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 10
1.3.1 数据采集系统（DAS） 10
1.3.2 直接数字控制（DDC）系统 11
1.3.3 监督控制（SCC）系统 11
1.3.4 集散控制系统（DCS） 12
1.3.5 监控与数据采集（SCADA）系统 13
1.3.6 现场总线控制系统（FCS） 14
1.3.7 工业过程计算机集成制造系统（流程CIMS） 15
1.3.8 网络控制系统（NCS） 16
1.3.9 复杂流程工业控制系统 17
1.3.10 嵌入式控制系统（ECS） 18
1.4 计算机控制系统采用的技术和发展趋势 19
1.4.1 采用可编程序控制器（PLC） 20
1.4.2 采用新型的控制系统 20
1.4.3 实现最优控制 20
1.4.4 自适应控制 20
1.4.5 人工智能 20
1.4.6 模糊控制 21
1.4.7 预测控制 21
1.4.8 第四次工业革命——工业4.0 22
习题 22
第2章 计算机控制系统设计基础 23
2.1 微处理器与微控制器 23
2.1.1 Von.Noreaman存储空间配置结构 24
2.1.2 Harward存储空间配置结构 26
2.1.3 Preston存储空间配置结构 28
2.2 译码电路的设计 29
2.2.1 简单译码集成电路 29
2.2.2 可编程逻辑器件 30
2.2.3 通用阵列逻辑器件 33
2.2.4 边界扫描技术 34
2.2.5 GAL器件译码应用实例 35
2.3 I/O接口电路的扩展技术 39
2.3.1 用锁存器扩展简单的输出口 39
2.3.2 用三态缓冲器扩展简单的输入口 40
2.3.3 用移位寄存器扩展I/O接口 41
2.4 内部总线 42
2.4.1 PCI总线 42
2.4.2 PC104总线 44
2.5 外部总线 45
2.5.1 IEEE-488总线 45
2.5.2 USB接口 46
2.5.3 串行通信基础 47
2.5.4 RS-232C串行通信接口 48
2.5.5 RS-485串行通信接口 50
2.6 MODBUS通信协议 52
2.6.1 MODBUS通信协议概述 52
2.6.2 两种传输方式 53
2.6.3 MODBUS消息帧 53
2.6.4 错误检测方法 55
2.6.5 MODBUS的编程方法 55
习题 55
第3章 HMI与打印机接口技术 56
3.1 独立式键盘接口设计 56
3.1.1 键盘的特点及确认 56
3.1.2 独立式按键扩展实例 57
3.2 矩阵式键盘接口设计 57
3.2.1 矩阵式键盘的工作原理 57
3.2.2 按键的识别方法 58
3.2.3 键盘的编码 58
3.3 旋转编码器接口设计 58
3.3.1 旋转编码器的工作原理 58
3.3.2 旋转编码器的接口电路设计 59
3.3.3 旋转编码器的时序分析 59
3.3.4 旋转编码器的软件设计 60
3.4 显示技术的发展及其特点 63
3.4.1 显示技术的发展 63
3.4.2 显示器件的主要参数 63
3.5 LED显示器接口设计 64
3.5.1 L.ED显示器的结构 65
3.5.2 LED显示器的扫描方式 66
3.6 段型LCD显示器接口设计 69
3.6.1 LCD的发展过程 69
3.6.2 LCD的特点 69
3.6.3 LCD的基本结构及工作原理 70
3.6.4 LCD的驱动方式 71
3.7 触摸屏技术及其在工程中的应用 71
3.7.1 触摸屏的发展历程 71
3.7.2 触摸屏的工作原理 72
3.7.3 工业常用触摸屏产品介绍 73
3.7.4 触摸屏在工程中的应用 73
3.8 打印机接口电路设计 74
3.8.1 标准Centronics接口 74
3.8.2 应用实例 75
习题 76
第4章 过程输入输出通道 77
4.1 传感器 77
4.1.1 传感器的定义和分类及构成 77
4.1.2 传感器的基本性能 79
4.1.3 传感器的应用领域 80
4.1.4 基准电压源和恒流源 81
4.1.5 温度传感器 84
4.1.6 湿度传感器 91
4.1.7 流量传感器 92
4.1.8 热释电红外传感器 95
4.1.9 光电传感器 96
4.1.10 气敏传感器 96
4.1.11 霍尔传感器 97
4.1.12 应变式电阻传感器 98
4.1.13 压力传感器 99
4.1.14 CCD图像传感器 100
4.1.15 位移传感器 100
4.1.16 加速度传感器 101
4.1.17 PM2.5传感器 101
4.2 变送器 102
4.2.1 变送器的构成原理 102
4.2.2 差压变送器 102
4.2.3 温度变送器 104
4.3 执行器 104
4.3.1 执行机构 105
4.3.2 调节机构 105
4.3.3 执行器的选用 105
4.3.4 阀门定位器 106
4.4 模拟信号放大技术 107
4.4.1 运算放大器及其应用 107
4.4.2 测量放大器 110
4.4.3 程控增益放大器 111
4.5 采样和模拟开关 113
4.5.1 信号和采样定理 113
4.5.2 采样／保持器 114
4.5.3 模拟开关 115
4.5.4 32通道模拟量输入电路设计实例 117
4.6 模拟量输入通道 119
4.6.1 模拟量输入通道的组成 119
4.6.2 A-D转换器的工作原理 120
4.6.3 A-D转换器的技术指标 120
4.7 8位A-D转换器及其接口技术 121
4.7.1 ADC0808/0809介绍 121
4.7.2 8位A-D转换器与CPU的接口 123
4.7.3 8位A-D转换器的程序设计 124
4.8 12位低功耗A-D转换器AD7091R 125
4.8.1 AD7091R引脚介绍 125
4.8.2 AD7091R的应用特性 125
4.8.3 AD7091R的数字接口 126
4.8.4 AD7091R与STM32F103的接口 126
4.9 22位∑-△型A-D转换器ADS1213 127
4.9.1 引脚介绍 127
4.9.2 片内寄存器 129
4.9.3 ADS1213的应用特性 132
4.9.4 ADS1213的数字接口 132
4.9.5 ADS1213与STM32F103的接口 133
4.10 模拟量输出通道 133
4.10.1 模拟量输出通道的组成 133
4.10.2 D-A转换器的技术指标 134
4.11 8位D-A转换器及其接口技术 134
4.11.1 DAC0832介绍 134
4.11.2 8位D-A转换器与CPU的接口 136
4.12 12/16位4～20mA串行输入D-A转换器AD5410/AD5420 137
4.12.1 引脚介绍 137
4.12.2 片内寄存器 138
4.12.3 AD5410/AD5420应用特性 140
4.12.4 AD5410/AD5420的数字接口 140
4.12.5 AD5410/AD5420与STM32F103的接口 141
4.13 数字量输入输出通道 141
4.13.1 光耦合器 141
4.13.2 数字量输入通道 143
4.13.3 数字量输出通道 144
4.13.4 脉冲量输入输出通道 145
4.14 电流／电压转换电路 146
4.14.1 电压／电流转换 146
4.14.2 电流／电压转换 147
习题 148
第5章 数字控制技术 149
5.1 数字控制基础 149
5.1.1 数字控制的基本原理 149
5.1.2 数字控制方式 150
5.1.3 开环数字控制 151
5.2 逐点比较法插补原理 151
5.2.1 逐点比较法直线插补 152
5.2.2 逐点比较法圆弧插补 156
5.3 步进电动机控制 162
5.3.1 步进电动机的工作原理 162
5.3.2 步进电动机控制系统原理图 163
5.3.3 步进电动机的驱动电路 164
5.3.4 步进电动机的工作方式 165
5.3.5 步进电动机控制程序设计 166
习题 168
第6章 计算机控制系统的控制规律 169
6.1 被控对象的传递函数与性能指标 169
6.1.1 计算机控制系统被控对象的传递函数 169
6.1.2 计算机控制系统的性能指标 170
6.1.3 对象特性对控制性能的影响 174
6.2 PID控制 175
6.2.1 PID概述 175
6.2.2 PID调节的作用 175
6.3 数字PID算法 177
6.3.1 PID算法 177
6.3.2 PID算式的改进 186
6.4 PID参数整定 190
6.4.1 PID参数对控制性能的影响 190
6.4.2 采样周期T的选取 191
6.4.3 扩充临界比例度法 192
6.5 串级控制 194
6.5.1 串级控制算法 194
6.5.2 副回路微分先行串级控制算法 195
6.6 前馈-反馈控制 197
6.6.1 前馈控制的结构 197
6.6.2 前馈-反馈控制的结构 197
6.6.3 数字前馈-反馈控制算法 198
6.7 数字控制器的直接设计方法 200
6.7.1 基本概念 200
6.7.2 最少拍无差系统的设计 201
6.7.3 最少拍无纹波系统 208
6.8 大林算法 211
6.8.1 大林算法的基本形式 211
6.8.2 振铃现象 213
6.8.3 大林算法的设计步骤 215
6.9 史密斯预估控制 215
6.9.1 史密斯预估控制原理 216
6.9.2 史密斯预估控制举例 218
6.10 模糊控制 218
6.10.1 模糊控制的数学基础 219
6.10.2 模糊控制系统组成 224
6.10.3 模糊控制器设计 229
6.10.4 双输入单输出模糊控制器设计 232
6.11 模型预测控制 235
6.11.1 动态矩阵控制（DMC） 235
6.11.2 模型算法控制（MAC） 244
习题 249
第7章 计算机控制系统的软件设计 251
7.1 计算机控制系统软件概述 251
7.1.1 计算机控制系统应用软件的分层结构 251
7.1.2 计算机控制系统软件的设计策略 252
7.1.3 计算机控制系统软件的功能和性能指标 253
7.2 实时多任务系统 254
7.2.1 实时系统和实时操作系统 254
7.2.2 实时多任务系统的切换与调度 255
7.3 现场控制层的软件系统平台 258
7.3.1 软件系统平台的选择 258
7.3.2 μC/OS-Ⅱ内核调度基本原理 258
7.4 新型DCS组态软件的设计 259
7.4.1 新型DCS的总体结构 259
7.4.2 新型DCS组态软件的总体结构设计 262
7.4.3 新型DCS组态软件开发环境 267
7.4.4 新型DCS组态软件的关键技术 269
7.5 组态软件数据库系统设计 271
7.5.1 组态软件中的数据管理 272
7.5.2 数据库系统结构 272
7.5.3 组态数据库的设计与实现 273
7.6 组态软件驱动程序设计 275
7.6.1 驱动程序采用的技术 275
7.6.2 驱动程序的分析与设计 276
7.7 组态软件可视化环境设计 277
7.7.1 组态框架和运行框架 277
7.7.2 组态信息的文件管理 278
7.7.3 组态框架设计和实现 281
7.7.4 运行框架设计和实现 283
7.8 OPC技术 285
7.8.1 OPC技术概述 285
7.8.2 OPC关键技术 285
7.8.3 OPC DA规范 286
7.8.4 工业控制领域中的OPC应用实例 288
7.9 Web技术 290
7.9.1 Web技术概述 290
7.9.2 Web服务端技术 290
7.9.3 Web客户端技术 291
7.9.4 SCADA系统中的Web应用方案设计 291
7.10 双机热备技术 292
7.10.1 双机热备技术概述 293
7.10.2 双机热备系统的工作模式 293
7.10.3 双机热备系统的数据存储方式 294
7.10.4 DCS中的双机热备方案设计 294
7.11 常用数字滤波算法与程序设计 296
7.11.1 程序判断滤波 296
7.11.2 中值滤波 297
7.11.3 算术平均滤波 297
7.11.4 加权平均滤波 297
7.11.5 低通滤波 298
7.11.6 滑动平均滤波 298
7.11.7 各种滤波方法的比较 298
7.12 数字滤波器的算法与程序设计 299
7.12.1 数字滤波器的分类与特点 299
7.12.2 IIR数字滤波器的设计原理 299
7.12.3 基于C语言的IIR数字滤波器程序设计 301
7.12.4 IIR数字滤波器的滤波效果分析 302
7.13 标度变换程序 302
7.13.1 线性标度变换程序 303
7.13.2 非线性标度变换程序 304
习题 305
第8章 现场总线与工业以太网控制网络技术 306
8.1 现场总线技术概述 306
8.1.1 现场总线的产生 306
8.1.2 现场总线的本质 306
8.1.3 现场总线的特点和优点 307
8.1.4 现场总线的现状 309
8.1.5 现场总线网络的实现 310
8.1.6 现场总线技术的发展趋势 312
8.2 工业以太网的产生与发展 312
8.2.1 以太网引入工业控制领域的技术优势 312
8.2.2 工业以太网与实时以太网 314
8.2.3 IEC61786-2标准 314
8.2.4 工业以太网技术的发展现状 315
8.2.5 工业以太网技术的发展趋势与前景 317
8.3 现场总线与企业网络 320
8.3.1 企业网络 320
8.3.2 企业网络技术 321
8.3.3 企业网络的体系结构 322
8.3.4 信息网络与控制网络 324
8.4 流行现场总线简介 325
8.4.1 基金会现场总线（FF） 325
8.4.2 PROFIBUS 326
8.4.3 CAN 326
8.4.4 DeviceNet 327
8.4.5 LonWorks 328
8.4.6 ControlNet 329
8.4.7 CC-Link 330
8.4.8 CompoNet 331
8.5 工业以太网简介 331
8.5.1 工业以太网的主要标准 331
8.5.2 IDA 333
8.5.3 Ethernet/IP 333
8.5.4 EtherCAT 335
8.5.5 Ethernet Powerlink 336
8.5.6 PROFINET 336
8.5.7 HSE 341
8.5.8 EPA 342
8.6 netX网络控制器 344
8.6.1 netX系列网络控制器 344
8.6.2 netX系列网络控制器的软件结构 346
8.6.3 netX 可用的协议堆栈 347
8.6.4 基于netX网络控制器的产品分类 347
习题 348
第9章 计算机控制系统的电磁兼容与抗干扰设计 349
9.1 电磁兼容性概述 349
9.1.1 电磁兼容技术的发展 349
9.1.2 电磁干扰 350
9.2 电磁兼容性设计 352
9.2.1 电磁兼容的含义 352
9.2.2 电磁兼容控制技术 352
9.3 干扰的耦合方式 354
9.3.1 直接耦合方式 354
9.3.2 公共阻抗耦合方式 354
9.3.3 电容耦合方式 355
9.3.4 电磁感应耦合方式 355
9.3.5 辐射耦合方式 355
9.3.6 漏电耦合方式 355
9.4 计算机控制系统可靠性设计 355
9.4.1 可靠性设计任务 356
9.4.2 可靠性设计技术 356
9.5 抗干扰的硬件措施 358
9.5.1 抗串模干扰的措施 358
9.5.2 抗共模干扰的措施 360
9.5.3 采用双绞线 360
9.5.4 反射波干扰及抑制 361
9.5.5 正确连接模拟地和数字地 362
9.5.6 电源的抗干扰措施 362
9.5.7 压敏电阻及其应用 364
9.5.8 瞬变电压抑制器及其应用 365
9.6 抗干扰的软件措施 367
9.6.1 数字信号输入输出中的软件抗干扰措施 367
9.6.2 CPU的抗干扰技术 367
9.7 计算机控制系统的容错设计 368
9.7.1 硬件故障的自诊断技术 369
9.7.2 软件的容错设计 370
习题 371
第10章 计算机控制系统设计 372
10.1 基于现场总线与工业以太网的新型DCS的设计 372
10.1.1 新型DCS概述 372
10.1.2 现场控制站的组成 374
10.1.3 新型DCS通信网络 376
10.1.4 新型DCS控制卡的硬件设计 377
10.1.5 新型DCS控制卡的软件设计 382
10.1.6 控制算法的设计 390
10.1.7 8通道模拟量输入板卡（8AI）的设计 394
10.1.8 8通道热电偶输入板卡（8TC）的设计 395
10.1.9 8通道热电阻输入板卡（8RTD）的设计 397
10.1.10 4通道模拟量输出板卡（4AO）的设计 399
10.1.11 16通道数字量输入板卡（16DI）的设计 400
10.1.12 16通道数字量输出板卡（16DO）的设计 402
10.1.13 8通道脉冲量输入板卡（8PI）的设计 403
10.2 工业锅炉计算机控制系统的设计 404
10.2.1 工业锅炉的工作过程 404
10.2.2 工业锅炉计算机控制的意义 406
10.2.3 工业锅炉计算机控制系统的基本功能 407
10.2.4 直接数字控制（DDC）系统的设计 409
10.2.5 系统总体设计 411
参考文献 414