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基础篇 溯本而求源，温故而知新3

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16

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19

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24

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

2.3.6 脉冲传递函数43

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46

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48

2.4.4 动态特性分析49

本章知识点50

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59

3.3.1 PID控制的原理59

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73

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82

技术篇 工欲善其事，必先利其器85

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

4.2.3 串行接口98

4.2.4 现场总线110

4.3 控制系统中的人机交互技术113

4.3.1 人机交互及其要求113

4.3.2 人机交互的设计技术114

4.4 工业控制计算机软件系统简介115

4.4.1 系统软件115

4.4.2 应用软件117

本章知识点118

思考题与习题119

第5章 计算机控制系统中的过程通道121

5.1 传感器与执行器121

5.1.1 传感器和变送器121

5.1.2 IEEE 1451智能变换器标准123

5.1.3 执行器及其分类126

5.1.4 伺服电机和步进电机126

5.1.5 变频器与电动执行器129

5.2 输入通道131

5.2.1 控制系统中的信号种类及特点131

5.2.2 数字量信号处理方式133

5.2.3 模拟量信号处理方式140

5.2.4 数据采集的原理和实现152

5.3 输出通道156

5.3.1 输出通道的基本结构156

5.3.2 输出通道中的开关信号驱动157

5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动162

5.3.4 电机控制167

本章知识点174

思考题与习题175

第6章 控制系统的可靠性与抗干扰技术177

6.1 可靠性与抗干扰技术的基本概念177

6.1.1 可靠性的概念177

6.1.2 电磁兼容性178

6.1.3 噪声的分类和耦合方式180

6.1.4 控制系统可靠性设计的基本途径184

6.2 硬件的可靠性与抗干扰技术185

6.2.1 元器件与系统结构185

6.2.2 滤波与去耦电路187

6.2.3 隔离与屏蔽技术190

6.2.4 电源干扰的抑制与接地技术194

6.2.5 电源管理和热插拔技术199

6.2.6 Watchdog技术201

6.2.7 印制板的抗干扰措施201

6.3 软件的可靠性与抗干扰技术202

6.3.1 存储空间分配和程序结构的设计202

6.3.2 数字滤波技术203

6.3.3 数据的检错和纠错207

6.3.4 开机自检与故障诊断207

本章知识点209

思考题与习题210

第7章 控制系统的组态软件211

7.1 工控组态软件概述211

7.1.1 组态软件及其特点211

7.1.2 组态软件的功能212

7.1.3 组态软件的发展213

7.2 MCGS组态软件213

7.2.1 MCGS组态软件的特点和组成213

7.2.2 MCGS工程构成214

7.2.3 MCGS组态过程222

7.3 组态王组态软件226

7.3.1 组态王软件的特点和组成226

7.3.2 组态王软件的构成226

7.3.3 组态王组态过程227

7.4 力控监控组态软件232

7.4.1 力控软件的特点和组成232

7.4.2 力控软件的构成232

7.4.3 力控组态过程233

本章知识点238

思考题与习题239

第8章 集散控制系统240

8.1 DCS的产生与发展240

8.1.1 DCS的产生240

8.1.2 DCS的发展241

8.1.3 EPA现场总线242

8.2 DCS的体系结构244

8.2.1 DCS的分层结构244

8.2.2 DCS的硬件结构245

8.2.3 DCS的网络结构245

8.2.4 DCS的软件结构247

8.3 WebField JX-300XP控制系统247

8.3.1 概述247

8.3.2 JX-300XP系统的组成248

8.3.3 JX-300XP系统的硬件249

8.3.4 JX-300XP系统的软件259

本章知识点265

思考题与习题266

应用篇 学以致用，用学相长269

第9章 计算机控制系统的解决方案269

9.1 基于嵌入式系统的解决方案269

9.1.1 组成和特点269

9.1.2 案例1：由嵌入式系统控制的全自动洗衣机270

9.2 基于智能控制仪表的解决方案279

9.2.1 组成和特点279

9.2.2 案例2：基于智能控制仪表的电阻炉温度控制系统281

9.3 基于可编程逻辑控制器的解决方案288

9.3.1 组成和特点288

9.3.2 案例3：PLC控制的工业洗衣机289

9.4 基于分布式数据采集与控制模块的解决方案295

9.4.1 组成和特点295

9.4.2 案例4：潮流水槽计算机检测与控制系统296

9.5 基于可编程自动化控制器的解决方案303

9.5.1 组成和特点303

9.5.2 案例5：PAC在桥梁健康检测系统中的应用304

本章知识点306

思考题与习题307

第10章 计算机控制技术在简单过程控制中的应用308

10.1 实例1：水箱液位控制308

10.1.1 被控对象和控制方案308

10.1.2 硬件组成310

10.1.3 组态过程310

10.1.4 PID整定实验过程314

10.2 实例2：锅炉温度控制318

10.2.1 被控对象和控制方案318

10.2.2 硬件组成319

10.2.3 组态过程321

10.2.4 PID算法设计324

10.2.5 PID整定实验过程326

本章知识点329

思考题与习题329

第11章 计算机控制技术在流程工业自动化中的应用331

11.1 DCS在循环流化床锅炉中的应用331

11.1.1 工艺介绍331

11.1.2 系统设计333

11.1.3 系统组态334

11.1.4 控制流程339

11.1.5 系统运行344

11.2 DCS在大中型氮肥装置中的应用344

11.2.1 工艺介绍344

11.2.2 系统设计346

11.2.3 系统组态348

11.2.4 控制流程350

11.2.5 系统运行361

本章知识点361

思考题与习题362

附录 有关工业自动化产品及企业网址363

参考文献364