计算机控制技术

随着计算机技术、电子技术、自动控制理论和通信技术的发展，计算机控制在工业控制领域中发挥着巨大的作用。计算机控制技术正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门技术。如今，“计算机控制技术”已成为我国高职高专类院校计算机应用、自动化、检测技术、电子与电气工程、机电一体化等专业的主干课程。

本书从工程实用的角度出发，以计算机控制系统为背景，深入浅出地论述计算机控制技术在自动控制系统中的应用和发展，详细介绍常规和现代计算机控制技术的基本原理、计算机控制系统的设计和实现，突出应用性和实用性，同时编入了计算机控制技术的一些新理论、新技术、新方法和新成果。本书主要内容包括：微型计算机控制技术的原理、方法和发展趋势；微机控制系统的主要概念和基本组成；数字PID控制及其工程实现；输入、输出通道与接口技术；工业控制计算机与现场总线；集散控制系统；微型计算机应用系统工程设计；微型计算机系统的抗干扰技术；控制系统组态软件。

本书是在参阅、整理大量文献资料和积累编者多年教学、科研实践经验的基础上编写而成的。选材突出先进性、系统性和实用性，强调解决实际工程问题。

本书由刘福荣任主编，王凤云、于兰、宋晓君任副主编，具体编写分工如下：第2、4、5、7、8章由刘福荣编写，第1和3章由王凤云编写，第6章由于兰编写，第9章由宋晓君编写。全书由刘福荣统稿，高玉祥审稿。

由于编者水平有限，书中难免存在缺点和错误，敬请广大读者批评指正。

作 者

2010年11月

前言

第1章 概述 1
1.1 计算机控制系统概论 1
1.1.1 计算机控制系统的概念 1
1.1.2 计算机控制系统的发展概况 3
1.1.3 计算机控制系统的发展趋势 5
1.2 计算机控制系统的组成及特点 7
1.2.1 计算机控制系统的硬件组成 7
1.2.2 计算机控制系统的软件组成 8
1.2.3 计算机控制系统的特点 9
1.3 计算机控制系统的分类 9
1.3.1 操作指导控制系统 10
1.3.2 直接数字控制系统（DDC系统） 10
1.3.3 计算机顺序控制系统 11
1.3.4 计算机监督控制系统（SCC系统） 11
1.3.5 分布式控制系统（DCS系统） 12
第2章 输入输出过程通道 14
2.1 数字量过程通道 14
2.1.1 数字量输入通道 14
2.1.2 数字量输出通道 17
2.2 模拟量输入通道 19
2.2.1 模拟量输入通道的结构 19
2.2.2 模拟量输入通道的组成 19
2.2.3 模拟量输入通道的设计 26
2.3 模拟量输出通道 28
2.3.1 模拟量输出通道的作用 28
2.3.2 模拟量输出通道的组成 28
2.3.3 模拟量输出通道的设计 31
第3章 计算机控制系统的控制算法 34
3.1 数字控制器的模拟化设计方法 34
3.1.1 模拟化设计方法 34
3.1.2 模拟化设计步骤 35
3.2 数字PID控制算法 37
3.2.1 基本PID算法 37
3.2.2 数字PID算法 39
3.2.3 数字PID改进算法 40
3.3 数字PID调节器参数的整定 44
3.3.1 PID参数对系统控制性能的影响 44
3.3.2 扩充临界比例度法整定PID参数 45
3.3.3 扩充响应曲线法整定PID参数 47
3.3.4 试凑法整定PID参数 47
3.4 数字控制器的直接设计方法 48
3.4.1 数字控制器的直接法设计步骤 48
3.4.2 最少拍数字控制器的设计 49
3.4.3 最少拍无纹波数字控制器的设计 54
3.5 施密斯（Smith）预估控制 56
3.5.1 施密斯预估控制原理 56
3.5.2 具有纯滞后Smith补偿的数字
控制器 58
3.6 大林算法 60
3.6.1 大林算法D(z)的基本形式 60
3.6.2 振铃现象 61
3.6.3 振铃幅度RA 63
3.6.4 振铃现象的消除 63
3.6.5 大林算法的设计步骤 64
第4章 控制系统应用程序设计 65
4.1 应用程序设计的基本原则与方法 65
4.1.1 应用程序设计的基本步骤 65
4.1.2 应用程序设计的目标及原则 66
4.1.3 应用程序设计的方法 67
4.2 数据结构及其应用 71
4.2.1 基本术语 72
4.2.2 数据结构的类型 72
4.2.3 数据查找技术 76
4.2.4 数据排序技术 78
4.3 测量数据预处理技术 80
4.3.1 系统误差的自动校准 80
4.3.2 标度变换 82
4.3.3 线性化处理 84
4.3.4 越限报警处理 86
第5章 控制系统的抗干扰技术 87
5.1 干扰的来源和分类 87
5.1.1 干扰的来源 87
5.1.2 干扰信号的耦合方式 88
5.1.3 干扰的作用形式 89
5.2 硬件抗干扰技术 90
5.2.1 共模干扰的抑制 90
5.2.2 串模干扰的抑制 92
5.2.3 长线传输干扰的抑制 93
5.3 软件抗干扰技术 95
5.3.1 软件出错对系统的危害
及抗干扰对策 95
5.3.2 数字滤波 98
5.3.3 输入/输出软件抗干扰措施 101
5.3.4 软件冗余技术 102
5.3.5 程序运行失常的软件抗干扰 102
5.4 接地技术 103
5.4.1 微机控制系统中的地线 103
5.4.2 常用的接地方法 104
5.5 电源系统的抗干扰技术 106
5.5.1 抗干扰稳压电源的设计 107
5.5.2 电源系统的异常保护 108
5.5.3 微机系统的掉电保护 109
5.6 “看门狗”技术 109
5.6.1 Watchdog的工作原理 109
5.6.2 Watchdog的实现 110
5.6.3 Watchdog的使用方法 110
5.6.4 使用Watchdog的若干问题 112
第6章 集散控制系统 114
6.1 集散控制系统概述 114
6.1.1 集散控制系统的发展 115
6.1.2 DCS的特点 116
6.2 集散控制系统的组成 118
6.2.1 DCS的分散过程控制级 118
6.2.2 DCS的集中操作监控级 121
6.2.3 DCS的综合信息管理级 123
6.3 集散控制系统的数据通信概要 125
6.3.1 网络拓扑结构 125
6.3.2 访问控制方式 126
6.3.3 工业网络的性能评价和选型 127
6.4 DCS在火电厂中的应用 129
6.4.1 DCS信号流程 129
6.4.2 DCS应用过程 130
6.4.3 利用INFI-90实现主汽温度控制 133
第7章 总线技术 136
7.1 总线概述 136
7.1.1 总线的产生与发展 136
7.1.2 总线的分类 137
7.2 现场总线 140
7.2.1 现场总线简介 141
7.2.2 现场总线的种类 144
7.2.3 现场总线的未来 144
7.2.4 现场总线在国内的应用 145
7.3 现场总线的原理和发展概况 146
7.3.1 现场总线的实质 146
7.3.2 现场总线的结构 147
7.3.3 现场总线的发展概况 149
7.3.4 现场总线的特点 151
7.4 几种典型的现场总线 152
7.4.1 控制层现场总线ControlNet 152
7.4.2 设备层现场总线DeviceNet 156
7.4.3 Profibus协议 162
7.4.4 FF总线 166
7.4.5 LonWorks控制网络和Lon总线 167
7.4.6 CAN总线 168
7.4.7 Modbus协议 170
7.5 典型控制网络体系结构 171
第8章 计算机控制系统设计与实现 173
8.1 系统设计的原则与步骤 173
8.1.1 系统设计的原则 173
8.1.2 系统设计的步骤 175
8.2 系统的工程设计与实现 178
8.2.1 系统总体方案设计 178
8.2.2 硬件的工程设计与实现 179
8.2.3 软件的工程设计与实现 182
8.2.4 系统的调试与运行 184
8.3 啤酒发酵过程计算机控制系统设计 188
8.3.1 啤酒发酵工艺及控制要求 188
8.3.2 系统总体方案的设计 189
8.3.3 系统硬件和软件的设计 190
8.3.4 系统的安装调试运行及控制效果 193
第9章 控制系统组态软件WinCC 194
9.1 WinCC简介 195
9.1.1 性能特点 195
9.1.2 WinCC系统构成 196
9.1.3 WinCC与PLC之间的通信 196
9.2 WinCC项目 197
9.2.1 建立和编辑WinCC项目的
一般过程 197
9.2.2 WinCC项目管理器介绍 197
9.2.3 建立一个新项目 199
9.3 变量管理 199
9.3.1 添加逻辑连接 200
9.3.2 变量的类型 200
9.3.3 建立内部变量 200
9.3.4 建立过程变量 201
9.3.5 创建结构类型和变量组 201
9.4 画面组态 202
9.4.1 WinCC图形编辑器 202
9.4.2 图形、对象和控件的使用 203
9.4.3 创建过程画面 205
9.4.4 改变画面的对象属性 208
9.4.5 指定WinCC运行系统的属性 208
9.4.6 运行工程 208
9.4.7 使用变量模拟器测试画面 210
9.5 故障处理 210
9.5.1 功能简介 210
9.5.2 诊断功能 210
9.6 系统的安全性 212
9.6.1 用户管理器的功能原则 212
9.6.2 用户管理器组态系统的结构 213
参考文献 217

1. 输水管线工程风险管理 [张勇 党亥生 著]
2. 民用航空飞机标准线路施工 [主编　王志敏　陈明]
3. 不息的水脉—大运河讲谈录 [赵珩　著]
4. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
5. 三峡梯级电站水资源决策支持系统研究与开发 [姚华明 潘红忠 汤正]
6. 海南黎族民俗文化鉴赏 [庞国华　著]
7. 石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用 [李艳秀 庄华伟 著]
8. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
9. 办公自动化高级应用 [陈萍 朱晓玉]
10. 信息处理技术员考试32小时通关 [薛大龙]
11. 电子产品设计案例教程（微课版）—基于嘉立创EDA（专业版） [王静 莫志宏 陈学昌 丁红]
12. C程序设计实践教程 [刘卫国]
13. C程序设计（慕课版） [刘卫国]
14. Web技术开发教程（基于.NET开源MVC框架） [王合闯 韩红玲 王青正 陈海蕊]
15. 商务英语翻译教程（笔译）（第四版） [主编 王军平]
16. 智慧零售技术与应用 [洪旭 著]
17. 建设工程法规实务 [主编 余滢]
18. 商务秘书理论与实务（第三版） [主编 张同钦]
19. 程序设计基础实践教程（C/C++语言版） [张桂芬 葛丽娜]
20. C++案例项目精讲 [主编 杨国兴]
21. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
22. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
23. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
24. 信息系统项目管理师章节习题与考点特训（第二版） [主编 薛大龙]
25. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
26. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
27. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
28. HCIA-Datacom认证题库分类精讲 [主 编 韩立刚]
29. SwiftUI完全开发 [李智威 著]
30. 网络规划设计师备考一本通 [夏杰 编著]