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开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787302503903丛书名: 全国高等学校自动化专业系列教材
第1篇直接数字控制(DDC)系统
第1章DDC系统的概述
1.1DDC系统的形成和发展
1.1.1DDC系统的形成
1.1.2DDC系统的发展
1.2DDC系统的体系结构
1.2.1DDC系统的硬件结构
1.2.2DDC系统的软件结构
1.2.3DDC系统的网络结构
本章小结
第2章DDC系统的算法
2.1常规DDC算法
2.1.1数字PID控制算法的原理分析
2.1.2数字PID控制算法的工程实现
2.1.3数字PID控制算法的编程调试
2.1.4数字PID控制算法的工程应用
2.1.5数字PID控制算法的参数整定
2.2现代DDC算法
2.2.1极点配置算法
2.2.2控制算法
2.2.3预测控制算法
本章小结
第3章DDC系统的硬件
3.1DDC系统的主机单元
3.1.1DDC系统的主机
3.1.2DDC系统的通信
3.2DDC系统的输入输出单元
3.2.1输入输出概述
3.2.2模拟量输入
3.2.3模拟量输出
3.2.4数字量输入
3.2.5数字量输出
3.3DDC系统的人机接口单元
3.3.1键盘接口
3.3.2显示器接口
3.3.3回路操作器
3.4DDC系统的抗干扰技术
3.4.1干扰的来源
3.4.2干扰的传播
3.4.3干扰的类型
3.4.4干扰的抑制
3.4.5接地技术
3.4.6供电技术
本章小结
第4章DDC系统的软件
4.1DDC系统的控制运算软件
4.1.1DDC系统的控制软件
4.1.2DDC系统的运算软件
4.2DDC系统的输入输出软件
4.2.1DDC系统的输入软件
4.2.2DDC系统的输出软件
4.3DDC系统的人机接口软件
4.3.1DDC系统的操作显示软件
4.3.2DDC系统的操作管理软件
4.4DDC系统的监控组态软件
4.4.1DDC系统的监控组态软件的结构
4.4.2DDC系统的监控组态软件的应用
本章小结
第5章DDC系统的设计和应用
5.1DDC系统的设计
5.1.1DDC系统的设计原则
5.1.2DDC系统的设计过程
5.1.3DDC系统的设计方法
5.2DDC系统的应用
5.2.1DDC系统的应用设计
5.2.2DDC系统的应用实例
本章小结
第1篇小结
第1篇习题与思考题
第2篇集散控制系统(DCS)
第6章DCS的概述
6.1DCS的产生和发展
6.1.1DCS的产生过程
6.1.2DCS的发展历程
6.1.3DCS的特点和优点
6.2DCS的体系结构
6.2.1DCS的层次结构
6.2.2DCS的网络结构
本章小结
第7章DCS的控制站
7.1DCS控制站的硬件
7.1.1DCS控制站的主控单元
7.1.2DCS控制站的输入输出单元
7.2DCS控制站的软件
7.2.1DCS控制站的输入输出软件
7.2.2DCS控制站的运算控制软件
本章小结
第8章DCS的操作员站
8.1DCS操作员站的硬件
8.1.1DCS操作员站的主机设备
8.1.2DCS操作员站的外部设备
8.2DCS操作员站的画面
8.2.1DCS操作员站的通用画面
8.2.2DCS操作员站的专用画面
8.2.3DCS操作员站的管理画面
本章小结
第9章DCS的工程师站
9.1DCS工程师站的组成
9.1.1DCS工程师站的硬件
9.1.2DCS工程师站的软件
9.2DCS工程师站的组态
9.2.1DCS系统设备的组态
9.2.2DCS控制功能的组态
9.2.3DCS操作画面的组态
本章小结
第10章DCS的应用设计
10.1DCS的应用设计概述
10.1.1DCS的应用设计目标
10.1.2DCS的应用性能评估
10.2DCS的应用设计实例
10.2.1DCS的应用工程设计
10.2.2DCS的应用工程实施
本章小结
第2篇小结
第2篇习题与思考题
第3篇现场总线控制系统（FCS）
第11章FCS的概述
11．1现场总线和FCS的产生
11．1．1现场总线的产生
11．1．2FCS的产生
11．1．3FCS的特点和优点
11．2FCS的体系结构
11．2．1FCS的层次结构
11．2．2FCS的网络结构
本章小结
第12章FCS的现场总线
12．1低速现场总线
12．1．1FFH1
12．1．2HART
12．1．3ASI
12．2中速现场总线
12．2．1PROFIBUS
12．2．2LON
12．2．3CAN
12．3高速现场总线
12．3．1FFHSE
12．3．2EPA
12．3．3PROFInet
本章小结
第13章FCS的现场控制层
13．1现场总线的设备
13．1．1现场总线仪表
13．1．2现场总线辅助设备
13．1．3现场总线接口
13．2现场总线仪表的应用块
13．2．1现场总线仪表的资源块
13．2．2现场总线仪表的变换块
13．2．3现场总线仪表的功能块
13．3现场总线控制回路的构成
13．3．1简单控制回路的构成
13．3．2复杂控制回路的构成
本章小结
第14章FCS的应用设计
14．1FCS的应用设计概述
14．1．1FCS应用的总体设计
14．1．2FCS应用的工程设计
14．1．3FCS应用的组态调试
14．2FCS的应用设计实例
14．2．1FCS的应用实例之一
14．2．2FCS的应用实例之二
本章小结
第3篇小结
第3篇习题与思考题
第4篇可编程控制器(PLC)系统
第15章PLC的概述
15．1PLC的体系结构
15．1．1PLC的硬件结构
15．1．2PLC的软件结构
15．1．3PLC的层次结构
15．2PLC的功能和原理
15．2．1PLC的控制功能
15．2．2PLC的工作原理
15．2．3PLC的编程基础
15．2．4PLC的编程语言
15．3PLC的指令系统概述
15．3．1PLC指令的结构
15．3．2PLC指令的操作符
15．3．3PLC指令的操作数
15．4PLC的常用电气器件
15．4．1PLC的输入电气器件
15．4．2PLC的输出电气器件
本章小结
第16章S7系列PLC的指令系统
16．1S7系列PLC指令的基础
16．1．1S7系列PLC指令的数据
16．1．2S7系列PLC指令的数据类型
16．1．3S7系列PLC指令的数据标记
16．1．4S7系列PLC指令的执行状态
16．2S7系列PLC的位逻辑指令
16．3S7系列PLC的装载指令
16．4S7系列PLC的传送指令
16．5S7系列PLC的比较指令
16．6S7系列PLC的转换指令
16．7S7系列PLC的移位指令
16．8S7系列PLC的循环移位指令
16．9S7系列PLC的计数器指令
16．10S7系列PLC的定时器指令
16．11S7系列PLC的整数算术运算指令
16．12S7系列PLC的实数算术运算指令
16．13S7系列PLC的字逻辑运算指令
16．14S7系列PLC的跳转指令
16．15S7系列PLC的程序控制指令
16．16S7系列PLC的数据块指令
16．17S7系列PLC的累加寄存器操作指令
16．18S7系列PLC的状态位指令
本章小结
第17章LK系列PLC的指令系统
17．1LK系列PLC指令的基础
17．1．1LK系列PLC指令的数据
17．1．2LK系列PLC指令的数据类型
17．1．3LK系列PLC指令的数据标记
17．2LK系列PLC的逻辑运算指令
17．3LK系列PLC的比较指令
17．4LK系列PLC的移位指令
17．5LK系列PLC的选择指令
17．6LK系列PLC的算术运算指令
17．7LK系列PLC的初等数学运算指令
17．8LK系列PLC的地址运算指令
17．9LK系列PLC的数据类型转换指令
17．10LK系列PLC的赋值和调用指令
17．11LK系列PLC的标准库指令
17．12LK系列PLC的实用库指令
17．13LK系列PLC的检查库指令
17．14LK系列PLC的扩展库指令
本章小结
第18章PLC的应用设计
18．1PLC的应用设计概述
18．1．1PLC的应用设计原则
18．1．2PLC的应用设计过程
18．1．3PLC的应用设计方法
18．2PLC的应用控制回路
18．2．1PLC的启停控制回路
18．2．2PLC的连锁控制回路
18．2．3PLC的时间控制回路
18．3PLC的应用实例设计
18．3．1燃油锅炉的逻辑控制
18．3．2反应器的顺序控制
18．3．3灌装线的逻辑控制
18．3．4十字路口交通信号灯的逻辑控制
本章小结
第4篇小结
第4篇习题与思考题
附录1汇编程序
附录1．1乘法程序MUL16
附录1．2除法程序DIV32A1
附录1．3除法程序DIV32B1
附录1．4开平方程序SQR32A1
附录1．5二进制整数转成十进制整数BCD码程序BITDBCDI
附录1．6二进制小数转成十进制小数BCD码程序BDTDBCDD
附录1．7十进制整数BCD码转成二进制整数程序DBCDITBI
附录1．8十进制小数BCD码转成二进制小数程序DBCDDTBD
附录2缩写词
参考文献
本书是在《计算机控制系统》(北京：清华大学出版社，2004)的基础上，根据“全国高等学校自动化专业系列教材”编审委员会制定的招标教材大纲(编号Auto31V01)编写成的《计算机控制系统》（第2版）(北京：清华大学出版社，2008)，又经过十年的使用、更新、修订成《计算机控制系统》（第3版）。
本书作者从1970年至今，在清华大学自动化系从事自动控制理论、自动化仪表及计算机控制的教学和科研工作，书中汇集了作者多年的教学经验和科研成果。本书既具有系统性和先进性，也体现了理论性和实用性。
本书系统地论述了计算机控制系统的结构、原理、设计和应用，既有理论分析也有应用实例。全书共分4篇，论述了直接数字控制（DDC）系统、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）和可编程控制器（PLC）系统这4类典型的计算机控制系统。每篇层次分明，条理清晰，既自成体系又相互联系，体现了系统性、先进性、理论性和实用性。
直接数字控制（DDC）系统是计算机控制的基础。本书深入论述了DDC系统的形成、发展、体系结构、控制算法、硬件、软件、设计和应用，分析了DDC系统的输入、输出、控制和运算功能，并引入功能块及组态的概念。
集散控制系统（DCS）是计算机控制的主流系统。本书概述了DCS的产生、发展、特点和优点，论述了DCS的体系结构、控制站、操作员站、工程师站和应用设计，分析了DCS的分散控制和集中管理的设计思想，以及分而自治和综合协调的设计原则。
现场总线控制系统（FCS）是新型的计算机控制系统。本书概述了现场总线和FCS的产生、特点和优点，介绍了低速、中速和高速现场总线，论述了FCS的体系结构、现场控制层和应用设计，叙述了现场总线仪表及其在现场总线上构成控制回路的原理。
可编程控制器（PLC）系统是一种以逻辑控制为主、连续控制为辅的控制系统。本书概述了可编程控制器的功能、原理和体系结构，叙述了符合IEC 611313标准的5种编程语言，论述了可编程控制器的指令系统和应用设计。
本书既有基础知识也有先进技术，既有理论分析也有应用实例。本书是一种研发和应用、理论与实际相结合的教材，既可以作为高等院校自动化专业、计算机控制专业及相关专业的教材，也可以供有关科技人员参考。
在本书的编写过程中，清华大学自动化系的很多同事给予了支持和帮助，书中引用了同事们在该领域的部分成果，丰富了本书的内容，在此对同仁表示感谢。
书中难免有缺点和不足之处，殷切希望广大读者批评指正。
王锦标教授
清华大学自动化系2018年1月
DDC系统的硬件以工业PC(Industry Personal Computer，简称IPC)为主，其硬件分为主机、输入输出和人机接口等，一般采用模板、模块或单元的结构形式。中国DDC系统硬件从单板机、STD总线模板机，发展到PC总线、PCI总线和Compact PCI总线工业PC，再到嵌入式工业级PC，其结构不断完善、性能不断提高。
本章主要叙述DDC系统的主机单元、输入输出单元、人机接口单元和抗干扰技术，其中主机单元是DDC系统的核心、输入输出单元是DDC系统的耳目和手脚、人机接口单元是DDC系统的窗口、抗干扰技术是DDC系统的安全保障。
3.1DDC系统的主机单元
主机单元是DDC系统的核心，主要由主机、内存储器、外存储器、外部设备接口和网络接口等组成，另外还有显示器、键盘、鼠标和打印机等。主机单元采用模板式和模块式结构，如图1.8和图1.9所示。
3.1.1DDC系统的主机
主机模板或主机模块是主机单元的核心。例如，工业PC(IPC)机箱内的主机模板上可以插各类功能模板，如图3.1所示。主机模板上集成了CPU、内存储器(RAM，ROM)、外存储器(硬盘、软盘、光盘驱动器)接口、串行通信接口、并行通信接口、显示器接口、键盘和鼠标接口等。
图3.1IPC主机实物图
由于主机模板集成了多种功能，故被称为一体化(allinone)主板。在图3.1中，主机模板支持Pentium(奔腾)和Core(酷睿)系列CPU，内存支持16GB、2个DIMM插槽、DDR3 1066/1333，支持VGA或DVID双显示，具有5个PCI扩展插槽和1个PCIEx16插槽，支持RS232/422/485接口、网络接口、USB接口、键盘和鼠标接口等。
1. 主机CPU
主机CPU型号多样，取决于系统规模、应用领域和结构形式。例如，一般工业PC(IPC)的常用CPU是Intel 80386、80486、Pentium(奔腾)、Core(酷睿)系列等，主频为几百至几千兆赫兹。
2. 主机存储器
主机存储器分为内存储器和外存储器。如果将主机安装于生产现场，因现场环境恶劣和机械设备震动等因素，不易采用具有运动部件的硬盘、软盘和光盘驱动器，可采用电子盘(例如RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FLASH ROM等)，并用后备电池，保证停电后不丢失电子盘中的数据。
3. 主机总线
主机总线是一些线的集合，它定义了各引线的信号、电气和机械特性，使计算机系统内部的各部件之间以及外部的各设备之间建立信号联系，进行数据传送和通信。
定义主机总线的目的有两条： 一是生产厂能按照统一的标准设计制造计算机； 二是用户可以把不同生产厂制造的各种型号的模板或设备用标准总线互相连接起来，因而可方便地按各自需要构成各种用途的计算机系统。
主机总线的种类很多，按其功能和结构可分为内部总线、外部总线、并行总线和串行总线。
计算机内部的模板或模块之间进行通信的总线，称之为内部总线。尽管各种内部总线的线数不同，但按其功能仍可分为数据总线D、地址总线A、控制总线C、电源总线P四部分，如图3.2(a)所示。采用内部总线母板结构，母板上各插座的相对应同号引脚都连在一起，组成计算机系统的各功能模板插入插座，由总线完成系统内各模板之间的信息传送，从而构成完整的计算机系统，如图3.2(b)所示。内部总线标准的机械要素包括模板尺寸、接插件尺寸和针数，电气要素包括信号的电平和时序。
图3.2内部总线的组成
工业PC(IPC)常用的内部总线有PC/XT、PC/AT或ISA、PCI、PC104和Compact PCI等，各总线的引线定义详见有关参考文献［2］。
PC/XT总线有62根扁形引线(A1~A31，B1~B31)，其中有8位数据线SD0~SD7和20位地址线SA0~SA19，另外还有控制线和电源线。
ISA(Industry Standard Architecture)总线也称为PC/AT总线，ISA总线有98根扁形引线，它是在PC/XT总线(A1~A31，B1~B31)基础上又扩展了36根引线(C1~C18，D1~D18)，其中有16位数据线SD0~SD15、地址线SA0~SA19和LA17~LA23，另外还有控制线和电源线，如图3.2(c)所示。
PCI(Peripheral Component Interconnection)总线有124根扁形引线，其中有数据线/地址线AD00~AD31，另外还有控制线和电源线，如图3.2(c)所示。
PC104总线有104根针形引线，分为插座P1(64线)和插座P2(40线)，如图3.2(d)所示。模板采用层叠式安装，上下层模板之间通过这两个总线插座互相连接，从而实现了多层模板之间的信号连接及安装。
Compact PCI总线采用针孔型连接器(针型插头、孔型插座)，其引脚从左到右分为7列(编号依次为Z、A、B、C、D、E、F)，从下到上分为47排(编号依次为1~47)，其中左列Z和右列F为地线，中间5列(A~E)为信号线。
工业PC(IPC)的ISA总线和PCI总线母板，如图3.2(c)所示，用户将功能模板插在此母板上构成所需的工业PC。
3.1.2DDC系统的通信
计算机与计算机之间或计算机与设备之间进行通信的总线，称为外部总线。常用的外部设备总线有RS232，RS422和RS485串行总线，如图1.9所示。另外还有各种通信网络，常用的局域网(LAN)有工业以太网(Ethernet)，并配置相应的通信网络接口，构成控制网络(CNET)，如图1.12所示。本书简单介绍这几种通信总线及网络，详细内容请参阅有关资料［2］［90］。
1. RS232总线
RS232总线的发送器(T)和接收器(R)电路原理如图3.3(a)所示，采用负逻辑信号，其中逻辑“l”电平为-15~-5V，逻辑“0”电平为 5~ 15V，其间-5~ 5V用作信号状态的变迁区。一般计算机和设备采用TTL输入输出电平与RS232信号电平不兼容，为此必须进行TTL电平与RS232信号电平的互相转换，例如用集成组件MC1488(或SN75188)发送器和MC1489(或SN75189)接收器。
RS232总线用于数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)和数据通信设备(Data Communication Equipment，DCE)之间的串行通信。DTE与DCE之间用25线或9线连接器互连起来，如图3.3(b)所示，其中基本的3根线是发送数据线TxD、接收数据线RxD和信号地线SGND，互连插头和插座及其各引线的定义请参阅有关资料［1］［90］。
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