计算机控制技术及其应用

　　《计算机控制技术及其应用（第2版）》分为基础篇、技术篇和应用篇。基础篇介绍了计算机控制系统的理论基础，包括系统数学模型的描述方法、连续系统分析设计方法的回顾、离散系统的分析、数字控制器的设计与实现等内容。技术篇介绍了工业控制计算机及其接口技术、过程通道技术、可靠性和抗干扰技术、控制系统中的软件技术——组态软件，以及集成了计算机控制系统许多关键技术的集散控制系统DCS。应用篇介绍了计算机控制技术应用的具体模式和实例，包括计算机控制系统的多种解决方案及案例分析、计算机控制技术在简单过程控制和流程工业自动化中的应用实例。为方便教学和自学，所有章节都有引言和小结，配有思考题与习题。其中，小结以知识点提要列出，以方便慕课、微课、微视频、翻转课堂等现代教学资源的制作。

　　本书作为精品课程建设的组成部分，提供了公开的网络资源，包括各章的教学课件、参考文献和有关思考题与习题的指导信息，以便于广大师生使用。

　　本书可作为电子信息科学与技术、计算机科学与技术、电子信息工程、电气工程及自动化、测控技术与仪器等专业的教材和有关工程技术人员的参考资料。

基础篇溯本而求源，温故而知新

第1章概述

1.1自动控制的基本概念

1.1.1自动控制的引例

1.1.2自动控制中的基本问题

1.2计算机控制系统

1.2.1计算机控制系统的结构

1.2.2计算机控制系统的分类

1.2.3计算机控制技术及其发展

1.3课程的研究内容和学习方法

1.3.1研究内容

1.3.2学习方法

本章知识点

思考题与习题

第2章计算机控制系统的理论基础

2.1控制系统的数学模型

2.1.1控制系统的描述方法

2.1.2用微分方程表示的系统模型

2.1.3用脉冲响应表示的系统模型

2.1.4拉普拉斯变换

2.1.5用传递函数表示的系统模型

2.1.6系统的方框图

2.1.7状态空间概念和模型框图

2.2连续系统的分析和设计

2.2.1连续系统的性能指标

2.2.2连续系统的分析和设计方法回顾

2.3离散系统的描述方法

2.3.1离散系统与连续系统的关系

2.3.2采样过程和采样定理

2.3.3序列和差分方程

2.3.4用脉冲响应表示的离散系统模型

2.3.5z变换及其性质

2.3.6脉冲传递函数

2.3.7离散系统的状态空间描述

2.3.8离散系统的其他描述方法

2.4离散系统的分析

2.4.1s平面和z平面之间的映射

2.4.2稳定性分析

2.4.3静态误差分析

2.4.4动态特性分析

本章知识点

思考题与习题

第3章数字控制器的设计与实现

3.1数字控制器的设计方法

3.1.1近似设计法

3.1.2解析设计法

3.2离散化方法

3.2.1积分变换法

3.2.2零极点匹配法

3.2.3等效变换法

3.2.4离散化方法比较

3.3PID控制

3.3.1PID控制的原理

3.3.2数字PID控制算法

3.3.3数字PID控制的参数整定

3.4最少拍随动系统

3.4.1最少拍随动系统的原理

3.4.2最少拍随动系统的设计

3.4.3最少拍无纹波随动系统的设计

3.5控制算法的实现

3.5.1实现框图与算法

3.5.2串行实现与并行实现

本章知识点

思考题与习题

技术篇工欲善其事，必先利其器

第4章控制系统中的计算机及其接口技术

4.1工业控制计算机

4.1.1工业控制计算机的特点和结构

4.1.2嵌入式系统与单片机

4.1.3典型工业控制计算机的产品

4.2控制系统中的接口技术

4.2.1接口与总线

4.2.2并行接口

4.2.3串行接口

4.2.4现场总线

4.3控制系统中的人机交互技术

4.3.1人机交互及其要求

4.3.2人机交互的设计技术

4.4工业控制计算机软件系统简介

4.4.1系统软件

4.4.2应用软件

本章知识点

思考题与习题

第5章计算机控制系统中的过程通道

5.1传感器与执行器

5.1.1传感器和变送器

5.1.2IEEE 1451智能变换器标准

5.1.3执行器及其分类

5.1.4伺服电机和步进电机

5.1.5变频器与电动执行器

5.2输入通道

5.2.1控制系统中的信号种类及特点

5.2.2数字量信号处理方式

5.2.3模拟量信号处理方式

5.2.4数据采集的原理和实现

5.3输出通道

5.3.1输出通道的基本结构

5.3.2输出通道中的开关信号驱动

5.3.3输出通道中的模拟信号驱动

5.3.4电机控制

本章知识点

思考题与习题

第6章控制系统的可靠性与抗干扰技术

6.1可靠性与抗干扰技术的基本概念

6.1.1可靠性的概念

6.1.2电磁兼容性

6.1.3噪声的分类和耦合方式

6.1.4控制系统可靠性设计的基本途径

6.2硬件的可靠性与抗干扰技术

6.2.1元器件与系统结构

6.2.2滤波与去耦电路

6.2.3隔离与屏蔽技术

6.2.4电源干扰的抑制与接地技术

6.2.5电源管理和热插拔技术

6.2.6Watchdog技术

6.2.7印制板的抗干扰措施

6.3软件的可靠性与抗干扰技术

6.3.1存储空间分配和程序结构的设计

6.3.2数字滤波技术

6.3.3数据的检错和纠错

6.3.4开机自检与故障诊断

本章知识点

思考题与习题

第7章控制系统的组态软件

7.1工控组态软件概述

7.1.1组态软件及其特点

7.1.2组态软件的功能

7.1.3组态软件的发展

7.2MCGS组态软件

7.2.1MCGS组态软件的特点和组成

7.2.2MCGS工程构成

7.2.3MCGS组态过程

7.3组态王组态软件

7.3.1组态王软件的特点和组成

7.3.2组态王软件的构成

7.3.3组态王组态过程

7.4力控监控组态软件

7.4.1力控软件的特点和组成

7.4.2力控软件的构成

7.4.3力控组态过程

本章知识点

思考题与习题

第8章集散控制系统

8.1DCS的产生与发展

8.1.1DCS的产生

8.1.2DCS的发展

8.1.3EPA现场总线

8.2DCS的体系结构

8.2.1DCS的分层结构

8.2.2DCS的硬件结构

8.2.3DCS的网络结构

8.2.4DCS的软件结构

8.3WebField JX300XP控制系统

8.3.1概述

8.3.2JX300XP系统的组成

8.3.3JX300XP系统的硬件

8.3.4JX300XP系统的软件

本章知识点

思考题与习题

应用篇学以致用，用学相长

第9章计算机控制系统的解决方案

9.1基于嵌入式系统的解决方案

9.1.1组成和特点

9.1.2案例1： 由嵌入式系统控制的全自动洗衣机

9.2基于智能控制仪表的解决方案

9.2.1组成和特点

9.2.2案例2： 基于智能控制仪表的电阻炉温度控制系统

9.3基于可编程逻辑控制器的解决方案

9.3.1组成和特点

9.3.2案例3： PLC控制的工业洗衣机

9.4基于分布式数据采集与控制模块的解决方案

9.4.1组成和特点

9.4.2案例4： 潮流水槽计算机检测与控制系统

9.5基于可编程自动化控制器的解决方案

9.5.1组成和特点

9.5.2案例5： PAC在桥梁健康检测系统中的应用

本章知识点

思考题与习题

第10章计算机控制技术在简单过程控制中的应用

10.1实例1： 水箱液位控制

10.1.1被控对象和控制方案

10.1.2硬件组成

10.1.3组态过程

10.1.4PID整定实验过程

10.2实例2： 锅炉温度控制

10.2.1被控对象和控制方案

10.2.2硬件组成

10.2.3组态过程

10.2.4PID算法设计

10.2.5PID整定实验过程

本章知识点

思考题与习题

第11章计算机控制技术在流程工业自动化中的应用

11.1DCS在循环流化床锅炉中的应用

11.1.1工艺介绍

11.1.2系统设计

11.1.3系统组态

11.1.4控制流程

11.1.5系统运行

11.2DCS在大中型氮肥装置中的应用

11.2.1工艺介绍

11.2.2系统设计

11.2.3系统组态

11.2.4控制流程

11.2.5系统运行

本章知识点

思考题与习题

附录有关工业自动化产品及企业网址

参考文献

　　第3章

　　CHAPTER 3

　　数字控制器的

　　设计与实现

　　一个控制系统的整体特性，既与被控对象的特性有关，也与控制器有关。而被控对象的特性是由其本身的工作环境、运行条件和功能目标所决定的，往往不能随意更改，只有通过改变控制器的特性，来影响整个系统的特性，从而满足系统的整体性能指标。控制系统的重要设计任务就是控制器的设计。

　　对离散采样控制系统来说，数字控制器的设计就是确定控制器的脉冲传递函数D（z）。常见的方法有两种： 一是根据对应连续系统的设计方法确定控制器的传递函数D（s），然后利用离散化方法求出近似的D（z）； 二是根据对象的脉冲传递函数G（z）、给定输入信号的R（z）以及系统的特性要求，确定系统广义闭环脉冲传递函数Φ（z），然后求出控制器的脉冲传递函数D（z）。先者称为近似设计方法，后者称为解析设计方法。

　　如何根据连续系统的传递函数D（s）求出对应离散系统的脉冲传递函数D（z）？这就是离散化方法的任务，离散化方法有积分变换法、零极点匹配法和等效变换法之分。

　　由于不少系统对象的脉冲传递函数G（z）难以获取，人们选用了一种适用性较好的控制器传递函数D（s），这就是PID控制。PID控制是一种基于给定值与输出值之间偏差的比例、积分、微分的反馈控制，它是一种适用面广、历史悠久的控制规律，在计算机离散采样控制系统中得到了广泛的应用。数字PID控制就是结合计算机逻辑运算的特点来实现的PID控制。数字PID控制器的脉冲传递函数D（z）可通过离散化方法，由连续系统的D（s）求得。然而，数字PID控制器的D（z）不仅仅是连续系统PID控制器D（s）的简单近似，而且还可以进行多种优化。

　　最少拍随动控制系统的设计是一种解析设计方法，其设计目标就是使系统的输出以最快的响应速度跟踪随机变化的输入信号，而最少拍无纹波随动系统不仅是追求快的响应速度，还要兼顾控制器的输出没有纹波，以达到更好的控制质量。

　　最终如何来实现由近似设计方法或解析设计方法得到控制器的D（z）呢？除了可用硬件来实现D（z）外，更普遍的办法是利用计算机软件，通过迭代法求解差分方程来实现D（z）。由D（z）可得到相应的实现控制方框图、差分方程，按照状态空间描述方法也可得到相应的状态方程和输出方程。对高阶的D（z），可通过串行或并行实现来减少由于系数误差对系统性能造成的影响。

　　本章首先给出了数字控制器的设计方法，分析了几种离散化方法的原理和特点，接着介绍数字PID控制器的基本算式、优化措施和整定方法，然后介绍属于解析设计方法的最少拍随动控制系统（包括最少拍无纹波随动控制系统）的设计方法，最后介绍控制器算法的实现方法。

　　3.1数字控制器的设计方法

　　3.1.1近似设计法

　　根据采样定理，连续信号的控制系统可用离散采样控制系统来代替，如图31（a）所示，其中被控对象G（s）可假定含有零阶保持器ZOH。简化后可看成由控制器D（z）与被控对象G（z）组成的反馈控制系统，如图31（b）所示。离散采样控制系统的广义闭环传递函数为Φ（z），如图31（c）所示。

　　图31离散采样控制系统框图

　　近似设计法是建立在连续系统的D（s）基础上的，因此也称模拟设计法、间接设计法。数字控制器D（z）的近似设计过程如下：

　　（1） 选择合适的采样频率，考虑零阶保持器ZOH的相位滞后，根据系统的性能指标和连续域设计方法，设计控制器的传递函数D（s）。

　　（2） 选择合适的离散化方法，将D（s）离散化，获得数字控制器的脉冲传递函数D（z），使两者性能尽量等效。

　　（3） 检验计算机控制系统的闭环性能。若不满意，可进行优化，选择更合适的离散化方法、提高采样频率。必要时，可增加稳定裕度（相对稳定程度的参数）等参数，重新修正连续域的D（s）后，再离散化。

　　（4） 对D（z）满意后，将其变为数字算法，在计算机上编程实现。

　　3.1.2解析设计法

　　设离散系统结构如图31（b）所示。则与连续系统中Φ（z）与G（z）关系式（221）和式（222）类似，有表达式

　　Φ（z）=Y（z）R（z）=D（z）·G（z）1+D（z）·G（z）（31）

　　D（z）=P（z）E（z）=Φ（z）G（z）·［1-Φ（z）］（32）

　　解析设计法与连续系统的D（s）没有直接联系，它是根据系统的G（z）、Φ（z）以及输入R（z）来直接确定D（z），因此也称精确设计法、直接设计法。数字控制器D（z）的解析设计过程如下：

　　（1） 根据系统的G（z）、输入R（z）及主要性能指标，选择合适的采样频率；

　　（2） 根据D（z）的可行性，确定闭环传递函数Φ（z）；

　　（3） 由Φ（z）、G（z），根据式（32）确定D（z）；

　　（4） 分析各点波形，检验计算机控制系统的闭环性能。若不满意，重新修正Φ（z）；

　　（5） 对D（z）满意后，将其变为数字算法，在计算机上编程实现。

　　最后需要说明： 上述两种方法都是基于离散采样控制系统对连续信号对象的控制，而对顺序控制、数值控制、模糊控制等，其控制器的设计需要采用其他的设计方法，如基于有限自动机模型的顺序控制器设计、基于连续路径直线圆弧插值的数值控制器设计、基于模糊集合和模糊运算的模糊控制器的设计等。

　　3.2离散化方法

　　如果已知一个连续系统控制器的传递函数D（s），根据采样定理，只要有足够小的采样周期，总可找到一个近似的离散控制器D（z）来代替D（s）。对一个连续系统中的被控对象G（s），也可用一个近似的G（z）来仿真G（s）的特性。

　　有许多成熟的方法，可根据系统的G（s）、Φ（s）等要求设计出D（s），由此求出近似的D（z），就可由计算机来实现D（z）。

　　由D（s）求出D（z）的方法有多种，如积分变换法、零极点匹配法和等效变换法，下面分别介绍这些方法，并以数值积分法为重点。

　　3.2.1积分变换法

　　积分变换法是基于数值积分的原理，因此也称数值积分法。积分变换法又分为矩形变换法和梯形变换法，矩形变换法又分为向后差分法或后向差分法、向前差分法或前向差分法。

　　1. 向后差分法

　　设某控制器的输出p（t）是输入e（t）对时间的积分，即有如下关系式

　　p（t）=∫t0e（τ）dτ,或dp（t）dt=e（t）,dp（t）=e（t）dt

　　e（t）的波形如图32所示。假定在（k-1）T、kT时刻的输入e（t）分别记为e（k-1）、e（k），输出p（t）分别记为p（k-1）、p（k），则有

　　p（k）=∫kT0e（t）dt=∫（k-1）T0e（t）dt+∫kT（k-1）Te（t）dt=p（k-1）+∫kT（k-1）Te（t）dt

　　如用矩形面积近似增量的积分面积d（p（k）），则有

　　d（p（k））=∫kT（k-1）Te（t）dt=p（k）-p（k-1）≈e（k-1）·T（采用向前差分）

　　或

　　d（p（k））=∫kT（k-1）Te（t）dt=p（k）-p（k-1）≈e（k）·T（采用向后差分）

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　　第2版前言

　　计算机控制技术是信息时代推动自动化发展的重要动力。信息技术又促进了计算机控制技术的深入发展。正如本书第1版中所述，进入21世纪后，计算机控制技术越来越成熟，应用也越来越广泛，目前正朝着微型化、智能化、网络化和规范化方向发展。

　　微型化嵌入式计算机已渗透到控制前端和底层，如各种传感器、执行器、过程通道、交互设备、通信设备等。特别是随着微电子机械系统(microelectronic mechanical system，MEMS)等技术的发展，器件的低成本、低功耗、高精度、微体积的特性越发显著，使得控制技术可以深入到传统的机电技术难以进入的领域。

　　智能化控制器具有自适应、自学习、自诊断和自修复功能，控制质量也进一步提高。特别是随着高性价比微控制器(microcontroller unit，MCU)的飞速发展，各种智能产品、智能制造层出不穷，而这些MCU及其算法是智能化控制的灵魂。

　　网络化使得控制系统的结构重心由信息加工单元转向系统的信息传输。控制系统的规模不断扩大，不仅可以对整个工厂的生产过程进行控制，而且也使得跨地域的大规模控制得以实现。以互联网为代表的新一代信息技术与控制技术的深度融合，推动了互联网+时代的来临和发展。

　　规范化要求控制系统的硬件和软件要有统一的标准，强调设备的互换性、系统的互连性。规范化使得控制系统的集成更为灵活，如各种规模的PLC可编程控制器、开放的组态软件、集成开发环境和资源库、各种通信协议、图形化人机接口等，这些都为构建不同架构的控制系统带来了方便，极大地提高了系统的开发效率，降低了系统的维护成本。

　　本书出版5年来，深受广大读者的欢迎和认可。为了适应计算机控制技术的发展，秉承系统性、新颖性、应用性和适用性的原则，本书进行了第2版的修订。

　　第2版保留了第1版的章节结构，全书分为基础篇、技术篇和应用篇，分别介绍计算机控制系统相关的基本理论、主要技术和工程应用。对各章节进行修订的主要内容如下：

　　基础篇中的第1章增加了新的引例，以体现网络技术在控制系统中的应用，更新了计算机控制技术发展的信息； 第2章增加了利用MATLAB工具实现模型转换和迭代法求解脉冲传递函数的例子； 第3章优化了数字PID控制的参数整定方法，增加了衰减曲线法。技术篇中的第4章增加了基于ARM Cortex架构的32位MCU的简介，提供了PXI、CAN、Modbus接口信息； 第5章增加了一体化步进伺服驱动系统的介绍，删去了8位DAC的内容； 第6章介绍了电源管理技术，优化了Watchdog和数字滤波的说明； 第7章增加了组态王和力控监控组态软件的介绍； 第8章增加了现场总线国际标准EPA的简介。应用篇中的第9章增加了常见计算机控制系统解决方案的比较小结； 第10章优化了PID参数整定的实验过程，给出了衰减曲线法整定的例子； 第11章保留了两个流程工业自动化中的工程实例。另外，还修改和优化了各章节中文字、图片和表格，更新和补充了附录企业网址和参考文献。

　　考虑到信息时代获取知识的途径越来越多，知识的表现形式越来越丰富，而且碎片化学习的需求也越来越高，现将第1版中全书各章小结改为以知识点提要的形式列出，这样可有利于慕课、微课、微视频、翻转课堂等现代化教学资源的制作。

　　本书作为精品课程建设的组成部分，继续提供公开的网络资源，包括各章的教学课件、参考文献、思考题与习题的指导信息，可参见网址http：//tec.suda.edu.cn中有关精品课程的链接。

　　丁建强老师负责全书的修订和统稿，重点修订了第1章至第6章、第9章； 卢亚平老师重点修订了第7章、第8章、第10章、第11章； 任晓老师参与了全书的修订和核对工作。

　　修订编写过程中，参考了大量同类书籍、文献资料及工业自动化产品的技术手册，受益匪浅，再次对相关作者表示敬意和感谢。同时，本书的修订得到了清华大学出版社的大力支持，也在此表示感谢。

　　由于作者水平有限，书中难免还有不足之处，敬请广大读者批评指正。

　　编者2017年1月