计算机基础及控制技术 标准 -

《计算机控制技术（第4版）》课程标准一、课程性质本课程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，循序渐进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。本课程列举了不同领域中使用的计算机测控系统实例，供不同行业的人员学习。本课程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。本课程可作为高等院校、职业院校自动控制、机电一体化、电气、机械及医疗仪器等专业的教学课程，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资料。二、课程任务全课程分为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。近年来，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，以便学生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。本课程在编写过程中，注重物理概念的叙述，避免复杂的数学推导，力求做到突出重点、通俗易懂、注重实用。三、课程目标该课程以计算机测控系统的技术框架为基础，通过九章内容展开论述：第一章概述计算机控制技术的基本概念与发展历程。第二章至第九章分别涵盖连续控制系统原理分析、传感器与执行器应用实例、输入输出接口技术实现、数据处理与抗干扰技术解决方案、数字控制算法推导、可编程序控制器工作原理及机器人技术应用等专题。课程中列举工业自动化、机械电子等多领域的计算机测控系统实例，强化理论与实践结合的教学目标。部分章节设置习题与实验环节，配套提供电子课件、四、学时分配《计算机控制技术（第4版）》知识模块与课时设置如下：理论学时为64学时。课程框架及学时分配如下表所示：序号项目名学时第1章计算机控制系统概述6第2章传感器8第3章执行器8第4章计算机过程输入/输出技术8第5章数据处理技术4第6章微机测控系统抗干扰技术4第7章数字PID控制8第8章可编程序控制器6第9章集散系统和CIMS系统简介4第10章飞速发展的机器人技术4第11章微机测控系统实例4合计64五、本课程主要教学内容第1章计算机控制系统概述学习目标本章从自动控制系统的工作原理入手，介绍了计算机控制系统的组成、类型和基本要求。自动控制系统研究的重点是反馈控制系统。为了维持某个参数恒定，需要将该参数引入系统形成负反馈，组成闭环定值控制系统。闭环控制系统的结构包括前向通道、反馈通道和干扰通道，其基本工作原理是检测偏差，纠正偏差。控制系统的基本要求包括稳定、准确、快速三个方面。本章介绍了评价控制系统性能时常用的外作用形式，还分别介绍了定值控制系统的传统控制指标和计算机控制系统中使用的综合指标。计算机控制系统是由软、硬件两部分组成的。学生应了解软、硬件两部分所包含的主要部件。自动控制系统和计算机控制系统有不同的分类方法，在我国实现四个现代化的过程中，计算机控制技术起着重要的作用。课时安排本章安排理论6学时主要教学内容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1.1.2自动控制系统的工作原理1.1.3自动控制系统的组成1.1.4自动控制系统的类型1.2被控对象的特性1.2.1被控对象特性的类型1.2.2被控对象特性的一般分析1.3对控制系统的基本要求1.3.1控制系统的典型外作用函数1.3.2闭环控制系统的过渡过程1.3.3闭环控制系统的控制指标1.3.4计算机控制系统的综合控制指标1.4计算机控制系统的组成和分类1.4.1计算机控制系统的一般概念1.4.2计算机控制系统的硬件组成1.4.3计算机控制系统的软件组成1.4.4计算机控制系统的分类第2章传感器学习目标传感器是自动测量控制系统的感觉器官，一个测控系统配备了良好的传感器就会像人一样耳聪目明，所以为了设计制造适合现代生产、生活需要的高质量测量控制装置，就必须具备必要的传感器知识。不同的物理量需要用不同的传感器进行测量，但是同一种传感器可以直接或间接地测量不同的物理量。有些传感器需要和被测物理量接触才能测量该物理量，而有些传感器可以实现非接触测量，甚至实现遥测遥感。为了设计出高性价比的测控系统，选择传感器时要综合考虑传感器的使用目的、性能指标、环境条件、成本等各个方面。随着现代科学技术的飞速发展，传感器的发展也异常迅速，灵活地应用各种各样的传感器可以设计出功能强大、性能优越的现代测控系统。希望学生注意学习和收集各种传感器的技术资料，尤其是新型传感器的技术资料，以便利用最新的传感器技术设计出高性价比的产品。课时安排本章安排理论8学时主要教学内容2.1传感器概述2.1.1传感器的作用及组成2.1.2传感器的分类2.1.3对传感器的主要技术要求2.1.4不同领域使用的传感器2.1.5用于机器人的传感器2.1.6家用设施所需的传感器2.1.7医疗卫生保健领域使用的主要传感器2.2机械量传感器2.2.1压电式压力传感器2.2.2电感式接近传感器2.2.3光栅位移传感器2.3热工量传感器2.3.1集成温度传感器2.3.2高分子材料湿度传感器2.3.3涡流流量传感器2.4光传感器2.4.1光电式传感器2.4.2红外光传感器2.4.3紫外线传感器2.5其他传感器2.5.1气敏传感器2.5.2超声波传感器2.5.3霍尔传感器2.5.4数字式传感器第3章执行器学习目标执行器是控制系统的一个极其重要的环节，根据执行器使用的能量形式，执行器分为气动、液动、电动三大类型。气动执行器结构简单、输出推力大、动作可靠、维修方便、具有防火防爆等突出优点，广泛应用在化工、炼油、冶金、电力、纺织等具有易燃易爆物的场所。液压执行器推力大、精度高，但是结构复杂、价格较贵，故较少使用。电动执行器最易于使用，因此使用最为广泛。本章主要介绍了执行器的基本工作原理及和计算机的连接方法，目的是为学习和设计计算机控制系统打下必要的理论基础。学生在设计控制系统选择执行器时，还会发现许多具体的技术问题，需要进一步学习，请参阅各种与执行器有关的技术手册或说明书。一个测量控制系统要稳定可靠地工作，必须解决安全防爆问题，除了选择合适的火花安全的控制元器件，从控制室到现场还要配置防爆栅才能构成安全火花防爆系统。为了使控制系统连续可靠地工作，系统还要具有手动/自动、无扰动切换的功能，使系统在调试或发生故障时由人工进行操作控制，并且在系统恢复正常后能无扰动地切换到自动控制状态。课时安排本章安排理论8学时主要教学内容3.1执行器概述3.1.1执行器应具备的主要技术特征3.1.2执行器的分类及特点3.2气动执行器3.2.1气动执行器的基本结构和工作原理3.2.2气动执行器与计算机的连接3.3电动执行器3.3.1伺服电动机3.3.2步进电动机3.3.3调节阀3.3.4电磁阀3.3.5固态继电器3.4液压执行器3.5防爆栅和自动/手动、无扰动切换3.5.1防爆栅3.5.2自动/手动、无扰动切换第4章计算机过程输入/输出技术学习目标计算机过程输入/输出通道是计算机与外部世界之间的纽带和桥梁，是计算机控制系统、智能测量仪表，以及以微控制器为基础组成的各种产品的重要组成部分。本章介绍了输入/输出通道的基本结构、组成和实现方法。输入模拟信号在A/D转换之前，首先要进行必要的处理，如进行必要的滤波、信号变换及放大（或衰减），有时还要进行必要的补偿。模拟量输入通道完成采样和量化的任务，其基本的部件是A/D转换器。A/D转换器的字长应该根据输入信号的动态范围和对系统分辨率的要求权衡确定，当信号变化较慢且抗干扰要求较高时，可采用V/F转换器组成A/D转换器。模拟量输出通道完成D/A转换和数据分配的任务，并且具有保持功能，其基本部件是D/A转换器。模拟量输出通道可实现单极性或双极性2种电压输出形式，当需要电流输出时，可经过V/I变换实现。究竟采用何种输出方式，应根据执行机构的要求确定。数字量输入/输出通道可以实现数字量或开关量的输入/输出，是计算机测控系统中重要的组成部分。为了提高系统的抗干扰能力，模拟量和数字量输入/输出通道一般都要采用光电耦合器进行隔离。在实际组成计算机测控系统时，可以设计或直接选用现成的输入/输出模板，因此本章也介绍了有关的设计方法。通过I/O接口，在CPU控制下向存储器传送数据的速度是比较慢的。当传送大量数据时，可采用存储器直接传送方式（DMA），以实现数据的高速输入/输出。课时安排本章安排理论8学时主要教学内容4.1模拟量输入通道4.1.1输入信号的处理4.1.2模拟多路开关4.1.3程控增益放大器4.1.4采样和采样定理4.1.5A/D转换器及其和中央处理器（CPU）的连接4.2模拟量输出通道4.2.1模拟量输出通道的结构形式4.2.2D/A转换器和CPU的连接4.2.3D/A转换器的输出方式4.2.4D/A转换模板的通用性4.3开关量输入/输出通道4.3.1数字量输入接口4.3.2数字量输出接口第5章数据处理技术学习目标了解数字滤波法、标度变换和线性化处理法、查表法及报警处理法。由于数字滤波具有突出的优点，能够滤除模拟滤波器无法滤除的干扰或获得比模拟滤波器更好的效果，所以计算机测控系统除了在硬件电路中需要设计必要的模拟滤波器，一般还要用软件对采样进来的数字信号进一步进行数字滤波。学生应掌握各种数字滤波器的工作原理和使用场合。本章还介绍了标度变换和线性化处理法，学生应掌握为什么要进行标度变换和线性化处理，掌握标度变换和线性化处理的具体方法。课时安排本章安排理论4学时主要教学内容5.1数字滤波5.1.1惯性滤波法5.1.2算术平均值滤波法5.1.3加权平均滤波法5.1.4中值滤波法5.1.5防脉冲干扰平均值法（复合滤波法）5.1.6滑动平均滤波法5.1.7程序判断滤波法5.2标度变换与线性化处理5.2.1标度变换5.2.2线性化处理5.3查表技术5.3.1顺序查表法5.3.2折半查表法5.3.3计算查表法5.4报警处理5.4.1越限报警5.4.2声、光和语音报警第6章抗干扰技术学习目标微机测控系统一般在现场工作，这些测控现场环境比较恶劣，存在各种各样的干扰，如果微机测控系统没有足够的抗干扰能力，即使总体设计、各个部件的设计及软件设计都很合理，也未必能够很好地工作。另外，干扰千奇百怪，几乎没有任何两个系统的干扰是完全相同的；即使是同一种干扰现象，对不同的系统产生的影响也不可能相同。因此，抗干扰设计必须根据具体系统所受到的具体干扰情况提出对应的措施。在设计过程中虽然需要理论的指导，但是更主要的是靠经验的积累。建议学生在今后的工作和学习中注意进一步积累抗干扰的各种经验，只有这样，才能够随机应变，把干扰衰减到允许的范围内，使系统正常工作。课时安排本章安排理论4学时主要教学内容6.1干扰的来源和传播途径6.1.1干扰的种类6.1.2干扰的传播途径6.2干扰抑制的基本原则6.3干扰抑制技术6.3.1电源系统的抗干扰措施6.3.2接地系统的抗干扰措施6.3.3I/O接口的抗干扰措施6.3.4输入/输出传输线的抗干扰措施6.3.5静电和电磁的抗干扰措施6.3.6软件的抗干扰措施第7章数字PID控制学习目标了解计算机控制中应用最广泛的数字PID算法。数字PID算法有位置式和增量式两种形式。在PID算式中，由于积分项的存在，可能会引起积分饱和。学生需了解克服积分饱和和抑制干扰的方法及其他各种改进算法。在实际应用中，还有很多对PID算法的改进形式。在本章学习过程中需了解PID程序设计中应该考虑的几个问题。按本章介绍的参数确定法确定好参数后，还应通过给定值变化及主要干扰下的阶跃扰动进一步实验，考察系统的调节品质，根据各参数对系统响应的影响，进一步调整参数，反复试凑，直到满意为止。由于PID控制参数少，所以即使用试凑法，也可以完成参数确定的目的。需要指出的是，同一调节质量有可能由不同的参数组合实现。除了本章介绍的扩充临界比例度法，在实践中还有其他确定方法，以及各种参数自确定和在线优化的方法。课时安排本章安排理论8学时主要教学内容7.1数字PID控制算法7.1.1连续控制系统的PID控制规律7.1.2位置式PID算法7.1.3增量式PID算法7.1.4设计PID程序时应考虑的若干问题7.2积分饱和及其抑制7.2.1积分饱和的原因及其影响7.2.2积分饱和的抑制7.3数字PID控制算法的改进7.3.1对微分项的改进7.3.2带死区的PID控制算法7.3.3给定值突变时的改进算法7.3.4砰砰-PID复合控制算法7.4PID调节器参数的确定与在线修改7.4.1扩充临界比例度法7.4.2PID参数的在线修改第8章可编程序控制器学习目标了解PLC的工作原理、硬件组成、编程语言和程序设计方法。PLC是专为工业环境应用设计的，抗干扰能力强，编程语言简单易学，系统扩展组态方便，软件功能丰富，编程设计方便。PLC既可以代替继电器逻辑实现顺序控制，也可以对模拟量进行控制，并且可以利用PLC本身的网络通信功能组成分级分布式大型控制系统。由于PLC具有这一系列特点，已经在计算机控制领域获得了广泛的应用。学生如果掌握了本章介绍的内容，再结合本教材介绍的其他知识，就能够为今后开发应用PLC技术打下良好的基础。课时安排本章安排理论6学时主要教学内容8.1PLC的工作原理与硬件组成1608.1.1PLC的基本组成部件1608.1.2PLC的特点1618.1.3PLC的应用1618.1.4PLC的工作原理1628.1.5PLC的硬件1638.2PLC的编程语言及软件设计1648.2.1梯形图编程语言1648.2.2顺序功能图编程语言1708.3PLC控制注塑机1758.3.1注塑机的工艺流程1758.3.2确定I/O点及分配I/O地址1768.3.3控制系统梯形图1768.3.4梯形图指令表第9章集散系统和CIMS系统简介学习目标掌握集散系统和计算机集成制造系统的重要特点、体系结构及组成部件，以及它们的技术基础，并且对若干典型产品做了简单的介绍，目的是拓宽读者的知识面，了解计算机控制系统的发展趋势。实际上，学生学习了本教材以后，也能够胜任DCS和CIMS的维护运行工作。课时安排本章安排理论4学时主要教学内容9.1集散系统1809.1.1DCS的主要特点1809.1.2DCS的基本组成部件1819.1.3DCS的结构特点1829.1.4DCS的体系结构1839.1.5典型DCS的简介1849.2计算机集成制造系统（CIMS）简介1869.2.1CIMS追求生产活动的整体优化1869.2.2CIMS的组成1879.2.3CIMS的基础技术1889.2.4CIMS的结构第10章飞速发展的机器人技术学习目标了解飞速发展的机器人技术，从机器人的原则和定义，到机器人的分类和机器人技术的主要内容。了解机器人常用的传感器和执行器（驱动器）的内容；了解机器人控制系统的特点和运动控制方式，了解机器人的发展历史和发展趋势。机器人技术还在突飞猛进地发展，机器人必将越来越多地服务于人类生产和生活的方方面面，对人类的生产和生活，甚至人类的生存和发展产生巨大的影响。学生需要学会和机器人和谐相处，对机器人技术的发展保持充分的重视。课时安排本章安排理论4学时主要教学内容10.1机器人原则和定义19310.1.1机器人原则19310.1.2机器人定义19310.1.3机器人系统的基本组成194?10.2机器人的分类19510.2.1工业机器人的分类19510.2.2特种机器人的分类19710.3机器人技术的主要内容19710.3.1工业机器人主要涉及的技术19710.3.2机器人行业中的十大前沿技术19810.4机器人常用的传感器19910.4.1内部传感器和外部传感器19910.4.2机器人常用的外部传感器20010.5机器人的驱动系统20210.5.1传统驱动器20210.5.2新型驱动器20210.6机器人控制系统20510.6.1机器人控制系统的基本概念20510.6.2机器人控制系统的运动控制方式20610.7机器人的发展历史和发展趋势20710.7.1机器人的发展历史20710.7.2我国机器人行业的