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| 編輯推薦： |
本书系统论述了计算机控制系统的理论基础、硬件设计、软件实现及实际应用，如工业机器人、自动驾驶和云计算等。特别强调理论与实践的结合，通过具体案例分析，展示计算机控制技术在实际工程中的应用，培养读者的工程实践能力和创新思维。书中内容丰富，既包括对新兴技术的介绍，又涉及工程实际应用的讨论。此外，书中提供了大量的图表、示例和习题，有助于提高读者的学习效率。全书具有如下特点：
? 基础理论全面 本书全面地介绍了计算机控制理论与技术，不仅介绍了传统控制技术，还论述了先进控制技术。书中内容涵盖了计算机控制技术的基础知识、核心原理、设计方法、应用实例等，构建了完整的知识体系，便于读者系统地学习计算机控制技术。
? 应用案例丰富 本书强调理论与实践的平衡，每个知识点均突出工程应用价值，提供大量的实际应用案例，这些案例涵盖了工业自动化、智能制造、自动驾驶汽车等多个领域，有助于读者将理论知识与实际工程实践相结合，提高解决实际问题的能力。
? 涉及技术前沿 本书除了介绍计算机控制技术的原理、方法与实现，还论述了工业机器人、智能制造、自动驾驶、云计算等新兴技术，展示了计算机控制技术的最新趋势。
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| 內容簡介： |
全书共分11章，主要内容为：计算机控制系统的组成、分类、采用的技术和发展趋势；微控制器与总线技术；集散控制系统（DCS）；计算机控制系统的硬件设计；计算机控制中的新兴技术及应用；常规和复杂控制技术；先进控制技术；计算机控制系统的软件设计、工业控制网络技术；计算机控制系统的电磁兼容与抗干扰设计；计算机控制系统设计实例。全书内容丰富，体系先进，结构合理，理论与实践相结合，尤其注重工程应用技术。
本书可作为高等院校各类自动化、机器人工程、自动检测、机电一体化、人工智能、电子与电气工程、计算机应用、信息工程等专业的本科教材，同时可以作为相关专业的研究生教材，也适用于从事计算机控制系统设计的工程技术人员参考和自学。
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| 關於作者： |
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李正军 山东大学教授，硕士研究生导师，知名的嵌入式系统、自动控制、现场总线与工业以太网专家。1984年毕业于山东大学数学系，同年留山东大学数学系任教。先后担任“211工程”重点建设项目“现场总线技术实验室”负责人、控制科学与工程学院“微机原理”课程负责人，曾获山东大学优秀教师荣誉称号。兼任中国电气工业协会设备网现场总线分会理事、全国电器设备网络通信接口标准化委员会委员、中国机械行业标准《低压电气通信规约》审稿人。发表科研与教学论文50余篇，出版著作25部。先后承担省部级与企业企业级科研课题30余项。主要研究方向包括嵌入式系统、RISC-V开源技术、计算机控制、现场总线与工业以太网应用技术、高端医疗器械、电力网络监测仪表等。
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| 目錄：
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第1章绪论
微课视频26分钟
1.1计算机控制系统的理论基础和发展过程
1.1.1计算机控制系统的理论基础
1.1.2计算机控制系统的发展过程
1.2计算机控制系统的概念
1.2.1常规控制系统
1.2.2计算机控制系统
1.3计算机控制系统的组成
1.3.1计算机控制系统的硬件
1.3.2计算机控制系统的软件
1.4计算机控制系统的分类
1.4.1数据采集系统
1.4.2直接数字控制系统
1.4.3集散控制系统
1.4.4监控与数据采集系统
1.4.5现场总线控制系统
1.4.6网络控制系统
1.4.7综合自动化系统
1.5计算机控制系统的发展趋势
第2章微控制器与总线技术
微课视频13分钟
2.1微控制器技术
2.1.1国外生产微控制器的厂商及其微控制器产品
2.1.2国内生产微控制器的厂商及其微控制器产品
2.2内部总线
2.2.1PCI总线
2.2.2PCIe总线
2.2.3PC104总线
2.3外部总线
2.3.1RS232C串行通信接口
2.3.2RS485串行通信接口
第3章集散控制系统
微课视频16分钟
3.1集散控制系统概述
3.1.1集散控制系统定义
3.1.2DCS与PLC、SCADA的区别
3.1.3集散控制系统特点
3.1.4工业生产行业分类及其对应的工业控制系统
3.2集散控制系统的基本结构
3.3集散控制系统的体系结构
3.3.1集散控制系统的各层功能
3.3.2集散控制系统基本构成
3.3.3集散控制系统的结构特征
3.4集散控制系统的构成示例
3.4.1Experion PKS系统
3.4.2Foxboro Evo过程自动化系统
3.5ECS700集散控制系统
3.5.1ECS700 neo
3.5.2ECS700的分散控制装置
第4章计算机控制系统的硬件设计
微课视频52分钟
4.1传感器
4.1.1传感器的定义、分类及构成
4.1.2传感器的基本性能
4.1.3传感器的应用领域
4.1.4过程自动化常用传感器
4.1.5工业机器人常用传感器
4.1.6自动驾驶汽车常用传感器
4.2变送器
4.2.1变送器的构成原理
4.2.2差压变送器
4.2.3温度变送器
4.3执行器
4.3.1概述
4.3.2执行机构
4.3.3调节机构
4.4量程自动转换与系统误差的自动校正
4.4.1模拟量输入信号类型
4.4.2量程自动转换
4.4.3系统误差的自动校正
4.5采样和模拟开关
4.5.1信号和采样定理
4.5.2模拟开关
4.5.332通道模拟量输入电路设计实例
4.6模拟量输入通道
4.712位低功耗ADC AD7091R
4.7.1AD7091R引脚介绍
4.7.2AD7091R应用特性
4.7.3AD7091R数字接口
4.7.4AD7091R与STM32F103的接口
4.8模拟量输出通道
4.912/16位4~20mA串行输入DAC AD5410/AD5420
4.9.1AD5410/AD5420引脚介绍
4.9.2AD5410/AD5420片内寄存器
4.9.3AD5410/AD5420应用特性
4.9.4AD5410/AD5420数字接口
4.9.5AD5410/AD5420与STM32F103的接口
4.10数字量输入/输出通道
4.10.1光电耦合器
4.10.2数字量输入通道
4.10.3数字量输出通道
4.10.4脉冲量输入/输出通道
第5章计算机控制中的新兴技术及应用
微课视频50分钟
5.1工业机器人概述
5.1.1工业机器人的定义
5.1.2工业机器人的组成
5.1.3工业机器人的主要特征与表示方法
5.2工业机器人种类与前沿技术
5.2.1工业机器人种类
5.2.2工业机器人的前沿技术
5.3工业机器人控制系统与软硬件组成
5.3.1工业机器人控制系统的基本原理和主要功能
5.3.2工业机器人控制系统的分层结构
5.3.3工业机器人控制系统的特性、要求与分类
5.4工业人工智能
5.5智能制造
5.5.1智能制造及其技术体系
5.5.2智能制造技术
5.5.3中国制造2025
5.6自动驾驶汽车技术概述
5.6.1自动驾驶系统架构
5.6.2自动驾驶功能体系架构
5.6.3自动驾驶闭环控制系统
5.6.4自动驾驶的行业案例
5.7自动驾驶汽车技术架构与分级
5.7.1自动驾驶汽车技术架构
5.7.2NHTSA与SAE自动驾驶分级
5.7.3中国自动驾驶分级
5.8汽车线控系统技术
5.8.1汽车线控技术概述
5.8.2车辆线控系统
5.9汽车运动控制
5.9.1汽车运动控制概述
5.9.2预瞄跟随控制
5.9.3横向控制
5.9.4纵向控制
5.9.5横纵向协同控制
5.10云计算
5.10.1云计算概述
5.10.2云计算的基本特点
5.10.3云计算的总体架构
5.10.4云计算的总体分层架构
5.10.5云计算的服务模式
5.11边缘计算
5.11.1边缘计算简介
5.11.2边缘计算的模型
5.11.3边缘计算的基本结构和特点
5.11.4边缘计算软件架构
5.12APAX5580/AMAX5580边缘智能控制器
5.12.1APAX5580的边缘智能控制器
5.12.2AMAX5580的边缘智能控制器
5.12.3APAX5580/AMAX5580边缘智能与I/O一体化控制器主要特点
5.12.4APAX5580/AMAX5580边缘智能控制器的优势
5.12.5APAX5580/AMAX5580的应用软件
5.12.6APAX5580/AMAX5580的边缘智能控制器的应用
第6章常规与复杂控制技术
微课视频33分钟
6.1被控对象的数学模型与性能指标
6.1.1被控对象的动态特性
6.1.2数学模型的表达形式与要求
6.1.3计算机控制系统被控对象的传递函数
6.1.4计算机控制系统的性能指标
6.1.5对象特性对控制性能的影响
6.2PID控制
6.2.1PID控制概述
6.2.2PID调节的作用
6.3数字PID算法
6.3.1PID算法
6.3.2PID算法的仿真
6.3.3PID算法的改进
6.4PID参数整定
6.4.1PID参数对控制性能的影响
6.4.2采样周期的选取
6.4.3扩充临界比例度法
6.5串级控制
6.5.1串级控制算法
6.5.2副回路微分先行串级控制算法
6.6前馈反馈控制
6.6.1前馈控制的结构
6.6.2前馈反馈控制的结构
6.6.3数字前馈反馈控制算法
6.7数字控制器的直接设计方法
6.7.1基本概念
6.7.2最少拍无差系统
6.7.3最少拍无纹波系统
6.8大林算法
6.8.1大林算法的基本形式
6.8.2振铃现象的消除
6.8.3大林算法的设计步骤
6.9史密斯预估控制
6.9.1史密斯预估控制原理
6.9.2史密斯预估控制举例
第7章先进控制技术
微课视频38分钟
7.1模糊控制
7.1.1模糊控制的数学基础
7.1.2模糊控制系统组成
7.1.3模糊控制器设计
7.1.4双输入单输出模糊控制器设计
7.2模型预测控制
7.2.1动态矩阵控制
7.2.2模型算法控制
7.3神经控制系统
7.3.1生物神经元和人工神经元
7.3.2人工神经网络
7.3.3神经控制系统概述
7.3.4神经控制器的设计方法
7.4专家控制技术
7.4.1专家系统概述
7.4.2专家控制系统
第8章计算机控制系统软件设计
微课视频35分钟
8.1计算机控制系统软件概述
8.1.1计算机控制系统软件的分层结构
8.1.2计算机控制系统软件的设计策略
8.1.3计算机控制系统软件的功能和性能指标
8.2实时多任务系统
8.2.1实时系统和实时操作系统
8.2.2实时多任务系统的切换与调度
8.3软件系统平台
8.3.1软件系统平台的选择
8.3.2μC/OSⅡ内核调度基本原理
8.4OPC技术
8.4.1OPC技术概述
8.4.2OPC关键技术
8.4.3工业控制领域中的OPC应用实例
8.5Web技术
8.5.1Web服务器端技术
8.5.2Web客户端技术
8.5.3SCADA系统中的Web应用方案设计
8.6常用数字滤波算法与程序设计
8.6.1程序判断滤波
8.6.2中值滤波
8.6.3算术平均滤波
8.6.4加权平均滤波
8.6.5低通滤波
8.6.6滑动平均滤波
8.7标度变换
8.7.1线性标度变换
8.7.2非线性标度变换
第9章工业控制网络技术
微课视频46分钟
9.1现场总线概述
9.1.1现场总线的产生
9.1.2现场总线的特点和优点
9.1.3现场总线标准的制定
9.1.4现场总线网络的实现
9.2现场总线简介
9.2.1FF
9.2.2CAN和CAN FD
9.2.3LonWorks
9.2.4PROFIBUS
9.3工业以太网概述
9.3.1以太网技术
9.3.2工业以太网技术
9.3.3工业以太网通信模型
9.3.4工业以太网的优势
9.3.5实时以太网
9.3.6实时工业以太网模型分析
9.3.7几种实时工业以太网的对比
9.4工业以太网简介
9.4.1EtherCAT
9.4.2PROFINET
9.4.3EPA
9.5工业互联网技术
9.5.1工业互联网概述
9.5.2工业互联网的内涵与特征
9.5.3工业互联网技术体系
9.5.4工业互联网平台
9.6无线传感器网络与物联网
9.6.1无线传感器网络
9.6.2物联网
第10章计算机控制系统的电磁兼容与抗干扰设计
微课视频12分钟
10.1电磁兼容技术与抗干扰设计概述
10.1.1电磁兼容技术的发展
10.1.2电磁噪声干扰
10.1.3电磁噪声的分类
10.1.4构成电磁干扰问题的三要素
10.1.5电磁兼容与抗干扰设计研究的内容
10.2抗干扰的硬件措施
10.2.1抗串模干扰的措施
10.2.2抗共模干扰的措施
10.2.3采用双绞线
10.2.4地线连接方式与PCB布线原则
10.3抗干扰的软件措施
10.3.1数字信号输入/输出中的软件抗干扰措施
10.3.2CPU软件抗干扰技术
第11章计算机控制系统设计实例
11.1基于现场总线与工业以太网的集散控制系统的总体设计
11.1.1集散控制系统概述
11.1.2现场控制站的组成
11.1.3集散控制系统通信网络
11.1.4集散控制系统控制卡的硬件设计
11.1.5集散控制系统控制卡的软件设计
11.1.6控制算法的设计
11.2集散控制系统的测控板卡设计
11.2.18通道模拟量输入板卡(8AI)的设计
11.2.28通道热电偶输入板卡(8TC)的设计
11.2.38通道热电阻输入板卡(8RTD)的设计
11.2.44通道模拟量输出板卡(4AO)的设计
11.2.516通道数字量输入板卡(16DI)的设计
11.2.616通道数字量输出板卡(16DO)的设计
11.2.78通道脉冲量输入板卡(8PI)的设计
11.3集散控制系统软件系统的关键技术
11.3.1集散控制系统的图形用户界面
11.3.2分布对象技术
11.3.3集散控制系统监控软件中的开放式数据库接口技术
11.3.4B/S体系结构的监控软件
11.3.5实时数据库系统
11.3.6历史数据库系统
参考文献
视 频 名 称时长/min位置
第1集 计算机控制系统的概念71.2节
第2集 计算机控制系统的组成71.3节
第3集 计算机控制系统的分类121.4节
第4集 内部总线52.2节
第5集 外部总线82.3节
第6集 集散控制系统概述63.1节
第7集 集散控制系统的体系结构103.3节
第8集 传感器134.1节
第9集 采样和模拟开关64.5节
第10集 模数转换器94.6节
第11集 模数转换器AD7091R74.7节
第12集 数模转换器94.8节
第13集 数模转换器AD5410/AD542084.9节
第14集 工业机器人概述125.1节
第15集 自动驾驶汽车技术概述105.6节
第16集 云计算155.10节
第17集 边缘计算135.11节
第18集 PID控制86.2节
第19集 数字PID算法56.3节
第20集 PID参数整定96.4节
第21集 串级控制86.5节
第22集 前馈反馈控制36.6节
第23集 模糊控制97.1节
第24集 模型预测控制87.2节
第25集 神经控制系统117.3节
第26集 专家控制技术107.4节
第27集 计算机控制系统软件概述108.1节
第28集 OPC技术78.4节
第29集 Web技术138.5节
第30集 数字滤波算法58.6节
第31集 现场总线概述89.1节
第32集 工业以太网概述119.3节
第33集 工业互联网技术139.5节
第34集 无线传感网络与物联网149.6节
第35集 电磁兼容技术与抗干扰设计概述1210.1节
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| 內容試閱：
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在这个技术日新月异的时代，计算机控制系统作为现代工业自动化的脊梁，承担着提高生产效率、保障产品质量和促进技术创新的重任。计算机控制系统已经成为现代工业自动化和智能制造的核心。本书旨在提供一个系统的知识结构，帮助读者深入理解计算机控制系统的理论基础、设计原则、实践应用以及未来发展方向。
“计算机控制技术”课程是自动化、自动检测技术、机器人工程等专业的一门核心专业课，其课程体系已经沿用30多年，无论教学内容还是所讲技术，均已陈旧，既不能满足社会经济发展和现代教学的需要，也不能激发学生的学习热情。特别是在“新工科”的背景下，该课程的教学体系、教学内容、所讲技术迫切需要改革和更新。计算机控制的应用场景不再仅仅是流程工业中的温度、压力、液位等过程控制，现在非常热门的领域或行业，如工业机器人、智能制造、自动驾驶和边缘计算等，均需要计算机控制技术的支持。
本书的特点主要体现在以下几方面。
（1） 理论与实践相结合。本书在编写过程中注重理论知识与实际应用的结合，不仅系统地介绍了计算机控制系统的理论基础，还通过具体的设计案例展示了理论知识在实际工程中的应用，旨在培养读者的工程实践能力和创新思维。
（2） 内容全面系统。全书内容覆盖计算机控制系统设计的各个重要组成部分，从基础概念、硬件设计、软件设计到先进控制技术、工业网络通信技术及电磁兼容等，为读者提供了一个全面、系统的知识结构。
（3） 前沿技术介绍。本书着重介绍了计算机控制领域的新兴技术及应用，如工业机器人、智能制造、自动驾驶汽车技术、云计算和边缘计算等，反映了计算机控制技术的最新发展趋势，为读者打开了一扇了解未来技术发展的窗口。
（4） 丰富的学习资源。书中设置了大量的图表和案例，旨在帮助读者更好地理解和掌握计算机控制技术的相关知识。同时，本书提供了丰富的参考文献，便于读者深入研究和拓展知识。
（5） 专业性强。本书基于编者30多年的教学与科研实践经验编写，吸收了国内外计算机控制系统设计中的最新技术，专业性强，既适用于高等院校相关专业的本科生和研究生的教学，也可作为从事计算机控制系统设计的工程技术人员的参考书籍。
（6） 注重工程应用价值。本书在理论讲解和实践操作之间寻求平衡，强调每个知识点的工程应用价值，旨在帮助读者将所学知识应用于实际工程项目中，推动计算机控制技术的进步和工业自动化的发展。
全书共11章。第1章为绪论，从计算机控制理论的基础出发，回顾其发展历程，逐步引入计算机控制系统的基本概念，展开对其组成部分的阐述，并进行分类，探讨当前计算机控制系统采用的技术，并对未来的发展趋势进行预测，为读者提供一个宏观的视角理解这一领域。
第2章为微控制器与总线技术，讲述了微控制器技术的特点和内部/外部总线技术。这些是构成计算机控制系统的基础，理解这些技术对于深入掌握计算机控制系统至关重要。
第3章深入讲述了集散控制系统的基本概念、基本结构、体系结构以及构成示例，特别对ECS700集散控制系统进行了案例分析，以便读者能够通过实例更好地理解理论。
第4章为计算机控制系统的硬件设计，详细讲解了传感器、变送器、执行器等硬件组件，以及它们在控制系统中的关键作用和设计要点。此外，本章还涵盖了量程自动转换、系统误差的自动校正、采样和模拟开关技术，以及模拟量/数字量输入/输出通道的设计，为读者提供硬件设计的全面知识。
第5章为计算机控制中的新兴技术及应用，讲述了工业机器人、智能制造、自动驾驶汽车技术、云计算和边缘计算等前沿技术。这些内容不仅反映了计算机控制技术的最新发展趋势，也为读者打开了一扇探寻未来可能技术发展的大门。
第6章为常规与复杂控制技术，从被控对象的数学模型出发，深入讨论性能指标的重要性，以及如何通过PID控制、数字PID算法等方法实现对系统的精确控制。本章不仅涵盖了控制理论的经典内容，也介绍了串级控制、前馈反馈控制等复杂控制技术，为读者打开了一扇理解和应用高级控制策略的窗口。
第7章为先进控制技术，将视野拓展至模糊控制、模型预测控制、神经控制系统以及专家控制技术等领域。这些内容不仅体现了控制技术的最新研究成果，也为读者展示了如何将先进的控制理论应用于解决实际问题。
第8章为计算机控制系统的软件设计，引导读者了解计算机控制系统软件的核心概念，探讨实时多任务系统的设计与实现，以及如何利用OPC技术、Web技术等实现系统的高效运行。
第9章为工业控制网络技术，讲述现场总线、工业以太网、工业互联网以及无线传感网络与物联网技术，这些内容是理解现代工业网络通信的基础，并为构建未来工业系统提供了必要的技术支持。
第10章为计算机控制系统的电磁兼容与抗干扰设计，讲述计算机控制系统设计中的电磁兼容问题，提供一系列硬件与软件的抗干扰措施，以确保系统的稳定性和可靠性。
第11章为计算机控制系统设计实例，通过具体的设计案例，将理论与实践相结合，展示计算机控制系统设计的综合应用。
本书旨在为工程师、学生以及所有对计算机控制系统感兴趣的读者提供一本全面的参考书籍。希望通过本书，读者能够获得宝贵的知识，激发创新思维，并在实践中应用所学，以推动计算机控制技术的进步和工业自动化的发展。
本书不仅适用于高等院校自动化、机器人工程、自动检测、机电一体化、人工智能、电子与电气工程、计算机应用、信息工程等相关专业的本科生和研究生的教学，而且可以作为从事计算机控制系统设计的工程技术人员的参考书。书中的内容力求覆盖最新的技术动态和工程实践，同时在理论讲解和实践操作之间寻求平衡，以培养读者的工程实践能力和创新思维。
在编写本书的过程中，编者努力确保每一章节的内容都准确、清晰、易于理解，同时注重每个知识点的工程应用价值。为了更好地服务于读者的学习和应用，书中设置了大量的图表和案例，并提供了丰富的参考文献，以便读者深入研究和拓展知识。
本书理论联系实际，突出工程应用，全面系统地介绍了计算机控制系统的各个重要组成部分，是在编者30多年教学与科研实践经验的基础上，吸收了国内外计算机控制系统设计中所用的最新技术编写而成的。
本书是编者教学和科研实践的总结，书中实例取自编者近几年的计算机控制系统的科研攻关课题。对本书中所引用的参考文献的作者，在此一并表示真诚的感谢。
由于编者水平有限，加上时间仓促，书中不妥之处在所难免，敬请广大读者不吝指正。
编者
2024年10月
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