《计算机控制技术》王超主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《计算机控制技术》

【作　者】王超主编

【丛书名】卓越工程能力培养与工程教育专业认证系列规划教材

【页 数】 206

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2020.05

【ISBN号】978-7-111-64972-4

【分 类】计算机控制-高等学校-教材

【参考文献】 王超主编. 计算机控制技术. 北京：机械工业出版社, 2020.05.

图书封面：

图书目录：

《计算机控制技术》内容提要：

本书从符合学生学习规律的角度，对计算机控制技术的编写体系进行了梳理，力求做到内容逻辑合理、分类清楚、易于理解。全书共分十一章。内容包括：绪论，计算机控制系统基础，计算机控制系统中的检测设备和执行机构，计算机控制系统中的总线技术，计算机控制系统中的过程通道技术，计算机控制系统中的抗干扰技术，计算机控制系统中的通信技术，计算机控制系统中的网络技术，计算机控制系统中的控制策略与实现，计算机控制系统中的软件技术，计算机控制系统的设计与实施。作为教材，讲授本书全部内容约需要50-60学时，也可根据需求适当增减授课内容。

《计算机控制技术》内容试读

0第一章：

绪论

计算机控制技术是随着人类科技和工业的发展应运而生并不断发展起来的。它的应用领域非常广泛，不仅是国防、航天航空、制导等高精尖学科不可或缺的组成部分，而且在现代化工、农、医等领域也发挥着越来越重要的作用。本节首先以工业革命和自动化控制的发展为脉络，概述计算机控制技术在工业和科技发展过程中的重要地位；其次，介绍计算机控制技术的工作原理、计算机控制系统的组成和设计步骤；最后，从单元技术和集成技术的角度介绍计算机控制技术的概况。

第一节工业革命与自动化控制

第一次工业革命开始于18

弹簧

世纪60年代，以机器取代人力，

飞锤

以大规模机械化取代个体手工

杠杆套简

生产，被称为“机器时代”。蒸汽是这个时代主要的动力源，

阀门

蒸汽

、检测

因此也称为“蒸汽时代”。在这

转速

一阶段，已经有了一些基于机

转速

转速

械原理的控制装置，如1788年，

负

蒸汽机

圆锥齿轮

瓦特利用离心力原理研制出了使蒸汽机转速保持恒定的离心

图1-1离心调速器原理

调速器（见图1-1和图1-2）。

19世纪中期的第二次工业革命实现了电力驱动装置的规模化生产。随着电磁感应、发电机（见图1-3）和电动机等的发明和应用，人类进人了“电气时代”，电能迅速取代了蒸汽能。随着电的使用，很多电气和电子元器件相继问世，继电器、电阻、电容、电感、电位器和放大器等陆续应用于自动控制系统，构成模拟控制系统，使控制性能得到了提升。

图1-2瓦特发明的离心调速蒸汽机模型

第二次世界大战后，第三次工业

1

计算机控制技术

革命使人类进入到了“信息时代”。在这一阶段，计算机的出现对自动化的发展至关重要。自从1946年第一台电子计算机诞生以来，计算机已从使用电子管、晶体管、中小规模集成电路发展到了使用大规模、超大规模集成电路，其体积越来越小，成本却越来越低，这就为在自动化领域广泛采用计算机奠定了基础。从20世纪60年代开始，随着计算机应用于自动化领域，自动化技术

图1-3发电机实例

发生了根本的转变，由处理连续时间变量转变为处理离散时间变量，由处理模拟量转变为处理数字量。这一阶段可以被称为“数字化”。从20世纪70年代开始，随着微型计算机的普及和计算机网络的发展，针对小型计算机控制系统的单元技术和针对大中型计算机控制系统的集成技术都得到长足的发展。

如今，以工业4.0、人工智能等为标志的新一轮科技革命和产业变革已经开始，工业界以信息物理系统的形式建立全球网络，整合其所有资源，大数据、云计算和人工智能等正在赋予自动化以及计算机控制更大的能量。

第二节计算机控制概述

一、计算机控制技术的工作原理

一个按偏差进行控制的简单控制系统的工作原理如图1-4所示。当系统由于给定值或外界干扰的变化出现偏差时，控制器便根据此偏差按预先设置的控制规律进行运算，然后输出一个变化了的控制量“到执行机构，使其对被控对象产生一个能减小偏差的控制作用。这个过程不断进行，直到偏差小到满足控制要求为止。

在以前很长一段时间里，如图1-4a所示的控制器是模拟调节器，称之为模拟控制系统。随着计算机的普及特别是微处理器的性能价格比不断提高，模拟调节器逐渐由计算机“取代”，形成现在所说的计算机控制系统。顾名思义，计算机控制系统强调计算机是构成整个控制系统的核心，如图1-4b所示。

被控对象是多种多样的，在工业生产过程中以温度、压力、流量、液位等模拟物理量为主，虽然已有检测仪表将这些物理量转换为电流或电压，但它们仍然是连续的模拟电量。而

计算机处理信息以数字量作为基础，所以必须要有A/D转换装置先将模拟量转换为数字量

后送入计算机处理；而当作为控制器的计算机根据输入量计算出应该输出的数字控制量时，

必须采用D/A转换装置将其转换为模拟量，才可输送到执行机构上。

若被控变量不是模拟量，而是开关量（数字量），则计算机控制系统需要用开关量输入输出通道进行信号的传输，而不能直接将被控过程与计算机相连。用于计算机与被控过程之间信号传输的转换装置通常被称为过程输入/输出通道，简称过程通道：

在实际的工业生产过程控制中，一般不会用图1-4所示的单回路控制系统，而是根据具体情况灵活地构成整个系统，不同系统之间的体系结构有可能差别很大，故存在“控制工程师首先是系统工程师（即设计控制系统的出发点应是使整个系统性能最优）”的说法。

4442

第一章

绪

给定值±☒

控制器

执行机构

被控对象

被控参数

检测装置

a)单回路模拟控制系统

给定量r

控制器

D/A

执行机构

被控对象

被控量y

A/D

测量变送

计算机控制系统

生产过程

b)单回路计算机控制系统图1-4单回路控制系统示意图

在计算机控制系统中，计算机不仅可以完成基本的控制任务，还可以充分发挥其优势，使控制系统的功能更趋完善，在现代化的工业中起到越来越重要的作用。一般地，计算机在控制系统中至少有以下三个基本作用。(一)实时数据处理

巡回采集来自测量变送装置的瞬时数据，并进行分析处理、性能计算以及显示、记录、制表等。

(二)实时监督决策

对系统中的各种数据进行越限报警、事故预报与处理，根据需要进行设备自动启停，对整个系统进行诊断与管理等。

(三)实时控制及输出

按照给定的控制策略和实时的生产情况，实现在线、实时控制。

二、计算机控制系统的组成

不考虑被控的工业对象，计算机控制系统的组成如图1-5所示。图1-5中各主要部分在系统中的作用简述如下。(一）主机

主机由CPU、ROM、RAM组成，是计算机控制系统的核心。它根据采集到的实时信息

按照预先存在内存储器中的程序，自动进行信息处理和运算，及时选择相应的控制策略，并将控制作用立即输出到生产过程。

(二)外设

常用的外设（外部设备）按功能不同可分为输入设备、输出设备和外存储器。常用的

输入设备如键盘终端，用来输入程序、数据和操作命令；常用的输出设备如CRT显示器

打印机、绘图机等，用于显示、打印生产的操作状况、性能指标、生产报表等；常见的外存储器是磁盘、磁带、光盘等，它们兼有输入和输出两种功能。

3P◆W

计算机控制技术

(三)过程输入/输出接口过程输入/输出接口

计算机控制系统

包括模拟量和开关量两大

硬件部分

软件部分

类。它们是计算机与生产

控制计算机

系统软件

应用软件

过程之间信息交换的桥梁，是计算机控制系统中

现场仪表

(传感变送

必不可少的部分。

仪表、执

人

行机构等)、

(四)人机接口设备

过

总线

接

人机接口设备包括显

输

汇编或高级语

机接口程序

设

操作

通信网络软件程输入/输出程序历史数据库

示器、键盘、专用的操作

设

显示面板或操作显示台

通

、总线

、过

等。它们一方面显示生产

出接口

设

程控制语、诊断程序等、控制策略程、打印显示程、实时数据库

过程状况，另一方面供生产操作人员操作和显示操作结果。操作人员通过人

图1-5计算机控制系统的组成

机接口设备与计算机进行信息交换。

(五)通信设备

通过通信设备，不同地理位置、不同功能的计算机之间或计算机与设备之间可以进行信息交换。当多台计算机或设备构成计算机网络时，通信设备尤显重要。

(六)现场仪表

现场仪表包括检测设备和执行机构。检测设备的任务是信号的检测、变换、放大和传送，将生产过程中的各种物理量转换成计算机能接收的电信号；执行机构则完成计算机输出控制的执行任务。由于直接与生产过程连接，因此它们在计算机控制系统中占有重要的地位

(七)总线

总线分为内部总线、系统总线与外部总线三大类。其中，内部总线是计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互联；系统总线是计算机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互联；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互联。

(八)系统软件

系统软件可分为通用和专用两类。通用软件指一般计算机使用的软件，如Windows、

Visual Basic和Oracle等；专用软件指控制计算机特有的软件，如组态软件。它管理计算机的内存、外设等硬件设备，为用户使用计算机创造条件，同时为用户编制应用软件提供环境和方便。

(九)应用软件

应用软件是系统设计人员针对具体生产过程编制的控制和管理程序，是控制计算机在特定环境中完成某种控制功能所必需的软件。一般包括过程输人/输出程序、过程控制程序、人机接口程序、打印显示程序及各种公共子程序等。应用软件涉及生产工艺、控制理论、控

44

第一章

论

制设备等各方面知识，通常由用户自行编制或根据具体情况在商品化软件的基础上自行组态以及做少量特殊应用的开发。

三、计算机控制技术的发展概况

计算机从根本上改变了自动化控制的实现方式。计算机属于数字化设备，用作控制器时，控制方法和控制参数在计算机里只是一组程序，可以很方便地进行修改，而且，无论是简单还是复杂的控制算法，都一样可以实现，因此计算机在控制领域迅速得以推广和普及。目前，实际运行的控制系统绝大部分都是数字化的，包括很多家用电器以及汽车的控制装置。

计算机控制中的计算机不是狭义的PC,一般泛指数字化控制装置，主要包括单片机

数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、工业控制计算机(Industrial Personal Computer,.PC,简称“工控机”)和可编程控制器(Programmable Logic Controller,PLC)等。

单片机在计算机家族里体积小、价格便宜，但应用非常普遍，例如，在

一辆普通轿车里常常有几

900MHZ

十片单片机在工作：

MICROCHIP

外，控制仪表、空调、洗

dsPIC30F6010A

DSP

衣机等的核心控制芯片一

TMS320DM648ZUT

SN11-07A4SPW

般也是单片机。DSP(见

©2007TI

图1-6)的计算和处理功

图1-6数字信号处理器(DSP)》

能相当强大，早期主要用

于信号处理领域，价格比较昂贵，但随着计算机技术的发展，其价格不断降低，近年来，

DSP在控制领域的应用也越来越多

工控机（见图1-7）的工作原理与普通计算机大同小异，主要区别是配备了一些专门用于工业控制的输入/输出接口，提高了工作可靠性，并特别加强了针对工业环境的抗干扰措施。另外，为了满足不同控制任务的可扩展需求，采用了无源底板结构，扩展插槽的数量和位置可根据需要进行选择。

a)机箱

b)无源底板

图1-7工控机

5 >D

计算机控制技术

PLC(见图1-8)包含了逻辑运算、顺序控制、算术运算及定时和计数等功能，是专为

工业应用而设计的，早期主要在工业生产中用于逻辑及顺序控制，以取代传统的继电器控制

方式。后来PLC又增加了PD控制、电动机调速控制等新的功能模块，可以进行不间断的

反馈调节，应用范围越来越广。现在的PLC产品几乎都已具备联网和通信功能，可与计算

机构成网络化的控制系统。

图1-8可编程控制器(PLC)

早期的计算机价格比较昂贵、体积也比较庞大，因此，用于控制领域时，一般采用“集中控制”方式，即用一台计算机同时控制多台机器或设备，检测装置轮流采集机器或设备的相关信息，传送给计算机，计算机按事先确定好的方式和算法计算出所需要的控制量，并轮流输出给每台机器或设备。后来，由于计算机价格不断下降，体积也不断缩小，出现了

一台计算机只完成相对单一的控制任务的方式，这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调等通常用一个单片机就能完成控制任务。本书将这类计算机控制技术归为“计算机控制的单元技术”，重点在于设计控制器或模块，主要针对小型控制系统。

网络技术的发展给自动化控制提供了新的契机，通过网络把各个系统连接起来，可以实现管理与控制功能的一体化，可以对各个系统的相关参数进行统一调整，使所有的系统都能够协调地工作，实现整体的优化运行。具有代表性的主要有用于机械制造业的计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System,CIMS),用于石油、化工、钢铁等生产过程的集散控制系统(Distributed Control System,DCS)和计算机集成过程系统(Computer In-tegrated Process System,CIPS),以及将控制彻底分散化的现场总线控制系统(Fieldbus Con-trol System,FCS)等。本书将这类计算机控制技术归为“计算机控制的集成技术”，重点在于利用商业化的设备进行集成，主要针对大中型控制系统。

四、计算机控制系统的设计步骤

计算机控制是一门实践性非常强的技术，不但需要有自动控制理论和计算机控制技术作为基础，而且需要熟悉被控工业过程，并对组成自动化系统所必需的自动化仪表有相当的了解。虽然工业过程计算机控制系统所控制的对象各不相同，控制方案与具体设计指标也不同，但是系统设计与实现的原则却是相同的，即可靠性高，操作性好，实时性强，具有一定的通用性（至少在同行业可以推广），潜在经济效益高。

设计与实现过程计算机控制系统的一般步骤可分成如下几步。(一)总体设计

在设计控制系统之前，要全面了解该被控工业过程，与工艺技术人员一起在需求分析的

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···试读结束···