電腦控制技術——原理、方法與實現

李正軍，山東大學教授，碩士研究生導師。1984年畢業於山東大學數學系，同年留山東大學數學系任教；先後擔任“211工程”重點建設項目“現場總線技術實驗室”負責人、控制科學與工程學院“微機原理”課程負責人，並獲山東大學優秀教師榮譽稱號。擔任中國電氣工業協會設備網現場總線分會理事、中華人民共和國機械行業標準《低壓電氣通信規約》審稿人，全國電器設備網絡通信接口標準化委員會委員。發表科研與教學論文50餘篇，出版著作15部。承擔省部級與企業科研課題30餘項，主要研究方向包括嵌入式系統、計算機控制技術、現場總線應用技術、電力電子技術等，

 

 

 

第1章緒論

 

微課視頻26分鐘

 

1.1電腦控制系統的理論基礎和發展過程

 

1.1.1電腦控制系統的理論基礎

 

1.1.2電腦控制系統的發展過程

 

1.2電腦控制系統的概念

 

1.2.1常規控制系統

 

1.2.2電腦控制系統

 

1.3電腦控制系統的組成

 

1.3.1電腦控制系統的硬件

 

1.3.2電腦控制系統的軟件

 

1.4電腦控制系統的分類

 

1.4.1數據採集系統

 

1.4.2直接數字控制系統

 

1.4.3集散控制系統

 

1.4.4監控與數據採集系統

 

1.4.5現場總線控制系統

 

1.4.6網絡控制系統

 

1.4.7綜合自動化系統

 

1.5電腦控制系統的發展趨勢

 

第2章微控制器與總線技術

 

微課視頻13分鐘

 

2.1微控制器技術

 

2.1.1國外生產微控制器的廠商及其微控制器產品

 

2.1.2國內生產微控制器的廠商及其微控制器產品

 

2.2內部總線

 

2.2.1PCI總線

 

2.2.2PCIe總線

 

2.2.3PC104總線

 

2.3外部總線

 

2.3.1RS232C串行通信接口

 

2.3.2RS485串行通信接口

 

第3章集散控制系統

 

微課視頻16分鐘

 

3.1集散控制系統概述

 

3.1.1集散控制系統定義

 

3.1.2DCS與PLC、SCADA的區別

 

3.1.3集散控制系統特點

 

3.1.4工業生產行業分類及其對應的工業控制系統

 

3.2集散控制系統的基本結構

 

3.3集散控制系統的體系結構

 

3.3.1集散控制系統的各層功能

 

3.3.2集散控制系統基本構成

 

3.3.3集散控制系統的結構特徵

 

3.4集散控制系統的構成示例

 

3.4.1Experion PKS系統

 

3.4.2Foxboro Evo過程自動化系統

 

3.5ECS700集散控制系統

 

3.5.1ECS700 neo

 

3.5.2ECS700的分散控制裝置

 

 

第4章電腦控制系統的硬件設計

 

微課視頻52分鐘

 

4.1傳感器

 

4.1.1傳感器的定義、分類及構成

 

4.1.2傳感器的基本性能

 

4.1.3傳感器的應用領域

 

4.1.4過程自動化常用傳感器

 

4.1.5工業機器人常用傳感器

 

4.1.6自動駕駛汽車常用傳感器

 

4.2變送器

 

4.2.1變送器的構成原理

 

4.2.2差壓變送器

 

4.2.3溫度變送器

 

4.3執行器

 

4.3.1概述

 

4.3.2執行機構

 

4.3.3調節機構

 

4.4量程自動轉換與系統誤差的自動校正

 

4.4.1模擬量輸入信號類型

 

4.4.2量程自動轉換

 

4.4.3系統誤差的自動校正

 

4.5採樣和模擬開關

 

4.5.1信號和採樣定理

 

4.5.2模擬開關

 

4.5.332通道模擬量輸入電路設計實例

 

4.6模擬量輸入通道

 

4.712位低功耗ADC AD7091R

 

4.7.1AD7091R引腳介紹

 

4.7.2AD7091R應用特性

 

4.7.3AD7091R數字接口

 

4.7.4AD7091R與STM32F103的接口

 

4.8模擬量輸出通道

 

4.912/16位4~20mA串行輸入DAC AD5410/AD5420

 

4.9.1AD5410/AD5420引腳介紹

 

4.9.2AD5410/AD5420片內寄存器

 

4.9.3AD5410/AD5420應用特性 

 

4.9.4AD5410/AD5420數字接口

 

4.9.5AD5410/AD5420與STM32F103的接口

 

4.10數字量輸入/輸出通道

 

4.10.1光電耦合器

 

4.10.2數字量輸入通道

 

4.10.3數字量輸出通道

 

4.10.4脈沖量輸入/輸出通道

 

第5章電腦控制中的新興技術及應用

 

微課視頻50分鐘

 

5.1工業機器人概述

 

5.1.1工業機器人的定義

 

5.1.2工業機器人的組成

 

5.1.3工業機器人的主要特徵與表示方法

 

5.2工業機器人種類與前沿技術

 

5.2.1工業機器人種類

 

5.2.2工業機器人的前沿技術

 

5.3工業機器人控制系統與軟硬件組成

 

5.3.1工業機器人控制系統的基本原理和主要功能

 

5.3.2工業機器人控制系統的分層結構

 

5.3.3工業機器人控制系統的特性、要求與分類

 

5.4工業人工智能

 

5.5智能製造

 

5.5.1智能製造及其技術體系

 

5.5.2智能製造技術

 

5.5.3中國製造2025

 

5.6自動駕駛汽車技術概述

 

5.6.1自動駕駛系統架構

 

5.6.2自動駕駛功能體系架構

 

5.6.3自動駕駛閉環控制系統

 

5.6.4自動駕駛的行業案例

 

5.7自動駕駛汽車技術架構與分級

 

5.7.1自動駕駛汽車技術架構

 

5.7.2NHTSA與SAE自動駕駛分級

 

5.7.3中國自動駕駛分級

 

5.8汽車線控系統技術

 

5.8.1汽車線控技術概述

 

5.8.2車輛線控系統

 

5.9汽車運動控制

 

5.9.1汽車運動控制概述

 

5.9.2預瞄跟隨控制

 

5.9.3橫向控制

 

5.9.4縱向控制

 

5.9.5橫縱向協同控制

 

5.10雲計算

 

5.10.1雲計算概述

 

5.10.2雲計算的基本特點

 

5.10.3雲計算的總體架構

 

5.10.4雲計算的總體分層架構

 

5.10.5雲計算的服務模式

 

5.11邊緣計算

 

5.11.1邊緣計算簡介

 

5.11.2邊緣計算的模型

 

5.11.3邊緣計算的基本結構和特點

 

5.11.4邊緣計算軟件架構

 

5.12APAX5580/AMAX5580邊緣智能控制器

 

5.12.1APAX5580的邊緣智能控制器

 

5.12.2AMAX5580的邊緣智能控制器

 

5.12.3APAX5580/AMAX5580邊緣智能與I/O一體化控制器主要特點

 

5.12.4APAX5580/AMAX5580邊緣智能控制器的優勢

 

5.12.5APAX5580/AMAX5580的應用軟件

 

5.12.6APAX5580/AMAX5580的邊緣智能控制器的應用

 

第6章常規與復雜控制技術

 

微課視頻33分鐘

 

6.1被控對象的數學模型與性能指標

 

6.1.1被控對象的動態特性

 

6.1.2數學模型的表達形式與要求

 

6.1.3電腦控制系統被控對象的傳遞函數

 

6.1.4電腦控制系統的性能指標

 

6.1.5對象特性對控制性能的影響

 

6.2PID控制

 

6.2.1PID控制概述

 

6.2.2PID調節的作用

 

6.3數字PID算法

 

6.3.1PID算法

 

6.3.2PID算法的模擬

 

6.3.3PID算法的改進

 

6.4PID參數整定

 

6.4.1PID參數對控制性能的影響

 

6.4.2採樣周期的選取

 

6.4.3擴充臨界比例度法

 

6.5串級控制

 

6.5.1串級控制算法

 

6.5.2副迴路微分先行串級控制算法

 

6.6前饋反饋控制

 

6.6.1前饋控制的結構

 

6.6.2前饋反饋控制的結構

 

6.6.3數字前饋反饋控制算法

 

6.7數字控制器的直接設計方法

 

6.7.1基本概念

 

6.7.2最少拍無差系統

 

6.7.3最少拍無紋波系統

 

6.8大林算法

 

6.8.1大林算法的基本形式

 

6.8.2振鈴現象的消除

 

6.8.3大林算法的設計步驟

 

6.9史密斯預估控制

 

6.9.1史密斯預估控制原理

 

6.9.2史密斯預估控制舉例

 

第7章先進控制技術

 

微課視頻38分鐘

 

7.1模糊控制

 

7.1.1模糊控制的數學基礎

 

7.1.2模糊控制系統組成

 

7.1.3模糊控制器設計

 

7.1.4雙輸入單輸出模糊控制器設計

 

7.2模型預測控制

 

7.2.1動態矩陣控制

 

7.2.2模型算法控制

 

7.3神經控制系統

 

7.3.1生物神經元和人工神經元

 

7.3.2人工神經網絡

 

7.3.3神經控制系統概述

 

7.3.4神經控制器的設計方法

 

7.4專家控制技術

 

7.4.1專家系統概述

 

7.4.2專家控制系統

 

第8章電腦控制系統軟件設計 

 

微課視頻35分鐘

 

8.1電腦控制系統軟件概述

 

8.1.1電腦控制系統軟件的分層結構

 

8.1.2電腦控制系統軟件的設計策略

 

8.1.3電腦控制系統軟件的功能和性能指標

 

8.2實時多任務系統

 

8.2.1實時系統和實時操作系統

 

8.2.2實時多任務系統的切換與調度

 

8.3軟件系統平臺

 

8.3.1軟件系統平臺的選擇

 

8.3.2μC/OSⅡ內核調度基本原理

 

8.4OPC技術

 

8.4.1OPC技術概述

 

8.4.2OPC關鍵技術

 

8.4.3工業控制領域中的OPC應用實例

 

8.5Web技術

 

8.5.1Web服務器端技術

 

8.5.2Web客戶端技術

 

8.5.3SCADA系統中的Web應用方案設計

 

8.6常用數字濾波算法與程序設計

 

8.6.1程序判斷濾波

 

8.6.2中值濾波

 

8.6.3算術平均濾波

 

8.6.4加權平均濾波

 

8.6.5低通濾波

 

8.6.6滑動平均濾波

 

8.7標度變換

 

8.7.1線性標度變換

 

8.7.2非線性標度變換

 

第9章工業控制網絡技術 

 

微課視頻46分鐘

 

9.1現場總線概述

 

9.1.1現場總線的產生

 

9.1.2現場總線的特點和優點

 

9.1.3現場總線標準的制定

 

9.1.4現場總線網絡的實現

 

9.2現場總線簡介

 

9.2.1FF

 

9.2.2CAN和CAN FD

 

9.2.3LonWorks

 

9.2.4PROFIBUS

 

9.3工業以太網概述

 

9.3.1以太網技術

 

9.3.2工業以太網技術

 

9.3.3工業以太網通信模型

 

9.3.4工業以太網的優勢

 

9.3.5實時以太網

 

9.3.6實時工業以太網模型分析

 

9.3.7幾種實時工業以太網的對比

 

9.4工業以太網簡介

 

9.4.1EtherCAT

 

9.4.2PROFINET

 

9.4.3EPA

 

9.5工業因特網技術

 

9.5.1工業因特網概述

 

9.5.2工業因特網的內涵與特徵

 

9.5.3工業因特網技術體系

 

9.5.4工業因特網平臺

 

9.6無線傳感器網絡與物聯網

 

9.6.1無線傳感器網絡

 

9.6.2物聯網

 

第10章電腦控制系統的電磁兼容與抗乾擾設計

 

微課視頻12分鐘

 

10.1電磁兼容技術與抗乾擾設計概述

 

10.1.1電磁兼容技術的發展

 

10.1.2電磁噪聲乾擾

 

10.1.3電磁噪聲的分類

 

10.1.4構成電磁乾擾問題的三要素

 

10.1.5電磁兼容與抗乾擾設計研究的內容

 

10.2抗乾擾的硬件措施

 

10.2.1抗串模乾擾的措施

 

10.2.2抗共模乾擾的措施

 

10.2.3採用雙絞線

 

10.2.4地線連接方式與PCB布線原則

 

10.3抗乾擾的軟件措施

 

10.3.1數字信號輸入/輸出中的軟件抗乾擾措施

 

10.3.2CPU軟件抗乾擾技術

 

第11章電腦控制系統設計實例

 

11.1基於現場總線與工業以太網的集散控制系統的總體設計

 

11.1.1集散控制系統概述

 

11.1.2現場控制站的組成

 

11.1.3集散控制系統通信網絡

 

11.1.4集散控制系統控制卡的硬件設計

 

11.1.5集散控制系統控制卡的軟件設計

 

11.1.6控制算法的設計

 

11.2集散控制系統的測控板卡設計

 

11.2.18通道模擬量輸入板卡(8AI)的設計

 

11.2.28通道熱電偶輸入板卡(8TC)的設計

 

11.2.38通道熱電阻輸入板卡(8RTD)的設計

 

11.2.44通道模擬量輸出板卡(4AO)的設計

 

11.2.516通道數字量輸入板卡(16DI)的設計

 

11.2.616通道數字量輸出板卡(16DO)的設計

 

11.2.78通道脈沖量輸入板卡(8PI)的設計

 

11.3集散控制系統軟件系統的關鍵技術

 

11.3.1集散控制系統的圖形用戶界面

 

11.3.2分佈對象技術

 

11.3.3集散控制系統監控軟件中的開放式數據庫接口技術

 

11.3.4B/S體系結構的監控軟件

 

11.3.5實時數據庫系統

 

11.3.6歷史數據庫系統

 

參考文獻

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

視 頻 名 稱時長/min位置

第1集 電腦控制系統的概念71.2節

第2集 電腦控制系統的組成71.3節

第3集 電腦控制系統的分類121.4節

第4集 內部總線52.2節

第5集 外部總線82.3節

第6集 集散控制系統概述63.1節

第7集 集散控制系統的體系結構103.3節

第8集 傳感器134.1節

第9集 採樣和模擬開關64.5節

第10集 模數轉換器94.6節

第11集 模數轉換器AD7091R74.7節

第12集 數模轉換器94.8節

第13集   數模轉換器AD5410/AD542084.9節

第14集 工業機器人概述125.1節

第15集 自動駕駛汽車技術概述105.6節

第16集  雲計算155.10節

第17集 邊緣計算135.11節

第18集 PID控制86.2節

第19集 數字PID算法56.3節

第20集 PID參數整定96.4節

第21集 串級控制86.5節

第22集 前饋反饋控制36.6節

第23集 模糊控制97.1節

第24集 模型預測控制87.2節

第25集 神經控制系統117.3節

第26集 專家控制技術107.4節

第27集 電腦控制系統軟件概述108.1節

第28集 OPC技術78.4節

第29集 Web技術138.5節

第30集 數字濾波算法58.6節

第31集 現場總線概述89.1節

第32集 工業以太網概述119.3節

第33集 工業因特網技術139.5節

第34集 無線傳感網絡與物聯網149.6節

第35集 電磁兼容技術與抗乾擾設計概述1210.1節