計算機控制技術

本書從工程實際應用的角度出發，注重基礎性、系統性和實用性，較深入地介紹計算機控制系統的基礎知識及分析和設計方法。作者在多年教學與科研實踐經驗的基礎上，刪除了內容高深而實際應用不多的控制技術，增加了大量的MATLAB模擬實例，並充實了計算機控制領域最新的技術理論和方法及作者的部分科研成果。全書共分10章，包括計算機控制系統的概述，工業控制計算機，過程輸入/輸出通道，數字程序控制技術，計算機控制系統的數學模型，數字控制器的連續化設計，數字控制器的離散化設計，計算機控制系統的應用軟體，計算機控制系統設計，計算機控制網路技術等內容。

本書可作為高等院校自動化、電子與電氣工程、測控技術與儀器、機電一體化、計算機應用等專業的教材，也可作為相關領域工程技術人員的參考書或培訓教材。

第1章　計算機控制系統概述　1

1.1　計算機控制系統的一般概念　1

1.2　計算機控制系統的組成　3

1.2.1　計算機控制系統硬體　3

1.2.2　計算機控制系統軟體　4

1.2.3　計算機控制系統通信網路　5

1.3 計算機控制系統的分類　8

1.3.1　操作指導控制系統　8

1.3.2　直接數字控制系統　9

1.3.3　監督計算機控制系統　9

1.3.4　集散控制系統　10

1.3.5　現場匯流排控制系統　11

1.3.6　計算機集成製造系統　12

1.3.7　物聯網控制系統　12

1.4　計算機控制系統的控制規律　13

1.5　關於MATLAB工具軟體　14

習題1　17

第2章　工業控制計算機　18

2.1　控制計算機的主要類型　18

2.2　IPC工控機的組成與特點　21

2.2.1　IPC工控機的硬體組成　21

2.2.2　IPC工控機的軟體組成　22

2.2.3　IPC工控機的特點　23

2.2.4　IPC工控機的發展方向　25

2.3　IPC匯流排結構　26

2.3.1　匯流排概述　26

2.3.2　內部匯流排　26

2.3.3　外部匯流排　29

2.4 MODBUS通信協議　33

2.4.1　概述　33

2.4.2　兩種傳輸方式　34

2.4.3　MODBUS消息幀　34

2.4.4　錯誤檢測方法　34

2.4.5　MODBUS的編程方法　35

習題2　36

第3章　過程輸入/輸出通道　37

3.1　概述　37

3.2　模擬量輸入通道　39

3.2.1　信號處理電路　40

3.2.2　多路模擬開關　40

3.2.3　前置放大器　42

3.2.4　採樣保持器　44

3.2.5　A/D轉換器　45

3.3　模擬量輸出通道　57

3.3.1　多路模擬量輸出通道的結構形式　57

3.3.2　D/A轉換器　58

3.3.3　DAC輸出方式　66

3.3.4　D/A轉換通道的設計　69

3.4　數字量輸入通道　71

3.5　數字量輸出通道　73

3.6　抗干擾技術　76

3.6.1　干擾的來源與傳播途徑　76

3.6.2　硬體抗干擾措施　79

習題3　87

第4章　數字程序控制技術　88

4.1　數字程序控制基礎　88

4.1.1　數字程序控制原理　88

4.1.2　數字程序控制方式　89

4.1.3　開環數字程序控制　89

4.2　逐點比較法插補原理　90

4.2.1　逐點比較法直線插補　90

4.2.2　逐點比較法圓弧插補　93

4.3　步進電動機控制技術　97

4.3.1　步進電動機的工作原理　97

4.3.2　步進電動機的工作方式　98

4.3.3　步進電動機的脈衝分配程序　99

4.3.4　步進電動機的速度控制程序　101

習題4　103

第5章　計算機控制系統的數學模型　104

5.1　計算機控制系統數學模型的建立　104

5.2　計算機控制系統的時域模型　105

5.2.1　線性常係數微分方程　106

5.2.2　線性常係數差分方程　107

5.3　計算機控制系統的頻域模型　108

5.3.1　Z變換理論　108

5.3.2　連續時間系統的傳遞函數　111

5.3.3　離散時間系統的傳遞函數　113

5.4　計算機控制系統的狀態空間模型　117

5.4.1　基本概念　117

5.4.2　狀態空間表達式　118

5.4.3　傳遞矩陣　120

習題5　122

第6章　數字控制器的連續化設計　124

6.1　數字控制器的連續化設計步驟　125

6.2　數字PID控制器的設計　128

6.2.1　PID三量的控制作用　128

6.2.2　PID控制規律的數字化實現演演算法　131

6.2.3　MATLAB模擬確認被控對象參數　132

6.2.4　數字PID控制演演算法的改進　134

6.3　數字PID控制器參數整定　138

習題6　145

第7章　數字控制器的離散化設計　146

7.1　數字控制器的離散化設計步驟　146

7.2　最少拍隨動系統的設計　147

7.3　最少拍無紋波隨動系統的設計　155

7.4　大林演演算法　159

7.4.1　大林演演算法的基本形式　159

7.4.2　振鈴現象及其消除方法　160

7.4.3　大林演演算法的設計步驟　162

7.4.4　用MATLAB模擬被控過程　163

習題7　167

第8章　計算機控制系統的應用軟體　168

8.1　計算機控制系統軟體概述　168

8.1.1　軟體的含義　168

8.1.2　軟體的特點　168

8.1.3　軟體的分類　169

8.1.4　軟體設計的一般過程　169

8.1.5　軟體設計的一般方法　169

8.2　計算機控制系統的應用軟體　171

8.2.1　控制系統的輸入/輸出軟體　171

8.2.2　數字控制演演算法的計算機實現　172

8.2.3　控制系統的監控組態軟體　175

8.3　計算機控制系統的數據處理技術　178

8.3.1　軟體抗干擾技術　178

8.3.2　系統誤差的校正　186

8.3.3　非線性處理　188

8.3.4　標度變換　190

8.3.5　越限報警　193

8.4　輸入/輸出數字量的軟體抗干擾技術　194

習題8　194

第9章　計算機控制系統設計　195

9.1　控制系統設計的原則與步驟　195

9.1.1　設計原則　195

9.1.2　系統設計的步驟　195

9.2　系統的工程設計和實現　198

9.2.1　系統總體方案設計　198

9.2.2　硬體的工程設計和實現　198

9.2.3　軟體的工程設計和實現　200

9.2.4　系統的調試與運行　201

9.3　某新型建材廠全自動預加水控制系統設計　201

9.3.1　工程概述　201

9.3.2　系統總體方案設計　202

9.3.3　硬體設計　203

9.3.4　軟體設計　204

9.3.5　運行調試　206

9.4　基於單片機的智能車模型設計　207

9.4.1　系統概述與總體方案的設計　207

9.4.2　硬體設計　208

9.4.3　軟體設計　210

9.4.4　系統調試　213

9.5　基於DSP2812的離網型智能光伏逆變器　214

9.5.1　工程概述　214

9.5.2　系統總體方案設計　215

9.5.3　硬體設計　215

9.5.4　軟體設計　218

9.5.5　系統調試　220

習題9　221

第10章　計算機控制網路技術　222

10.1　工業控制網路概述　223

10.1.1　網路拓撲結構　223

10.1.2　介質訪問控制技術　225

10.1.3　差錯控制　227

10.2　網路通信協議　227

10.2.1　OSI參考模型　228

10.2.2　IEEE 802標準　229

10.2.3　工業乙太網　231

10.3　分散式控制系統　233

10.3.1　概述　233

10.3.2　分散式控制系統特點　233

10.3.3　分散式控制系統的功能層次結構　234

10.4　現場匯流排控制系統　236

10.4.1　現場匯流排的特徵　236

10.4.2　OSI參考模型與現場匯流排通信模型　237

10.4.3　基金會現場匯流排　238

10.4.4　局部操作網路　239

10.4.5　過程現場匯流排　239

10.4.6　控制器區域網路　242

10.4.7　可定址遠程感測器數據通路　243

10.5　物聯網技術　243

10.5.1　物聯網定義　244

10.5.2　物聯網的總體架構、特點　244

10.5.3　物聯網的關鍵技術　246

10.5.4　物聯網智能家居系統的設計　257

習題10　259

參考文獻　260