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内容提要 本书详细阐述了计算机控制系统概况、过程通道配置与数字信号处理、计算机控制系统分析、数字PID控制器设计、数字控制器的连续系统方法设计、数字控制器的直接设计、复杂数字控制器设计、数字控制器的状态空间法设计、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机控制系统实例,附录还简单介绍了主编独创的虚拟被控对象的计算机控制实验。对于暂时不具备开设复杂计算机控制实验条件的学校,该套实验为读者提供了一种不需要添加任何非计算机设备就能对计算机控制实验改造升级的手段。实验系统为读者提供了一个软件实现的虚拟过程通道和虚拟被控对象平台,能够非常方便和直观地仿真计算机控制系统的实物对象(如A/D和D/A转换误差;执行器的饱和、死区、变化速率限制;被控对象的动态特性和饱和特性等),因而在该平台上实验比MATLAB等仿真实验更接近真实计算机控制系统环境。 本书编写力求层次分明、结构简练、主题突出、由浅入深,计算机控制系统的基本概念和知识的解释准确清晰、介绍简明扼要,注重将计算机控制系统的硬件和软件技术有机地结合起来,重点介绍了计算机控制系统的组成、常规和现代数字控制器设计,介绍了网络多机协调控制技术,通过典型设计使读者深入理解计算机控制系统技术,帮助读者掌握计算机控制技术的主要内容。 本书既可作为高等院校自动控制、自动化、计算机应用、机电一体化等专业及相关专业的高年级本科生教材,也可作为相关专业科技人员的参考书籍。 目录 第1章 计算机控制系统概述1 1.1计算机控制系统的产生及原理1 1.1.1模拟控制向计算机控制的发展1 1.1.2计算机控制系统的基本工作原理2 1.2计算机控制系统的构成3 1.2.1计算机控制系统硬件的基本构成3 1.2.2计算机控制系统软件的基本组成4 1.2.3控制用计算机的主要特点5 1.3计算机控制系统的分类7 1.4计算机控制系统举例11 1.4.1工业炉燃料和空气比率控制系统(生产过程控制)11 1.4.2火炮瞄准位置控制系统(运动控制)11 1.4.3原料混合和加热控制系统(顺序控制)12 1.5计算机控制系统的优缺点和发展趋势12 1.5.1计算机控制系统的主要优点和缺点12 1.5.2计算机控制系统的发展趋势13 思考题与习题114 第2章 过程通道配置与数字信号处理15 2.1信号变换15 2.1.1计算机控制系统中信号的分类15 2.1.2计算机控制系统中信号的变换16 2.2过程通道的硬件选型18 2.2.1传感器与变送器的选型19 2.2.2执行器与功放接口电路的选型21 2.2.3输入/输出通道接口板的选型23 2.3过程通道抗干扰技术24 2.3.1干扰信号的分类24 2.3.2串模干扰的抑制25 2.3.3共模干扰的抑制27 2.4过程通道数字滤波技术29 2.5线性化处理技术32 2.5.1计算法33 2.5.2查表法33 2.5.3线性插值法34 2.6标度变换技术36 思考题与习题237 第3章 计算机控制系统分析38 3.1计算机控制系统的数学模型38 3.1.1差分方程38 3.1.2Z变换38 3.1.3Z反变换40 3.1.4脉冲传递函数42 3.2计算机控制系统的稳定性分析43 3.2.1Z平面和S平面的映射关系43 3.2.2稳定性判据45 3.3离散控制系统的稳态特性分析46 3.4离散控制系统的动态特性分析47 3.4.1闭环极、零点对系统动态响应的影响47 3.4.2离散控制系统的动态响应49 3.5计算机控制系统的频率特性分析50 3.5.1频率特性定义50 3.5.2频率特性分析50 思考题与习题352 第4章 数字PID控制器设计53 4.1标准数字PID控制算法53 4.1.1PID控制基本原理53 4.1.2标准PID控制数字算式54 4.1.3数字PID程序流程图56 4.2改进的PID算法57 4.2.1带有死区的PID算式57 4.2.2抑制积分饱和的PID算法57 4.2.3不完全微分的PID算式60 4.2.4微分先行PID控制62 4.3数字PID控制工程实现的一些问题62 4.3.1工程上数字PID控制器程序的组成62 4.3.2编程时需要注意的几个问题63 4.3.3数字PID控制工程的报警处理64 4.3.4自动/手动切换65 4.4PID参数整定方法66 4.4.1采样周期T的选择66 4.4.2扩充临界比例度法67 4.4.3简化扩充临界比例度法68 4.4.4扩充响应曲线法68 4.4.5试凑法整定PID控制器参数69 思考题与习题469 第5章 数字控制器的连续系统方法设计71 5.1连续系统方法设计数字控制器的原理71 5.2数值积分法72 5.2.1三种变换公式72 5.2.2三种变换法的稳定性分析76 5.2.3双线性变换的预扭曲77 5.3零极点匹配法79 5.4等效保持算法80 5.4.1冲击响应不变转换80 5.4.2阶跃响应不变转换81 5.5设计举例81 5.6各种方法的比较83 思考题与习题584 第6章 数字控制器的直接设计85 6.1系统性能指标与Z域极、零点的关系85 6.1.1主导极点在Z域样板图中的位置85 6.1.2稳态性能指标对控制器在Z域极、零点的要求86 6.1.3动态性能指标对系统主导极点的要求87 6.2Z平面上的根轨迹法90 6.3用解析法进行数字控制器设计95 6.4最少拍控制系统的设计97 6.4.1最少拍控制系统的基本概念97 6.4.2最少拍控制器设计98 6.4.3最少拍控制系统的局限性100 6.5最少拍无波纹控制系统的设计102 6.6非最少的有限拍控制104 6.7惯性因子法105 6.8大林算法106 6.8.1大林基本算法106 6.8.2振铃现象的消除107 思考题与习题6110 第7章 复杂数字控制器设计111 7.1串级控制111 7.1.1串级控制的工作原理111 7.1.2串级控制系统设计113 7.1.3串级控制系统的主要优点114 7.2前馈控制115 7.2.1前馈控制的工作原理115 7.2.2前馈控制系统设计117 7.3史密斯(Smith)预估控制117 7.3.1史密斯(Smith)预估控制的工作原理118 7.3.2史密斯(Smith)预估控制系统设计119 7.4比值控制119 7.4.1单闭环比值控制119 7.4.2双闭环比值控制120 思考题与习题7121 第8章 数字控制器的状态空间法设计122 8.1线性定常离散系统的状态空间描述122 8.1.1状态方程与输出方程122 8.1.2连续系统状态空间数学模型的离散化123 8.1.3离散系统状态空间数学模型的实现124 8.2线性定常离散系统的状态空间分析128 8.2.1状态方程的Z变换求解128 8.2.2系统的稳定性130 8.2.3能控性、能达性和能观性130 8.3极点配置131 8.3.1状态反馈与输出反馈131 8.3.2状态反馈的极点配置132 8.3.3输出反馈的极点配置134 8.4带状态观测器的状态反馈系统设计135 思考题与习题8137 第9章 集散控制系统138 9.1数据通信与工业网138 9.1.1数据通信的基本概念138 9.1.2数据传输模式139 9.1.3异步传输与同步传输140 9.1.4差错控制技术142 9.1.5网络拓扑结构143 9.1.6网络通信协议146 9.2集散控制系统的产生148 9.3集散控制系统的基本构成149 9.3.1分散过程控制级149 9.3.2集中操作监控级151 9.4集散控制系统的主要特点152 9.5集散控制系统设计153 9.6SCADA系统简介156 9.6.1系统概述156 9.6.2SCADA系统体系结构157 9.6.3SCADA系统与DCS的主要区别159 9.7计算机集成制造系统(CIMS)简介160 9.7.1系统概述160 9.7.2CIMS的体系结构160 9.7.3CIMS与DCS的主要区别162 9.8集散控制系统的发展趋势162 思考题与习题9163 第10章 现场总线控制系统164 10.1现场总线控制系统的基本概念164 10.2现场总线的体系结构165 10.3现场总线智能仪表166 10.4现场总线控制系统的特点与优势168 10.4.1FCS与DCS的比较168 10.4.2现场总线控制系统的技术特点169 10.4.3现场总线控制系统的主要优点169 10.5几种典型的现场总线170 10.5.1基金会现场总线(FF)171 10.5.2过程现场总线(Profibus)172 10.5.3局部操作网络(LonWork)175 10.5.4控制局域网络(CAN)175 10.5.5可寻址远程传感器数据通路(HART)176 10.6工业以太网与实时以太网简介177 10.6.1工业以太网概述177 10.6.2几种工业以太网协议简介178 10.6.3实时以太网的产生179 10.6.4几种实时以太网通信协议简介180 10.7现场总线的主要产品184 思考题与习题10185 第11章 计算机控制系统实例186 11.1锅炉计算机控制系统186 11.1.1锅炉生产工艺简介186 11.1.2锅炉控制方案187 11.1.3锅炉控制系统结构189 11.1.4锅炉控制系统软件设计191 11.2钢筋卷绕控制系统192 11.2.1钢筋卷绕控制工艺简介192 11.2.2传感器和执行元件的选择193 11.2.3控制系统基本结构198 11.2.4关键功能模块控制器设计200 11.3某焦化企业DCS系统200 11.3.1系统工艺流程与控制需求200 11.3.2系统硬件配置203 11.3.3系统软件配置205 11.3.4系统组态编程207 11.3.5部分组态界面举例208 11.4无人靶机单片机控制系统211 11.4.1系统基本组成和功能需求211 11.4.2系统控制器设计212 11.4.3系统软件设计214 11.5智能家居控制系统215 11.5.1智能家居控制需求215 11.5.2设计原则216 11.5.3系统组成与主要功能216 附录A部分函数拉氏变换与Z变换对照表219 附录B基于虚拟实验平台的计算机控制实验简介220 B.1基于虚拟实验平台的计算机控制实验基本原理220 B.2虚拟被控对象简介221 B.3虚拟输入/输出过程通道简介226 B.4基于虚拟实验平台的计算机控制实验编程指导228 B.5实验一虚拟被控对象计算机PID控制实验指导书230 B.6实验二虚拟被控对象大林算法控制实验指导书232 B.7实验三计算机前馈与反馈相结合控制实验指导书235 参考文献238 |
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