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第1章 绪论 1

1.1 计算机控制系统的概念 1

1.1.1 常规控制系统 1

1.1.2 计算机控制系统 2

1.2 计算机控制系统的组成 3

1.2.1 计算机控制系统的硬件 3

1.2.2 计算机控制系统的软件 5

1.3 计算机控制系统的分类 5

1.3.1 数据采集系统 5

1.3.2 直接数字控制系统 6

1.3.3 监督控制系统 7

1.3.4 集散控制系统 8

1.3.5 现场总线控制系统 9

1.3.6 工业过程计算机集成制造系统 9

1.3.7 网络控制系统 10

1.4 计算机控制系统采用的技术和发展趋势 11

1.4.1 采用可编程控制器 12

1.4.2 采用新型的控制系统 12

1.4.3 实现最优控制 12

1.4.4 自适应控制 12

1.4.5 人工智能 12

1.4.6 模糊控制 13

1.4.7 预测控制 13

1.5 习题 14

第2章 总线技术与MODBUS通信协议 15

2.1 概述 15

2.1.1 总线的概念及分类 15

2.1.2 总线组成及总线功能 15

2.2 内部总线 17

2.2.1 STD总线 17

2.2.2 PCI总线 18

2.2.3 PC104总线 21

2.3 外部总线 21

2.3.1 IEEE-488总线 22

2.3.2 串行通信基础 24

2.3.3 RS-232C串行通信接口 25

2.3.4 RS-485串行通信接口 27

2.4 MODBUS通信协议 30

2.4.1 概述 30

2.4.2 MODBUS的两种传输方式 31

2.4.3 MODBUS消息帧 31

2.4.4 错误检验方法 33

2.4.5 MODBUS的编程方法 33

2.5 习题 34

第3章 人机接口技术 35

3.1 独立式键盘接口设计 35

3.1.1 键盘的特点及确认 35

3.1.2 独立式按键扩展实例 36

3.2 矩阵式键盘接口设计 38

3.2.1 矩阵键盘工作原理 38

3.2.2 按键的识别方法 38

3.2.3 键盘的编码 39

3.3 显示技术的发展及其特点 39

3.3.1 显示技术的发展 39

3.3.2 显示器件的主要参数 41

3.4 LED显示器接口设计 42

3.4.1 LED显示器的结构 42

3.4.2 LED显示器的扫描方式 43

3.5 段型LCD显示器接口设计 45

3.5.1 LCD的发展过程 45

3.5.2 LCD的特点 46

3.5.3 LCD的基本结构及工作原理 47

3.5.4 LCD的驱动方式 47

3.6 触摸屏技术 49

3.6.1 触摸屏技术概述 49

3.6.2 触摸屏的分类和工作原理 49

3.7 打印机接口电路设计 49

3.7.1 标准Centronics接口 50

3.7.2 应用实例 50

3.8 习题 51

第4章 过程输入输出通道接口技术 53

4.1 概述 53

4.1.1 信号和采样定理 53

4.1.2 采样／保持器 58

4.1.3 模拟开关 59

4.1.4 32通道模拟量输入电路设计实例 62

4.2 模拟量输入通道 65

4.2.1 模拟量输入通道的组成 65

4.2.2 A/D转换器的工作原理 65

4.2.3 量化 67

4.2.4 A/D转换器的技术指标 68

4.3 8位A/D转换器及其接口技术 69

4.3.1 ADC0808/0809介绍 69

4.3.2 8位A/D转换器与CPU的接口 71

4.3.3 8位A/D转换器的程序设计 72

4.4 12位A/D转换器AD574A/AD1674 73

4.4.1 AD574A的内部结构与引脚功能 73

4.4.2 AD574A的应用特性及校准 75

4.4.3 AD574A与CPU的接口 76

4.5 24位∑-△型A/D转换器AD7714 77

4.5.1 引脚介绍 78

4.5.2 片内寄存器 80

4.5.3 模拟输入与基准输入 83

4.5.4 AD7714数字接口 83

4.5.5 AD7714与CPU的接口 83

4.6 模拟量输出通道 84

4.6.1 模拟量输出通道的组成 84

4.6.2 D/A转换器的工作原理 85

4.6.3 D/A转换器的技术指标 86

4.7 8位D/A转换器及其接口技术 87

4.7.1 DAC0832介绍 87

4.7.2 8位D/A转换器与CPU的接口 89

4.8 12位D/A转换器DAC1208 90

4.8.1 DAC1208/1209/1210的内部结构与引脚功能 90

4.8.2 DAC1208与CPU的接口 91

4.8.3 DAC1230系列D/A转换器 93

4.9 4路12位并行D/A转换器DAC7624 93

4.9.1 引脚介绍 93

4.9.2 应用说明 94

4.9.3 DAC7624/25与CPU的接口 95

4.10 数字量输入输出通道 96

4.10.1 光耦合器 96

4.10.2 数字量输入通道 98

4.10.3 数字量输出通道 99

4.10.4 脉冲量输入输出通道 101

4.11 电流／电压转换电路 102

4.11.1 电压／电流转换 102

4.11.2 电流／电压转换 103

4.11.3 集成电压／电流转换器XTR110 104

4.12 过程通道的抗干扰与可靠性设计 105

4.12.1 干扰的分类 105

4.12.2 计算机控制系统可靠性设计 106

4.12.3 抗干扰的硬件措施 109

4.12.4 抗干扰的软件措施 111

4.13 习题 112

第5章 数字控制技术 114

5.1 数字控制基础 114

5.1.1 数字控制的基本原理 114

5.1.2 数字控制方式 115

5.1.3 开环数字控制 116

5.2 逐点比较法插补原理 116

5.2.1 逐点比较法直线插补 117

5.2.2 逐点比较法圆弧插补 121

5.3 步进电动机控制 127

5.3.1 步进电动机的工作原理 127

5.3.2 步进电动机控制系统原理图 128

5.3.3 步进电动机的驱动电路 129

5.3.4 步进电动机的工作方式 130

5.3.5 步进电动机控制程序设计 131

5.4 习题 133

第6章 计算机控制系统的控制规律 134

6.1 被控对象的传递函数与性能指标 134

6.1.1 计算机控制系统被控对象的传递函数 134

6.1.2 计算机控制系统的性能指标 135

6.1.3 对象特性对控制性能的影响 139

6.2 PID控制 140

6.2.1 PID控制介绍 140

6.2.2 PID调节的作用 140

6.3 数字PID算法 142

6.3.1 PID算法 142

6.3.2 PID算式的改进 149

6.4 PID参数整定 153

6.4.1 PID参数对控制性能的影响 153

6.4.2 采样周期T的选取 155

6.4.3 扩充临界比例度法 155

6.5 串级控制 157

6.5.1 串级控制算法 158

6.5.2 副回路微分先行串级控制算法 159

6.6 前馈-反馈控制 160

6.6.1 前馈控制的结构 160

6.6.2 前馈-反馈控制的结构 161

6.6.3 数字前馈-反馈控制算法 162

6.7 数字控制器的直接设计方法 163

6.7.1 基本概念 164

6.7.2 最少拍无差系统的设计 165

6.7.3 最少拍无纹波系统 171

6.8 大林算法 174

6.8.1 大林算法的基本形式 174

6.8.2 振铃现象的消除 176

6.8.3 大林算法的设计步骤 178

6.9 史密斯预估控制 178

6.9.1 史密斯预估控制原理 179

6.9.2 史密斯预估控制举例 181

6.10 模糊控制 181

6.10.1 模糊控制的数学基础 182

6.10.2 模糊控制系统组成 187

6.10.3 模糊控制器设计 192

6.10.4 双输入单输出模糊控制器设计 195

6.11 模型预测控制 197

6.11.1 动态矩阵控制 198

6.11.2 模型算法控制 207

6.12 习题 212

第7章 计算机控制系统的软件设计 214

7.1 计算机控制系统软件的组成和功能 214

7.1.1 计算机控制系统软件的组成 214

7.1.2 计算机控制系统软件的功能和性能指标 215

7.2 实时多任务系统 216

7.2.1 实时系统和实时操作系统 216

7.2.2 实时多任务系统 217

7.3 现场控制层的软件系统平台 220

7.3.1 软件系统平台的选择 220

7.3.2 μC/OS-Ⅱ内核调度基本原理 220

7.4 新型DCS系统组态软件的设计 221

7.4.1 新型DCS的总体结构 221

7.4.2 DCS系统组态软件的总体结构设计 224

7.4.3 组态软件的开发环境和关键技术 228

7.5 组态软件数据库系统设计 230

7.5.1 组态软件中的数据管理 230

7.5.2 数据库系统结构 231

7.5.3 组态数据库的设计与实现 232

7.6 组态软件驱动程序设计 233

7.6.1 驱动程序采用的技术 233

7.6.2 驱动程序的分析与设计 235

7.7 组态软件可视化环境设计 236

7.7.1 组态框架和运行框架 236

7.7.2 组态信息的文件管理 237

7.7.3 组态框架设计和实现 239

7.7.4 运行框架设计和实现 242

7.8 OPC技术和Web浏览与控制技术 243

7.8.1 OPC的特点 244

7.8.2 OPC的适用范围 244

7.8.3 OPC服务器的组成 244

7.8.4 读写OPC数据项的一般步骤 245

7.8.5 OPC的报警和事件 245

7.8.6 OPC的接口方式 246

7.8.7 OPC的数据访问方式 246

7.8.8 Web浏览与控制技术 246

7.9 数字滤波程序 247

7.9.1 程序判断滤波 248

7.9.2 中值滤波程序 248

7.9.3 算术平均滤波程序 249

7.9.4 加权平均滤波程序 249

7.9.5 低通滤波程序 251

7.9.6 滑动平均滤波程序 251

7.9.7 各种滤波方法的比较 251

7.10 标度变换程序 252

7.10.1 线性标度变换程序 252

7.10.2 非线性标度变换程序 254

7.11 习题 254

第8章 现场总线与工业以太网控制网络技术 255

8.1 现场总线技术概述 255

8.1.1 现场总线的产生 255

8.1.2 现场总线的本质 256

8.1.3 现场总线的特点和优点 256

8.1.4 现场总线的发展现状 258

8.1.5 现场总线网络的实现 259

8.1.6 现场总线技术的发展趋势 260

8.2 现场总线与企业网络 261

8.2.1 企业网络 261

8.2.2 企业网络技术 262

8.2.3 企业网络的体系结构 263

8.2.4 企业网络的实现 265

8.2.5 企业网络Intranet 267

8.2.6 信息网络与控制网络 268

8.3 现场总线简介 270

8.3.1 基金会现场总线 270

8.3.2 PROFIBUS 270

8.3.3 CAN 271

8.3.4 DeviceNet 271

8.3.5 LonWorks 272

8.3.6 CC-Link 273

8.4 CAN现场总线 273

8.4.1 CAN的技术规范 274

8.4.2 CAN通信控制器SJA1000 279

8.4.3 PCA82C250/251 CAN收发器 287

8.4.4 CAN应用节点设计 288

8.4.5 基于CAN现场总线的SCADA系统结构 293

8.5 PROFIBUS-DP现场总线 294

8.5.1 PROFIBUS概述 294

8.5.2 PROFIBUS-DP的通信模型 296

8.5.3 PROFIBUS-DP的总线设备类型 298

8.5.4 设备数据库文件 299

8.6 PROFIBUS-DP通信网络 300

8.6.1 PROFIBUS-DP从站和主站的实现 300

8.6.2 从站通信控制器SPC3 300

8.6.3 主站通信控制器APSC2与通信处理器 304

8.7 PROFIBUS-DP应用系统 306

8.7.1 PROFIBUS-DP从站的设计 306

8.7.2 PROFIBUS-DP从站智能测控节点的系统设计 307

8.7.3 PROFIBUS-DP主站通信程序设计 311

8.8 工业以太网技术 318

8.8.1 工业以太网技术的发展现状 318

8.8.2 工业以太网的主要标准 320

8.8.3 以太网用于工业控制需要解决的问题 322

8.8.4 以太网用于工业控制的优势 323

8.8.5 工业以太网技术的发展趋势与前景 324

8.9 习题 326

第9章 计算机控制系统设计 327

9.1 计算机控制系统的设计方法 327

9.1.1 测控任务的确定 327

9.1.2 选择系统的主机机型 327

9.1.3 确定控制算法 328

9.1.4 系统总体方案设计 328

9.1.5 硬件设计 329

9.1.6 软件设计 330

9.1.7 选择工业自动化仪表 331

9.1.8 系统调试 331

9.2 工业锅炉计算机控制系统的设计 331

9.2.1 工业锅炉的工作过程 331

9.2.2 工业锅炉计算机控制的意义 333

9.2.3 工业锅炉计算机控制系统的基本功能 334

9.2.4 直接数字控制系统的设计 336

9.2.5 系统总体设计 338

9.3 PMM2000电力网络仪表的系统设计 340

9.3.1 PMM2000电力网络仪表的功能 340

9.3.2 PMM2000电力网络仪表硬件总体设计 341

9.3.3 谐波测量算法 345

9.3.4 软件总体设计 346

9.3.5 PMM2000电力网络仪表通信功能测试 347

参考文献 350