本書較系統(tǒng)、全面地介紹了微型計算機控制系統(tǒng)的理論與各種應用技術。本書兼顧基礎性、實用性和先進性，注重工程應用。全書共分8章，主要內容有：微型計算機控制系統(tǒng)概述、過程輸入/輸出通道、計算機控制系統(tǒng)的理論基礎、數(shù)字PID控制器、直接數(shù)字控制器、模糊控制、伺服裝置與數(shù)字控制系統(tǒng)、控制網絡技術及現(xiàn)場總線、微型計算機控制系統(tǒng)設計方法及實例等。各章都有小結并附有相應的思考與練習，書的最后還附有3個課程設計實例供選用。
本書較系統(tǒng)、全面地介紹了微型計算機控制系統(tǒng)的理論與各種應用技術。
第1章 緒論 1
1.1 計算機控制系統(tǒng)概述 2
1.1.1 微機控制系統(tǒng)的特征 2
1.1.2 微機控制系統(tǒng)硬件組成 5
1.1.3 微機控制系統(tǒng)軟件 7
1.2 計算機控制系統(tǒng)的典型形式 8
1.2.1 操作指導控制系統(tǒng) 8
1.2.2 直接式數(shù)字控制系統(tǒng) 8
1.2.3 監(jiān)督式計算機控制系統(tǒng) 9
1.2.4 集散計算機控制系統(tǒng) 9
1.2.5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 10
1.3 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況
及趨勢 11
本章小結 12
思考與練習 13
第2章 輸入/輸出接口與過程通道 14
2.1 過程輸入/輸出通道概述 14
2.1.1 過程輸入/輸出通道的類型
及功能 14
2.1.2 過程輸入/輸出通道與CPU交換
的信息類型 14
2.1.3 過程通道的編址方式 15
2.2 模擬量輸入通道 15
2.2.1 模擬量輸入通道的結構 15
2.2.2 信號調理 15
2.2.3 多路轉換器 16
2.2.4 采樣保持器 18
2.2.5 A/D轉換器 20
2.2.6 8位A/D轉換芯片ADC0809 22
2.2.7 12位A/D轉換器AD574 25
2.3 模擬量輸出通道 28
2.3.1 模擬量輸出邏輯的結構 29
2.3.2 D/A轉換器 29
2.3.3 0832 D/A轉換器芯片及其接口
電路 31
2.3.4 12位D/A轉換器DAC1210
芯片 35
2.3.5 模擬量輸出通道的設計 35
2.4 開關量輸入邏輯 37
2.4.1 開關量輸入邏輯的結構 37
2.4.2 過程開關量形式及變換 37
2.4.3 開關量輸入邏輯接口技術 41
2.5 開關量輸出通道 41
2.5.1 開關量輸出邏輯的結構 41
2.5.2 開關量輸出邏輯的接口技術 42
2.5.3 典型功率驅動電路 42
本章小結 43
思考與練習 44
第3章 計算機控制基礎理論 45
3.1 計算機控制系統(tǒng)的信號變換理論 45
3.1.1 計算機控制系統(tǒng)的信號形式 45
3.1.2 信號的采樣、量化、恢復及
保持 46
3.2 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學描述 49
3.2.1 z變換與z反變換 49
3.2.2 線性定常離散系統(tǒng)的差分方程
及其求解 57
3.2.3 計算機控制系統(tǒng)的脈沖傳遞
函數(shù) 58
3.2.4 開環(huán)和閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) 58
3.3 離散控制系統(tǒng)的特性分析 63
3.3.1 S平面到Z平面的映射 63
3.3.2 離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定的充要
條件 64
3.3.3 線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定判據 64
3.3.4 離散控制系統(tǒng)的過渡過程分析 67
3.3.5 離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 70
3.4 離散控制系統(tǒng)的根軌跡設計法 74
3.5 離散控制系統(tǒng)的頻域設計法 78
本章小結 80
思考與練習 80
第4章 計算機控制系統(tǒng)的常規(guī)控制策略 82
4.1 PID算法的數(shù)字實現(xiàn) 82
4.1.1 PID控制規(guī)律及其調節(jié)作用 83
4.1.2 PID算法的數(shù)字實現(xiàn) 86
4.1.3 幾種改進的PID控制算法 89
4.1.4 PID控制器的參數(shù)整定 95
4.2 最少拍無差隨動系統(tǒng)的設計 99
4.2.1 典型輸入下理想最少拍無差
系統(tǒng)的設計 101
4.2.2 最少拍控制器的物理可實現(xiàn)性
和穩(wěn)定性要求 103
4.2.3 最少拍有紋波控制器的設計 104
4.2.4 最少拍無差控制器的局限性 108
4.3 最少拍無紋波隨動系統(tǒng)的設計 110
4.4 純滯后對象的控制算法——大林
算法 116
4.4.1 大林算法的設計原則及數(shù)字
控制器的形式 116
4.4.2 振鈴現(xiàn)象的產生及其消除 117
4.4.3 大林算法的設計步驟 121
4.5 純滯后對象的控制算法——施密斯
（Smith）預估控制 122
4.5.1 Smith預估器原理 122
4.5.2 Smith補償器的計算機實現(xiàn) 124
本章小結 126
思考與練習 127
第5章 運動伺服的數(shù)字控制系統(tǒng) 128
5.1 運動伺服控制系統(tǒng)的基本組成
結構 128
5.2 運動伺服控制系統(tǒng)中的位置
檢測器件 130
5.2.1 位置檢測器件的要求和種類 130
5.2.2 光電脈沖編碼器 131
5.2.3 感應同步器 132
5.2.4 旋轉變壓器 133
5.3 直流電機伺服控制系統(tǒng) 136
5.3.1 直流電機的基本結構和工作
原理 136
5.3.2 直流電機的調速方法 138
5.3.3 調速系統(tǒng)性能指標 139
5.4 步進電機控制系統(tǒng) 141
5.4.1 步進電機的基本結構和工作
原理 141
5.4.2 步進電動機的基本參數(shù) 142
5.4.3 步進電機的控制方法 143
5.5 交流電機控制系統(tǒng) 145
5.5.1 三相永磁同步電機的基本結構、
工作原理與數(shù)學模型 145
5.5.2 矢量控制的基本原理 148
5.5.3 交流電機的矢量控制系統(tǒng) 149
本章小結 150
思考與練習 150
第6章 計算機控制系統(tǒng)的新型控制
策略 151
6.1 智能控制研究現(xiàn)狀、主要特點
及其基本應用 151
6.2 模糊控制 154
6.2.1 模糊控制理論基礎 154
6.2.2 模糊控制系統(tǒng)的原理與設計
過程 162
6.2.3 模糊控制在溫控系統(tǒng)中
的應用 164
6.3 神經控制 169
6.3.1 神經網絡系統(tǒng)模型 169
6.3.2 BP網絡 172
6.3.3 神經網絡控制的結構 175
6.4 遺傳算法 179
6.4.1 遺傳算法基礎理論 179
6.4.2 遺傳算法的改進策略 180
6.5 專家控制 182
6.5.1 專家系統(tǒng)基本概念 182
6.5.2 家系統(tǒng)的原理和結構 183
6.5.3 專家控制系統(tǒng)的建立步驟
與設計原則 185
6.6 其他先進控制技術 187
6.6.1 自適應控制 187
6.6.2 魯棒控制 189
6.6.3 預測控制 190
6.6.4 量子控制 192
本章小結 194
思考與練習 195
第7章 控制網絡技術及現(xiàn)場總線 196
7.1 控制網絡技術概述 196
7.1.1 企業(yè)網絡的層次模型 196
7.1.2 控制網絡與信息網絡的區(qū)別 197
7.1.3 控制網絡的類型 198
7.2 計算機網絡 198
7.2.1 計算機網絡的發(fā)展 198
7.2.2 計算機網絡的功能與分類 199
7.2.3 計算機網絡體系結構 202
7.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)技術 203
7.3.1 現(xiàn)場總線概述 204
7.3.2 現(xiàn)場總線標準 205
7.3.3 典型現(xiàn)場總線簡介 207
7.3.4 CAN總線 209
7.4 計算機控制系統(tǒng)總線簡介 218
7.4.1 總線的概念及分類 218
7.4.2 并行總線 218
7.4.3 串行總線 221
7.5 工業(yè)控制組態(tài)軟件技術 226
7.5.1 組態(tài)的概念 226
7.5.2 流行的工控組態(tài)軟件 227
本章小結 229
思考與練習 230
第8章 計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 231
8.1 計算機控制系統(tǒng)的設計原則
與步驟 231
8.1.1 系統(tǒng)設計原則 231
8.1.2 系統(tǒng)設計步驟 233
8.2 系統(tǒng)的工程設計與實現(xiàn) 235
8.2.1 系統(tǒng)總體方案設計 235
8.2.2 硬件的工程設計與實現(xiàn) 236
8.2.3 軟件的工程設計與實現(xiàn) 237
8.2.4 系統(tǒng)的調試與運行 238
8.3 計算機控制系統(tǒng)可靠性設計 238
8.3.1 干擾的形成與分類 239
8.3.2 硬件抗干擾技術 240
8.3.3 軟件抗干擾技術 242
8.4 計算機控制系統(tǒng)設計實例 245
8.4.1 單回路電阻爐溫度控制系統(tǒng) 245
8.4.2 污水處理控制系統(tǒng) 253
本章小結 257
思考與練習 257
附錄A 課程設計實例 258
參考文獻 264
前 言
工業(yè)控制是計算機的一個重要應用領域，計算機控制正是為適應這一需求而發(fā)展起來的，它主要研究如何將計算機技術和自動化控制理論應用于工業(yè)生產過程，設計出滿足需求的計算機控制系統(tǒng)，這需要自動控制領域的工程技術和研發(fā)人員既要掌握自動控制基礎理論，還要掌握與計算機控制系統(tǒng)相關的硬件、軟件及控制規(guī)律、網絡技術及現(xiàn)場總線技術等方面的專業(yè)知識和技術。計算機控制技術已成為我國高等學校自動化專業(yè)、電氣自動化專業(yè)、電子信息類專業(yè)、機械電子類專業(yè)的主干課程之一。
本書共分8章。第1章緒論介紹計算機控制技術的基本概念、系統(tǒng)組成、典型結構及計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況。第2章主要介紹模擬量輸入/輸出通道，A/D、D/A轉換器及其接口技術，開關量輸入/輸出通道及接口技術、功率驅動電路。第3章主要介紹離散控制系統(tǒng)的信號變換、z變換與差分方程、系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)、離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能分析以及離散控制系統(tǒng)根軌跡及頻域設計方法。第4章主要介紹數(shù)字PID算法及參數(shù)整定方法，最少拍有紋波及無紋波控制器的設計、大林算法及Smith預估數(shù)字控制器設計方法等。第5章主要介紹運動伺服系統(tǒng)的基本構成，伺服控制系統(tǒng)中的檢測器件，直流電機控制系統(tǒng)、步機電機控制系統(tǒng)及交流電機控制系統(tǒng)。第6章主要介紹智能控制現(xiàn)狀及一些常用智能控制方法，如模糊控制、神經網絡控制、遺傳算法、專家控制等。第7章主要介紹控制網絡及計算機網絡基本技術、現(xiàn)場總線技術及CAN總線技術、計算機控制系統(tǒng)總線技術及工業(yè)控制組態(tài)軟件技術。第8章主要包括計算機系統(tǒng)的設計原則與步驟、系統(tǒng)工程設計與實現(xiàn)、可靠性設計、以及計算機控制系統(tǒng)設計實例。附錄部份介紹了常見的幾種課程設計實例。
本書作者結合多年的教學與科研工作經驗，力求兼顧系統(tǒng)性、實用性、先進性、工程性，敘述簡潔，層次分明，在傳統(tǒng)控制的基礎上對先進控制也做了相應的介紹。為便于學生更好地理解書中的基本知識和概念，每章還附有大量的思考與練習題。全書由成都大學電子信息工程學院方紅統(tǒng)籌安排，并編寫第1、2、4章，喻曉紅統(tǒng)稿并編寫第3、7章及課程設計實例，嚴剛峰編寫第5、6、8章。唐毅謙教授對全書內容進行了審定并編寫了本書的部分內容。
本書參考并吸取了大量國內出版的教材、論文的長處，在此表示感謝。由于編者水平有限，書中難免存在缺漏或不妥之處，敬請讀者批評指正。
作 者
2014年5月
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