第一篇：计算机控制技术

《计算机控制技术》课程综述

09热工一班姚跃辉200910610118

计算机控制是自动控制理论与计算机技术相结合而产生的一门新兴学科，计算机控制技术是随着计算机技术的发展而发展起来的。自动控制技术在许多工业领域获得了广泛的应用，但是由于生产工艺日益复杂，控制品质的要求越来越高，简单的控制理论有时无法解决复杂的控制问题。计算机的应用促进了控制理论发展，先进的控制理论和计算机技术相结合推动计算机控制技术不断前进。近年来，随着计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、网络与通信技术、微电子技术、CRT显示技术、现场总线智能仪表、软件技术以及自控理论的高速发展，计算机控制的技术水平大大提高，计算机控制系统的应用突飞猛进。利用计算机控制技术，人们可以对现场的各种设备进行远程监控，完成常规控制技术无法完成的任务，微型计算机控制已经被广泛地应用于军事、农业、工业、航空航天以及日常生活的各个领域。可以说，21世纪是计算机和控制技术获得重大发展的时代，大到载人航天飞船的研制成功，小到日用的家用电器，甚至计算机控制的家庭主妇机器人，到处可见计算机控制系统的应用。计算机控制技术的发展日新月异，作为现代从事工业控制和智能仪表研究、开发及使用的技术人员，必须不断学习，加快知识更新的速度，才能适应社会的需要，才能在工业控制领域里继续邀游。计算机控制系统是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。

计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统。在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出时数字信号，而现场采集到得信号或送到执行机构的信号大多是模拟信号，因此与常规的按偏差控制的闭环负反馈系统相比，计算机控制系统需要有莫属转换器和数模转换器这两个环节。

计算机把通过测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈到输入端与设定值进行比较，然后根据要求按偏差进行运算，所得到数字量输出信号经过数模转换器送到执行机构，对被控对象进行控制，使被控变量稳定在设

定值上。这种系统称为闭环控制系统。

计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。

（1）数据采集系统

在这种应用中，计算机只承担数据的采集跟处理工作，而不直接参与控制。它对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录及变量的超限报警，同时对这些变量进行累计分析和实时分析，得出各种趋势分析，为操作人员提供参考。

（2）直接数字控制系统

计算机根据控制规律进行运算，然后将结果经过过程输出通道，作用到被控对象，从而使被控变量符合要求的性能指标。与模拟系统不同之处在于，在模拟系统中，信号的传送不需要数字化；而数字系统必须先进行模数转换，输出控制信号也必须进行数模转换，然后才能驱动执行机构。因为计算机有较强的计算能力，所以控制算法的改变很方便。

微型计算机控制技术是一门跨学科以及应用性、技术性、综合性都很强的专业技术课程，要求具备较强的自动控制理论、微型计算机原理、模拟电子技术、数字电子技术等专业基础知识。通过学习，要求掌握计算机控制系统的控制原理和分析设计方法，具备基本的设计技能，能够设计出简单的计算机控制系统。学习该课程对我们工科专业的学生是十分重要而有用的。

09热工(1)班姚跃辉

第二篇：计算机控制技术

一、填空题

1、所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。

2、计算机控制系统的工作原理的三个步骤：实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出

3、实时性：是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件作出反应的特性。

4、计算机控制系统有哪几种典型类型：OIS、DDC、SCC、DCS、FCS、PLC5、工业计算机有哪些特点：可靠性高、实时性好、环境适应性强、模块化设计，完善的O/I通道、系统扩充性好、系统开放性好、控制软件包功能强。

二、作图题

1、作出计算机控制系统的组成框图

2、作出计算机制导控制系统（OIS）的系统框图

三、问答题

1、计算机总线大致可分为几类？其内部总线又可分为几类？

2、简述smith预估控制的基本思想。

3、常见的工业控制计算机总线体系结构有哪几种？

4、什么是数字滤波？常用的数字滤波有哪些方法？

5、工业控制计算机系统的干扰来源有哪几类？各类干扰又有哪些具体形式？

6、现场总线的定义是什么？

四、论述题

1、论述DCS、FCS各自的含义是什么？

五、计算题

关于PID控制，要求：

1、写出模拟PID控制器的控制规律及其传递函数。

2、推导出位置式数字PID的控制算式。

3、推导出增量式数字PID的控制算式。

关于模糊控制

六、设计题

现要求用80C51单片机处理A、B、C三个输入信号，其中A为0-20V的交流信号，B为0-10mA的直流电流信号，C为0/24V的直流电压开关信号，要求得到A、B信号的幅值及C信号的状态。其中ADC采用ASC0809。请补充必要的电子元器件，并将元器件正确连接（可用网络符号）。

提示：交流信号？整流，开关

第三篇：计算机控制技术总结

第一章

1、计算机控制系统的工作原理

•实时决策控制：对采集到的被控量进行分析处理，并按已定的控制规律，决定控制行为。

•实时控制输出： 根据控制决策，适时地对控制机构发出控制信号，完成控制任务。

2、计算机控制系统的组成答：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两部分组成。

工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。生产过程包括被控对象和测量变送、执行机构、电气开关等装置。

3、计算机控制系统的典型型式

答：操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督控制系统，集散控制系统，现场总线控制系统，综合自动化系统。

第二章

什么是总线

所谓总线，就是计算机各个模块之间互联和传送信息的一组信号线。总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。

模拟量输入通道：是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。

模拟量输入通道的组成一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。

信号调理：为了将外部开关量信号输入到计算机,必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机所能接受的逻辑信号，这个过程叫信号调理。

采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟量信号、转变成在时刻0、T、1 T、2 T、…K T的一连串脉冲输出信号的过程成为采样过程。

量化：采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信 号的幅值，将其转化为数字信号。量化过程：将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。

3.采样保持器

（1）孔径时间和孔径误差的消除

 孔径时间：A/D转换器将模拟信号转换成数字量所需的时间，称为孔径时间。

孔径误差：对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。对于一定的转换时间，误差的百分数和信号频率成正比。

孔径误差的消除： 采用带有采样保持器，限制信号的频率范围。

模拟量输出通道任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。

模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、V/I变换等组成模拟量输出通道的结构形式

1.一个通路设置一个数/模转换器的形式（数字保持方案）

优点：转换速度快、工作可靠。

缺点：使用较多的D/A转换器。

2.多个通路共用一个数/模转换器的形式（模拟保持方案）

优点：节省数/模转换器

缺点：分时工作，适用于通路数量多且速度要求不高的场合；

要用多路开关，且要求输出采样保持的保持时间与采样时间之比较大； 可靠性差。

2.6 硬件抗干扰技术

3种过程通道抗干扰技术主机抗干扰技术系统供电与接地技术

干扰既可能来源于外部，也有可能来自内部。外部干扰由外界环境因素决定；内部干扰是由系统结构、制造工艺等决定。

过程通道抗干扰技术

1.串模干扰及其抑制方法

（1）串模干扰

定义： 有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。

（2）串模干扰的抑制方法 答：•实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。

–如果串模干扰的频率与被测信号频率不同时，可以采用滤波器来抑制干扰；

–当尖峰型串模干扰为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰影响；

–对于串模干扰主要来自电磁感应时，信号应仅可能早地前置放大，提高信噪比；

–利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰；

–采用良好的屏蔽，以减少电磁干扰。

2.共模干扰及其抑制方法

（1）共模干扰

定义：所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。

（2）共模干扰的抑制方法

变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比。

数字PID控制器的改进

积分项的改进

（1）积分分离（2）抗积分饱和（3）梯形积分（4）消除积分不灵敏区

微分项的改进

（1）不完全微分PID控制

改进原因：在PID控制中，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。

改进方法：串联一阶惯性环节，组成不完全微分PID控制器。

两种PID控制的阶跃响应：

（2）微分先行PID控制算式

改进原因：为避免给定值的升降给系统带来冲击，如超调过大，调节阀动作剧烈。

改进方法：只对被控量y(t)微分，不对偏差e(t)微分。

带死区的PID控制算法

作用：避免控制动作过于频繁，消除频繁动作所引起的振荡。

施密斯预估控制的思想

施密斯预估控制原理是：与D(s)并接一补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后部分。这个补偿环节为预估器，其传递函数为Gp(s)(1--e-ts),t为纯滞后时间。由施密斯预估器和控制器D（s）组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为D’(s),经补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，且不影响系统的稳定性。

所谓振铃现象，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振荡。

振铃现象的消除 第一种方法是先找出D（z）中引起振铃现象的因子（z=-1附近的极点），然后令其中的z=1,根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳定值。

第二种方法是从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期T及系统闭环时间常数Tt，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。

软件抗干扰技术

经常采用的软件抗干扰技术技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱等。先进控制技术：模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术和预测控制技术。

模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置和被控对象等5个部分组成。

6.6.1数字滤波技术

数字滤波是通过一定得的计算或判断程序，减少干扰在有用信号中比重。

与模拟滤波器相比，数字滤波器的优点：

程序实现，不需硬件，可靠性高，稳定性好。

可以对很低频率进行滤波，克服模拟滤波器的缺点，根据信号不同，采用不同的滤波方法，灵活、方便、功能强。

1平均值滤波：适用于周期性干扰

2中位滤波：使用偶然的脉冲干扰

3限幅滤波：使用偶然的脉冲干扰

4惯性滤波：适用于高频干扰

6.6.2开关量的软件抗干扰技术

1.开关量信号输入抗干扰措施

干扰特点：多呈毛刺状，作用时间短。

解决方法：两次采样、多次采样，完全一致方为有效。

2.开关量信号输出抗干扰措施

惯性大的输出设备（如各类电磁执行机构），对毛刺干扰有一定的耐受能力。

惯性小的设备（如通讯口），耐受能力小，需要输出抗干扰。

解决方案：重复输出统一数据，重复中期尽可能短，外设阶受到干扰信号，还来不及做出反应，一个正确的输出信息又来到了。

6.6.3 指令冗余技术

解决方案：在关键地方插入单字节指令（NOP)，这就是指令冗余。

6.6.4 软件陷阱技术

什么是软件陷阱：就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。

软件陷阱的实现：无条件转移指令

软件陷阱的位置（1）未使用的中间向量区（2）未使用的大片ROM区3）表格（4）程序区

网络拓扑结构

星形、环形、总线型、树形。

1.网络拓扑结构

（1）星形结构：结构：中心结点是主结点，它接受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有中继交换和数据处理功能。

特点：：①网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；

②网络延迟时间短，传输错误率较低；

③网络可靠性较低，一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪；

④网络资源大部分在外围点上，相互结点必须经过中央结点才能转发信息；

⑤通讯电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。

（2）环形结构：：结构：各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。

特点：①信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两个结点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制； ②环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，因此控制软件较简单；

③环路中，当某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；

④环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。

（3）总线形：；结构：个结点经其接口，通过一条或几条通讯线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被任一结点接收。由于信息传输方向是从发送结点向两端扩散，因此又称为广播式网络。特点：①结构简单灵活，扩展方便；

②可靠性高，网络响应速度快；

③共享资源能力强，便于广播式工作；

④设备少，价格低，安装和使用方便；

⑤由于所有结点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。

（4）树形：：结构：分层结构，适用于分级管理和控制系统。

特点：①通讯线路总长度较短，连网成本低，易于扩展，但结构较星形复杂；

②网络中除叶结点外，任一结点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。

介质访问控制技术

什么介质访问控制?

各结点通过公共通道传输信息，因此存在如何合理分配信道的问题，访问控制方式的功能是合理解决信道的分配。

（1）冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）——适用于总线形

工作原理

当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。

确定等待时间的方法

①当某结点检测到信道被占用后，继续检测，发现空闲，立即发送；

②当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信道空闲，开始发送。

（2）令牌环——适用于环网

令牌的定义

是控制标志，网中只设一张令牌，并依次沿各结点传送。

（3）令牌总线——适用于总线形式

原理：把总线形传输介质的各个结点形成一个逻辑环，即人为地给各个规定一个顺序。控制方式类似于令牌环。.差错控制技术

改善信道的点性能，使误码率降低

（1）奇偶校验

（2）循环冗余校验——CRC校验

（3）纠错方式3种：重发纠错，自动纠错，混合纠错

分布式控制系统

答：分布式控制系统就是指综合了计算机技术、控制技术、CRT显示技术、通信技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能，为用户实现过程控制自动化与信息管理想结合的管控一体化的综合集成系统。什么叫现场总线

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场仪表或现场设备互连的通信网络。

现场总线的体系结构主要表现以下6个方面：

（1）现场通信网络（2）现场设备互连（3）互操作性（4）分散功能块（50通信线供电

（6）开放式互连网络

OPC OPC是用于过程控制的对象链接嵌入技术，OPC采用客户/服务层结构想下层提供接口，时信息进入OPC服务器，向上层提供接口，实现向上互联。

系统集成：

按系统整体性原理，将原来没有联系或联系不紧密的元素组成为具有一定功能的，满足目标、相互联系、彼此协调工作的新系统的过程、技术与科学而引出的系统集成工程。

第四篇：计算机控制技术总结

计算机控制技术总结

5.17去了东区做完了两个实验，计算机控制技术这门课算是落下了帷幕。这门课虽然结束了，但这门课里面所讲述的内容，对我们以后的工作将是意义深远。上学期我们学习了自动控制技术，但是这门课更多的是包含了自动控制技术里的理论知识和一些定理的推算证明，此外也涉及到了电子技术、计算机应用技术，这是一门以计算机为控制核心的学科。如今计算机控制系统已成为当今自动控制的主流系统，已逐步取代传统的模拟检测、调节、显示、记录、控制等仪器设备和很大部分人工操作管理，并且可以采用较复杂的计算机方法和处理方法，是受控对象的动态过程按规定方式和技术要求运行，完成各种过程控制、操作管理等任务。

这本书我们一共学习了7章，下面我将一章一章的进行总结。

第一章 绪论

（1）计算机控制系统就是有各种各样的计算机参与控制的一类控制系统

（2）计算机控制系统组成：由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件

（3）计算机控制系统分类：计算机操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、计算积分及控制系统、离散控制系统

（4）计算机控制系统信号的采样与恢复

（5）计算机控制系统发展趋势

第二章 Z变换及Z传递函数

（1）Z变换的定义

时域（2）

f*(t)f(kT)(tkT)k0

F*sfkTeskT

k0

s 域



Z[f(t)]Z[f*(t)]F(z)f(kT)zkZ域

k0

（3）求Z变换方法：级数求和法、部分分式法

（4）常用信号Z的变换（P19-20），常用Z变化表（P27）

（5）z 变换的基本定理：线性定理、滞后定理、超前定理、终值定理、卷积和定理、求和定理、初值定理、位移定理、微分定理

（6）求Z反变换：长除法、部分分式法、留数计算法

（7）广义Z变换：超前情况、滞后情况

（8）Z传递函数的求法：用拉氏反变换求脉冲过渡函数，将g(t)按采样周期T离散化，得g(kT)，应用定义求出Z传递函数

第三章 计算机控制系统的分析

（1）离散系统稳定的充分必要条件是：闭环Z传递函数的全部极点应位于Z平面的单位圆内。

（2）Routh稳定性准则在离散系统的应用（P41）

z或 z（3）被控变量进入新稳态值附近±5%或±3%的范围内就可以表明过渡过程已经结束

第四章 计算机控制系统的离散化设计

（1）最少拍系统设计的基本原则:1对于特定的参考输入信号，到达稳态后，系统

在采样时刻精确实现对输入的跟踪。2系统以最快速度达到稳态。3D(z)应是物理可实现的。4闭环系统应是稳定的。

(2)三个假设条件:1G(z)在单位圆上和圆外无极点，（1，j0）点除外；2 G(z)在单位圆上和圆外无零点；3 G0(s)中不含纯滞后，q是T的整数倍。

(3)避免发生D(z)与G(z)的不稳定零极点对消，应满足如下稳定性条件: 1．We(z)的零点应包含G(z)中全部不稳定的极点。2．G(z)在单位圆上或圆的零点应全部包含在希望闭环Z传递函数W(z)的零点中。3．如果G(z)中含有纯滞后的环节即z-N（N为整数），则G(z)分子中的z-1因子应全部包含在W(z)分子中，这会使系统过渡过程时间延长。

第五章 计算机控制系统的模拟化设计

(1)模拟控制器的离散化方法：冲击不变法，加零阶保持器的Z变换法，差分变化法，双线性变换法，频率预畸双线性变换法，零、极点匹配法

（2）数字PID控制算法：位置式、增量式

（3）算法改进：积分分离PID算法，不完全微分PID算法，微分先行PID算法，带死区PID算法，抗积分饱和PID算法

（4）参数调定：试凑法

第八章 复杂控制规律系统设计

（1）Smith预估控制的基本原理：引入预估补偿器，使得补偿 以后的闭环系统的特征方程中不包含纯滞后特性。

(2)纯滞后补偿控制的数字控制算法步骤:① 计算反馈回路的偏差② 计算纯滞后补偿器的输出③计算偏差④计算控制器的输出

（3）纯滞后补偿控制系统的典型应用:减温器温度纯滞后补偿控制,精馏塔的温度纯滞后补偿控制

（4）串级控制系统控制原理: 单回路负反馈控制。

（5）串级控制系统的设计原则:系统中的主要扰动应该包含在副控回路之中, 副控回路中应该尽量包含积分环节

（6）串级控制系统基本概念:主调节回路用于保证控制精度，系统中起“细调 ”作用，主调节器一般采用 PID 控制器。副调节回路用于克服主要干扰，系统中起“粗调 ”作用，副调节器一般采用 P或PI 控制器。

第十二章 计算机控制系统设计与实现

(1)计算机控制系统设计原则:1．系统应具有优良的操作性能2．通用性好、便于扩充3．可靠性高4．实时性好5．设计周期要短，价格要便宜

(2)计算机控制系统设计步骤:

1．研究被控对象、确定控制任务

2．确定系统整体方案

3．建立数学模型，确定控制算法

4．硬件的设计

5．软件的设计

6．系统仿真与调试

7．现场安装调试

(3)干扰的抑制方法:1接地方式2．屏蔽技术3．隔离技术4．串模干扰的抑制5．共模干扰的抑制6．电源噪声的抑制7．提高软件可靠性

由于上课时间有限，自己学习能力还有待于加强，关于这门课以后还需要我们多花点时间去多翻翻书。以后如有机会到计算机类软硬件公司、电子设备公司、各类企事业单位等从事有关控制系统的硬件开发、技术支持等工作，都会用到这门课。尽管这是一门考查课，但我们不能放松。否则一旦踏上工作岗位会有“书到用时方很少” 的悔感，那是我们就后悔也莫及了，所以一定要在毕业之前掌握好各门专业课。最后真心要感谢叶树霞老师，不仅是教了我们这门课，更多的是一种敬佩。我们上课的时候，由于一部分无心学习的同学，教室里吵杂。但是老师总是会把该讲的都讲到，不会因为某些同学不想学就不教，教学严谨，认真负责。

第五篇：计算机控制技术课件范文

第1讲 绪论 主要内容：

1.1 计算机控制系统概述

控制对象的复杂化→控制系统的复杂化（多输入—多输出系统、非线性系统、时变和分布参数系统等等）→常规控制方法和手段难以实现→微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大的飞跃。

自动控制是在非人工直接参与的前提下，应用自动控制装置自动地、有目的地控制设备和生产过程，使他们具有一定的状态和性能，完成相应的功能，实现预定的目标。自动控制系统一般可以分为：开环控制系统和闭环控制系统两大类。

所定谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约来运动或变化。如图1.1所示。

闭环控制系统是按照偏差进行的控制，较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。

计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个过程：（1）信息的获取（2）信息的处理（3）信息的输出 1.2.2计算机控制系统的硬件组成

典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，应该指出的是，随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。1.主机

主机是指我们用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。

目前使用的主机有：单片机、PLC、工业PC等。

它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。

由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设备的控制。2 过程控制通道

过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为：（1）模拟量输入通（2）模拟量输出通道（3）数字量输入通道（4）数字量输出通道 3.操作控制台

操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备。通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控对象的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序。操作控制台包括：（1）信息的显示（2）信息的记录（3）工作方式状态的选择（4）信息输入 4.通讯设备

通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分。这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。1.2.3 计算机控制系统的软件组成系统软件和应用软件

•系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具，一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。

•应用软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编写的各种程序。包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘的处理、过程控制算法、输出与控制等程序。

1.2.4计算机控制系统的分类

•按系统结构分为：开环和闭环控制系统； •按控制规律分为：程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）

•按系统功能分为：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类。

•控制过程：计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进行采集，根据工艺和生产的需求进行最优化计算，计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备，将其结果显示或打印。操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参数或设定值，实现对生产过程的控制，属于计算机离线最优控制的一种形式。

•该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机进行直接控制的场合。

计算机监督控制系统是计算机集散系统的最初、最基本的模式。分为两种结构：SCC+模拟调节器，SCC+DCC（两级计算机控制系统）。如图1.7所示 ：

一、常用的传感器类型

•压力检测及变送 •温度检测和变送 •流量检测及变送 •物位检测及变送

•其它检测仪表和装置（接近开关、光电开关、测速发电机、光电编码器、测厚仪表）

二、变送器的信号传输及供电线制

1.气动变送器：用两根气动管线分别传送气源和输出信号。它的气源或电源从控制室送来，而输出信号送到控制室。

2.电动模拟式变送器：采用二线制或四线制传输电源和输出信号。

2.2 过程控制中常用的执行器

执行器在过程计算机控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。

一、执行器的分类

1.按动力能源分：气动、电动、液动

2.按动作极性分：正作用执行器和反作用执行器

3.按动作行程分：角行程执行器和直行程执行器

4.按动作特性分：比例式执行器和积分式执行器

二、气动执行器

1.原理：利用压缩空气作为能源

2.特点：结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆，而且价格较低；它可以方便的与气动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电/气转换器或电/气阀门定位器，将电信号转换为0.02~0.1MPa的标准气压信号，仍然可用气动执行器。

三、电动执行器

1.原理：它接收来自控制器的4~20mA或0~10mA直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制

2.分类：直行程、角行程和多转式等类型

3.结构：电动执行器主要由伺服放大器和执行机构组成，如下图： 现场总线执行器

现场总线的智能执行器由传统的执行器、含有微处理器的控制器以及可与PC或PLC双向通信的模件及软件组成，具有与上位机或控制系统通信的功能

•智能化和高精度的系统控制功能

•一体化的结构

•智能化的通信功能

•智能化的自诊断功能

2.3 运动控制中常用的执行机构

•直流伺服电机 •交流伺服电机 •步进电机

•电磁阀和液压阀

第3讲 计算机总线技术 主要内容：

1.总线的基本概念

2.内部总线

3.外部总线

•随着微处理器技术的飞速发展，总线技术也得到不断创新。先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE1394、USB等总线技术。

•芯片内部的总线技术也在不断发展，AMBA、Core Connect、CoreRAM等已经形成集成电路内部十分具有竞争力的总线标准。

•工业控制的PROFIBUS，FF等现场总线技术。

•总线的数据传输速度也不断提升，目前，AGP局部总线数据可达528MB/s，PCI-X可达1GB/s，系统总线传输速率也由66MB/s提高到100MB/s甚至更高的133MB/s、150MB/s、200MB/s。

一、总线的基本概念

（2）按照总线在系统结构中的层次位置分

56根并行总线按功能可分为五大类 ¡ª逻辑电源线6根(引线1～6)¡ª数据总线8根(引线7～14)¡ª地址总线16根(引线15～30)¡ª控制总线22根(引线31～52)¡ª辅助电源线4根(引线53～56)

–ISA总线：问世较早，是8位、16位数据传输总线的工业标准

最高传输速率8Mbps；寻址空间16MB；将CPU看作唯一的主模块，其余外设均为从模块，包括可以暂时掌握总线的DMA和协处理器；98根总线分成5类：地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线

–MCA：微通道体系结构。IBM在推出386时提出，数据、地址总线宽度32位，支持4GB的寻址能力；数据传输速率33Mbps；在电气及物理上与ISA不兼容；IBM没有公布标准

–EISA总线：89年推出486时提出，32位数据总线，支持32位地址通路；总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器；与ISA兼容，支持多个主模块；可以自动根据需要进行32、16、8位数据间的转换；支持多总线主控模块；

–PCI高性能局部总线：92年由Intel公司带头制定的设备总线标准；支持64位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式；具有即插即用功能(PnP)；最高传送数据132Mbps；兼容性强、成本低

•PCI总线特有的配置寄存器为用户使用提供了方便。系统嵌入自动配置软件，在加电时自动配置PCI扩展卡，为用户提供了简便的使用方法。

•又称为通信总线，用于计算机之间，计算机与远程终端，计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。

•该类总线不是计算机系统已有的总线，而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准。外部总线又分为并行总线和串行总线。•常用的外部总线：

IEEE-488总线

RS-232-C总线

RS-422和RS-485总线

通用串行总线（USB）

•IEEE-488总线是一种并行外部总线，专门用于计算机与测量仪器、输入输出设备，以及这些仪器设备之间的并行通信。

•IEEE-488是1970年由美国惠普公司开发的并行通讯总线,总线上连接的设备有三种，工作方式也有三种: •听者（¡°受话¡±方式）：同时可有多个 •讲者（¡°送话¡±方式）：每时只能有一个 •控者（¡°控制¡±方式）：每时只能有一个

（2）IEEE-488总线的连接示意图

–采用异步方式，利用三条控制线进行握手联络，实现三线握手的数据传输

–数据传输率不得超过每秒1M字节 –总线上的设备数不得多于15个

–电缆总长度不超过20m，两设备间不超过2m –采用负逻辑

‚不用MODEM的直接通信线路

（2）USB设备的主要特点

–采用USB接口的设备支持热拔插)–USB接口可以同时连接127台USB设备。–速度方面，USB 1.1总线规范定义了12 Mb/s的带宽，而USB2.0可提供480Mb/s的传输速度。–USB总线能够提供500 mA的电流

USB总线系统中的设备可以分为三个类型 –USB主机

–USB 集线器（HUB）

–USB总线的设备，又称USB功能外设

第4讲

过程通道与人机接口

过程通道:是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。本讲主要内容 1.模拟量输入通道 2.模拟量输出通道 3.数字量输入输出通道 4.人机接口

模拟量输入通道（A/D接口）的组成

•模拟量输入通道的组成 –传感变送器

–输入信号调理电路 –多路模拟切换开关 –前置放大器 –采样保持器

–模／数转换器（A/D）–控制电路等

五、A/D转换

•A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。

•模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。•A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。

1.A/D转换器的工作原理

（2）逐次逼近法

2.A/D转换器的性能指标

（1）ADC0809

CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，主要特性：

1）它是具有8路模拟量输入、8位数字量输出功能的A/D转换器。

2）转换时间为100μs。

3）模拟输入电压范围为0V～+5V，不需零点和满刻度校准。

4）低功耗，约15mW。

1）查询法

优点:接口电路设计简单。

缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低。2）定时法

优点:接口电路设计比查询法简单，不必读取EOC的状态。

缺点：A/D转换期间独占CPU，致使CPU运行效率降低；另外还必须知道A/D转换器的转换时间。3）中断法

优点：A/D转换期间CPU可以处理其它的程序，提高CPU的运行效率。

缺点：接口电路复杂

④ ADC0809的接口电路

（2）12位A/D转换器AD574

② AD574的工作过程

③ AD574的接口电路

4.A/D转换器接口的隔离技术 主要采用光电耦合器 4.2 模拟量输出通道

一、D/A转换器

7.D/A转换器性能指标

8.D/A转换器的种类

（1）DAC0832结构框图及引脚说明

① CPU执行输出指令，输出8位数据给DAC0832；

② 在CPU执行输出指令的同时，使ILE、/CS、/WR1三个控制信号端都有效，8位数据锁存在8位输入寄存器中；

③ 当/WR2、/XFER两个控制信号端都有效时，8位数据再次被锁存到8位DAC寄存器，这时8位D/A转换器开始工作，8位数据转换为相对应的模拟电流，从Iout1和Iout2输出。

三、D/A接口的隔离技术 通常采用光电耦合器

两种隔离方式：模拟信号隔离和数字信号隔离

2.数字量隔离

4.4数字量输入输出通道

1.数字量（开关量）的概念 –开关的闭合与断开

–指示灯的亮与灭

–继电器或接触器的吸合与释放

–电机的启动与停止

–设备的安全状况等

功能：对现场输入的状态信号进行转换、保护、滤波、隔离，以转换成计算机能够接收的逻辑信号

3．常用的几种数字量输入的接线方式

二、数字量输出通道

2．输出驱动电路

第5讲

数字控制器的设计

•数字控制器概述

•数字控制器的模拟化设计 •数字控制器的离散化设计 •数字PID控制算法 •常规控制方案 •先进控制方案

5.1 数字控制器概述

整定过程：先按模拟PID控制器参数整定方法来选择，然后再适当调整，并考虑采样周期对整定参数的影响

2.扩充响应曲线法（动态特性法）

•三种常用指标：

•最佳整定参数应使这些积分指标最小，不同积分指标所对应的系统输出被控变量响应曲线稍有差别

•一般情况下，ISE指标的超调量大，上升时间短；IAE指标的超调量适中，上升时间稍短；ITAE指标的超调量小，调整时间也短，用得较多

5.4 常规控制策略

一、串级控制系统

二、前馈控制系统

1）典型的前馈-反馈控制系统

第6讲

常用控制程序设计

•软件系统概述

•测量数据预处理技术 •查表及数据排序技术 •数字滤波技术

应用软件的设计主要包括以下几个模块：

•系统界面模块 •采集模块 •控制模块 •数据处理模块 •打印显示模块 •数据存储模块 •数据传输模块等

一、程序设计步骤

第7讲 计算机控制系统中的 抗干扰技术

•干扰的传播途径与作用方式

•硬件抗干扰技术 •软件抗干扰技术

7.1 干扰的传播途径与作用方式

一、计算机控制系统中干扰的来源

二、干扰的传播途径

•在计算机控制系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作过程中将产生干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。

–电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。–电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统

–在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。

–在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部，平行架设的两根导线也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合，可以计算感应电压

–公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻抗，使得一个回路的电流所产生的电压降影响到另一回路

–在计算机控制系统中，普遍存在公共耦合阻抗，例如，电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。这些汇流条都具有一定的阻抗，对于多回路来讲，就是公共耦合阻抗

三、干扰的作用方式

按干扰作用方式的不同，可分为差模干扰、共模干扰和长线传输干扰

（1）定义：是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压,共模干扰也称为共态干扰或纵向干扰

（2）产生共模干扰的原因：

计算机的地、信号放大器的地与现场信号源的地一般相隔一段距离，在两个接地点之间往往存在一个电位差Vc，该电位差是系统信号输入端上共有的干扰电压，会对系统产生共模干扰

（3）表现方式：

对于系统的干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰的方式表现出来。

结论：

对于存在共模干扰的场合，应采用双端差动输入方式

为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR表示，即

（1）定义：在计算机控制系统中，现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输。（2）信号在长线中传输遇到的三个问题

一是波反射现象：高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象

二是信号延时

三是外界干扰 7.2 硬件抗干扰技术

二、接地系统的抗干扰技术

在过程控制计算机中，对上述各种地的处理一般是采用分别回流法单点接地。

单点接地与多点接地 2.输入系统的接地

•在输入通道中，为防止干扰，传感器、变送器、和信号放大器通常采用屏蔽罩进行屏蔽，而信号线往往采用屏蔽信号线。屏蔽层的接地也应采取单点接地方式，关键是确定接地位置。3.主机系统的接地

•为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50MΩ，即机内信号地浮地。

三、过程通道的抗干扰技术

•过程通道是计算机控制系统的现场数据采集输入和输出通道，它包括了现场信号源、信号线、转换设备、I/O接口电路，主机和执行机构等。

•过程通道涉及内容多，分布广，受干扰的可能性大，其抗干扰问题非常重要。•过程通道干扰的来源是多方面的，主要有共模干扰、差模干扰和长线干扰。（1）变压器隔离

•变压器隔离：利用隔离变压器将模拟信号电路与数字信号电路隔离开，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不能构成回路，从而达到抑制共模干扰的目的。另外，隔离后的两电路应分别采用两组互相独立的电源供电，切断两部分的地线联系.•这种隔离适用于无直流分量信号的通路。对于直流信号，也可通过调制器变换成交流信号，经隔离变压器后，用解调器再变换成直流信号。（2）光电隔离

•光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管（或达林顿管、或晶闸管等）封装在一个管壳内组成, 实现以光为媒介的电信号传输。（3）浮地屏蔽

•浮地屏蔽：指信号放大器采用双层屏蔽，输入为浮地双端输入，如图示。这种屏蔽方法使输入信号浮空，达到了抑制共模干扰的目的。2.差模干扰的抑制 3.长线传输干扰的抑制

–同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，工作频率较高。双绞线对于磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短，效果越好。在电场干扰较强时须采用屏蔽双绞线。

–在使用双绞线时，尽可能采用平衡式传输线路。所谓平衡式传输线路，是双绞线的两根线不接地传输信号。因为这种传输方式具有较好的抗差模干扰能力，外部干扰在双绞线中的两条线中产生对称的感应电动势，相互抵消。同时，对于来自地线的干扰信号也受到抑制。4.终端阻抗匹配

•为了消除长线的反射现象，可采用终端或始端阻抗匹配的方法。5.始端阻抗匹配

始端阻抗匹配：在长线的始端串入电阻R，通过适当的选择R，以消除波反射

7.3 软件抗干扰技术 2.输入数字信号的抗干扰 3.输出数字信号的抗干扰

•由于干扰，可能使计算机输出的正确数字信号，在输出设备中得到的却是错误信号。

在软件上可以采取以下一些方法提高抗干扰能力：

二、CPU及程序的抗干扰技术

•CPU是计算机的核心。当CPU受到干扰不能按正常状态执行程序时，就会引起计算机控制的混乱，所以需要采取措施，使CPU在受到干扰的情况下，尽可能无扰地恢复系统正常工作。1.指令冗余

•当CPU受到干扰，程序“跑飞”后，往往将一些操作数当作指令代码来执行，从而引起整个程序的混乱。采用指令冗余技术是使程序从“跑飞”状态，恢复正常的一种有效措施。2.软件陷阱

•软件陷阱是在非程序区的特定地方设置一条引导指令（看作一个陷阱），程序正常运行，不会落入该引导指令的陷阱，当CPU受到干扰，程序“跑飞”时，如果落入指令陷阱，将由引导指令将“跑飞”的程序强制跳转到出错处理程序，由该程序段进行出错处理和程序恢复。3.Watchdog技术

•当程序“跑飞”到一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱将不起作用，造成系统完全瘫痪。看门狗技术，可以有效解决这一问题