计算机控制技术俞光昀计算机与互联网书籍

本书以微处理器在智能化测量和自动控制中的应用为主线，简要地介绍了连续控制系统和计算机测控系统的工作原理和基本结构，从应用的角度介绍了计算机测控系统中主要使用的传感器和执行器，循序地介绍了计算机测控系统的输入/输出技术、数据处理技术和抗干扰技术、常用的控制算法和控制参数确定技术、可编程序控制器的工作原理和应用技术等，还介绍了计算机测控系统的发展现状和正在飞速发展的机器人技术。本书列举了不同领域中使用的计算机测控系统实例，供不同行业的读者学书在编写过程中尽量避免复杂的数学推导和理论分析，着重于实际应用。本书可作为高等院校、职业院校自动控制、机电一体化、电气、机械及仪器等专业的教学用书，也可作为从事计算机应用或自动化工作的工程技术人员的参考书。

目 录
第1章 计算机控制系统概述 1
1．1 自动控制系统的工作原理 1
1．1．1 自动控制系统的任务 1
1．1．2 自动控制系统的工作原理 2
1．1．3 自动控制系统的组成 2
1．1．4 自动控制系统的类型 3
1．2 被控对象的特性 4
1．2．1 被控对象特性的类型 4
1．2．2 被控对象特性的一般分析 6
1．3 对控制系统的基本要求 10
1．3．1 控制系统的典型外作用函数 10
1．3．2 闭环控制系统的过渡过程 12
1．3．3 闭环控制系统的控制指标 12
1．3．4 计算机控制系统的综合控制指标 13
1．4 计算机控制系统的组成和分类 14
1．4．1 计算机控制系统的一般概念 14
1．4．2 计算机控制系统的硬件组成 15
1．4．3 计算机控制系统的软件组成 16
1．4．4 计算机控制系统的分类 17
本章小结 21
练22
第2章 传感器 23
2．1 传感器概述 23
2．1．1 传感器的作用及组成 23
2．1．2 传感器的分类 23
2．1．3 对传感器的主要技术要求 24
2．1．4 不同领域使用的传感器 24
2．1．5 用于机器人的传感器 25
2．1．6 家用设施所需的传感器 25
2．1．7 卫生领域使用的主要传感器 26
?
2．2 机械量传感器 27
2．2．1 压电式压力传感器 27
2．2．2 电感式传感器 29
2．2．3 光栅位移传感器 30
2．3 热工量传感器 33
2．3．1 集成温度传感器 33
2．3．2 高分子材料湿度传感器 37
2．3．3 涡流流量传感器 39
2．4 光传感器 41
2．4．1 光电式传感器 41
2．4．2 红外光传感器 50
2．4．3 紫外线传感器 52
2．5 其他传感器 54
2．5．1 气敏传感器 54
2．5．2 超声波传感器 56
2．5．3 霍尔传感器 58
2．5．4 数字式传感器 60
本章小结 63
练63
第3章 执行器 64
3．1 执行器概述 64
3．1．1 执行器应具备的主要技术特征 64
3．1．2 执行器的分类及特点 64
3．2 气动执行器 65
3．2．1 气动执行器的基本结构和工作原理 65
3．2．2 气动执行器与计算机的连接 66
3．3 电动执行器 66
3．3．1 伺服电动机 67
3．3．2 电动机 68
3．3．3 调节阀 70
3．3．4 电磁阀 71
3．3．5 固态继电器 72
3．4 液压执行器 74
3．5 防爆栅和自动/手动、无扰动切换 75
3．5．1 防爆栅 75
3．5．2 自动/手动、无扰动切换 76
?
本章小结 77
练78
第4章 计算机过程输入/输出技术 79
4．1 模拟量输入通道 79
4．1．1 输入信号的处理 79
4．1．2 模拟多路开关 84
4．1．3 程控增益放大器 86
4．1．4 采样和采样定理 91
4．1．5 A/D转换器及其和中央处理器（CPU）的连接 95
4．2 模拟量输出通道 100
4．2．1 模拟量输出通道的结构形式 100
4．2．2 D/A转换器和CPU的连接 101
4．2．3 D/A转换器的输出方式 105
4．2．4 D/A转换模板的通用性 107
4．3 开关量输入/输出通道 108
4．3．1 数字量输入接口 108
4．3．2 数字量输出接口 109
本章小结 109
练110
第5章 数据处理技术 111
5．1 数字滤波 111
5．1．1 惯性滤波法 111
5．1．2 算均值滤波法 113
5．1．3 加均滤波法 114
5．1．4 中值滤波法 115
5．1．5 防脉冲干均值法（复合滤波法） 116
5．1．6 滑均滤波法 116
5．1．7 程序判断滤波法 116
5．2 标度变换与线性化处理 117
5．2．1 标度变换 117
5．2．2 线性化处理 118
5．3 查表技术 121
5．3．1 顺序查表法 122
5．3．2 折半查表法 122
5．3．3 计算查表法 122
5．4 报警处理 123
5．4．1 越限报警 123
5．4．2 声、光和语音报警 124
本章小结 128
练129
第6章 抗干扰技术 130
6．1 干扰的来源和传播途径 130
6．1．1 干扰的种类 130
6．1．2 干扰的传播途径 131
6．2 干扰的基本原则 131
6．3 干扰技术 132
6．3．1 电源系统的抗干扰措施 132
6．3．2 接地系统的抗干扰措施 134
6．3．3 I/O接口的抗干扰措施 137
6．3．4 输入/输出传输线的抗干扰措施 140
6．3．5 静电和电磁的抗干扰措施 143
6．3．6 软件的抗干扰措施 143
本章小结 146
练146
第7章 数字PID控制 147
7．1 数字PID控制算法 147
7．1．1 连续控制系统的PID控制规律 147
7．1．2 位置式PID算法 148
7．1．3 增量式PID算法 149
7．1．4 设计PID程序时应考虑的若干问题 150
7．2 积分饱和及其 151
7．2．1 积分饱和的原因及其影响 151
7．2．2 积分饱和的 151
7．3 数字PID控制算法的 154
7．3．1 对微分项的 154
7．3．2 带死区的PID控制算法 156
7．3．3 给定值突变时的算法 156
7．3．4 砰砰-PID复合控制算法 156
7．4 PID调节器参数的确定与在线修改 157
7．4．1 扩充临界比例度法 157
7．4．2 PID参数的在线修改 158
本章小结 159
练159
第8章 可编程序控制器 160
8．1 PLC的工作原理与硬件组成 160
8．1．1 PLC的基本组成部件 160
8．1．2 PLC的特点 161
8．1．3 PLC的应用 161
8．1．4 PLC的工作原理 162
8．1．5 PLC的硬件 163
8．2 PLC的编程语言及软件设计 164
8．2．1 梯形图编程语言 164
8．2．2 能图编程语言 170
8．3 PLC控制注塑机 175
8．3．1 注塑机的工艺流程 175
8．3．2 确定I/O点及分配I/O地址 176
8．3．3 控制系统梯形图 176
8．3．4 梯形图指令表 178
本章小结 179
练179
第9章 集散系统和CIMS系统简介 180
9．1 集散系统 180
9．1．1 DCS的主要特点 180
9．1．2 DCS的基本组成部件 181
9．1．3 DCS的结构特点 182
9．1．4 DCS的体系结构 183
9．1．5 典型DCS的简介 184
9．2 计算机集成制造系统（CIMS）简介 186
9．2．1 CIMS追求生产活动的整体优化 186
9．2．2 CIMS的组成 187
9．2．3 CIMS的基础技术 188
9．2．4 CIMS的结构 190
本章小结 192
练192
第10章 飞速发展的机器人技术 193
10．1 机器人原则和定义 193
10．1．1 机器人原则 193
10．1．2 机器人定义 193
10．1．3 机器人系统的基本组成 194
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10．2 机器人的分类 195
10．2．1 工业机器人的分类 195
10．2．2 特种机器人的分类 197
10．3 机器人技术的主要内容 197
10．3．1 工业机器人主要涉及的技术 197
10．3．2 机器人行业中的十大前沿技术 198
10．4 机器人常用的传感器 199
10．4．1 内部传感器和外部传感器 199
10．4．2 机器人常用的外部传感器 200
10．5 机器人的驱动系统 202
10．5．1 传统驱动器 202
10．5．2 新型驱动器 202
10．6 机器人控制系统 205
10．6．1 机器人控制系统的基本概念 205
10．6．2 机器人控制系统的运动控制方式 206
10．7 机器人的发展历史和发展趋势 207
10．7．1 机器人的发展历史 207
10．7．2 我国机器人行业的现状和前景 208
10．7．3 国内外机器人领域的发展趋势 209
本章小结 210
练 210
第11章 计算机测控系统实例 211
11．1 计算机测控系统设计的原则与步骤 211
11．1．1 计算机测控系统设计的原则 211
11．1．2 计算机测控系统设计的步骤 212
11．2 基于PIC16C72单片机的空调控制系统 214
11．2．1 空调控制系统的原理 214
11．2．2 硬件设计 214
11．2．3 软件设计 217
11．3 物料传送带送料装车PLC控制系统 217
11．3．1 传送带的工艺流程和控制要求 217
11．3．2 确定I/O点和分配I/O地址 218
11．3．3 控制系统梯形图 219
11．3．4 物料自动传送装车控制系统的指令 220
11．4 PLC电厂输煤程控系统 221
11．4．1 系统要求 221
11．4．2 PLC选择 221
11．4．3 系统结构 221
11．4．4 上位机 222
11．4．5 系统组态图 222
11．5 CO2送肥系统的设计 224
11．5．1 CO2对农作物生产的重要意义 224
11．5．2 CO2送肥系统的关键设备 224
11．5．3 红外CO2测试仪的设计 225
11．5．4 CO2发生器的选择 228
11．5．5 单片机采样控制系统的硬件设计 228
11．5．6 单片机采样控制系统的软件设计 229
11．6 数控机床 232
11．6．1 车床数字控制器的主要任务 232
11．6．2 逐点比较法的插补原理 233
11．6．3 数字控制中的其他重要概念 236
本章小结 238
练 239
参考文献 240

前 言

本书由高职高专计算机教材编委会征稿，经中国计算机学会教育委员会高职高专教育学组评审，由电子工业出版社出版。

全书分为11章，以微处理器在智能化测量和自动控制中的应用技术为中心，介绍了组成计算机测控系统的各个环节，在选材上考虑了适应性（非自控专业读者）、实用性、系统性和完整性。第1～3章介绍了自动控制系统的基本知识及测控系统中使用的传感器和执行器，目的是为非自动控制系统专业的读者提供有关测量和控制方面的必要知识，包括自动控制系统的工作原理、被控对象的特性、对控制系统的基本要求、控制系统的组成和分类、传感器和执行器的原理和应用等。第4～9章介绍了开发计算机测控系统所需的各种技术，包括计算机过程输入/输出技术、数据处理技术、抗干扰技术、数字PID控制，以及可编程程序控制器、集散系统和CIMS系统简介等年来，机器人技术发展迅猛，机器人的研发和生产即将形成完整的产业链，因此第10章介绍了飞速发展的机器人技术，以便读者对机器人技术有一个概括的了解。第11章介绍了计算机测控系统设计的原则与步骤，还列举了由单片机、PLC组成的微机测控系统实例，并介绍了数控机床的基本原理。本书在编写过程中，注重物理概念的叙述，避免复杂的数学推导，力求做到突出、通俗易懂、注重实用。

本书由俞光昀担任主编，吴一锋、季菊辉担任副主编。本书第1章、第4章、第8章、第10章和第11章由俞光昀编写；第2章、第3章和第7章由吴一锋编写；第5章、第6章和第9章由季菊辉编写。全书由俞光昀统一编排定稿。其他执笔者还有王炜、俞耘冰、赵泓、王耘雷、俞永薇、张凌雯。南京航空航天大学的顾宝根教授对本书的编写工作给予了热情的指导和帮助，并提出了许多宝贵的修改意见，在此表示诚挚的感谢。

本书在编写过程中吸取了许多院校的计算机控制技术教材的优点，得到了许多教师的帮助，在此一并表示感谢。

由于编者有限，不足之处在所难免，敬请同行和读者批评指正。

编 者

当前，上大多数工业国家正处在由“工业经济”模式向“信息经济”模式转变的时期，技步因素对经济增长起70％～80％的作用。“以高新技术为核心，以信息化为手段，提高工业产品的附加值”已经成为现代工业企业的重要发展目标，事实上也是各行各业的重要发展目标。现代工业企业的生产管理需要对大量的物理量、工艺参数、特性参行实时检测、监督管理和自动控制，这是现代化生产必不可少的基本手段。从单台计算机的直接监督控制到多级计算机监督控制系统，以及分布式、网络化、智能化的集控制和管理为一体的计算机控制系统，正在各行各业中得到越来越普遍的应用。因此，在我国实现现代化的过程中，计算机控制技术充当着极其重要的角色。 

1．1  自动控制系统的工作原理 

1．1．1  自动控制系统的任务 

任何机器设备或生产过程都必须按照规定的要求运行。例如，为了使发电机正常发电，必须使发电机的输出电压保持在额定电压，尽量不受负荷变化和发电机转速波动的影响；为了使退火炉加工出合格的产品，就要使退火炉的温度在不同时刻达到规定的要求；为了使电冰箱能够冷冻食品，就要使冷冻室温度达到用户设定的温度，尽量不受环境温度或冷冻室中冷冻物品数量变化的影响。   

在上述例子中，发电机、退火炉、电冰箱都是机器设备；电压、炉温、冷冻室温度是表征这些机器设备工作状态的物理量；而额定电压、规定的炉温、设定的冷冻室的温度就是机器设备在运行过程中对这些物理量的要求。所谓自动控制，就是在没有人直接参与的前提下，应用控制装置自动地、有目的地控制或纵机器设备或生产过程，使它们处于一定的状态或达到特定的性能。因此，如果能够设计出某种装置，自动地使发电机的输出电压稳定在额定电压，使退火炉的温度在要求的时问内达到规定的温度，使电冰箱的冷冻室温度降低到用户的设定温度，则这些装置就是发电机、退火炉及电冰箱的自动控制装置。   

虽然各种控制装置的具体任务不同，但其本质是对被控对象的某些物理行控制，自动保持其应有的规律性。

俞光昀，男，教授，毕业于上海交通大学，先后任教于南京师范大学、昆山登云科技职业技术学院。曾任高职高专计算机编委会主任委员。主持并完成了“字符显示智能复读机”、“ND6单片机开发系统”、“微机控制皮革喷浆机”、“农用智能CO2送肥系统”等应用项目，承担总体设计和软件设计和调试工作；在英修期间，独立完成了“Swan Bus现场总线硬件设计”、“涂膜传感器CO2测试仪”和“红外传感器CO2测试仪”，承担全部软硬件设计和调试工作；编写教材多部，包括《计算机专业英语》《PIC单片机应用技术》《微机原理和应用》《AutoCAD应用技术》和《计算机控制技术》，其中《计算机控制技术（第3版）》获选“十二五”职业教育国家规划教材。