計算機控制及網絡技術
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【作 者】龍志強 等編著
【I S B N 】978-7-5084-4400-0
【責任編輯】吳萍
【適用讀者群】本科
【出版時間】2007-05-01
【開 本】16開本
【裝幀信息】平裝(光膜)
【版 次】第1版
【頁 數】220
【千字數】
【印 張】
【定 價】¥22
【叢 書】新世紀電子信息與自動化系列課程改革教材
【備注信息】
簡介
本書特色
前言
章節列表
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下載資源
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本書從實際應用的角度,較系統地介紹了計算機控制系統的基本知識及分析設計方法,在內容安排上,注重基礎性、系統性和實用性,同時考慮計算機控制網絡技術的飛速發展和應用,書中對網絡化的計算機控制技術的相關知識進行了介紹。全書共分十章。第一章概述了計算機控制系統的特點、組成分類,介紹了現場總線控制網絡技術的發展和應用情況。第二、三章講述計算機控制系統的硬件和數學基礎方面的知識。第四章講述計算機控制系統穩定性和穩態分析。第五章著重闡述各種離散化方法、PID數字控制器的改進以及PID控制器的參數整定方法。第六章介紹了幾種常見的離散化設計方法。第七章簡述計算機控制系統的狀態空間特性及設計方法。第八章簡要介紹總線式工業控制計算機、PLC、PC104、可編程調節器、DCS的特點和基本結構。第九章介紹了CAN的通信協議、CAN控制器和驅動器的原理及應用。第十章介紹計算機控制系統的設計原則、設計與實現方法和抗干擾措施等。為了便于自學和教學,書中安排了大量例題,每個例題都附了MATLAB的程序和計算結果。
本書可用于高等院校電子信息類、電氣工程類、機械電子類、儀器儀表類及相關專業本科生的教材和教師教學參考書,也可作為相關領域的工程技術人員的參考書。
1.本書從實際應用的角度,較系統地介紹了計算機控制系統的基本知識及分析設計方法,在內容安排上,注重基礎性、系統性和實用性,同時考慮計算機控制網絡技術的飛速發展和應用,書中對網絡化的計算機控制技術的相關知識進行了介紹。
2.本書在借鑒國內外一些優秀教材的基礎上,結合編者在該領域多年的教學經驗和科研成果,在內容安排上,在考慮系統性的同時,注重基本理論和基本方法的介紹,易于閱讀和自學。
3.由于計算機控制網絡技術的飛速發展和應用,書中對網絡化的計算機控制系統的相關知識進行了簡單介紹。為了便于教學,書中安排了大量例題,每個例題都附有MATLAB的程序和計算結果。
計算機控制是自動控制技術與計算機技術緊密結合的產物。利用計算機快速強大的數值計算、邏輯判斷以及網絡連接等信息處理能力,計算機控制系統可以實現比常規控制系統更復雜、更強大的控制功能。計算機技術在控制領域中的應用,有力地推動了自動控制技術的發展,擴展了自動控制技術在國民經濟和國防建設中的應用范圍,特別是使復雜的、大規模的自動化系統發展到了一個新階段。
20世紀80年代以來,國內高校自動控制系高年級本科生陸續開設了計算機控制的課程,并先后出版了一批各具特色的計算機控制方面的教材,這些教材在計算機控制技術的教學和工程應用中發揮了重要作用。本書在借鑒國內外一些優秀教材的基礎上,結合編者在該領域多年的教學經驗和科研成果,在內容安排上,在考慮系統性的同時,注重基本理論和基本方法的介紹,易于閱讀和自學。另外,由于計算機控制網絡技術的飛速發展和應用,書中對網絡化的計算機控制系統的相關知識進行了簡單介紹。為了便于教學,書中安排了大量例題,每個例題都附有MATLAB的程序和計算結果。
全書共分十章。第1章概述了計算機控制系統的特點、組成分類,介紹了現場總線控制網絡技術的發展和應用情況,分析計算機控制理論的發展歷程和發展趨勢。第2章和第3章講述計算機控制系統的硬件和數學基礎方面的知識,過程I/O、信號采樣過程及其數學描述、采樣定理及采樣頻率的選擇、信號的恢復和保持器以及數字濾波的相關知識。第4章講述計算機控制系統的穩定性和穩態分析。第5章著重闡述各種離散化方法、PID數字控制器的改進以及PID控制器的參數整定方法。第6章介紹了幾種常見的離散化設計方法,包括最少拍設計、根軌跡設計以及針對具有純滯后特性對象的大林算法、史密斯預估算法等。第7章簡述計算機控制系統的狀態空間特性及設計方法。第8章簡要介紹總線式工業控制計算機、PLC、PC104、可編程調節器、DCS的特點和基本結構,為今后進一步應用打下基礎。第9章以CAN總線為對象,介紹了CAN的通信協議、CAN控制器和驅動器的原理及應用,最后給出了基于單片機的CAN智能節點的硬件結構和程序。第10章介紹計算機控制系統的設計原則、設計與實現方法和抗干擾措施等,給出幾個傳統計算機控制系統的應用實例。
本書可用高等院校電子信息類、電氣工程類、機械電子類、儀器儀表類及相關專業本科生的教材和教師參考書,也可作為相關領域的工程技術人員的參考書。本書內容可按54學時進行教學安排,如果課時數只有36學時,可以重點講授前6章、第8章和第10章。
本書的第2、3章和第8章的部分由李迅副教授編寫,第4、6章由劉建斌副教授編寫,其余章節和全書統稿由龍志強教授完成。鄒逢興教授仔細審閱修改了全書,并提出許多寶貴建設性意見,李云鋼副教授參加了第7章前期編寫,陳慧星博士、張志洲博士、李壯博士和李小龍博士為整理、打印書稿付出了辛勤勞動,本書在編寫過程學習和汲取了部分國內外有關教材的內容,在此一并致謝。
由于編者知識水平有限,書中難免有不妥或錯誤之處,誠請讀者批評指正。
編者
2007年1月
前言
第1章 緒論 1
1.1 概述 2
1.1.1 計算機控制系統的概念 2
1.1.2 計算機控制系統的特點 2
1.2 計算機控制系統的組成 3
1.2.1 硬件系統組成 3
1.2.2 軟件系統組成 4
1.3 計算機控制系統的類型 5
1.3.1 按功能及結構分類 5
1.3.2 按控制規律分類 9
1.4 控制網絡與網絡化控制系統 10
1.4.1 控制網絡與現場總線 10
1.4.2 網絡化控制系統 11
1.4.3 網絡控制系統的技術特點 12
1.5 計算機控制技術的發展歷程及趨勢 13
1.5.1 計算機控制技術的發展歷程 13
1.5.2 計算機控制技術的發展趨勢 14
思考題與習題 14
第2章 計算機控制系統的硬件基礎 17
2.1 過程通道技術 18
2.1.1 模擬量輸入輸出通道 18
2.1.2 數字量輸入輸出通道 22
2.2 采樣過程及其數學描述 23
2.2.1 采樣過程概述 23
2.2.2 信號采樣 24
2.2.3 采樣過程的數學描述 24
2.3 采樣定理及采樣頻率的選擇 27
2.3.1 采樣定理 27
2.3.2 采樣周期T的選定 27
2.4 信號的恢復及保持器 29
2.4.1 信號的恢復 29
2.4.2 零階保持器 29
2.4.3 一階保持器 31
2.5 數字濾波 32
2.5.1 死區處理方法 33
2.5.2 算術平均濾波方法 33
2.5.3 中值濾波方法 33
2.5.4 一階低通濾波方法 33
思考題與習題 34
第3章 計算機控制系統的數學基礎 35
3.1 Z變換的定義 36
3.2 Z變換的性質 37
3.3 Z反變換 43
3.3.1 長除法 43
3.3.2 部分分式展開法 44
3.3.3 留數計算法 45
3.4 離散系統的差分方程及其求解 47
3.5 Z傳遞函數 48
3.5.1 開環傳遞函數 49
3.5.2 閉環傳遞函數 50
思考題與習題 53
第4章 計算機控制系統分析 55
4.1 計算機控制系統的穩定性分析 56
4.1.1 線性離散控制系統的穩定性條件 56
4.1.2 線性離散系統的穩定性判據 58
4.2 計算機控制系統的動態過程 64
4.2.1 計算機控制系統的動態響應過程 64
4.2.2 含有滯后環節的計算機控制系統的輸出響應 68
4.3 計算機控制系統的穩態誤差 69
4.3.1 計算機控制系統的穩態誤差分析 69
4.3.2 計算機控制系統對干擾輸入信號的響應 71
4.4 離散系統根軌跡 73
思考題與習題 76
第5章 計算機控制系統的間接設計法 79
5.1 離散與連續等效設計的基本步驟 80
5.2 離散與連續等效設計方法 80
5.2.1 連續系統離散化方法 81
5.2.2 離散與連續等效的設計舉例 90
5.3 數字PID控制器設計 92
5.3.1 PID控制原理 92
5.3.2 數字PID控制算法 92
5.4 改進的數字PID控制算法 94
5.4.1 積分分離PID控制算法 94
5.4.2 遇限削弱積分PID控制算法 95
5.4.3 不完全微分PID控制算法 95
5.4.4 微分先行PID控制算法 97
5.4.5 帶死區的PID控制算法 97
5.5 數字PID控制器的參數整定 97
5.5.1 PID控制器參數對系統性能的影響分析 98
5.5.2 試湊法確定PID控制器參數 98
5.5.3 工程整定法確定PID控制器參數 99
思考題與習題 101
第6章 計算機控制系統的直接設計法 103
6.1 最少拍控制系統設計 104
6.1.1 被控對象穩定且不包含純滯后環節的最少拍控制器設計 104
6.1.2 一般被控對象的最少拍控制器設計 106
6.1.3 最少拍無紋波控制器設計 110
6.2 數字控制器的根軌跡設計法 112
6.2.1 離散系統的根軌跡 112
6.2.2 離散系統根軌跡設計 113
6.3 純滯后系統對象的控制算法——大林(Dahlin)算法 116
6.4 史密斯(Smith)預估器 121
思考題與習題 123
第7章 計算機控制系統的狀態空間設計 125
7.1 離散系統狀態空間描述 126
7.1.1 差分方程化為狀態空間描述 126
7.1.2 脈沖傳遞函數化為狀態空間描述 127
7.1.3 離散系統狀態方程求解 128
7.1.4 連續系統的離散化 131
7.2 離散系統的能控性和能觀性 133
7.2.1 離散系統的能控性 133
7.2.2 離散系統的能觀性 134
7.2.3 離散系統能控能觀性與采樣周期的關系 135
7.3 離散系統的狀態反饋控制器設計 135
7.3.1 狀態反饋控制 136
7.3.2 單輸入離散系統的極點配置 136
7.4 離散系統的狀態觀測器設計 138
7.4.1 系統狀態的開環估計 138
7.4.2 全維狀態觀測器設計 139
7.4.3 降維狀態觀測器設計 142
7.5 帶狀態觀測器的離散系統調節器設計 143
思考題與習題 145
第8章 典型計算機控制系統的結構與組成 147
8.1 總線式工業控制計算機 148
8.1.1 工業控制計算機概述 148
8.1.2 工業PC機的特點與結構 149
8.1.3 CompactPCI機的特點與結構 150
8.2 基于可編程控制器(PLC)的計算機控制系統 151
8.2.1 PLC概述 151
8.2.2 PLC硬件組成及功能 152
8.2.3 PLC控制系統設計 153
8.3 基于嵌入式PC/104總線的計算機控制系統 155
8.4 基于單片機的計算機控制系統 155
8.4.1 單片機的應用系統設計概述 155
8.4.2 單片機在單回路數字調節器中的應用 156
8.5 集散控制系統 157
8.5.1 DCS概述 157
8.5.2 DCS的組成與結構 158
思考題與習題 159
第9章 控制器局域網(CAN)通信技術 161
9.1 概述 162
9.1.1 CAN通信的技術特點 162
9.1.2 CAN通信的技術優點 163
9.2 CAN通信技術協議 163
9.2.1 CAN的通信參考模型 164
9.2.2 CAN報文的傳送和幀結構 164
9.2.3 CAN報文的編碼、濾波和校驗 170
9.2.4 CAN錯誤類型和界定 170
9.2.5 CAN的位定時與同步技術 171
9.3 CAN總線控制器SJA1000 173
9.3.1 SJA1000概述 173
9.3.2 SJA1000的基本模式(BasicCAN) 175
9.3.3 基本模式下的控制寄存器 176
9.3.4 基本模式下的數據段寄存器 178
9.3.5 兩種模式下的公共寄存器及其說明 179
9.3.6 SJA1000的擴展模式 183
9.4 CAN總線驅動器PCA82C250 183
9.4.1 PCA82C250概述 183
9.4.2 PCA82C250的典型應用 185
9.5 基于8051單片機的CAN智能節點設計 187
9.5.1 硬件設計 187
9.5.2 軟件設計 188
思考題與習題 189
第10章 計算機控制系統的設計與應用 191
10.1 計算機控制系統的設計原則 192
10.2 計算機控制系統的設計與實現 193
10.2.1 計算機控制系統的方案設計 193
10.2.2 硬件系統的設計與實現 194
10.2.3 軟件系統的設計與實現 195
10.2.4 控制系統的調試與運行 195
10.3 計算機控制系統中的抗干擾措施 197
10.3.1 控制系統的抗干擾措施 197
10.3.2 軟件設計的可靠措施 198
10.4 計算機控制系統設計舉例 198
10.4.1 水流量標準裝置微機監控系統 198
10.4.2 油庫罐區二級微機監控管理系統實現 201
思考題與習題 204
參考文獻 205