计算机控制技术:理论、方法与应用9787302649595
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作者卢亚平，丁建强，任晓编著
出版社清华大学出版社
ISBN9787302649595
出版时间2023-12
装帧平装
开本其他
定价69元
货号14856747
上书时间2024-10-22
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作者简介
卢亚平：机器人教研室主任，昆山市智能制造技能大师工作室领衔人。长期从事工业机器人、过程控制等领域的教学和科研工作。2012年编写了“新坐标大学本科电子信息类专业系列教材”——《计算机控制技术及其应用》清华大学出版。 2017年秉承教材的新颖性、应用性和适用性的原则，对教材《计算机控制技术及其应用》进行改版（第二版的修订），成为教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材。2014发表核心论文：分散控制系统实验室的改进与创新[J]，实验技术与管理。对分散控制系统(DCS)实验室的控制系统设计不合理等问题提出改进和创新思路,包括控制站整体结构分配方法、改进组态和实验项目、改进温度控制器件等,实现提高教学质量、满足教学要求和提高学生专业能力等目标。先后出版了《FANUC工业机器人编程操作与仿真》《工业机器人工具设计与仿真》《电力电子技术与应用》等图书。
目录
基础篇 溯本而求源 温故而知新 第1章 概述 ………………………………………………………………………………………………… 3 1.1 自动控制的基本概念 ……………………………………………………………………………… 3 1.1.1 自动控制的引例…………………………………………………………………………… 4 1.1.2 自动控制中的基本问题…………………………………………………………………… 7 1.2 计算机控制系统 …………………………………………………………………………………… 9 1.2.1 计算机控制系统的结构…………………………………………………………………… 9 1.2.2 计算机控制系统的分类 ………………………………………………………………… 10 1.2.3 计算机控制技术及其发展 ……………………………………………………………… 15 1.3 课程的研究内容和学习方法……………………………………………………………………… 17 1.3.1 研究内容 ………………………………………………………………………………… 17 1.3.2 学习方法 ………………………………………………………………………………… 17 本章知识点 ……………………………………………………………………………………………… 18 思考题与习题 …………………………………………………………………………………………… 19 第2章 计算机控制系统的理论基础 ………………………………………………………………… 20 2.1 控制系统的数学模型……………………………………………………………………………… 20 2.1.1 控制系统的描述方法 …………………………………………………………………… 20 2.1.2 用微分方程表示的系统模型 …………………………………………………………… 21 2.1.3 用脉冲响应表示的系统模型 …………………………………………………………… 23 2.1.4 拉普拉斯变换 …………………………………………………………………………… 24 2.1.5 用传递函数表示的系统模型 …………………………………………………………… 26 2.1.6 系统的方框图 …………………………………………………………………………… 27 2.1.7 状态空间概念和模型框图 ……………………………………………………………… 28 2.2 连续系统的分析和设计…………………………………………………………………………… 30 2.2.1 连续系统的性能指标 …………………………………………………………………… 30 2.2.2 连续系统的分析和设计方法回顾 ……………………………………………………… 31 2.3 离散系统的描述方法……………………………………………………………………………… 36 2.3.1 离散系统与连续系统的关系 …………………………………………………………… 36 2.3.2 采样过程和采样定理 …………………………………………………………………… 36 2.3.3 序列和差分方程 ………………………………………………………………………… 38 2.3.4 用脉冲响应表示的离散系统模型 ……………………………………………………… 40 2.3.5 z 变换及其性质 ………………………………………………………………………… 41 Ⅷ 2.3.6 脉冲传递函数 …………………………………………………………………………… 42 2.3.7 离散系统的状态空间描述 ……………………………………………………………… 44 2.3.8 离散系统的其他描述方法 ……………………………………………………………… 45 2.4 离散系统的分析…………………………………………………………………………………… 46 2.4.1 s 平面和z 平面之间的映射 …………………………………………………………… 46 2.4.2 稳定性分析 ……………………………………………………………………………… 47 2.4.3 静态误差分析 …………………………………………………………………………… 47 2.4.4 动态特性分析 …………………………………………………………………………… 49 本章知识点 ……………………………………………………………………………………………… 49 思考题与习题 …………………………………………………………………………………………… 50 第3章 数字控制器的设计与实现 …………………………………………………………………… 52 3.1 数字控制器的设计方法…………………………………………………………………………… 53 3.1.1 近似设计法 ……………………………………………………………………………… 53 3.1.2 解析设计法 ……………………………………………………………………………… 53 3.2 离散化方法………………………………………………………………………………………… 54 3.2.1 积分变换法 ……………………………………………………………………………… 54 3.2.2 零极点匹配法 …………………………………………………………………………… 57 3.2.3 等效变换法 ……………………………………………………………………………… 58 3.2.4 离散化方法比较 ………………………………………………………………………… 59 3.3 PID 控制 …………………………………………………………………………………………… 60 3.3.1 PID 控制的原理 ………………………………………………………………………… 60 3.3.2 数字 PID 控制算法 ……………………………………………………………………… 61 3.3.3 数字 PID 控制的参数整定 ……………………………………………………………… 65 3.4 最少拍随动系统…………………………………………………………………………………… 68 3.4.1 最少拍随动系统的原理 ………………………………………………………………… 68 3.4.2 最少拍随动系统的设计 ………………………………………………………………… 69 3.4.3 最少拍无纹波随动系统的设计 ………………………………………………………… 72 3.5 控制算法的实现…………………………………………………………………………………… 76 3.5.1 实现框图与算法 ………………………………………………………………………… 76 3.5.2 串行实现与并行实现 …………………………………………………………………… 79 本章知识点 ……………………………………………………………………………………………… 81 思考题与习题 …………………………………………………………………………………………… 81 技术篇 工欲善其事 必先利其器 第4章 控制系统中的计算机及其接口技术 ……………………………………………………… 85 4.1 工业控制计算机…………………………………………………………………………………… 85 4.1.1 工业控制计算机的特点和结构 ………………………………………………………… 85 4.1.2 嵌入式系统与单片机 …………………………………………………………………… 86 4.1.3 典型工业控制计算机的产品 …………………………………………………………… 91 4.2 控制系统中的接口技术…………………………………………………………………………… 93 4.2.1 接口与总线 ……………………………………………………………………………… 93 4.2.2 并行接口 ………………………………………………………………………………… 96 Ⅸ 4.2.3 串行接口 ………………………………………………………………………………… 97 4.2.4 现场总线………………………………………………………………………………… 109 4.3 控制系统中的人机交互技术 …………………………………………………………………… 112 4.3.1 人机交互及其要求……………………………………………………………………… 112 4.3.2 人机交互的设计技术…………………………………………………………………… 113 4.4 工业控制计算机软件系统简介 ………………………………………………………………… 114 4.4.1 系统软件………………………………………………………………………………… 114 4.4.2 应用软件………………………………………………………………………………… 116 本章知识点 …………………………………………………………………………………………… 117 思考题与习题 ………………………………………………………………………………………… 118 第5章 计算机控制系统中的过程通道 …………………………………………………………… 120 5.1 传感器与执行器 ………………………………………………………………………………… 120 5.1.1 传感器和变送器………………………………………………………………………… 120 5.1.2 IEEE1451智能变换器标准 …………………………………………………………… 122 5.1.3 执行器及其分类………………………………………………………………………… 125 5.1.4 伺服电机和步进电机…………………………………………………………………… 125 5.1.5 变频器与电动执行器…………………………………………………………………… 128 5.2 输入通道 ………………………………………………………………………………………… 130 5.2.1 控制系统中的信号种类及特点………………………………………………………… 130 5.2.2 数字量信号处理方式…………………………………………………………………… 132 5.2.3 模拟量信号处理方式…………………………………………………………………… 137 5.2.4 数据采集的原理和实现………………………………………………………………… 151 5.3 输出通道 ………………………………………………………………………………………… 155 5.3.1 输出通道的基本结构…………………………………………………………………… 155 5.3.2 输出通道中的开关信号驱动 …………………………………………………………… 155 5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动 …………………………………………………………… 160 5.3.4 电机控制………………………………………………………………………………… 165 本章知识点 …………………………………………………………………………………………… 172 思考题与习题 ………………………………………………………………………………………… 173 第6章 控制系统的可靠性与抗干扰技术 ………………………………………………………… 175 6.1 可靠性与抗干扰技术的基本概念 ……………………………………………………………… 175 6.1.1 可靠性的概念…………………………………………………………………………… 175 6.1.2 电磁兼容性……………………………………………………………………………… 176 6.1.3 噪声的分类和耦合方式………………………………………………………………… 178 6.1.4 控制系统可靠性设计的基本途径……………………………………………………… 182 6.2 硬件的可靠性与抗干扰技术 …………………………………………………………………… 183 6.2.1 元器件与系统结构……………………………………………………………………… 183 6.2.2 滤波与去耦电路………………………………………………………………………… 185 6.2.3 隔离与屏蔽技术………………………………………………………………………… 188 6.2.4 电源干扰的抑制与接地技术 …………………………………………………………… 193 6.2.5 电源管理和热插拔技术………………………………………………………………… 196 6.2.6 Watchdog技术 ………………………………………………………………………… 198 6.2.7 印制电路板的抗干扰措施 …………………………………………………………… 198 Ⅹ 6.3 软件的可靠性与抗干扰技术 …………………………………………………………………… 199 6.3.1 存储空间分配和程序结构的设计……………………………………………………… 199 6.3.2 数字滤波技术…………………………………………………………………………… 201 6.3.3 数据的检错和纠错……………………………………………………………………… 204 6.3.4 开机自检与故障诊断…………………………………………………………………… 205 本章知识点 …………………………………………………………………………………………… 206 思考题与习题 ………………………………………………………………………………………… 207 第7章 控制系统的组态软件 ………………………………………………………………………… 208 7.1 工控组态软件概述 ……………………………………………………………………………… 208 7.1.1 组态软件及其特点……………………………………………………………………… 208 7.1.2 组态软件的功能 ………………………………………………………………………… 209 7.1.3 组态软件的发展 ………………………………………………………………………… 210 7.2 MCGS组态软件 ………………………………………………………………………………… 210 7.2.1 MCGS组态软件的特点和组成………………………………………………………… 210 7.2.2 MCGS工程构成………………………………………………………………………… 211 7.2.3 MCGS组态过程………………………………………………………………………… 219 7.3 组态王组态软件 ………………………………………………………………………………… 222 7.3.1 组态王软件的特点和组成……………………………………………………………… 223 7.3.2 组态王软件的构成……………………………………………………………………… 223 7.3.3 组态王组态过程 ………………………………………………………………………… 223 7.4 力控监控组态软件 ……………………………………………………………………………… 228 7.4.1 力控软件的特点和组成………………………………………………………………… 228 7.4.2 力控软件的构成 ………………………………………………………………………… 229 7.4.3 力控组态过程…………………………………………………………………………… 229 本章知识点 …………………………………………………………………………………………… 234 思考题与习题 ………………………………………………………………………………………… 235 第8章 集散控制系统 ………………………………………………………………………………… 236 8.1 DCS的产生与发展 ……………………………………………………………………………… 236 8.1.1 DCS的产生 …………………………………………………………………………… 236 8.1.2 DCS的发展 …………………………………………………………………………… 237 8.1.3 EPA 现场总线 ………………………………………………………………………… 238 8.2 DCS的体系结构 ………………………………………………………………………………… 239 8.2.1 DCS的分层结构 ……………………………………………………………………… 239 8.2.2 DCS的硬件结构 ……………………………………………………………………… 240 8.2.3 DCS的网络结构 ……………………………………………………………………… 241 8.2.4 DCS的软件结构 ……………………………………………………………………… 242 8.3 WebFieldJX-300XP控制系统 ………………………………………………………………… 243 8.3.1 概述……………………………………………………………………………………… 243 8.3.2 JX-300XP系统的组成 ………………………………………………………………… 243 8.3.3 JX-300XP系统的硬件 ………………………………………………………………… 244 8.3.4 JX-300XP系统的软件 ………………………………………………………………… 254 本章知识点 …………………………………………………………………………………………… 260 思考题与习题 ………………………………………………………………………………………… 261 Ⅺ 应用篇 学以致用 用学相长 第9章 计算机控制系统的解决方案 ……………………………………………………………… 265 9.1 基于嵌入式系统的解决方案 …………………………………………………………………… 265 9.1.1 组成和特点……………………………………………………………………………… 265 9.1.2 案例1:由嵌入式系统控制的全自动洗衣机 ………………………………………… 266 9.2 基于智能控制仪表的解决方案 ………………………………………………………………… 274 9.2.1 组成和特点……………………………………………………………………………… 274 9.2.2 案例2:基于智能控制仪表的电阻炉温度控制系统 ………………………………… 276 9.3 基于可编程逻辑控制器的解决方案 …………………………………………………………… 283 9.3.1 组成和特点……………………………………………………………………………… 283 9.3.2 案例3:PLC 控制的工业洗衣机 ……………………………………………………… 284 9.4 基于分布式数据采集与控制模块的解决方案 ………………………………………………… 290 9.4.1 组成和特点……………………………………………………………………………… 290 9.4.2 案例4:潮流水槽计算机检测与控制系统 …………………………………………… 291 9.5 基于可编程自动化控制器的解决方案 ………………………………………………………… 298 9.5.1 组成和特点……………………………………………………………………………… 298 9.5.2 案例5:PAC 在桥梁健康检测系统中的应用 ………………………………………… 299 本章知识点 …………………………………………………………………………………………… 300 思考题与习题 ………………………………………………………………………………………… 301 第10章 计算机控制技术在简单过程控制中的应用 …………………………………………… 302 10.1 实例1:水箱液位控制 ……………………………………………………………………… 302 10.1.1 被控对象和控制方案 ……………………………………………………………… 302 10.1.2 硬件组成 …………………………………………………………………………… 304 10.1.3 组态过程 …………………………………………………………………………… 304 10.1.4 PID 整定实验过程 ………………………………………………………………… 308 10.2 实例2:锅炉温度控制 ……………………………………………………………………… 311 10.2.1 被控对象和控制方案 ……………………………………………………………… 311 10.2.2 硬件组成 …………………………………………………………………………… 313 10.2.3 组态过程 …………………………………………………………………………… 315 10.2.4 PID 算法设计 ……………………………………………………………………… 318 10.2.5 PID 整定实验过程 ………………………………………………………………… 319 10.3 实例3:流量比值控制 ……………………………………………………………………… 323 10.3.1 被控对象和控制方案 ……………………………………………………………… 323 10.3.2 硬件组成 …………………………………………………………………………… 325 10.3.3 组态过程 …………………………………………………………………………… 327 10.3.4 案例调试 …………………………………………………………………………… 331 本章知识点 …………………………………………………………………………………………… 332 思考题与习题 ………………………………………………………………………………………… 333 第11章 计算机控制技术在流程工业自动化中的应用 ………………………………………… 334 11.1 DCS在循环流化床锅炉中的应用 …………………………………………………………… 334 Ⅻ 11.1.1 工艺介绍 …………………………………………………………………………… 334 11.1.2 系统设计 …………………………………………………………………………… 336 11.1.3 系统组态 …………………………………………………………………………… 336 11.1.4 控制流程 …………………………………………………………………………… 341 11.1.5 系统运行 …………………………………………………………………………… 346 11.2 DCS在大中型氮肥装置中的应用 …………………………………………………………… 346 11.2.1 工艺介绍 …………………………………………………………………………… 346 11.2.2 系统设计 …………………………………………………………………………… 349 11.2.3 系统组态
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