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第1章 计算机控制系统概述1

1.1 计算机控制的概念2

1.2 计算机控制系统的组成4

1.2.1 计算机控制系统的硬件4

1.2.2 计算机控制系统的软件6

1.2.3 计算机控制系统的网络结构6

1.3 计算机在工业控制中的典型应用7

1.3.1 数据采集和监视系统7

1.3.2 直接数字控制系统8

1.3.3 监督控制系统8

1.3.4 分布式控制系统9

1.3.5 工业网络化控制技术9

1.4 典型工业受控对象9

1.5 国内外主要计算机控制设备介绍10

第2章 基本通用接口技术12

2.1 通用输入输出接口12

2.1.1 基本可编程并行接口12

2.1.2 通用可编程串行接口14

2.2 人机交互设备与计算机的接口15

2.2.1 键盘和显示器的基本结构和工作原理15

2.2.2 键盘、静态显示器和单片机串行接口17

2.2.3 键盘、动态显示器和单片机串行接口19

2.2.4 键盘、显示器和单片机并行接口22

2.2.5 微型计算机与CRT显示器接口26

2.3 打印机、MODEM与微型计算机的接口29

2.3.1 打印机串行接口29

2.3.2 打印机并行接口31

2.3.3 微型计算机与MODEM接口33

习题与思考题34

第3章 过程通道和数据采集系统35

3.1 概述35

3.1.1 过程通道的组成和功用35

3.1.2 信号转换中的采样、量化和编码36

3.1.3 TTL和CMOS电路39

3.2 模拟量输入通道39

3.2.1 模拟量输入通道的一般组成39

3.2.2 多路转换器40

3.2.3 可编程序放大器42

3.2.4 采样与保持器43

3.3 D/A与A/D转换技术45

3.3.1 D/A转换原理45

3.3.2 A/D转换原理46

3.3.3 A/D与D/A转换器的主要技术指标48

3.4 单片A/D转换器及其与微处理器的接口51

3.4.1 8位A/D转换器及其接口51

3.4.2 12位A/D转换器及其接口54

3.5 数据采集系统55

3.5.1 数据采集系统的结构方案55

3.5.2 数据采集系统实例56

3.6 模拟量输出通道60

3.6.1 多路模拟量输出通道的结构形式60

3.6.2 8位D/A转换器及其接口61

3.6.3 12位D/A转换器及其接口63

3.6.4 双极性模拟量输出的实现64

3.7 过程通道的抗干扰措施66

3.7.1 干扰的来源和干扰的分类66

3.7.2 常态干扰的抑制70

3.7.3 共模干扰的抑制71

3.7.4 其他抗干扰措施72

3.8 小结79

习题与思考题80

第4章 程序控制和数值控制81

4.1 顺序控制器81

4.1.1 专用计算机顺序控制器82

4.1.2 可编程逻辑控制器90

4.2 开环数值控制107

4.2.1 数值控制的基本原理107

4.2.2 逐点比较法插补原理109

4.3 步进电机的控制123

4.3.1 步进电机的工作方式124

4.3.2 步进电机的脉冲分配程序125

4.3.3 步进电机的速度控制程序128

4.4 小结131

习题与思考题131

第5章 数字PID控制算法132

5.1 准连续PID控制算法132

5.1.1 模拟PID调节器132

5.1.2 数字PID控制算法134

5.2 对标准PID算法的改进136

5.2.1 “饱和”作用的抑制136

5.2.2 干扰的抑制141

5.2.3 对标准PID算法的改进143

5.2.4 基于模型的PID算法的改进144

5.3 PID调节器参数选择146

5.3.1 凑试法确定PID调节参数146

5.3.2 实验经验法确定PID调节参数147

5.3.3 采样周期的选择149

5.4 应用实例152

5.4.1 控制系统简介152

5.4.2 控制系统设计154

5.4.3 专家自整定PID155

5.5 小结155

习题与思考题156

第6章 数字控制器的直接设计方法157

6.1 参数优化的低阶控制算法158

6.2 最少拍数字控制器设计160

6.3 最少拍随动系统的设计162

6.3.1 最少拍系统的稳定性设计162

6.3.2 最少拍随动系统的局限性168

6.4 最少拍无纹波随动系统的设计171

6.5 惯性因子法173

6.6 非最少的有限拍控制176

6.7 达林算法177

6.8 小结181

习题与思考题181

第7章 模型预测控制算法183

7.1 概述183

7.2 动态矩阵控制185

7.2.1 动态矩阵控制的原理和算法185

7.2.2 设计参数的选择192

7.3 动态矩阵控制算法的讨论196

7.3.1 时滞对象的动态矩阵控制197

7.3.2 带有前馈的动态矩阵控制198

7.3.3 动态矩阵-PID串级控制200

7.3.4 有约束时的动态矩阵控制算法203

7.4 多变量系统的动态矩阵控制207

7.4.1 多变量系统的动态矩阵控制算法207

7.4.2 多变量系统的动态矩阵建模210

7.5 模型算法控制212

7.5.1 模型算法控制的基本原理212

7.5.2 模型算法控制的一步优化算法和多步优化算法216

7.6 应用实例219

7.7 小结221

习题与思考题222

第8章 计算机控制系统设计223

8.1 计算机控制系统设计的基本要求和特点223

8.1.1 系统设计的基本要求223

8.1.2 系统设计的特点225

8.2 计算机控制系统设计的一般步骤225

8.2.1 确定控制任务与系统整体方案226

8.2.2 选择微处理器和外围设备226

8.2.3 建模和控制算法确定227

8.2.4 系统总体方案设计227

8.2.5 硬件和软件的具体设计228

8.3 计算机控制系统设计229

8.3.1 系统的选择和配置229

8.3.2 总线负载的考虑230

8.3.3 专用微型计算机系统设计233

8.4 工业控制系统设计实例235

8.4.1 温度仪表控制系统235

8.4.2 锅炉计算机控制系统设计245

8.4.3 啤酒发酵控制系统设计249

8.4.4 ControlLogix在转炉控制中的应用253

8.5 小结257

习题与思考题257

第9章 分布式计算机控制系统258

9.1 概述258

9.1.1 分布式控制系统概念258

9.1.2 各类控制系统的特点与比较259

9.1.3 分布式计算机控制的发展261

9.1.4 分布式控制系统的组成及体系结构262

9.2 分布式控制的技术发展265

9.2.1 分布式控制系统的硬件和软件的发展266

9.2.2 分布式计算机控制系统网络体系的发展268

9.2.3 现场总线技术和智能化仪表的发展269

9.3 分布式计算机控制系统的基本控制器272

9.4 分布式计算机控制系统和先进控制275

9.4.1 控制系统的功能层次结构275

9.4.2 先进控制278

9.4.3 先进控制技术的应用286

9.5 分布式计算机控制系统的应用288

9.5.1 分布式控制系统在水和水处理方面的应用288

9.5.2 分布式控制系统在轨道交通自动化方面的应用291

9.6 小结293

习题与思考题293

第10章 工业网络化控制技术及应用294

10.1 概述294

10.2 现场总线概述296

10.2.1 现场总线原理和发展概况296

10.2.2 现场总线的实质297

10.2.3 现场总线的结构299

10.2.4 几种典型的现场总线301

10.3 工业以太网概述319

10.3.1 工业以太网概述319

10.3.2 几种典型的工业以太网322

10.4 工业网络化控制系统体系结构333

习题与思考题334

第11章 计算机控制系统软件技术及应用335

11.1 计算机控制系统软件概述335

11.1.1 计算机控制系统软件组成简介336

11.1.2 软件工程设计方法336

11.2 工业控制软件介绍345

11.2.1 现场控制软件345

11.2.2 过程监控软件349

11.2.3 系统管理软件351

11.3 组态软件设计概述354

11.3.1 组态软件的基本功能355

11.3.2 组态软件的主要特点355

11.3.3 组态软件的组成结构355

11.3.4 组态软件国内外产品介绍356

11.3.5 组态软件程序设计358

11.4 控制系统软件在水处理中的应用案例362

11.5 小结365

习题与思考题365

附录 采样系统的Z变换366

参考文献372