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本书以一个冶金工业生产过程的典型的计算机控制系统——集散系统为对象，有机联系起硬件、软件、控制理论、网络等多方面的知识，系统阐述计算机控制系统的设计及工程实现方法。主要内容包括：计算机控制系统的组成，典型计算机控制系统的形式、发展和概况；计算机控制系统硬件设计；常规数字控制技术；现代控制技术；计算机控制系统软件设计技术；集散系统；计算机控制系统设计及实现。理论部分根据生产实际应用的情况做了适当取舍，以适合“按类培养”的要求。读者对象：本书可作为电气信息类、仪器仪表类、机械（机电）类本科生计算机控制类课程（如计算机控制、微机控制等）的教材，以及过程控制、机电控制、嵌入式系统等课程和综合设计的参考书，也可供相关领域工程技术人员参考。

目    录
第1章  计算机控制系统概述	1
1.1  自动控制系统的基本原理	1
1.1.1  电动机转速控制	1
1.1.2  飞剪角度控制	3
1.1.3  开环控制	4
1.1.4  闭环控制	4
1.1.5  对控制系统的基本要求	5
1.2  计算机控制系统的一般形式	6
1.2.1  一般概念	6
1.2.2  一般构成	7
1.2.3  工业控制计算机简介	8
1.3  计算机控制系统分类	13
1.4  轧钢生产线计算机控制系统简介	17
1.4.1  生产过程简介	17
1.4.2  控制要求	18
1.4.3  计算机控制系统的构成	20
1.5  计算机控制技术的发展趋势	21
习题	22
第2章  计算机控制系统硬件设计相关技术	23
2.1  并行总线技术	23
2.1.1  工控机总线	23
2.1.2  兼容PC/ISA/EISA/PCI的嵌入式总线	30
2.1.3  单片机总线	30
2.1.4  总线扩展技术	32
2.2  串行总线技术	34
2.2.1  RS-232C/RS-422/RS-485串行通信总线	35
2.2.2  I2C总线	40
2.3  基于并行总线的接口与过程通道技术	43
2.3.1  信号的采样、量化和恢复	44
2.3.2  模拟量输入/输出接口与过程通道	46
2.3.3  数字量输入/输出接口与过程通道	63
2.3.4  数字量输入/输出通道设计	67
2.4  基于串行总线的接口与过程通道技术	68
2.4.1  基于PC串行总线的过程通道	68
2.4.2  基于I2C串行总线的过程通道	70
2.5  硬件抗干扰技术	72
2.5.1  电源抗干扰措施	73
2.5.2  主机抗干扰技术	74
2.5.3  通道抗干扰技术	76
2.5.4  计算机控制系统的接地技术	79
习题	84
第3章  常规数字控制技术	85
3.1  数字控制器的连续化设计技术	85
3.1.1  数字控制器的连续化设计步骤	85
3.1.2  数字PID控制器的设计	88
3.1.3  数字PID控制器的改进	90
3.1.4  数字PID控制器的参数整定	93
3.2  数字控制器的离散化设计技术	97
3.2.1  数字控制器的离散化设计步骤	97
3.2.2  最少拍控制器的设计	98
3.2.3  最少拍有纹波控制器的设计	102
3.3  纯滞后控制技术	104
3.3.1  史密斯（Smith）预估控制	104
3.3.2  达林（Dahlin）算法	106
3.4  串级控制技术	110
3.4.1  串级控制的结构和原理	110
3.4.2  数字串级控制算法	111
3.4.3  副回路微分先行串级控制算法	112
3.5  前馈-反馈控制技术	113
3.5.1  前馈控制的结构和原理	113
3.5.2  前馈-反馈控制结构	114
3.5.3  前馈-反馈控制算法	115
3.6  解耦控制技术	116
3.6.1  解耦控制原理	118
3.6.2  数字解耦控制算法	119
3.7  现代控制技术理论简介	120
3.7.1  采用状态空间的输出反馈设计法	120
3.7.2  采用状态空间的极点配置设计法	122
3.7.3  采用状态空间的最优化设计法	127
习题	128
第4章  先进控制技术	130
4.1  模糊控制技术	130
4.1.1  模糊控制的数学基础	130
4.1.2  模糊控制原理	134
4.1.3  模糊控制器的设计	136
4.2  神经网络控制技术	139
4.2.1  神经网络基础	139
4.2.2  神经网络控制	140
4.3  专家控制技术	144
4.3.1  专家系统	144
4.3.2  专家控制介绍	146
4.3.3  专家控制的基本思想	148
4.3.4  专家控制的组织结构	150
4.4  预测控制技术	151
4.5  其他先进控制技术	151
习题	152
第5章  计算机控制系统软件设计相关技术	153
5.1  程序设计的一般技术	153
5.1.1  程序设计过程	153
5.1.2  模块化与结构化程序设计	153
5.1.3  面向过程与面向对象的程序设计	155
5.2  软件开发工具	156
5.2.1  人机接口开发软件	156
5.2.2  分散过程控制级开发软件	161
5.3  典型的控制方法的软件实现	164
5.3.1  通信程序	164
5.3.2  数字PID控制器的工程实现	167
5.3.3  标度变换	173
5.3.4  数字滤波	174
习题	177
第6章  分布式测控网络技术	178
6.1  工业网络技术	178
6.1.1  工业网络概述	178
6.1.2  数据通信编码技术	184
6.1.3  网络协议及其层次结构	185
6.1.4  IEEE 802标准	187
6.1.5  工业网络的性能评价和选型	188
6.2  分布式控制系统	189
6.2.1  DCS概述	190
6.2.2  DCS的分散过程控制级	193
6.2.3  DCS的集中操作监控级	195
6.2.4  DCS的综合信息管理级	196
6.3  现场总线控制系统	197
6.3.1  现场总线概述	197
6.3.2  五种典型的现场总线	200
6.3.3  工业以太网	203
6.4  系统集成与集成自动化系统	204
6.4.1  系统集成的含义与框架	204
6.4.2  集成自动化系统的体系结构	207
6.4.3  综合自动化技术	209
6.5  分布式测控网络设计举例	212
6.5.1  基于PLC的Profibus分布式测控网络	212
6.5.2  基于PC串行总线的测控网络	214
6.5.3  测控网络应用设计举例	216
习题	217
第7章  计算机控制系统设计与实现	218
7.1  控制系统总体设计	218
7.1.1  控制系统设计的原则	218
7.1.2  系统的总体方案设计	218
7.1.3  硬件的工程设计和实现	219
7.1.4  软件的工程设计和实现	222
7.2  加热炉计算机控制系统设计	223
7.2.1  加热炉工艺流程及控制要求	223
7.2.2　控制系统应实现的功能	226
7.2.3　系统硬件设计	226
7.2.4  系统软件设计	227
习题	228
参考文献	229

前    言
计算机控制是指计算机与控制的结合，即由计算机实现控制系统某些环节的功能。可以认为计算机控制是计算机、控制、系统与特定领域的融合，即以计算机为工具，以某些控制规律和数据处理算法为手段，运用一定的系统结构解决具体领域的实际问题。
计算机控制科学涉及计算机控制的基本理论、分析、设计与工程实现等多方面内容，采用计算机控制是我国实现现代化的重要标志。当前，计算机在实时控制领域得到了广泛应用，这就要求从事自动控制的工程技术和研发人员不仅要掌握生产工艺流程和自动控制理论的基本知识，还必须掌握计算机控制系统有关硬件、软件、控制规律、数据通信、现场总线网络技术和数据库、强电方面的电路、电气等专业知识和技术，从而达到设计和应用计算机控制系统的目的。
计算机控制类课程是多数高校控制、计算机、电气、机械自动化、电子等机电类专业的主干专业课程之一。之所以称“计算机控制”为一类课程，是因为计算机控制所涉及的内容非常广泛，具有明显的多学科、综合性等特点。此外，不同高校习惯的课程名称又不尽相同，常见的有计算机（过程、运动、机电系统）控制、微机控制、单片机控制等。计算机控制相关的知识和能力体系如下图所示。
 
这个知识和能力体系对于自动化专业的本科生来说，现有的课程很难完全涵盖，而非自动化专业课程涵盖得更为有限。而且很多的专用知识和技能，只能在实践中学习和培养。所涉及的知识过多、过杂，一般学生很难全面掌握。因此，一般的毕业生很难迅速进入自动化工程师的角色，对计算机控制系统的设计、安装、调试更是无从着手。其中主要原因是对计算机控制系统的内涵缺乏总体的把握。
计算机控制技术这门课，应该覆盖所有的上述计算机控制相关的知识和能力对应的课程，起到提纲挈领的作用，使学生对计算机控制系统有一个总体的把握，在工作中知道怎样学习，学习什么，从而迅速进入角色。
根据编者多年教学和工程系统研究开发的实际经验，认为：电气信息类、仪器仪表类、机械（机电）类本科生学好计算机控制技术的关键在于理论和技术的实用性。一个规模较大的计算机控制系统，基本可以涉及上述的知识和能力体系。本书以一个冶金工业生产过程的典型的计算机控制系统——集散系统为主线，有机联系起硬件、软件、控制理论、网络等多方面的知识，使学生学习本课程时避免了“杂乱”的感觉，既增强了实用性，又提高了学生的学习兴趣。
全书共分7章。第1章为概述部分，介绍了计算机控制系统的一般概念、组成、分类及发展趋势；第2章重点介绍了总线和过程输入/输出接口技术，包括数据的采集及保持、模/数转换器、数模转换器、开关量接口技术和数据采集系统；第3章介绍了计算机控制系统的控制策略，包括数字PID控制、串级控制、达林算法和数字控制器设计；第4章介绍了先进控制技术；第5章介绍了计算机控制系统软件设计；第6章介绍了测控网络、现场总线及其标准；第7章介绍计算机控制系统的设计方法、软/硬件设计和综合举例。
本书是编者根据长期的教学经验、生产技术工作经验和科研成果，参考国内外大量文献和著作编写而成的。由郝成负责第1章、第2章、第5章、第7章的编写及全书的定稿工作，岳树盛负责第3章、第4章和第6章的编写。由于编者知识和经验所限，书中的错误和不妥之处请广大读者不吝指正。


编  者  
2011年1月

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计算机控制技术——工业控制工程应用理论与实践