计算机控制技术 理论、方法与应用 微课视频版

为贯彻落实《教育厅关于全面提高高等教育质量若干意见》的精神，进一步促进普通本科课程向应用型本科课程的转变，建立适合应用型人才的培养模式，推动专业设置、课程内容、教学方式的改革，推进高等教育内涵发展，提高教学水平。作者结合社会科技发展方向，以及多年教学经验编著此书，以满足高等学校对工科类专业人才培养、教学改革与课程改革的需求。

计算机控制技术是信息时代推动自动化的重要动力，信息技术又促进了计算机控制技术的深入发展。进入21世纪以来，计算机控制技术越来越成熟，应用也越来越广泛，目前正朝着微型化、智能化、网络化和规范化方向发展。

微型化嵌入式计算机已渗透到控制前端和底层，如各种传感器、执行器、过程通道、交互设备、通信设备等。特别是随着微电子机械系统(microelector mechanical system，MEMS)等技术的发展，器件的低成本、低功耗、高精度、微体积的特性越发显著，使控制技术可深入传统的机电技术难以进入的领域。

智能化控制器具有自适应、自学习、自诊断和自修复功能，控制质量进一步提高。特别是随着高性价比微控制器（MCU）的飞速发展，各种“智能产品”“智能制造”层出不穷，而微控制器及其算法是智能化控制的“灵魂”。

网络化使得控制系统的结构重心由信息加工单元转向系统的信息传输。随着规模的不断扩大，控制系统不仅能对整个工厂的生产过程控制，而且使跨地域的大规模控制得以实现。以互联网所代表的新一代信息技术与控制技术的深度融合推动了“互联网 ”时代的来临和发展。规范化要求控制系统的硬件和软件要有统一的标准，强调设备的互换性、系统的互连性，使控制系统的集成更为灵活。各种规模的可编程逻辑控制器（PLC）、开放的组态软件、集成开发环境和资源库、通信协议、图形化人机接口为构建不同架构的控制系统带来了方便，极大地提高了系统的开发效率，降低了系统的维护成本。

为了适应计算机控制技术的发展，秉承系统性、新颖性、应用性和适用性的原则，全书共设置基础篇、技术篇和应用篇三篇，分别介绍计算机控制系统相关的基本理论、主要技术和工程应用。

基础篇介绍了计算机控制系统的理论基础（包括控制系统的数学模型、连续系统的分析和设计、离散系统的描述方法）及数字控制器的设计与实现。其中着重介绍了数字控制器的近似设计法和解析设计法——离散化方法和最少拍随动系统的设计以及工业上最常用的数字PID控制算法和参数整定方法。

技术篇是本书的重点内容，主要介绍了各种计算机控制技术，包括控制系统中的工业控制计算机及其接口技术、过程通道技术、可靠性与抗干扰技术、控制系统中的软件技术——组态软件以及集成了计算机控制系统许多关键技术的集散控制系统。

应用篇介绍了计算机控制技术应用的具体模式和实例，包括计算机控制系统的多种解决方案及案例分析、计算机控制技术在简单过程控制中的应用，并结合国内自动控制领域的著名企业——浙江中控的典型产品和项目，介绍计算机控制技术在流程工业自动化中的应用实例。

本书结合教学实践，介绍控制系统组态软件及应用方法，有效提升学生学科认知，实现实践认知循环，力图贴近工程应用，拉近教学课堂与实践应用的距离，彰显“学以致用”。信息时代知识获取的途径越来越多，知识的表现形式也越来越丰富，为方便学生自主学习，提高学习效率，加快高等教育数字化教学转型，我们将本书制作成新形态教材，建设丰富的线上教育和教学资源，包括教学大纲、微课视频、教学课件、习题解答等资源，读者可通过扫描

书中二维码查看，“即扫即看”，便于读者快速了解相关重点知识和典型案例。

本书由卢亚平、丁建强和任晓编著，卢亚平负责全书统稿，并编写第7～11章； 丁建强编写第1～6章； 任晓老师参与了全书的修订和核对工作。另外，浙江中控（SUPCON）提供了珍贵的应用案例和技术指导。

编写过程中，还参考了大量同类书籍、文献资料及工业自动化产品的技术手册，受益匪浅，在此衷心感谢所有对本书出版给予帮助和支持的老师和朋友。

由于编者水平有限，书中难免有疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

编者

2023年10月

本书融汇科技力量以激发教学新动能，秉持以“先进”技术赋能“传统”教育的发展宗旨，积极推动数字技术驱动课堂教学的变革创新，加强智慧教育与教学数字化转型。本书共设置基础篇、技术篇和应用篇三部分，分别介绍计算机控制系统相关的基本理论、主要技术和工程应用。基础篇介绍了计算机控制系统的理论基础，包括系统数学模型的描述方法、连续系统分析设计方法的回顾、离散系统的分析、数字控制器的设计与实现。技术篇是本书的重点内容，主要介绍了各种计算机控制技术，包括工业控制计算机及其接口技术、过程通道技术、可靠性与抗干扰技术、控制系统中的软件技术（MCGS控制系统、JX-300XP控制系统）等。应用篇介绍了计算机控制技术应用的具体模式和实例，读者能够较全面的了解水箱液位控制、锅炉温度控制、流量比值控制等项目的组态设计方案。本书可作为过程控制方向相关从业人员的参考用书。

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），成为教育厅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。

基础篇溯本而求源温故而知新

第1章概述

1.1自动控制的基本概念

1.1.1自动控制的引例

1.1.2自动控制中的基本问题

1.2计算机控制系统

1.2.1计算机控制系统的结构

1.2.2计算机控制系统的分类

1.2.3计算机控制技术及其发展

1.3课程的研究内容和学习方法

1.3.1研究内容

1.3.2学习方法

本章知识点

思考题与习题

第2章计算机控制系统的理论基础

2.1控制系统的数学模型

2.1.1控制系统的描述方法

2.1.2用微分方程表示的系统模型

2.1.3用脉冲响应表示的系统模型

2.1.4拉普拉斯变换

2.1.5用传递函数表示的系统模型

2.1.6系统的方框图

2.1.7状态空间概念和模型框图

2.2连续系统的分析和设计

2.2.1连续系统的性能指标

2.2.2连续系统的分析和设计方法回顾

2.3离散系统的描述方法

2.3.1离散系统与连续系统的关系

2.3.2采样过程和采样定理

2.3.3序列和差分方程

2.3.4用脉冲响应表示的离散系统模型

2.3.5z变换及其性质

2.3.6脉冲传递函数 

2.3.7离散系统的状态空间描述

2.3.8离散系统的其他描述方法

2.4离散系统的分析

2.4.1s平面和z平面之间的映射

2.4.2稳定性分析

2.4.3静态误差分析

2.4.4动态特性分析

本章知识点

思考题与习题

第3章数字控制器的设计与实现

3.1数字控制器的设计方法

3.1.1近似设计法

3.1.2解析设计法

3.2离散化方法

3.2.1积分变换法

3.2.2零极点匹配法 

3.2.3等效变换法

3.2.4离散化方法比较

3.3PID控制

3.3.1PID控制的原理

3.3.2数字PID控制算法

3.3.3数字PID控制的参数整定

3.4最少拍随动系统

3.4.1最少拍随动系统的原理

3.4.2最少拍随动系统的设计

3.4.3最少拍无纹波随动系统的设计

3.5控制算法的实现

3.5.1实现框图与算法

3.5.2串行实现与并行实现

本章知识点

思考题与习题

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

4.1工业控制计算机

4.1.1工业控制计算机的特点和结构

4.1.2嵌入式系统与单片机

4.1.3典型工业控制计算机的产品

4.2控制系统中的接口技术

4.2.1接口与总线

4.2.2并行接口

4.2.3串行接口

4.2.4现场总线

4.3控制系统中的人机交互技术

4.3.1人机交互及其要求

4.3.2人机交互的设计技术

4.4工业控制计算机软件系统简介

4.4.1系统软件

4.4.2应用软件

本章知识点

思考题与习题

第5章计算机控制系统中的过程通道

5.1传感器与执行器

5.1.1传感器和变送器

5.1.2IEEE 1451智能变换器标准

5.1.3执行器及其分类

5.1.4伺服电机和步进电机

5.1.5变频器与电动执行器

5.2输入通道

5.2.1控制系统中的信号种类及特点

5.2.2数字量信号处理方式

5.2.3模拟量信号处理方式

5.2.4数据采集的原理和实现

5.3输出通道

5.3.1输出通道的基本结构

5.3.2输出通道中的开关信号驱动

5.3.3输出通道中的模拟信号驱动

5.3.4电机控制

本章知识点

思考题与习题

第6章控制系统的可靠性与抗干扰技术

6.1可靠性与抗干扰技术的基本概念

6.1.1可靠性的概念

6.1.2电磁兼容性

6.1.3噪声的分类和耦合方式

6.1.4控制系统可靠性设计的基本途径

6.2硬件的可靠性与抗干扰技术

6.2.1元器件与系统结构

6.2.2滤波与去耦电路

6.2.3隔离与屏蔽技术

6.2.4电源干扰的抑制与接地技术

6.2.5电源管理和热插拔技术

6.2.6Watchdog技术

6.2.7印制电路板的抗干扰措施 

6.3软件的可靠性与抗干扰技术

6.3.1存储空间分配和程序结构的设计

6.3.2数字滤波技术

6.3.3数据的检错和纠错

6.3.4开机自检与故障诊断

本章知识点

思考题与习题

第7章控制系统的组态软件

7.1工控组态软件概述

7.1.1组态软件及其特点

7.1.2组态软件的功能

7.1.3组态软件的发展

7.2MCGS组态软件

7.2.1MCGS组态软件的特点和组成

7.2.2MCGS工程构成

7.2.3MCGS组态过程

7.3组态王组态软件

7.3.1组态王软件的特点和组成

7.3.2组态王软件的构成

7.3.3组态王组态过程

7.4力控监控组态软件

7.4.1力控软件的特点和组成

7.4.2力控软件的构成

7.4.3力控组态过程

本章知识点

思考题与习题

第8章集散控制系统

8.1DCS的产生与发展

8.1.1DCS的产生

8.1.2DCS的发展

8.1.3EPA现场总线

8.2DCS的体系结构

8.2.1DCS的分层结构

8.2.2DCS的硬件结构

8.2.3DCS的网络结构

8.2.4DCS的软件结构

8.3WebField JX300XP控制系统

8.3.1概述

8.3.2JX300XP系统的组成

8.3.3JX300XP系统的硬件

8.3.4JX300XP系统的软件

本章知识点

思考题与习题

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

9.1基于嵌入式系统的解决方案

9.1.1组成和特点

9.1.2案例1： 由嵌入式系统控制的全自动洗衣机

9.2基于智能控制仪表的解决方案

9.2.1组成和特点

9.2.2案例2： 基于智能控制仪表的电阻炉温度控制系统

9.3基于可编程逻辑控制器的解决方案

9.3.1组成和特点

9.3.2案例3： PLC控制的工业洗衣机

9.4基于分布式数据采集与控制模块的解决方案

9.4.1组成和特点

9.4.2案例4： 潮流水槽计算机检测与控制系统

9.5基于可编程自动化控制器的解决方案

9.5.1组成和特点

9.5.2案例5： PAC在桥梁健康检测系统中的应用

本章知识点

思考题与习题

第10章计算机控制技术在简单过程控制中的应用

10.1实例1： 水箱液位控制

10.1.1被控对象和控制方案

10.1.2硬件组成

10.1.3组态过程

10.1.4PID整定实验过程

10.2实例2： 锅炉温度控制

10.2.1被控对象和控制方案

10.2.2硬件组成

10.2.3组态过程

10.2.4PID算法设计

10.2.5PID整定实验过程

10.3实例3： 流量比值控制

10.3.1被控对象和控制方案

10.3.2硬件组成

10.3.3组态过程

10.3.4案例调试

本章知识点

思考题与习题

第11章计算机控制技术在流程工业自动化中的应用

11.1DCS在循环流化床锅炉中的应用

11.1.1工艺介绍

11.1.2系统设计

11.1.3系统组态

11.1.4控制流程

11.1.5系统运行

11.2DCS在大中型氮肥装置中的应用

11.2.1工艺介绍

11.2.2系统设计

11.2.3系统组态

11.2.4控制流程

11.2.5系统运行

本章知识点

思考题与习题

附录A有关工业自动化产品及企业网址

参考文献

本书融汇科技力量以激发教学新动能，秉持以“先进”技术赋能“传统”教育的发展宗旨，积极推动数字技术驱动课堂教学的变革创新，加强智慧教育与教学数字化转型。本书共设置基础篇、技术篇和应用篇三部分，分别介绍计算机控制系统相关的基本理论、主要技术和工程应用。基础篇介绍了计算机控制系统的理论基础，包括系统数学模型的描述方法、连续系统分析设计方法的回顾、离散系统的分析、数字控制器的设计与实现。技术篇是本书的重点内容，主要介绍了各种计算机控制技术，包括工业控制计算机及其接口技术、过程通道技术、可靠性与抗干扰技术、控制系统中的软件技术（MCGS控制系统、JX-300XP控制系统）等。应用篇介绍了计算机控制技术应用的具体模式和实例，读者能够较全面的了解水箱液位控制、锅炉温度控制、流量比值控制等项目的组态设计方案。本书可作为过程控制方向相关从业人员的参考用书。

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），成为教育厅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。

孙立宁 苏州大学机电学院

在本书中加入了信息技术的应用，以致能有效提高学生的信息技术应用能力，增加实际操作的灵活性。使其能够协助师生实现构建“项目体验式、课堂实习式、理实一体化”的课程教学模式，以切合“新工科”培养面向企业需求的高素质技术技能人才的目标。

宋廷强 青岛科技大学信息学院

本书以计算机控制技术为出发点，从真实环境、真学真做，掌握真本领的要求来对本教材进行撰写,建立多维度的教学内容，设置丰富的实战案例，有利于读者真正理解深度学习并掌握控制系统的组态方法和PID参数的调节过程，推荐阅读。

胡  凯 南京工程信息大学

本书引入项目化教学案例，帮助读者尽快掌握工业4.0大背景下的计算机控制相关技术，成为工业4.0领域中紧缺的应用型、复合型和创新型人才！