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內(nèi)容提要 本書詳細闡述了計算機控制系統(tǒng)概況、過程通道配置與數(shù)字信號處理、計算機控制系統(tǒng)分析、數(shù)字PID控制器設計、數(shù)字控制器的連續(xù)系統(tǒng)方法設計、數(shù)字控制器的直接設計、復雜數(shù)字控制器設計、數(shù)字控制器的狀態(tài)空間法設計、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)實例,附錄還簡單介紹了主編獨創(chuàng)的虛擬被控對象的計算機控制實驗。對于暫時不具備開設復雜計算機控制實驗條件的學校,該套實驗為讀者提供了一種不需要添加任何非計算機設備就能對計算機控制實驗改造升級的手段。實驗系統(tǒng)為讀者提供了一個軟件實現(xiàn)的虛擬過程通道和虛擬被控對象平臺,能夠非常方便和直觀地仿真計算機控制系統(tǒng)的實物對象(如A/D和D/A轉換誤差;執(zhí)行器的飽和、死區(qū)、變化速率限制;被控對象的動態(tài)特性和飽和特性等),因而在該平臺上實驗比MATLAB等仿真實驗更接近真實計算機控制系統(tǒng)環(huán)境。 本書編寫力求層次分明、結構簡練、主題突出、由淺入深,計算機控制系統(tǒng)的基本概念和知識的解釋準確清晰、介紹簡明扼要,注重將計算機控制系統(tǒng)的硬件和軟件技術有機地結合起來,重點介紹了計算機控制系統(tǒng)的組成、常規(guī)和現(xiàn)代數(shù)字控制器設計,介紹了網(wǎng)絡多機協(xié)調控制技術,通過典型設計使讀者深入理解計算機控制系統(tǒng)技術,幫助讀者掌握計算機控制技術的主要內(nèi)容。 本書既可作為高等院校自動控制、自動化、計算機應用、機電一體化等專業(yè)及相關專業(yè)的高年級本科生教材,也可作為相關專業(yè)科技人員的參考書籍。 目錄 第1章 計算機控制系統(tǒng)概述1 1.1計算機控制系統(tǒng)的產(chǎn)生及原理1 1.1.1模擬控制向計算機控制的發(fā)展1 1.1.2計算機控制系統(tǒng)的基本工作原理2 1.2計算機控制系統(tǒng)的構成3 1.2.1計算機控制系統(tǒng)硬件的基本構成3 1.2.2計算機控制系統(tǒng)軟件的基本組成4 1.2.3控制用計算機的主要特點5 1.3計算機控制系統(tǒng)的分類7 1.4計算機控制系統(tǒng)舉例11 1.4.1工業(yè)爐燃料和空氣比率控制系統(tǒng)(生產(chǎn)過程控制)11 1.4.2火炮瞄準位置控制系統(tǒng)(運動控制)11 1.4.3原料混合和加熱控制系統(tǒng)(順序控制)12 1.5計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點和發(fā)展趨勢12 1.5.1計算機控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點和缺點12 1.5.2計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢13 思考題與習題114 第2章 過程通道配置與數(shù)字信號處理15 2.1信號變換15 2.1.1計算機控制系統(tǒng)中信號的分類15 2.1.2計算機控制系統(tǒng)中信號的變換16 2.2過程通道的硬件選型18 2.2.1傳感器與變送器的選型19 2.2.2執(zhí)行器與功放接口電路的選型21 2.2.3輸入/輸出通道接口板的選型23 2.3過程通道抗干擾技術24 2.3.1干擾信號的分類24 2.3.2串模干擾的抑制25 2.3.3共模干擾的抑制27 2.4過程通道數(shù)字濾波技術29 2.5線性化處理技術32 2.5.1計算法33 2.5.2查表法33 2.5.3線性插值法34 2.6標度變換技術36 思考題與習題237 第3章 計算機控制系統(tǒng)分析38 3.1計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型38 3.1.1差分方程38 3.1.2Z變換38 3.1.3Z反變換40 3.1.4脈沖傳遞函數(shù)42 3.2計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析43 3.2.1Z平面和S平面的映射關系43 3.2.2穩(wěn)定性判據(jù)45 3.3離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性分析46 3.4離散控制系統(tǒng)的動態(tài)特性分析47 3.4.1閉環(huán)極、零點對系統(tǒng)動態(tài)響應的影響47 3.4.2離散控制系統(tǒng)的動態(tài)響應49 3.5計算機控制系統(tǒng)的頻率特性分析50 3.5.1頻率特性定義50 3.5.2頻率特性分析50 思考題與習題352 第4章 數(shù)字PID控制器設計53 4.1標準數(shù)字PID控制算法53 4.1.1PID控制基本原理53 4.1.2標準PID控制數(shù)字算式54 4.1.3數(shù)字PID程序流程圖56 4.2改進的PID算法57 4.2.1帶有死區(qū)的PID算式57 4.2.2抑制積分飽和的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數(shù)字PID控制工程實現(xiàn)的一些問題62 4.3.1工程上數(shù)字PID控制器程序的組成62 4.3.2編程時需要注意的幾個問題63 4.3.3數(shù)字PID控制工程的報警處理64 4.3.4自動/手動切換65 4.4PID參數(shù)整定方法66 4.4.1采樣周期T的選擇66 4.4.2擴充臨界比例度法67 4.4.3簡化擴充臨界比例度法68 4.4.4擴充響應曲線法68 4.4.5試湊法整定PID控制器參數(shù)69 思考題與習題469 第5章 數(shù)字控制器的連續(xù)系統(tǒng)方法設計71 5.1連續(xù)系統(tǒng)方法設計數(shù)字控制器的原理71 5.2數(shù)值積分法72 5.2.1三種變換公式72 5.2.2三種變換法的穩(wěn)定性分析76 5.2.3雙線性變換的預扭曲77 5.3零極點匹配法79 5.4等效保持算法80 5.4.1沖擊響應不變轉換80 5.4.2階躍響應不變轉換81 5.5設計舉例81 5.6各種方法的比較83 思考題與習題584 第6章 數(shù)字控制器的直接設計85 6.1系統(tǒng)性能指標與Z域極、零點的關系85 6.1.1主導極點在Z域樣板圖中的位置85 6.1.2穩(wěn)態(tài)性能指標對控制器在Z域極、零點的要求86 6.1.3動態(tài)性能指標對系統(tǒng)主導極點的要求87 6.2Z平面上的根軌跡法90 6.3用解析法進行數(shù)字控制器設計95 6.4最少拍控制系統(tǒng)的設計97 6.4.1最少拍控制系統(tǒng)的基本概念97 6.4.2最少拍控制器設計98 6.4.3最少拍控制系統(tǒng)的局限性100 6.5最少拍無波紋控制系統(tǒng)的設計102 6.6非最少的有限拍控制104 6.7慣性因子法105 6.8大林算法106 6.8.1大林基本算法106 6.8.2振鈴現(xiàn)象的消除107 思考題與習題6110 第7章 復雜數(shù)字控制器設計111 7.1串級控制111 7.1.1串級控制的工作原理111 7.1.2串級控制系統(tǒng)設計113 7.1.3串級控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點114 7.2前饋控制115 7.2.1前饋控制的工作原理115 7.2.2前饋控制系統(tǒng)設計117 7.3史密斯(Smith)預估控制117 7.3.1史密斯(Smith)預估控制的工作原理118 7.3.2史密斯(Smith)預估控制系統(tǒng)設計119 7.4比值控制119 7.4.1單閉環(huán)比值控制119 7.4.2雙閉環(huán)比值控制120 思考題與習題7121 第8章 數(shù)字控制器的狀態(tài)空間法設計122 8.1線性定常離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述122 8.1.1狀態(tài)方程與輸出方程122 8.1.2連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)空間數(shù)學模型的離散化123 8.1.3離散系統(tǒng)狀態(tài)空間數(shù)學模型的實現(xiàn)124 8.2線性定常離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析128 8.2.1狀態(tài)方程的Z變換求解128 8.2.2系統(tǒng)的穩(wěn)定性130 8.2.3能控性、能達性和能觀性130 8.3極點配置131 8.3.1狀態(tài)反饋與輸出反饋131 8.3.2狀態(tài)反饋的極點配置132 8.3.3輸出反饋的極點配置134 8.4帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)設計135 思考題與習題8137 第9章 集散控制系統(tǒng)138 9.1數(shù)據(jù)通信與工業(yè)網(wǎng)138 9.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念138 9.1.2數(shù)據(jù)傳輸模式139 9.1.3異步傳輸與同步傳輸140 9.1.4差錯控制技術142 9.1.5網(wǎng)絡拓撲結構143 9.1.6網(wǎng)絡通信協(xié)議146 9.2集散控制系統(tǒng)的產(chǎn)生148 9.3集散控制系統(tǒng)的基本構成149 9.3.1分散過程控制級149 9.3.2集中操作監(jiān)控級151 9.4集散控制系統(tǒng)的主要特點152 9.5集散控制系統(tǒng)設計153 9.6SCADA系統(tǒng)簡介156 9.6.1系統(tǒng)概述156 9.6.2SCADA系統(tǒng)體系結構157 9.6.3SCADA系統(tǒng)與DCS的主要區(qū)別159 9.7計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)簡介160 9.7.1系統(tǒng)概述160 9.7.2CIMS的體系結構160 9.7.3CIMS與DCS的主要區(qū)別162 9.8集散控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢162 思考題與習題9163 第10章 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)164 10.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基本概念164 10.2現(xiàn)場總線的體系結構165 10.3現(xiàn)場總線智能儀表166 10.4現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢168 10.4.1FCS與DCS的比較168 10.4.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的技術特點169 10.4.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點169 10.5幾種典型的現(xiàn)場總線170 10.5.1基金會現(xiàn)場總線(FF)171 10.5.2過程現(xiàn)場總線(Profibus)172 10.5.3局部操作網(wǎng)絡(LonWork)175 10.5.4控制局域網(wǎng)絡(CAN)175 10.5.5可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路(HART)176 10.6工業(yè)以太網(wǎng)與實時以太網(wǎng)簡介177 10.6.1工業(yè)以太網(wǎng)概述177 10.6.2幾種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議簡介178 10.6.3實時以太網(wǎng)的產(chǎn)生179 10.6.4幾種實時以太網(wǎng)通信協(xié)議簡介180 10.7現(xiàn)場總線的主要產(chǎn)品184 思考題與習題10185 第11章 計算機控制系統(tǒng)實例186 11.1鍋爐計算機控制系統(tǒng)186 11.1.1鍋爐生產(chǎn)工藝簡介186 11.1.2鍋爐控制方案187 11.1.3鍋爐控制系統(tǒng)結構189 11.1.4鍋爐控制系統(tǒng)軟件設計191 11.2鋼筋卷繞控制系統(tǒng)192 11.2.1鋼筋卷繞控制工藝簡介192 11.2.2傳感器和執(zhí)行元件的選擇193 11.2.3控制系統(tǒng)基本結構198 11.2.4關鍵功能模塊控制器設計200 11.3某焦化企業(yè)DCS系統(tǒng)200 11.3.1系統(tǒng)工藝流程與控制需求200 11.3.2系統(tǒng)硬件配置203 11.3.3系統(tǒng)軟件配置205 11.3.4系統(tǒng)組態(tài)編程207 11.3.5部分組態(tài)界面舉例208 11.4無人靶機單片機控制系統(tǒng)211 11.4.1系統(tǒng)基本組成和功能需求211 11.4.2系統(tǒng)控制器設計212 11.4.3系統(tǒng)軟件設計214 11.5智能家居控制系統(tǒng)215 11.5.1智能家居控制需求215 11.5.2設計原則216 11.5.3系統(tǒng)組成與主要功能216 附錄A部分函數(shù)拉氏變換與Z變換對照表219 附錄B基于虛擬實驗平臺的計算機控制實驗簡介220 B.1基于虛擬實驗平臺的計算機控制實驗基本原理220 B.2虛擬被控對象簡介221 B.3虛擬輸入/輸出過程通道簡介226 B.4基于虛擬實驗平臺的計算機控制實驗編程指導228 B.5實驗一虛擬被控對象計算機PID控制實驗指導書230 B.6實驗二虛擬被控對象大林算法控制實驗指導書232 B.7實驗三計算機前饋與反饋相結合控制實驗指導書235 參考文獻238 |
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