基礎篇溯本而求源溫故而知新

第1章概述

1.1自動控制的基本概念

1.1.1自動控制的引例

1.1.2自動控制中的基本問題

1.2計算機控制繫統

1.2.1計算機控制繫統的結構

1.2.2計算機控制繫統的分類

1.2.3計算機控制技術及其發展

1.3課程的研究內容和學習方法

1.3.1研究內容

1.3.2學習方法

本章知識點

思考題與習題

第2章計算機控制繫統的理論基礎

2.1控制繫統的數學模型

2.1.1控制繫統的描述方法

2.1.2用微分方程表示的繫統模型

2.1.3用脈衝響應表示的繫統模型

2.1.4拉普拉斯變換

2.1.5用傳遞函數表示的繫統模型

2.1.6繫統的方框圖

2.1.7狀態空間概念和模型框圖

2.2連續繫統的分析和設計

2.2.1連續繫統的性能指標

2.2.2連續繫統的分析和設計方法回顧

2.3離散繫統的描述方法

2.3.1離散繫統與連續繫統的關繫

2.3.2采樣過程和采樣定理

2.3.3序列和差分方程

2.3.4用脈衝響應表示的離散繫統模型

2.3.5z變換及其性質

2.3.6脈衝傳遞函數 

2.3.7離散繫統的狀態空間描述

2.3.8離散繫統的其他描述方法

2.4離散繫統的分析

2.4.1s平面和z平面之間的映射

2.4.2穩定性分析

2.4.3靜態誤差分析

2.4.4動態特性分析

本章知識點

思考題與習題

第3章數字控制器的設計與實現

3.1數字控制器的設計方法

3.1.1近似設計法

3.1.2解析設計法

3.2離散化方法

3.2.1積分變換法

3.2.2零極點匹配法 

3.2.3等效變換法

3.2.4離散化方法比較

3.3PID控制

3.3.1PID控制的原理

3.3.2數字PID控制算法

3.3.3數字PID控制的參數整定

3.4最少拍隨動繫統

3.4.1最少拍隨動繫統的原理

3.4.2最少拍隨動繫統的設計

3.4.3最少拍無紋波隨動繫統的設計

3.5控制算法的實現

3.5.1實現框圖與算法

3.5.2串行實現與並行實現

本章知識點

思考題與習題

技術篇工欲善其事必先利其器

第4章控制繫統中的計算機及其接口技術

4.1工業控制計算機

4.1.1工業控制計算機的特點和結構

4.1.2嵌入式繫統與單片機

4.1.3典型工業控制計算機的產品

4.2控制繫統中的接口技術

4.2.1接口與總線

4.2.2並行接口

4.2.3串行接口

4.2.4現場總線

4.3控制繫統中的人機交互技術

4.3.1人機交互及其要求

4.3.2人機交互的設計技術

4.4工業控制計算機軟件繫統簡介

4.4.1繫統軟件

4.4.2應用軟件

本章知識點

思考題與習題

第5章計算機控制繫統中的過程通道

5.1傳感器與執行器

5.1.1傳感器和變送器

5.1.2IEEE 1451智能變換器標準

5.1.3執行器及其分類

5.1.4伺服電機和步進電機

5.1.5變頻器與電動執行器

5.2輸入通道

5.2.1控制繫統中的信號種類及特點

5.2.2數字量信號處理方式

5.2.3模擬量信號處理方式

5.2.4數據采集的原理和實現

5.3輸出通道

5.3.1輸出通道的基本結構

5.3.2輸出通道中的開關信號驅動

5.3.3輸出通道中的模擬信號驅動

5.3.4電機控制

本章知識點

思考題與習題

第6章控制繫統的可靠性與抗干擾技術

6.1可靠性與抗干擾技術的基本概念

6.1.1可靠性的概念

6.1.2電磁兼容性

6.1.3噪聲的分類和耦合方式

6.1.4控制繫統可靠性設計的基本途徑

6.2硬件的可靠性與抗干擾技術

6.器件與繫統結構

6.2.2濾波與去耦電路

6.2.3隔離與屏蔽技術

6.2.4電源干擾的抑制與接地技術

6.2.5電源管理和熱插撥技術

6.2.6Watchdog技術

6.2.7印制電路板的抗干擾措施 

6.3軟件的可靠性與抗干擾技術

6.3.1存儲空間分配和程序結構的設計

6.3.2數字濾波技術

6.3.3數據的檢錯和糾錯

6.3.4開機自檢與故障診斷

本章知識點

思考題與習題

第7章控制繫統的組態軟件

7.1工控組態軟件概述

7.1.1組態軟件及其特點

7.1.2組態軟件的功能

7.1.3組態軟件的發展

7.2MCGS組態軟件

7.2.1MCGS組態軟件的特點和組成

7.2.2MCGS工程構成

7.2.3MCGS組態過程

7.3組態王組態軟件

7.3.1組態王軟件的特點和組成

7.3.2組態王軟件的構成

7.3.3組態王組態過程

7.4力控監控組態軟件

7.4.1力控軟件的特點和組成

7.4.2力控軟件的構成

7.4.3力控組態過程

本章知識點

思考題與習題

第8章集散控制繫統

8.1DCS的產生與發展

8.1.1DCS的產生

8.1.2DCS的發展

8.1.3EPA現場總線

8.2DCS的體繫結構

8.2.1DCS的分層結構

8.2.2DCS的硬件結構

8.2.3DCS的網絡結構

8.2.4DCS的軟件結構

8.3WebField JX300XP控制繫統

8.3.1概述

8.3.2JX300XP繫統的組成

8.3.3JX300XP繫統的硬件

8.3.4JX300XP繫統的軟件

本章知識點

思考題與習題

應用篇學以致用用學相長

第9章計算機控制繫統的解決方案

9.1基於嵌入式繫統的解決方案

9.1.1組成和特點

9.1.2案例1： 由嵌入式繫統控制的全自動洗衣機

9.2基於智能控制儀表的解決方案

9.2.1組成和特點

9.2.2案例2： 基於智能控制儀表的電阻爐溫度控制繫統

9.3基於可編程邏輯控制器的解決方案

9.3.1組成和特點

9.3.2案例3： PLC控制的工業洗衣機

9.4基於分布式數據采集與控制模塊的解決方案

9.4.1組成和特點

9.4.2案例4： 潮流水槽計算機檢測與控制繫統

9.5基於可編程自動化控制器的解決方案

9.5.1組成和特點

9.5.2案例5： PAC在橋梁健康檢測繫統中的應用

本章知識點

思考題與習題

第10章計算機控制技術在簡單過程控制中的應用

10.1實例1： 水箱液位控制

10.1.1被控對像和控制方案

10.1.2硬件組成

10.1.3組態過程

10.1.4PID整定實驗過程

10.2實例2： 鍋爐溫度控制

10.2.1被控對像和控制方案

10.2.2硬件組成

10.2.3組態過程

10.2.4PID算法設計

10.2.5PID整定實驗過程

10.3實例3： 流量比值控制

10.3.1被控對像和控制方案

10.3.2硬件組成

10.3.3組態過程

10.3.4案例調試

本章知識點

思考題與習題

第11章計算機控制技術在流程工業自動化中的應用

11.1DCS在循環流化床鍋爐中的應用

11.1.1工藝介紹

11.1.2繫統設計

11.1.3繫統組態

11.1.4控制流程

11.1.5繫統運行

11.2DCS在大中型氮肥裝置中的應用

11.2.1工藝介紹

11.2.2繫統設計

11.2.3繫統組態

11.2.4控制流程

11.2.5繫統運行

本章知識點

思考題與習題

附錄A有關工業自動化產品及企業網址

參考文獻

為貫徹落實《教育廳關於全面提高高等教育質量若干意見》的精神，進一步促進普通本科課程向應用型本科課程的轉變，建立適合應用型人纔的培養模式，推動專業設置、課程內容、教學方式的改革，推進高等教育內涵發展，提高教學水平。作者結合社會科技發展方向，以及多年教學經驗編著此書，以滿足高等學校對工科類專業人纔培養、教學改革與課程改革的需求。

計算機控制技術是信息時代推動自動化的重要動力，信息技術又促進了計算機控制技術的深入發展。進入21世紀以來，計算機控制技術越來越成熟，應用也越來越廣泛，目前正朝著微型化、智能化、網絡化和規範化方向發展。

微型化嵌入式計算機已滲透到控制前端和底層，如各種傳感器、執行器、過程通道、交互設備、通信設備等。特別是隨著微電子機械繫統(microelector mechanical system，MEMS)等技術的發展，器件的低成本、低功耗、高精度、微體積的特性越發顯著，使控制技術可深入傳統的機電技術難以進入的領域。

智能化控制器具有自適應、自學習、自診斷和自修復功能，控制質量進一步提高。特別是隨著高性價比微控制器（MCU）的飛速發展，各種“智能產品”“智能制造”層出不窮，而微控制器及其算法是智能化控制的“靈魂”。

網絡化使得控制繫統的結構重心由信息轉向繫統的信息傳輸。隨著規模的不斷擴大，控制繫統不僅能對整個工廠的生產過程控制，而且使跨地域的大規模控制得以實現。以互聯網所代表的新一代信息技術與控制技術的深度融合推動了“互聯網 ”時代的來臨和發展。規範化要求控制繫統的硬件和軟件要有統一的標準，強調設備的互換性、繫統的互連性，使控制繫統的集成更為靈活。各種規模的可編程邏輯控制器（PLC）、開放的組態軟件、集成開發環境和資源庫、通信協議、圖形化人機接口為構建不同架構的控制繫統帶來了方便，極大地提高了繫統的開發效率，降低了繫統的維護成本。

為了適應計算機控制技術的發展，秉承繫統性、新穎性、應用性和適用性的原則，全書共設置基礎篇、技術篇和應用篇三篇，分別介紹計算機控制繫統相關的基本理論、主要技術和工程應用。

基礎篇介紹了計算機控制繫統的理論基礎（包括控制繫統的數學模型、連續繫統的分析和設計、離散繫統的描述方法）及數字控制器的設計與實現。其中著重介紹了數字控制器的近似設計法和解析設計法——離散化方法和最少拍隨動繫統的設計以及工業上最常用的數字PID控制算法和參數整定方法。

技術篇是本書的重點內容，主要介紹了各種計算機控制技術，包括控制繫統中的工業控制計算機及其接口技術、過程通道技術、可靠性與抗干擾技術、控制繫統中的軟件技術——組態軟件以及集成了計算機控制繫統許多關鍵技術的集散控制繫統。

應用篇介紹了計算機控制技術應用的具體模式和實例，包括計算機控制繫統的多種解決方案及案例分析、計算機控制技術在簡單過程控制中的應用，並結合國內自動控制領域的著名企業——浙江中控的典型產品和項目，介紹計算機控制技術在流程工業自動化中的應用實例。

本書結合教學實踐，介紹控制繫統組態軟件及應用方法，有效提升學生學科認知，實現實踐認知循環，力圖貼近工程應用，拉近教學課堂與實踐應用的距離，彰顯“學以致用”。信息時代知識獲取的途徑越來越多，知識的表現形式也越來越豐富，為方便學生自主學習，提高學習效率，加快高等教育數字化教學轉型，我們將本書制作成新形態教材，建設豐富的線上教育和教學資源，包括教學大綱、微課視頻、教學課件、習題解答等資源，讀者可通過掃描

書中二維碼查看，“即掃即看”，便於讀者快速了解相關重點知識和典型案例。

本書由盧亞平、丁建強和任曉編著，盧亞平負責全書統稿，並編寫第7～11章； 丁建強編寫第1～6章； 任曉老師參與了全書的修訂和核對工作。另外，浙江中控（SUPCON）提供了珍貴的應用案例和技術指導。

編寫過程中，還參考了大量同類書籍、文獻資料及工業自動化產品的技術手冊，受益匪淺，在此衷心感謝所有對本書出版給予幫助和支持的老師和朋友。

由於編者水平有限，書中難免有疏漏之處，懇請廣大讀者批評指正。

編者

2023年10月