計算機控制技術(shù)

結(jié)合高等職業(yè)技術(shù)教育特點，以理論知識夠用為原則，從工程使用的角度出發(fā)，深入淺出地論述計算機控制技術(shù)在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展。

詳細介紹常規(guī)和現(xiàn)代計算機控制技術(shù)的基本原理、計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，突出實用性和應(yīng)用性，并編入了計算機控制技術(shù)的一些新理論、新技術(shù)和新成果。

文字力求通俗簡練、重點突出，內(nèi)容安排注重系統(tǒng)性和完整性，將軟件與硬件有機結(jié)合，以幫助讀者建立計算機控制系統(tǒng)的整體概念。

隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制理論和通信技術(shù)的發(fā)展，計算機控制在工業(yè)控制領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用。計算機控制技術(shù)正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一門技術(shù)。如今，“計算機控制技術(shù)”已成為我國高職高專類院校計算機應(yīng)用、自動化、檢測技術(shù)、電子與電氣工程、機電一體化等專業(yè)的主干課程。

本書從工程實用的角度出發(fā)，以計算機控制系統(tǒng)為背景，深入淺出地論述計算機控制技術(shù)在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展，詳細介紹常規(guī)和現(xiàn)代計算機控制技術(shù)的基本原理、計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，突出應(yīng)用性和實用性，同時編入了計算機控制技術(shù)的一些新理論、新技術(shù)、新方法和新成果。本書主要內(nèi)容包括：微型計算機控制技術(shù)的原理、方法和發(fā)展趨勢；微機控制系統(tǒng)的主要概念和基本組成；數(shù)字PID控制及其工程實現(xiàn)；輸入、輸出通道與接口技術(shù)；工業(yè)控制計算機與現(xiàn)場總線；集散控制系統(tǒng)；微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計；微型計算機系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)；控制系統(tǒng)組態(tài)軟件。

本書是在參閱、整理大量文獻資料和積累編者多年教學(xué)、科研實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上編寫而成的。選材突出先進性、系統(tǒng)性和實用性，強調(diào)解決實際工程問題。

本書由劉福榮任主編，王鳳云、于蘭、宋曉君任副主編，具體編寫分工如下：第2、4、5、7、8章由劉福榮編寫，第1和3章由王鳳云編寫，第6章由于蘭編寫，第9章由宋曉君編寫。全書由劉福榮統(tǒng)稿，高玉祥審稿。

由于編者水平有限，書中難免存在缺點和錯誤，敬請廣大讀者批評指正。

作 者

2010年11月

前言

第1章 概述 1
1.1 計算機控制系統(tǒng)概論 1
1.1.1 計算機控制系統(tǒng)的概念 1
1.1.2 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 3
1.1.3 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 5
1.2 計算機控制系統(tǒng)的組成及特點 7
1.2.1 計算機控制系統(tǒng)的硬件組成 7
1.2.2 計算機控制系統(tǒng)的軟件組成 8
1.2.3 計算機控制系統(tǒng)的特點 9
1.3 計算機控制系統(tǒng)的分類 9
1.3.1 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 10
1.3.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)） 10
1.3.3 計算機順序控制系統(tǒng) 11
1.3.4 計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC系統(tǒng)） 11
1.3.5 分布式控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)） 12
第2章 輸入輸出過程通道 14
2.1 數(shù)字量過程通道 14
2.1.1 數(shù)字量輸入通道 14
2.1.2 數(shù)字量輸出通道 17
2.2 模擬量輸入通道 19
2.2.1 模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu) 19
2.2.2 模擬量輸入通道的組成 19
2.2.3 模擬量輸入通道的設(shè)計 26
2.3 模擬量輸出通道 28
2.3.1 模擬量輸出通道的作用 28
2.3.2 模擬量輸出通道的組成 28
2.3.3 模擬量輸出通道的設(shè)計 31
第3章 計算機控制系統(tǒng)的控制算法 34
3.1 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計方法 34
3.1.1 模擬化設(shè)計方法 34
3.1.2 模擬化設(shè)計步驟 35
3.2 數(shù)字PID控制算法 37
3.2.1 基本PID算法 37
3.2.2 數(shù)字PID算法 39
3.2.3 數(shù)字PID改進算法 40
3.3 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 44
3.3.1 PID參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響 44
3.3.2 擴充臨界比例度法整定PID參數(shù) 45
3.3.3 擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù) 47
3.3.4 試湊法整定PID參數(shù) 47
3.4 數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法 48
3.4.1 數(shù)字控制器的直接法設(shè)計步驟 48
3.4.2 最少拍數(shù)字控制器的設(shè)計 49
3.4.3 最少拍無紋波數(shù)字控制器的設(shè)計 54
3.5 施密斯（Smith）預(yù)估控制 56
3.5.1 施密斯預(yù)估控制原理 56
3.5.2 具有純滯后Smith補償?shù)臄?shù)字
控制器 58
3.6 大林算法 60
3.6.1 大林算法D(z)的基本形式 60
3.6.2 振鈴現(xiàn)象 61
3.6.3 振鈴幅度RA 63
3.6.4 振鈴現(xiàn)象的消除 63
3.6.5 大林算法的設(shè)計步驟 64
第4章 控制系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計 65
4.1 應(yīng)用程序設(shè)計的基本原則與方法 65
4.1.1 應(yīng)用程序設(shè)計的基本步驟 65
4.1.2 應(yīng)用程序設(shè)計的目標及原則 66
4.1.3 應(yīng)用程序設(shè)計的方法 67
4.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用 71
4.2.1 基本術(shù)語 72
4.2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型 72
4.2.3 數(shù)據(jù)查找技術(shù) 76
4.2.4 數(shù)據(jù)排序技術(shù) 78
4.3 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 80
4.3.1 系統(tǒng)誤差的自動校準 80
4.3.2 標度變換 82
4.3.3 線性化處理 84
4.3.4 越限報警處理 86
第5章 控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 87
5.1 干擾的來源和分類 87
5.1.1 干擾的來源 87
5.1.2 干擾信號的耦合方式 88
5.1.3 干擾的作用形式 89
5.2 硬件抗干擾技術(shù) 90
5.2.1 共模干擾的抑制 90
5.2.2 串模干擾的抑制 92
5.2.3 長線傳輸干擾的抑制 93
5.3 軟件抗干擾技術(shù) 95
5.3.1 軟件出錯對系統(tǒng)的危害
及抗干擾對策 95
5.3.2 數(shù)字濾波 98
5.3.3 輸入/輸出軟件抗干擾措施 101
5.3.4 軟件冗余技術(shù) 102
5.3.5 程序運行失常的軟件抗干擾 102
5.4 接地技術(shù) 103
5.4.1 微機控制系統(tǒng)中的地線 103
5.4.2 常用的接地方法 104
5.5 電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 106
5.5.1 抗干擾穩(wěn)壓電源的設(shè)計 107
5.5.2 電源系統(tǒng)的異常保護 108
5.5.3 微機系統(tǒng)的掉電保護 109
5.6 “看門狗”技術(shù) 109
5.6.1 Watchdog的工作原理 109
5.6.2 Watchdog的實現(xiàn) 110
5.6.3 Watchdog的使用方法 110
5.6.4 使用Watchdog的若干問題 112
第6章 集散控制系統(tǒng) 114
6.1 集散控制系統(tǒng)概述 114
6.1.1 集散控制系統(tǒng)的發(fā)展 115
6.1.2 DCS的特點 116
6.2 集散控制系統(tǒng)的組成 118
6.2.1 DCS的分散過程控制級 118
6.2.2 DCS的集中操作監(jiān)控級 121
6.2.3 DCS的綜合信息管理級 123
6.3 集散控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信概要 125
6.3.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 125
6.3.2 訪問控制方式 126
6.3.3 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的性能評價和選型 127
6.4 DCS在火電廠中的應(yīng)用 129
6.4.1 DCS信號流程 129
6.4.2 DCS應(yīng)用過程 130
6.4.3 利用INFI-90實現(xiàn)主汽溫度控制 133
第7章 總線技術(shù) 136
7.1 總線概述 136
7.1.1 總線的產(chǎn)生與發(fā)展 136
7.1.2 總線的分類 137
7.2 現(xiàn)場總線 140
7.2.1 現(xiàn)場總線簡介 141
7.2.2 現(xiàn)場總線的種類 144
7.2.3 現(xiàn)場總線的未來 144
7.2.4 現(xiàn)場總線在國內(nèi)的應(yīng)用 145
7.3 現(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 146
7.3.1 現(xiàn)場總線的實質(zhì) 146
7.3.2 現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu) 147
7.3.3 現(xiàn)場總線的發(fā)展概況 149
7.3.4 現(xiàn)場總線的特點 151
7.4 幾種典型的現(xiàn)場總線 152
7.4.1 控制層現(xiàn)場總線ControlNet 152
7.4.2 設(shè)備層現(xiàn)場總線DeviceNet 156
7.4.3 Profibus協(xié)議 162
7.4.4 FF總線 166
7.4.5 LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)和Lon總線 167
7.4.6 CAN總線 168
7.4.7 Modbus協(xié)議 170
7.5 典型控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 171
第8章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 173
8.1 系統(tǒng)設(shè)計的原則與步驟 173
8.1.1 系統(tǒng)設(shè)計的原則 173
8.1.2 系統(tǒng)設(shè)計的步驟 175
8.2 系統(tǒng)的工程設(shè)計與實現(xiàn) 178
8.2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 178
8.2.2 硬件的工程設(shè)計與實現(xiàn) 179
8.2.3 軟件的工程設(shè)計與實現(xiàn) 182
8.2.4 系統(tǒng)的調(diào)試與運行 184
8.3 啤酒發(fā)酵過程計算機控制系統(tǒng)設(shè)計 188
8.3.1 啤酒發(fā)酵工藝及控制要求 188
8.3.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計 189
8.3.3 系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計 190
8.3.4 系統(tǒng)的安裝調(diào)試運行及控制效果 193
第9章 控制系統(tǒng)組態(tài)軟件WinCC 194
9.1 WinCC簡介 195
9.1.1 性能特點 195
9.1.2 WinCC系統(tǒng)構(gòu)成 196
9.1.3 WinCC與PLC之間的通信 196
9.2 WinCC項目 197
9.2.1 建立和編輯WinCC項目的
一般過程 197
9.2.2 WinCC項目管理器介紹 197
9.2.3 建立一個新項目 199
9.3 變量管理 199
9.3.1 添加邏輯連接 200
9.3.2 變量的類型 200
9.3.3 建立內(nèi)部變量 200
9.3.4 建立過程變量 201
9.3.5 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)類型和變量組 201
9.4 畫面組態(tài) 202
9.4.1 WinCC圖形編輯器 202
9.4.2 圖形、對象和控件的使用 203
9.4.3 創(chuàng)建過程畫面 205
9.4.4 改變畫面的對象屬性 208
9.4.5 指定WinCC運行系統(tǒng)的屬性 208
9.4.6 運行工程 208
9.4.7 使用變量模擬器測試畫面 210
9.5 故障處理 210
9.5.1 功能簡介 210
9.5.2 診斷功能 210
9.6 系統(tǒng)的安全性 212
9.6.1 用戶管理器的功能原則 212
9.6.2 用戶管理器組態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 213
參考文獻 217

1. 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計安裝與調(diào)試 [主編 田浩鵬]
2. 計算機控制技術(shù) [主 編 劉福榮]
3. 自動控制原理實踐教程 [彭學(xué)鋒 等編著]
4. 計算機控制與仿真技術(shù) [楊立 主編]
5. 計算機控制及網(wǎng)絡(luò)技術(shù) [龍志強 等編著]
6. 計算機控制與仿真技術(shù)（第二版） [楊立 主編]