计算机控制系统(陈江辉)

《计算机控制系统》内容全面系统，理论联系实际。 

《计算机控制系统》全面系统介绍了计算机控制系统的特点，介绍计算机控制系统基础理论的同时，强调了计算机控制的设计方法和工程实践，注重突出系统的整体概念和*成果和发展趋势。本书按照理论设计联系实践思路，将全书分为12章，主要内容有：基础理论包括计算机控制系统概述、计算机控制系统信号基础和数字控制器模拟和离散设计理论，设计包括控制主机介绍与选择、过程输入输出通道设计、计算机控制系统软件设计和抗干扰技术，应用实践包括介绍了计算机控制系统的一般设计原则以及PLC和单片机作为控制主机的设计实例。理论与设计部分每章后附有习题。

 

《计算机控制系统》可作为高等院校自动控制专业的教材，并可供相关人员使用。

第1章绪论1

 

1.1计算机控制系统概述1

 

1.1.1计算机控制系统及其特点1

 

1.1.2计算机控制系统组成3

 

1.2计算机控制系统应用类型4

 

1.2.1计算机监测与操作指导系统4

 

1.2.2顺序控制系统5

 

1.2.3直接数字控制系统5

 

1.2.4监督控制系统6

 

1.2.5集散控制系统6

 

1.3计算机控制系统发展与应用7

 

1.3.1计算机控制系统发展历史7

 

1.3.2计算机控制系统应用趋势8

 

1.4计算机控制系统设计与实现问题9

 

1.4.1计算机控制系统设计步骤9

 

1.4.2计算机控制系统实现注意问题10

 

第2章计算机控制系统信号基础12

 

2.1计算机控制系统信号类型12

 

2.1.1信号类型12

 

2.1.2计算机控制系统结构13

 

2.2模数转换理论基础14

 

2.2.1采样过程14

 

2.2.2采样信号的数学描述与采样定理15

 

2.2.3采样信号的量化与编码18

 

2.3数模转换理论基础19

 

2.3.1模拟信号理想恢复过程19

 

2.3.2非理想恢复过程20

 

2.3.3零阶保持器20

 

2.3.4一阶保持器22

 

习题与思考题23

 

第3章计算机控制系统数学描述24

 

3.1时域描述差分方程24

 

3.1.1什么是差分24

 

3.1.2差分方程24

 

3.1.3差分方程的求解25

 

3.2z域描述——脉冲传递函数26

 

3.2.1z变换定义及表达式27

 

3.2.2z反变换28

 

3.2.3脉冲传递函数31

 

3.3计算机控制系统稳定性分析33

 

3.3.1s平面与z平面的映射关系34

 

3.3.2计算机控制系统的稳定性35

 

3.3.3稳态误差38

 

习题与思考题38

 

第4章数字控制器模拟化设计方法40

 

4.1模拟化设计的基本理论40

 

4.1.1模拟化设计基本原理40

 

4.1.2离散控制器模拟化的数学描述40

 

4.1.3数字控制器模拟化设计步骤42

 

4.2连续域控制器离散化方法42

 

4.2.1z变换法42

 

4.2.2前向差分法43

 

4.2.3双线性变换法45

 

4.2.4阶跃响应不变法47

 

4.3数字PID控制器设计48

 

4.3.1PID控制规律及其作用48

 

4.3.2模拟PID控制器离散化50

 

4.3.3数字PID控制算法改进52

 

4.3.4PID调节参数整定56

 

4.3.5采样周期的选择59

 

习题与思考题60

 

第5章数字控制器离散直接设计方法61

 

5.1脉冲传递函数解析设计原理61

 

5.1.1数字控制器D(z)的一般形式61

 

5.1.2D(z)在物理上的可实现性62

 

5.1.3闭环稳定性要求63

 

5.1.4离散直接设计一般步骤63

 

5.2少拍控制系统设计64

 

5.2.1少拍无差系统64

 

5.2.2少拍无差系统闭环脉冲传递函数确定65

 

5.2.3少拍控制器D(z)的确定65

 

5.2.4少拍控制系统数字控制器的设计66

 

5.3纯滞后对象的控制算法——史密斯预估器68

 

5.3.1纯滞后对系统控制品质的影响68

 

5.3.2史密斯补偿控制原理69

 

5.3.3史密斯补偿器的计算机实现70

 

5.4纯滞后对象的控制算法——大林算法72

 

5.4.1大林算法基本原理72

 

5.4.2大林算法数字控制器的基本形式73

 

5.4.3振铃现象及消除方法74

 

5.4.4大林算法的设计步骤76

 

5.5数字控制器的程序实现77

 

5.5.1直接程序设计法77

 

5.5.2串行程序设计法78

 

5.5.3并行程序设计法79

 

习题与思考题80

 

第6章控制技术中计算机主机简介81

 

6.1工业控制计算机81

 

6.1.1工控机的特点81

 

6.1.2工控机的组成83

 

6.2可编程控制器(PLC)84

 

6.2.1可编程控制器的特点84

 

6.2.2可编程控制器的组成84

 

6.2.3可编程控制器的工作原理85

 

6.3单片机86

 

6.3.1单片机的特点86

 

6.3.2单片机的组成87

 

6.3.3单片机的组成89

 

6.4数字信号处理器(DSP)91

 

6.4.1DSP的特点91

 

6.4.2DSP的基本结构91

 

6.4.3TMS320LF2407简介92

 

6.5ARM处理器94

 

6.5.1ARM处理器简介94

 

6.5.2ARM处理器体系结构94

 

6.5.3ARM7处理器简介95

 

习题与思考题97

 

第7章控制系统接口技术——输入输出通道98

 

7.1模拟量输入接口技术98

 

7.1.1模拟量输入通道结构98

 

7.1.2信号调理98

 

7.1.3多路开关99

 

7.1.4前置放大器99

 

7.1.5采样保持器100

 

7.1.6A/D转换器100

 

7.2模拟量输出接口技术103

 

7.2.1模拟量输出通道结构104

 

7.2.2D/A转换器及其接口104

 

7.3开关量输入接口技术107

 

7.3.1开关量输入通道一般结构107

 

7.3.2开关量输入信号的调理108

 

7.4开关量输出接口技术109

 

7.4.1开关量输出通道一般结构109

 

7.4.2开关量输出驱动电路109

 

7.5人机接口110

 

7.5.1键盘接口技术110

 

7.5.2显示器接口技术111

 

7.6执行器114

 

7.6.1继电器114

 

7.6.2固态继电器115

 

7.6.3电动机执行器116

 

习题与思考题118

 

第8章计算机控制系统程序设计120

 

8.1应用软件设计120

 

8.1.1计算机控制系统的应用软件120

 

8.1.2应用软件设计方法121

 

8.1.3控制软件的设计123

 

8.2计算机控制系统的数据处理方法124

 

8.2.1数据线性化处理和非线性补偿124

 

8.2.2标度变换127

 

8.2.3查表法128

 

8.3数字滤波130

 

习题与思考题133

 

第9章计算机控制系统抗干扰技术134

 

9.1干扰的来源134

 

9.1.1干扰的来源134

 

9.1.2干扰的作用形式135

 

9.1.3干扰的传播途径136

 

9.1.4系统抗干扰措施137

 

9.2空间电磁抗干扰措施137

 

9.2.1屏蔽技术137

 

9.2.2电气线路屏蔽138

 

9.3传导抗干扰措施139

 

9.3.1差模干扰抑制140

 

9.3.2共模干扰抑制140

 

9.4系统供电与接地的抗干扰措施142

 

9.4.1系统供电的抗干扰措施143

 

9.4.2系统接地的抗干扰措施145

 

9.4.3PCB板抗干扰措施147

 

9.5软件抗干扰与冗余技术148

 

9.5.1程序的抗干扰技术149

 

9.5.2开关量（数字量）信号输入输出的软件抗干扰技术150

 

9.6提高计算机控制系统可靠性方法150

 

9.6.1硬件可靠性设计150

 

9.6.2软件可靠性设计151

 

第10章计算机控制系统的整体设计与实施153

 

10.1计算机控制系统设计原则153

 

10.1.1计算机控制系统设计原则153

 

10.1.2计算机控制系统设计步骤155

 

10.2计算机控制系统工程设计与实施158

 

10.2.1需求调查159

 

10.2.2可行性分析159

 

10.2.3总体方案设计159

 

10.2.4硬件的工程实现160

 

10.2.5软件的工程实现162

 

10.2.6系统调试与现场运行164

 

第11章太阳能电子秤单片机控制系统设计166

 

11.1电子秤及其控制要求166

 

11.1.1概述166

 

11.1.2控制要求166

 

11.2系统总体方案设计167

 

11.2.1系统组成及工作原理167

 

11.2.2称重模块的数据处理168

 

11.3系统硬件和软件设计168

 

11.3.1硬件电路设计168

 

11.3.2软件设计170

 

11.4系统抗干扰设计171

 

第12章数控加工中心操作面板的设计与PLC实现172

 

12.1加工中心操作面板及其控制要求172

 

12.1.1概述172

 

12.1.2操作面板特性172

 

12.2系统总体方案设计和组成173

 

12.3系统硬件和软件设计174

 

12.3.1硬件电路设计174

 

12.3.2软件设计177

 

参考文献183

计算机是20世纪的科学技术发明之一，其在技术上的应用对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响，应用领域从初的军事科研应用扩展到社会的各个领域。计算机控制技术作为计算机技术中与工业生产为紧密的专业技术，在越来越多的领域获得了越来越广泛的应用。它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，根据工业生产过程的自动化要求，设计出所需要的计算机控制系统。“计算机控制系统”是我国高等学校各类自动化、电子与电气工程、计算机应用、机电一体化及其他相近专业的主干专业课程。为了落实理论联系实践的要求，进一步做好课程建设，本书的编写注意到以下几点：其一是由于不同类型的学校具有不同的培养目标，本书的定位在地方工科院校，培养注重理论联系实践的教学方式；其二明确注重培养学生系统设计能力、实验能力和工程意识;其三，为了适应课程培养目标，本书采取了理论基础、设计和实例应用的教材结构，这样更有利于理论教学与实践教学的配合，使得学生知识体系更加完备。全书共分12章。第1章是绪论，介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式、计算机控制系统的发展概况和趋势；第2章主要介绍了计算机控制系统中的信号类型及其信号之间的转换理论基础；第3章主要介绍了计算机控制系统的时域和z域数学描述及其系统的稳定性分析;第4章介绍了计算机作为数字控制器的间接模拟化设计方法和理论及其数字PID控制器设计；第5章介绍了计算机作为数字控制器的离散直接设计方法和理论，包括少拍控制器设计、史密斯算法和大林算法及其数字控制器的程序实现；第6章主要介绍了应用于数字控制技术中计算机主机的特点和组成；第7章主要介绍了控制系统的接口技术，包括模拟量和开关量的输入输出技术及其人机接口和执行器；第8章讨论了计算机控制系统的应用软件设计；第9章主要介绍了计算机控制系统抗干扰技术的基本概念及提高硬件系统和软件可靠性的措施；第10从系统的角度，介绍计算机控制系统设计的一般原则和步骤及其系统的工程设计与实施；第11章主要以太阳能电子秤为例，详细介绍了单片机控制系统的硬件与软件的设计；第12章主要以CNC的控制面板为例，详细介绍了可编程控制器的硬件与软件的设计。书中配有习题与思考题可供选用，全书内容丰富，体系新颖，理论联系实际并给出了实例，系统性和实践性强。本书第1、6、11、12章由陈江辉编写，第2～4章由叶丽萍编写，第5、8、9章由张小花编写，第7章由陈果编写,第10章由唐宇编写。陈江辉、张小花和叶丽萍任主编，陈江辉负责全书的统一修改和编排定稿。本书由王克强教授和程建兴教授主审，在此表示感谢。本书配套电子课件，可赠送给用书的院校和老师，如果需要，可发邮件到[email protected]索取。由于水平有限，尽管在编写过程中尽心尽力，书中难免有不妥或疏漏之处，敬请读者批评指正。