前言

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”作為自動(dòng)化、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、機(jī)器人工程等專業(yè)的一門核心專業(yè)課，其課程體系已經(jīng)使用30多年，無(wú)論教學(xué)內(nèi)容還是所講技術(shù)均已陳舊，既不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代教學(xué)的需要，也不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。特別是在“新工科”的背景下，該課程的教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、所講技術(shù)迫切需要改革和更新。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不再僅僅是流程工業(yè)中的溫度、壓力、液位等過程控制，現(xiàn)在非常熱門的工業(yè)機(jī)器人、智能制造、自動(dòng)駕駛和邊緣計(jì)算等領(lǐng)域，也需要計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的支持。

目前，能夠把數(shù)電、模電、單片機(jī)原理、微機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理、現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)駕駛技術(shù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、分布式控制系統(tǒng)等課程或新技術(shù)融合在一起的課程非“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”莫屬。

現(xiàn)在，“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程一般只有32~40學(xué)時(shí)，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)既要講述計(jì)算機(jī)控制的傳統(tǒng)知識(shí)又要增加新的知識(shí)點(diǎn)，只有這樣才能夠更好地體現(xiàn)本課程的價(jià)值，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

本書采用新體系、新內(nèi)容、新技術(shù)，遵循“新工科”理念，為滿足近幾年新增專業(yè)（如機(jī)器人工程、人工智能等）或有關(guān)領(lǐng)域和行業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)控制新技術(shù)的迫切需求而編寫。

本書采用的教學(xué)體系與其說是一種改革，不如說是一種探索。“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”這門課從教學(xué)科研和專業(yè)建設(shè)發(fā)展需求來(lái)講，是一門既必需又重要的核心課。因此，本書的編寫本著與時(shí)俱進(jìn)的原則，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、專業(yè)學(xué)科建設(shè)等都具有積極的推動(dòng)作用。

本書是在機(jī)械工業(yè)出版社出版的《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》第3版教材的基礎(chǔ)上編寫而成，主要增修內(nèi)容如下。

1）保留“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程傳統(tǒng)的主要教學(xué)內(nèi)容，但內(nèi)容更精練，利于和傳統(tǒng)教學(xué)模式相銜接，方便教學(xué)，循序漸進(jìn)。

2）少講述“單片機(jī)原理”等課程的教學(xué)內(nèi)容，為了體系的需要有少量保留。

3）業(yè)界普遍認(rèn)為，以PID及其改進(jìn)算法作為數(shù)字控制器已經(jīng)能夠滿足85%以上的控制需求。本科生只需掌握幾種數(shù)字控制器的應(yīng)用，就可以為將來(lái)的工程應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。因此，本書不再講述直接數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)、極點(diǎn)配置、大林算法、史密斯預(yù)估控制等需要精確數(shù)學(xué)模型的控制算法，同時(shí)不再遵循深講理論基礎(chǔ)的教學(xué)思維，而是以控制算法的真實(shí)應(yīng)用為主。如果學(xué)生對(duì)某些控制算法感興趣或者有工作需要，可以選修學(xué)校開設(shè)的其他有關(guān)課程或自學(xué)。

4）增加了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)內(nèi)容。

5）重新編寫了現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一章，并增加了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)內(nèi)容。

6）重新編寫了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電磁兼容與抗干擾設(shè)計(jì)一章，刪除了部分內(nèi)容，并增加了抑制電磁干擾的隔離技術(shù)一節(jié)。

7）增加了云計(jì)算和邊緣計(jì)算的教學(xué)內(nèi)容。

8）增加了分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一章，并在該章中講述了工業(yè)控制系統(tǒng)性能評(píng)估和監(jiān)控。本書的教學(xué)內(nèi)容非常豐富，各高校可以根據(jù)本專業(yè)的具體需求有選擇地講述相關(guān)內(nèi)容。

另外，建議在教學(xué)環(huán)節(jié)指導(dǎo)學(xué)生完成一個(gè)“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”的綜合課程設(shè)計(jì)，分值可占總成績(jī)的30%左右。

本書共10章。第1章介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程、概念、組成、分類、總線技術(shù)及采用的技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)；第2章詳細(xì)講述了過程輸入/輸出通道，包括常用傳感器、變送器、執(zhí)行器、IEEE 1451智能變送器標(biāo)準(zhǔn)、采樣和模擬開關(guān)、模擬量輸入通道、12位低功耗A/D轉(zhuǎn)換器AD7091R、模擬量輸出通道、12/16位串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器AD5410/AD5420和數(shù)字量輸入/輸出通道；第3章詳述了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人，包括數(shù)控系統(tǒng)概述、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類、數(shù)控機(jī)床點(diǎn)位控制與點(diǎn)位/直線切削控制、CNC系統(tǒng)的組成與工作原理、開放式數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人概述、工業(yè)機(jī)器人的種類與應(yīng)用領(lǐng)域、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)與軟硬件組成、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、機(jī)器人操作臂位置軌跡追蹤控制；第4章講述了云計(jì)算和邊緣計(jì)算，包括云計(jì)算、邊緣計(jì)算概述、邊緣計(jì)算的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、邊緣計(jì)算的基礎(chǔ)資源架構(gòu)技術(shù)、邊緣計(jì)算軟件架構(gòu)、邊緣計(jì)算安全與隱私保護(hù)、APAX-5580/AMAX-5580邊緣智能控制器；第5章詳述了自動(dòng)駕駛技術(shù)，包括自動(dòng)駕駛技術(shù)概述、自動(dòng)駕駛技術(shù)架構(gòu)與分級(jí)、汽車線控技術(shù)、自動(dòng)駕駛汽車硬件平臺(tái)、汽車運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)駕駛環(huán)境感知和車載感知系統(tǒng)組成、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)架構(gòu)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的感知與定位技術(shù)、自動(dòng)駕駛汽車的決策與控制技術(shù)和自動(dòng)駕駛平臺(tái)技術(shù)；第6章講述了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法，包括被控對(duì)象的傳遞函數(shù)與性能指標(biāo)、PID控制、數(shù)字PID算法、PID參數(shù)整定、串級(jí)控制、前饋-反饋控制和模糊控制；第7章講述了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件概述、實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制層的軟件系統(tǒng)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、OPC技術(shù)、Web技術(shù)、常用數(shù)字濾波算法與程序設(shè)計(jì)、標(biāo)度變換與數(shù)據(jù)處理和工業(yè)控制組態(tài)軟件；第8章講述了現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)概述、常用現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；第9章講述了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電磁兼容與抗干擾設(shè)計(jì)，包括電磁兼容技術(shù)、抑制電磁干擾的隔離技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、抗干擾的硬件措施、抗干擾的軟件措施和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)；第10章講述了分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括DCS概述、第四代DCS的體系結(jié)構(gòu)和典型產(chǎn)品、DCS的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DCS軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、DCS的安全性和工業(yè)控制系統(tǒng)性能評(píng)估和監(jiān)控。

書中實(shí)例取自作者近幾年的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)科研攻關(guān)課題。對(duì)本書所引用的參考文獻(xiàn)作者，在此一并向他們表示真誠(chéng)的感謝。由于作者水平有限，加上時(shí)間倉(cāng)促，書中不妥之處在所難免，敬請(qǐng)廣大讀者指正。

編者