
11. 5. 1CPU 模塊………………………………………………………………… 222
11. 5. 2I/ O 模塊………………………………………………………………… 223
11. 5. 3編程裝置………………………………………………………………… 224
11. 5. 4電源……………………………………………………………………… 224
11. 5. 5PLC 的物理結構………………………………………………………… 224
11. 6PLC 編程語言……………………………………………………………………… 225
11. 7PLC 工作過程……………………………………………………………………… 228
11. 8PLC 功能特點……………………………………………………………………… 230
11. 9PLC 產品簡介……………………………………………………………………… 231
11. 9. 1CPU 模塊………………………………………………………………… 231
11. 9. 2數字量擴展模塊………………………………………………………… 232
11. 9. 3模擬量擴展模塊………………………………………………………… 232
11. 9. 4熱電偶、熱電阻擴展模塊………………………………………………… 233
11. 9. 5通信模塊………………………………………………………………… 233
11. 9. 6通信處理器……………………………………………………………… 233
11. 9. 7中文顯示屏……………………………………………………………… 233
11. 9. 8編程軟體………………………………………………………………… 234
本章小結…………………………………………………………………………………… 234
思考題……………………………………………………………………………………… 235
第12 章DCS 與FCS ……………………………………………………………………… 236
12. 1DCS 體系結構……………………………………………………………………… 236
12. 1. 1分散過程式控制制級………………………………………………………… 237
12. 1. 2集中操作監控級………………………………………………………… 238
12. 1. 3綜合信息管理級………………………………………………………… 240
12. 1. 4通信網路系統…………………………………………………………… 240
12. 2DCS 功能特點……………………………………………………………………… 240
12. 2. 1DCS 的軟體……………………………………………………………… 241
12. 2. 2DCS 的特點……………………………………………………………… 241
12. 3DCS 產品簡介……………………………………………………………………… 241
12. 3. 1TDC -3000 ……………………………………………………………… 242
12. 3. 2I/ AS ……………………………………………………………………… 243
12. 3. 3SUPCON JX -300 ……………………………………………………… 245
12. 4FCS 體系結構……………………………………………………………………… 246
12. 5FCS 功能特點……………………………………………………………………… 248
12. 5. 1FCS 的特點……………………………………………………………… 248
12. 5. 2FCS 的組態……………………………………………………………… 249
12. 6FCS 產品簡介……………………………………………………………………… 249
12. 6. 1CAN ……………………………………………………………………… 249
12. 6. 2Lon Works ………………………………………………………………… 250
12. 6. 3PROFIBUS ……………………………………………………………… 250
12. 6. 4WorldFIP ………………………………………………………………… 250
12. 6. 5HART …………………………………………………………………… 251
12. 6. 6FF ………………………………………………………………………… 251
本章小結…………………………………………………………………………………… 252
思考題……………………………………………………………………………………… 252
第13 章監控組態軟體……………………………………………………………………… 253
13. 1組態軟體及其發展………………………………………………………………… 253
13. 1. 1組態軟體的發展趨勢…………………………………………………… 253
13. 1. 2組態軟體的特點………………………………………………………… 254
13. 1. 3使用組態軟體的一般步驟……………………………………………… 254
13. 2組態軟體的圖形開發環境………………………………………………………… 255
13. 2. 1基本概念………………………………………………………………… 255
13. 2. 2圖形開發環境的工作界面……………………………………………… 255
13. 3工藝控制流程圖的組態…………………………………………………………… 257
13. 3. 1建模……………………………………………………………………… 257
13. 3. 2變數的定義……………………………………………………………… 258
13. 3. 3畫面的編輯與動畫連接………………………………………………… 261
13. 4複雜圖形對象的組態及應用……………………………………………………… 265
13. 4. 1趨勢曲線………………………………………………………………… 265
13. 4. 2報表生成………………………………………………………………… 267
13. 4. 3報警和事件……………………………………………………………… 269
13. 4. 4配方管理………………………………………………………………… 271
13. 5程序的運行與調試………………………………………………………………… 272
13. 5. 1運行系統設置…………………………………………………………… 273
13. 5. 2運行系統………………………………………………………………… 273
本章小結…………………………………………………………………………………… 273
思考題……………………………………………………………………………………… 274
第14 章控制系統設計與工程實現………………………………………………………… 275
14. 1控制系統的設計原則……………………………………………………………… 275
14. 2控制工程的實現步驟……………………………………………………………… 276
14. 2. 1準備階段………………………………………………………………… 277
14. 2. 2設計階段………………………………………………………………… 278
14. 2. 3模擬及調試階段………………………………………………………… 282
14. 2. 4現場調試運行階段……………………………………………………… 283
14. 3控制工程的應用實例……………………………………………………………… 284
14. 3. 1水槽水位單片機控制系統……………………………………………… 284
14. 3. 2循環水裝置IPC 控制系統……………………………………………… 285
14. 3. 3中水回用PLC 控制系統………………………………………………… 289
14. 3. 4聚合釜溫壓儀錶控制系統……………………………………………… 293
14. 3. 5基於PLC 與IPC 的鍋爐綜合控制系統………………………………… 297
本章小結…………………………………………………………………………………… 303
思考題……………………………………………………………………………………… 303
部分思考題參考答案…………………………………………………………………………… 305
參考文獻………………………………………………………………………………………… 310
