微型计算机控制技术第2版

适读人群 ：高等院校自动化、电气、电子、计算机、机械电子等专业教材

获奖情况：普通高等教育“十一五”国家级规划教材 ，“十三五”江苏省高等学校重点教材

配套资源：电子课件，课程教案，教学大纲；试卷、答案及评分标准；习题参考答案

本书在新工科建设背景下，从工程实际出发，以主流机型PC总线工业控制计算机为控制工具，并以C语言为编程语言，系统阐述了微型计算机控制系统的原理、设计及工程实现方法。内容包括：微型计算机控制系统的组成、典型形式、发展概况及趋势；PC总线工控机和专用控制器介绍；输入输出接口及输入输出通道；数字控制器的模拟化设计技术；数字控制器的直接设计技术；现代控制技术；微型计算机控制系统应用软件；组态软件应用技术；微型计算机控制系统设计的一般原则、步骤和实例；微型计算机控制系统的可靠性设计；网络集成计算机控制系统；计算机智能制造技术。本书内容新颖，紧密联系工程实际，系统性和实用性强。
本书既可作为高等学校各类自动化、电子与电气工程、计算机应用、机电一体化等专业的教材，也可作为有关技术人员的参考书。

出版说明
前言
第1章微型计算机控制系统概述1
11微型计算机控制系统的概念2
12微型计算机控制系统的组成3
121微型计算机控制系统硬件3
122微型计算机控制系统软件5
13微型计算机控制系统的典型形式5
131操作指导控制系统 6
132直接数字控制系统6
133监督控制系统6
134集散控制系统7
135现场总线控制系统7
14典型工业受控对象及其微型计算机
控制系统8
141微型计算机过程控制系统 8
142微型计算机运动控制系统 9
15实用计算机控制设备介绍10
151工业控制计算机的主要类别10
152主要计算机控制设备生产厂商11
16计算机控制系统的发展概况及趋势12
161计算机控制系统的发展概况 12
162计算机控制系统的发展趋势16
17小结17
18习题17
第2章PC总线工控机和专用控制
器介绍18
21工控机的主要特点及结构18
211工控机的特点18
212PC总线工控机的结构19
22PC总线标准规范20
221概述20
222ISA总线标准22
223PCI总线标准24
224PCIE总线标准28
23PC总线工控机主要类型、主板及扩
展板卡34
231PC总线工业控制机主要类型34
232PC总线工业控制机主板35
233PC总线工业控制机I/O板卡36
24专用控制器介绍37
241专用控制器的分类37
242UMAC多轴运动控制器39
243温度控制器43
25小结44
26习题44
第3章输入/输出接口技术及输入/输出
通道45
31输入/输出接口与输入/输出通道45
32数据信息的输入/输出控制方式47
321查询控制方式47
322中断控制方式49
323DMA控制方式51
33数字量输入/输出通道和模拟量输入/输出
通道的基本组成51
331数字量输入通道的信号调理51
332数字量输出通道的信号调理52
333模拟量输入通道的信号调理54
334模拟量输出通道的信号调理60
335脉冲量输入/输出接口设计62
34基于板卡的输入/输出接口与通道的
设计63
35基于计算机通信接口的输入/输出接口与
通道的设计64
36多回路温度控制系统输入/输出通道与接口
设计66
37小结66
38习题66
第4章数字控制器的模拟化设计
技术68
41数字控制器的模拟化设计步骤69
42数字PID控制器的设计74
421模拟PID调节器74
422数字PID控制器74
43数字PID控制器的改进77
431积分作用的改进77
432微分作用的改进80
433带死区的PID控制82
434自适应PID控制82
435模糊PID控制84
44数字PID控制器的参数整定85
441凑试法确定PID参数86
442实验经验法确定PID参数87
443自整定PID方法89
444按二阶工程设计法设计数字
控制器90
45小结94
46习题94
第5章数字控制器的直接设计技术96
51数字控制器的直接设计步骤96
52最少拍无差系统的设计97
521典型输入下最少拍控制系统的设计
分析98
522最少拍快速有波纹系统设计的一般
方法103
523最少拍无波纹控制系统设计107
524最少拍控制系统的局限性110
53达林控制算法112
531达林算法的数字控制器设计112
532振铃现象及其抑制115
54小结118
55习题118
第6章现代控制技术121
61现代控制技术概述121
62自适应控制122
621模型参考自适应控制123
622自校正控制124
623PID自整定调节器127
63模糊控制128
631模糊控制系统原理128
632模糊自适应整定PID控制133
64小结135
65习题136
第7章微型计算机控制系统应用
软件137
71微型计算机控制系统软件概述137
711基本功能137
712应用程序设计步骤138
713程序设计方法139
714程序设计语言选择140
72常用控制程序设计141
721报警程序设计 141
722数字滤波程序设计143
723线性化处理程序设计 153
724标度变换程序设计 155
725PID算法程序设计 157
73小结167
74习题168
第8章组态软件应用技术169
81组态软件概述169
82常用组态软件基础170
821实时工业控制软件包iFIX172
822MCGS组态软件174
823WinCC组态软件176
83项目案例组态软件应用180
831被控对象的分析与描述180
832监控软件的设计181
84小结192
85习题192
第9章微型计算机控制系统设计及应用
实例193
91微型计算机控制系统设计的一般原则和
步骤193
911系统设计的原则193
912系统设计的步骤194
92微型计算机控制系统设计实例197
921温度控制系统的硬件设计197
922温度控制系统的软件设计200
93小结203
94习题204
第10章微型计算机控制系统的可靠性
设计205
101微型计算机控制系统可靠性
概述205
1011可靠性的基本概念205
1012系统可靠性分析206
1013系统故障的来源207
1014提高系统可靠性的途径208
102噪声传播途径及其抑制措施208
1021噪声的种类及其特点208
1022抗干扰三要素及其应用211
1023噪声传播途径及其抑制
方法213
103数字电路的抗干扰设计227
1031数字电路抗干扰概述227
1032数字电路外部干扰及其抑制
方法229
1033数字电路的内部干扰及其
抑制230
104印制电路板抗干扰设计235
1041单面、双面印制电路板的抗干
扰设计235
1042多层印制电路板叠层设计237
1043印制电路板布线技术及其
应用237
1044印制电路板的地线设计及其
应用243
1045印制电路板的终端匹配方法247
105微型计算机电路抗干扰设计247
1051增加总线的抗干扰能力247
1052系统的防辐射措施248
1053抑制存储器产生的噪声249
1054微机系统的装接设计249
106软件系统可靠性设计250
107小结254
108习题255
第11章网络集成计算机控制
系统256
111集散控制系统简介256
1111DCS概述256
1112DCS的分散过程控制级257
1113DCS的集中操作管理级258
1114DCS的综合信息管理级258
1115DCS的数据通信258
1116DCS构成实例259
112现场总线控制系统简介261
1121现场总线概述261
1122现场总线的发展背景与趋势263
1123现场总线标准265
1124现场总线控制系统266
1125现场总线对ＤＣＳ结构的影响267
113FCS与DCS的比较268
114小结269
115习题269
第12章计算机智能制造技术270
121智能制造技术简介270
1211智能制造技术的背景和发展270
1212智能制造技术体系271
122智能制造内容272
1221智能产品272
1222智能制造过程272
1223智能制造模式275
123智能制造中的计算机控制技术276
124齿轮箱组装生产线的智能制造
系统277
1241系统目标277
1242系统总体架构278
1243系统硬件拓扑结构设计279
125小结280
126习题280
附录采样系统的Z变换281
参考文献286

前 言
随着微电子技术、计算机技术和人工智能技术的发展，微型计算机已成为实现工业控制的重要手段。微型计算机控制技术是一门实用技术，它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。《微型计算机控制技术》是我国高等学校各类自动化、电子与电气工程、计算机应用、机电一体化等专业的主干专业课程，同时也是用人单位十分关注、重点考核上述各专业学生的课程之一。
本书与2005年8月首版，为紧密联系工程实际，在当时同类教材硬件上多一直沿袭以Intel8086/8088微型计算机为背景机并采用从芯片到系统的传统编写模式、软件上采用汇编语言进行讲授的背景下，率先基于工业现场主流采用的工业控制计算机、实际工程开发主流采用的C语言等重构并更新了教材内容。目前，在新时代本科教育发展的新形势下，基于“新工科”人才培养理念，结合未来新兴产业和新经济发展需要，本书一是通过校企联合编写，新增微型计算机控制系统基于CAN总线和EtherCAT总线的输入输出通道设计方案、组态软件应用技术及实际工程项目案例，并新增机器人计算机控制系统主流采用的UMAC多轴运动控制器等，同时进一步完善了微型计算机控制系统温度控制项目实例的总线接口电路设计方案等，以进一步增强本书内容的工程实用性；二是新增微型计算机控制系统的模糊控制技术、模糊PID控制的C语言代码编写，以及智能制造中的计算机控制技术及项目案例等，以突出人工智能技术与计算机控制技术的结合，进一步增强本书内容的新颖性。
全书共分十二章。第1章主要介绍了微型计算机控制系统的概念、组成、典型形式、发展概况及趋势，以及典型工业受控对象及实用计算机控制设备；第2章主要介绍工业控制计算机的主要特点及结构、PC总线标准规范、PC总线工控机的主要类型、主板及扩展板卡，以及UMAC等专用控制器介绍；第3章主要介绍输入输出接口设计、输入输出控制方式、输入输出通道的基本组成，基于板卡、计算机通讯接口的输入输出接口与通道设计，以及多回路温度控制系统输入输出接口与通道设计实例；第4章介绍数字控制器的模拟化设计技术，包括数字控制器的模拟化设计步骤、数字PID控制器的设计、改进及其参数整定；第5章介绍数字控制器的直接设计技术，包括数字控制器的直接设计步骤、最少拍快速有波纹系统设计、最少拍无波纹控制系统设计及达林控制算法；第6章介绍自适应控制、模糊控制等现代控制技术；第7章主要介绍微型计算机控制系统应用软件设计，包括常用控制程序设计等；第8章介绍微型计算机控制系统组态软件应用技术，包括项目案例等；第9章从系统角度出发，介绍微型计算机控制系统设计的一般原则和步骤，并以温度控制为例，详细介绍了微型计算机控制系统的硬件及软件设计；第10章介绍微型计算机控制系统的可靠性设计，包括数字电路、印制电路板、微型计算机电路的抗干扰设计及软件系统的可靠性设计；第11章简介网络集成计算机控制系统，包括计算机集散控制系统、现场总线控制系统及其二者的比较；第12章简介智能制造技术、智能制造中的计算机控制技术，以及项目案例。
本课程建议授课学时为45～60小时，实验学时为10～20小时，并要求先修C语言、微机原理及自动控制原理。
本书第1、4、5章由高国琴编写；第2章由潘天红、方志明编写；第3章由盛占石编写；第6、10章由方志明编写；第7章由潘天红编写；第8章由潘天红、李领（镇江领强能源工程技术有限公司）编写；第9章由盛占石、柳航群（深圳赛源电气技术有限公司）编写；第11章由张浩编写；第12章由张军编写。全书由高国琴统稿。
衷心感谢所引用参考文献的各位作者。由于笔者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者谅解，并提出宝贵意见。

作 者