計算機控制技術

本書詳細闡述了計算機控制系統概況、過程通道配置與數字信號處理、計算機控制系統分析、數字PID控制器設計、數字控制器的連續系統方法設計、數字控制器的直接設計、 ^[1] 

複雜數字控制器設計、數字控制器的狀態空間法設計、集散控制系統、現場總線控制系統和計算機控制系統實例,附錄還簡單介紹了主編獨創的虛擬被控對象的計算機控制實驗。對於暫時不具備開設複雜計算機控制實驗條件的學校,該套實驗為讀者提供了一種不需要添加任何非計算機設備就能對計算機控制實驗改造升級的手段。實驗系統為讀者提供了一個軟件實現的虛擬過程通道和虛擬被控對象平台,能夠非常方便和直觀地仿真計算機控制系統的實物對象(如A/D和D/A轉換誤差;執行器的飽和、死區、變化速率限制;被控對象的動態特性和飽和特性等),因而在該平台上實驗比MATLAB等仿真實驗更接近真實計算機控制系統環境。 ^[1] 

本書編寫力求層次分明、結構簡練、主題突出、由淺入深,計算機控制系統的基本概念和知識的解釋準確清晰、介紹簡明扼要,注重將計算機控制系統的硬件和軟件技術有機地結合起來,重點介紹了計算機控制系統的組成、常規和現代數字控制器設計,介紹了網絡多機協調控制技術,通過典型設計使讀者深入理解計算機控制系統技術,幫助讀者掌握計算機控制技術的主要內容。

本書既可作為高等院校自動控制、自動化、計算機應用、機電一體化等專業及相關專業的高年級本科生教材,也可作為相關專業科技人員的參考書籍。 ^[1] 

第1章

計算機控制系統概述1

1.1計算機控制系統的產生及原理1

1.1.1模擬控制向計算機控制的發展1

1.1.2計算機控制系統的基本工作原理2

1.2計算機控制系統的構成3

1.2.1計算機控制系統硬件的基本構成3

1.2.2計算機控制系統軟件的基本組成4

1.2.3控制用計算機的主要特點5

1.3計算機控制系統的分類7

1.4計算機控制系統舉例11

1.4.1工業爐燃料和空氣比率控制系統(生產過程控制)11

1.4.2火炮瞄準位置控制系統(運動控制)11

1.4.3原料混合和加熱控制系統(順序控制)12

1.5計算機控制系統的優缺點和發展趨勢12

1.5.1計算機控制系統的主要優點和缺點12

1.5.2計算機控制系統的發展趨勢13

思考題與習題114 ^[1] 

第2章

過程通道配置與數字信號處理15

2.1信號變換15

2.1.1計算機控制系統中信號的分類15

2.1.2計算機控制系統中信號的變換16

2.2過程通道的硬件選型18

2.2.1傳感器與變送器的選型19

2.2.2執行器與功放接口電路的選型21

2.2.3輸入/輸出通道接口板的選型23

2.3過程通道抗干擾技術24

2.3.1干擾信號的分類24

2.3.2串模干擾的抑制25

2.3.3共模干擾的抑制27

2.4過程通道數字濾波技術29

2.5線性化處理技術32

2.5.1計算法33

2.5.2查表法33

2.5.3線性插值法34

2.6標度變換技術36

思考題與習題237

第3章

計算機控制系統分析38

3.1計算機控制系統的數學模型38

3.1.1差分方程38

3.1.2Z變換38

3.1.3Z反變換40

3.1.4脈衝傳遞函數42 ^[1] 

3.2計算機控制系統的穩定性分析43

3.2.1Z平面和S平面的映射關係43

3.2.2穩定性判據45

3.3離散控制系統的穩態特性分析46

3.4離散控制系統的動態特性分析47

3.4.1閉環極、零點對系統動態響應的影響47

3.4.2離散控制系統的動態響應49

3.5計算機控制系統的頻率特性分析50

3.5.1頻率特性定義50

3.5.2頻率特性分析50

思考題與習題352

第4章

數字PID控制器設計53

4.1標準數字PID控制算法53

4.1.1PID控制基本原理53

4.1.2標準PID控制數字算式54

4.1.3數字PID程序流程圖56

4.2改進的PID算法57

4.2.1帶有死區的PID算式57

4.2.2抑制積分飽和的PID算法57

4.2.3不完全微分的PID算式60

4.2.4微分先行PID控制62

4.3數字PID控制工程實現的一些問題62

4.3.1工程上數字PID控制器程序的組成62

4.3.2編程時需要注意的幾個問題63

4.3.3數字PID控制工程的報警處理64

4.3.4自動/手動切換65

4.4PID參數整定方法66

4.4.1採樣週期T的選擇66

4.4.2擴充臨界比例度法67

4.4.3簡化擴充臨界比例度法68

4.4.4擴充響應曲線法68

4.4.5試湊法整定PID控制器參數69

思考題與習題469 ^[1] 

第5章

數字控制器的連續系統方法設計71

5.1連續系統方法設計數字控制器的原理71

5.2數值積分法72

5.2.1三種變換公式72

5.2.2三種變換法的穩定性分析76

5.2.3雙線性變換的預扭曲77

5.3零極點匹配法79

5.4等效保持算法80

5.4.1衝擊響應不變轉換80

5.4.2階躍響應不變轉換81

5.5設計舉例81

5.6各種方法的比較83

思考題與習題584

第6章

數字控制器的直接設計85

6.1系統性能指標與Z域極、零點的關係85

6.1.1主導極點在Z域樣板圖的位置85

6.1.2穩態性能指標對控制器在Z域極、零點的要求86

6.1.3動態性能指標對系統主導極點的要求87

6.2Z平面上的根軌跡法90

6.3用解析法進行數字控制器設計95

6.4最少拍控制系統的設計97

6.4.1最少拍控制系統的基本概念97

6.4.2最少拍控制器設計98

6.4.3最少拍控制系統的侷限性100

6.5最少拍無波紋控制系統的設計102

6.6非最少的有限拍控制104

6.7慣性因子法105

6.8大林算法106

6.8.1大林基本算法106

6.8.2振鈴現象的消除107

思考題與習題6110

第7章

複雜數字控制器設計111

7.1串級控制111

7.1.1串級控制的工作原理111

7.1.2串級控制系統設計113

7.1.3串級控制系統的主要優點114

7.2前饋控制115

7.2.1前饋控制的工作原理115

7.2.2前饋控制系統設計117

7.3史密斯(Smith)預估控制117

7.3.1史密斯(Smith)預估控制的工作原理118

7.3.2史密斯(Smith)預估控制系統設計119

7.4比值控制119

7.4.1單閉環比值控制119

7.4.2雙閉環比值控制120

思考題與習題7121 ^[1] 

第8章

數字控制器的狀態空間法設計122

8.1線性定常離散系統的狀態空間描述122

8.1.1狀態方程與輸出方程122

8.1.2連續系統狀態空間數學模型的離散化123

8.1.3離散系統狀態空間數學模型的實現124

8.2線性定常離散系統的狀態空間分析128

8.2.1狀態方程的Z變換求解128

8.2.2系統的穩定性130

8.2.3能控性、能達性和能觀性130

8.3極點配置131

8.3.1狀態反饋與輸出反饋131

8.3.2狀態反饋的極點配置132

8.3.3輸出反饋的極點配置134

8.4帶狀態觀測器的狀態反饋系統設計135

思考題與習題8137

第9章

集散控制系統138

9.1數據通信與工業網138

9.1.1數據通信的基本概念138

9.1.2數據傳輸模式139

9.1.3異步傳輸與同步傳輸140

9.1.4差錯控制技術142

9.1.5網絡拓撲結構143

9.1.6網絡通信協議146

9.2集散控制系統的產生148

9.3集散控制系統的基本構成149

9.3.1分散過程控制級149

9.3.2集中操作監控級151

9.4集散控制系統的主要特點152

9.5集散控制系統設計153

9.6SCADA系統簡介156

9.6.1系統概述156

9.6.2SCADA系統體系結構157

9.6.3SCADA系統與DCS的主要區別159

9.7計算機集成製造系統(CIMS)簡介160

9.7.1系統概述160

9.7.2CIMS的體系結構160

9.7.3CIMS與DCS的主要區別162

9.8集散控制系統的發展趨勢162

思考題與習題9163 ^[1] 

第10章

現場總線控制系統164

10.1現場總線控制系統的基本概念164

10.2現場總線的體系結構165

10.3現場總線智能儀表166

10.4現場總線控制系統的特點與優勢168

10.4.1FCS與DCS的比較168

10.4.2現場總線控制系統的技術特點169

10.4.3現場總線控制系統的主要優點169

10.5幾種典型的現場總線170

10.5.1基金會現場總線(FF)171

10.5.2過程現場總線(Profibus)172

10.5.3局部操作網絡(LonWork)175

10.5.4控制局域網絡(CAN)175

10.5.5可尋址遠程傳感器數據通路(HART)176

10.6工業以太網與實時以太網簡介177

10.6.1工業以太網概述177

10.6.2幾種工業以太網協議簡介178

10.6.3實時以太網的產生179

10.6.4幾種實時以太網通信協議簡介180

10.7現場總線的主要產品184

思考題與習題10185

第11章

計算機控制系統實例186

11.1鍋爐計算機控制系統186

11.1.1鍋爐生產工藝簡介186

11.1.2鍋爐控制方案187

11.1.3鍋爐控制系統結構189

11.1.4鍋爐控制系統軟件設計191

11.2鋼筋卷繞控制系統192

11.2.1鋼筋卷繞控制工藝簡介192

11.2.2傳感器和執行元件的選擇193

11.2.3控制系統基本結構198

11.2.4關鍵功能模塊控制器設計200

11.3某焦化企業DCS系統200

11.3.1系統工藝流程與控制需求200

11.3.2系統硬件配置203

11.3.3系統軟件配置205

11.3.4系統組態編程207

11.3.5部分組態界面舉例208

11.4無人靶機單片機控制系統211

11.4.1系統基本組成和功能需求211

11.4.2系統控制器設計212

11.4.3系統軟件設計214

11.5智能家居控制系統215

11.5.1智能家居控制需求215

11.5.2設計原則216

11.5.3系統組成與主要功能216

附錄A部分函數拉氏變換與Z變換對照表219

附錄B基於虛擬實驗平台的計算機控制實驗簡介220

B.1基於虛擬實驗平台的計算機控制實驗基本原理220

B.2虛擬被控對象簡介221

B.3虛擬輸入/輸出過程通道簡介226

B.4基於虛擬實驗平台的計算機控制實驗編程指導228

B.5實驗一虛擬被控對象計算機PID控制實驗指導書230

B.6實驗二虛擬被控對象大林算法控制實驗指導書232

B.7實驗三計算機前饋與反饋相結合控制實驗指導書235

參考文獻238 ^[1]