《_计算机控制技术》教案

第一篇：《_计算机控制技术》教案

《 计算机控制技术》教案

一 教学目的和基本要求

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制是为适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。本课程的目的是简明、系统地向学生介绍关于工业计算机控制系统的设计和实现的基本原理与技术，以提高本专业学生应用计算机的能力，为今后从事计算机控制系统的研究和开发工作打下一个良好的基础。

基本要求： 掌握工业计算机控制系统的基本组成原理及特点，了解计算机控制系统的发展概况及趋势； 2 熟悉计算机控制系统的性能指标； 数字程序控制：熟练掌握逐点比较法插补原理和步进电机的控制技术； 4 熟练掌握数字PID控制器的设计及其参数的整定； 5 熟练掌握最少拍无纹波控制器的设计； 现代控制技术：掌握采用状态空间的输出反馈设计法和极点配臵设计法； 掌握常用的几种复杂控制的原理：纯滞后控制，串级控制，前馈-反馈控制和解耦控制； 8 掌握模糊控制的基本概念和模糊控制器的设计方法； 9 了解分散型测控网络的简单技术； 熟练掌握计算机控制系统中测量数据的预处理技术； 11 掌握计算机系统中的抗干扰技术。

二 内容提要

本课程从工程技术的观点介绍工业计算机控制系统的组成原理和系统的设计与实现技术。主要内容如下：

绪论

主要介绍计算机控制系统的组成原理，特点，指标要求，发展概况和趋势。2 数字程序控制

重点介绍逐点比较插补法原理和步进电机的控制技术。3 常规控制技术

1）数字控制器的连续化设计：重点介绍目前应用广泛的数字PID控制器的工程实现和参数的整定：

2）离散化设计技术

重点介绍最少拍无纹波控制器的设计。4 模糊控制技术

1）模糊控制技术的数学基础：主要包括模糊集合及其运算，模糊关系，模糊逻辑和模糊推理。2）模糊控制原理：主要包括模糊化，知识库，模糊推理和清晰化。

3）模糊控制器的设计：包括模糊控制器的结构设计，模糊规则的选择和推理，模糊控制器论域及比例因字的确

定，模糊控制器程序的编写。

5现代控制技术

主要介绍采用状态空间的输出反馈设计法，极点配臵设计法和最优化设计法。6 复杂控制技术

简单介绍纯滞后补偿控制，串级控制，前馈-反馈控制和解耦控制。7 应用程序设计与实现

包括程序设计技术，测量数据的预处理技术，数字控制器的工程实现和软件抗干扰技术。8 分散型测控网络技术

简单介绍工业网技术，分散型控制系统和现场总线技术。

9 计算机控制系统设计与实现

以实例说明计算机控制系统的设计与实现全过程。

三 教案的主要内容

第1章 绪论

1.概述

随着科学技术的进步,人们越来越多地用计算机来实现控制。近年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信与网络技术和微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的发展，使自动控制技术正向着深度和广度两个方向发展。在广度方面，国民经济的各个领域----从工业过程控制、农业生产和国防技术到家用电器已广泛使用计算机控制；控制对象也从单一对象的局部控制发展到对整个工厂、整个企业等大规模复杂对象的控制。在深度方面则向智能化发展，出现了自适应、自学习等智能控制方法。

本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制计算机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。2 重点与难点

2.1 控制系统的几个重要概念

1.自动控制一般是指应用控制器自动地、有目的地控制或操纵控制对象，使之能够达到所要求的性能。控制对象是被控制的机器、物体及其所处的外部环境等。控制器是为达到系统要求的性能所使用的控制装臵，它可采用电气、机械或液压等技术来完成控制操作。

2.控制系统由控制器和控制对象两大部分组成，控制器是控制系统中

最重要的部分，它从质和量的方面决定了控制系统的性能和应用范围。一个控制系统一般应满足以下两个基本要求：(1)跟随输入

对一个控制系统通常都要求其输出量随输入量的变化而变化，输入量可能是常数或随时间变化的轨迹，对于前者通常把输入称为给定值或期望值，而后者常称为参考输入或期望输入。

(2)系统输出尽量不受干扰的影响

3．开环和闭环控制系统

若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称该系统为开环控制系统。在开环控制系统中，既不需要对系统的输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与输入量进行比较。

凡是系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统都叫作闭环控制系统，即闭环系统是一个反馈系统。闭环控制系统中系统的稳定性是一个重要问题。

2．2计算机控制系统

1．采用计算机进行控制的系统称为计算机控制系统，也称它为 数字控制系统。若不考虑量化问题，计算机控制系统即为采样系统。进一步，若将连续的控制对象和保持器一起离散化，那么采样控制系统即为离散控制系统。所以采样和离散系统理论是研究计算机控制系统的理论基础

2．计算机控制系统的控制过程可以归结为一下三步：

（1）实时数据采集：对来自测量变送装臵的被控量的瞬 时 值进行检测和输入。

（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行数据分析和处理，并按已定的控制规律决定进一步的的控制过程。

（3）实时控制：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

3．“实时“的含义是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，以及计算机对输入信息以足够快的速度进行控制，超出了这个时间就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。实时的概念不能脱离具体过程，一个在线系统不一定是一个实时系统，但是一个实时控制系统必定是一个在线系统。

2．3 计算机控制系统的典型形式

计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式。它们是：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC），DDC 2 系统属于计算机闭环控制系统，是计算机工业生产过程中最普遍的一种应用方式；监督控制系统；分散控制系统和现场总线控制系统。

2．4 计算机控制系统的性能及其指标

计算机控制系统的性能跟连续系统类似，可以用稳定性、能控性、能观性、稳态特性、动态特性来表征，相应地用稳态裕量、稳态指标、动态指标和综合指标来衡量一个系统的好坏和优劣。

第2章 数字程序控制技术

2．1概述

数字程序控制主要用于机床的控制，如用于铣床、车床、加工中心、线切割机以及焊接机、气割机等自动控制系统中。采用数字程序控制的机床叫做数控机床，数控机床具有能加工形状复杂的另件、加工精度高、生产效率高、便于改变加工零件品种等许多特点，它是实现机床自动化的一个重要发展方向。本章介绍数字程序控制基础、逐点比较法插补原理以及步进电机控制技术。

2．2 重点与难点

2．2．1 逐点比较法插补原理

逐点比较法插补就是刀具或画笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，从而决定下一步的进给方向。如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走，…。如此走一步看一看，比较一次，决定下一步的走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点逼近插补

2．2．2 步进电机控制技术

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模转换器。在开环数字控制系统中，输出控制部分常采用步进电机作为驱动元件。步进电机控制线路接受计算机发来的指令脉冲，控制步进电机做相应的转动，步进电机驱动数控系统的工作台或刀具。指令脉冲的总数决定了数控系统的工作台或刀具的总移动量，指令脉冲的频率就决定了移动的速度。因此指令脉冲能否被可靠地执行，基本上取决与步进电机的性能。

第3章 常规及复杂控制技术

3.1概述 计算机控制系统的设计,是指在给定系统性能指标的条件下,设计出控制器的控制规律和相应的数字控制算法。本章主要介绍计算机控制系统的常规和复杂控制技术。常规控制技术介绍数字控制器的连续化设计技术和离散化设计技术；复杂控制技术介绍纯滞后控制、串级控制等技术。对大多数统，采用常规控制技术均可达到满意的控制效果，但对于复杂及有特殊控制要求的系统，采用常规控制难以达到目的，在这种情况下，则需要采用复杂控制技术，甚至采用现代控制和智能控制技术。3.2重点与难点

3．2．1数字PID控制器的设计 1．控制算法

PID控制是一种应用最广泛的控制规律，它是根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制的。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。图3.1示出了PID控制的示意图。

其中D（Z）为PID控制器的Z传递函数，H（S）为保持器，G（S）为控制对象的传递函数。

（1）数字（PID）的位臵型算法

u(k)=KP(e(k)+T/TIi0e(i)+T/T(e(k)-e(k-1)))

Dk其中 u(k)为控制器的输出，e(k)为偏差，KP为比例增益，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。由于上述算法提供了执行机构的位臵u(k)（如阀门的开度），所以被称为数字PID的位臵型控制算法。

（2）数字PID增量控制算法

为了消除位臵型算法中的累加误差e(i)，减少存储单元，便于程序的编写，我们引入PID的增量型算法。值得注意的是增量型算法仅仅是计算方法上的改进，并没有改变位臵型算法的本质。在实现增量控制时必须采用具有保持历史位臵功能的执行机构，如步进电机等。增量算法为

u(k)

=u(k)-u(k-1)=KP(e(k)-e(k-1))+KIe(k)+KD(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))其中 KP为比例增益，KI=KPT/TI称为积分系数，KD=KP TD/T 称为微分系数。2．数字PID控制器的参数整定

数字PID控制系统必须通过参数整定才能正常运行。需要整定的参数为采样周期T、KP、KI 和TD。由于计算机技术的发展，一般可选较小的采样周期T，它相对于被空对象的时间常数来说就更短了，所以数字PID参数的整定过程是先按模拟PID控制参数整定的方法来选择，然后再调整，并考虑采样周期对整定参数的影响。常用的方法有：扩充临界比例度法、归一参数整定法、优选法等。

3．2．2 数字控制器的离散化设计技术

当把图3.1中的控制对象和保持器一起离散化后它就变成了一个纯离散系统，这时可以直接根据计算机控制理论来设计控制器D（Z），通常我们把这种方法称为离散化设计方法。设计D（Z）的基本公式为

D（Z）=1/G（Z）*(z)/(1(z))（3。1）其中G（Z）为广义对象，(z)为计算机控制系统的闭环传递函数。有限拍控制器的设计步骤：

1． 根据控制系统的性能指标要求和约束条件确定所需的(z)； 2． 求广义对象的脉冲传递函数G（Z）； 3． 根据式（3.1）算出D（Z）；

4． 由D（Z）求出控制算法的递推公式，进而导出计算机控制算法。第4章 模糊控制技术

4．1 概述

数字控制器的连续化设计法、离散化设计法以及状态空间设计法都要求有精确的被空对象的模型。但在工业生产和其他领域中，由于被控对象大都具有非 线性、时变性和不确性等特点，往往难于用一个简单而精确的数学模型来描述，因而给控制系统的设计带来了极大的困难。

模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，它不需要有准确的控制对象模型。因此它是一种智能控制方法，这种控制方法既可用于简单的控制对象也可用于复杂的对象。模糊控制系统不仅在工业控制中获得了广泛的应用，而且也已扩展到其他领域，如地铁的自动化、照相机头的自动聚焦、彩色电视的自动调节、冰箱的除霜、空调、洗衣机、洗尘器、交通信号灯和电梯的控制等。

4．2 重点与难点

4．2．1 模糊集合及其运算 4．2．2 模糊关系

4．2．3 模糊控制原理 4．2．4模糊控制起的设计 1． 模糊控制器的结构设计 2． 模糊规则的选择和模糊推理 3． 清晰化

4． 模糊控制器论域及比例因子的确定 5． 编写模糊控制器的算法程序 6． 双输入单输出模糊控制器的设计 第5章 现代控制技术

5.1概述

上一章学过的模拟化和离散化设计方法,都是利用传递函数模型,根据对控制系统的性能指标要求设计出满足要求的计算机控制系统。他们适用于简单的线性定常系统。由于计算机的引入,目前在工业过程控制中PID仍用的比较普遍。

模糊控制是一种智能控制方法，它不需要有准确的被控对象的模型，这种方法适用于控制无法或难以建立精确模型的物理对象，目前越来越得到了广泛的应用。但模糊控制非常依靠人的知识和经验，所以这就不能保证模糊控制器在任何情况下都能工作得好。

这一章我们介绍离散状态空间设计法。这种方法利用对象的状态空间模型，根据给定的系统的性能指标，设计出满足要求的计算机控制系统。这种方法的优点是能够处理多输入多输出、时变和非线性系统；便于计算机辅助设计和实现，但难于沿用古典控制理论中现成的设计方法。由于这种方法必须基于控制对象的精确模型，再加上许多算法比较复杂，所以目前在工业控制中应用得还不普遍，从控制策略上讲仍然是PID控制占主导地位。但离散空间设计法正在逐渐受到人们的重视和普及应用。

5．2 重点与难点

5．2．1离散系统的能控性和能观性

1． 一般概念：

能控性和能观性是在状态空间模型基础上提出来的新概念。设线性定常系

统的离散状态方程为

x(k+1)=Fx(k)+Gu(K)y(k)=Cu(k)+Du(K)系统的能控性讨论输入量u（k）和状态量之间的关系，是指系统的状态能否受输入量的控制，若系统的状态在输入量的控制下能够从任意一个状态运动到另外一个任意状态，则称系统是能控的，否则系统是不能控的。

能观性则讨论状态量x（k）和输出量y（k）之间的关系，是指在系统的输出量中是否包含有每个状态变量的信息，即能否根据输出量（一般是能够量测的）来确定或重够出所有的状态变量。若上面的结论是肯定的，则系统时能管的，否则系统是不能观的。

对于比较简单的系统可用直接观察的方法来判断系统的能控性和能观性，但对于比较复杂的系统必须采用下面系统的方法来判断。

2． 能控性和能观性的判断

n1系统能控的充要条件为 rank [G FG FG… F 系统能观的充要条件为

2G]=n（n为系统的阶数）

CCF rankCF=n n1

5．2．2 极点配臵设计法

闭环系统的极点分布与系统的控制性能之间有着密切的联系。极点配臵设计法是通过恰当的状态反馈把系统的极点配臵到所希望的位臵，以满足系统性能的要求。

极点配臵法的设计步骤是先设计一个相当于r=0的控制系统，再在此基础上引入参考输入，最终完成跟踪系统的设计。

按极点配臵设计的控制系统其控制器由状态观测器和控制规律两部分组成。观测器的作用是根据输出量y(k)和控制量u(k)重构出系统的状态x(k)；控制规律的作用是根椐重构状态x(k)计算出所需要的控制量。

根据分离性原理控制器的设计可分成两个独立部分，一是按极点配臵设计控制规律，这时假定全部状态均可用于反馈，二是按极点配臵设计状态观测器，最后把二着结合起来构成一个完整的状态反馈系统。

按极点配臵设计控制器的步骤：（1）（2）按闭环系统的性能要求给定控制极点； 按极点配臵设计控制规律L 可用阿克蔓公式来计算控制规律

其中 (F)

(3)L=[0 0…0 1][G FG … F n-1G]-1 （F）

(Z)FZ

(Z)ZIFGL

Z是根据给定的系统性能指标所求得的期望极点。

合理地给定观测器极点，并选择观测器的类型，计算增益矩阵K-1 CCFK=(F)CF

 [0 0…01]T n1其中 (F)(Z)(Z)ZIFKCFZ

观测奇极点的选择：一般情况下可把全部观测器的极点设臵在圆点，若测量信号包含较大的噪声，则按观测极点所对应的衰减速度比控制极点对应的衰减速度快约4或5倍的要求设臵。

第6章 应用程序设计与实现技术

重点与难点

6．1测量数据的预处理技术

在计算机控制系统中，经常需要对生产过程的各种信号进行测量。测量时一般先用传感器把生产过程的非电信号转换成电信号，然后利用A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，读入计算机。对于这样得到的数据一般要进行一些预处理，其中最基本的是线性化处理、标度变换和系统误差的校准。

6．1．1系统误差的自动校准

自动校准的基本思想是在系统开机或每隔一段时间自动测量基准参数（如数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压），然后计算误差模型，获得并存储误差补偿因子。在正式测量时，根据测量结果和误差补偿因子计算校准方程，从而消除误差。

6．1．2线性化处理和非线性补偿 6．2数字控制器的工程实现

数字控制器算法的工程实现可分为6个部分： 1． 给定值 2． 被控量处理 3． 偏差处理 4． 控制算法的实现 5． 控制量处理 6． 自动手动切换 6．3软件抗干扰技术

为了提高工业控制系统的可靠性，仅靠硬件抗干扰措施是不够的，需要进一步借助于软件措施来克服某些干扰。经常采用的技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术和软件陷阱技术等。第7章分散型测控网洛技术

7．1概述

数据通信是工业测控网络和分散型测控系统得关键技术。在一个较大的工业测控系统中，常常会有几十个、几百个甚至更多的测量和被空对象，即使速度的系统也难以满足要求，因此必须将任务分给多个计算机系统并行工作，不同地理位臵何不同功能的计算计之间需要交换信息，如果把它们按统一的协议连接起来就构成了计算机分散测控网络系统。本章介绍数据通信技术、工业网络技术、分散型控制系统、为总线通信网络技术和现场总线技术。

7．2 重点与难点 7．2．1 数据通信技术 7．2．2工业网络技术 7．2．3 分散型控制系统

分散型控制系统综合了计算机技术、控制技术、通信技术、CRT显示技术即4C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。先进的分散控制系统将以计算机集成制造系统为目标，以新的控制方法、现场总线智能仪表、专家系统、局域网络等新技术，为用户实现过程自动化与信息管理自动化相结合的管控一体化的综合集成系统。

分散控制系统采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治地设计原则。系统安全可靠、通用灵活、最优控制性能和综合管理能力，为工业过程的计算机控制开创了新方法。

7．2．4 现场总线（Fieldbus）技术

现场总线是连接工业工程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，与控制系统和现场仪表联用组成现场总线控制系统。现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，它是用新一代的现场FCS代替传统的分散型控制系统DCS，实现现场总线通信网络与控制系统的集成。

第8章 计算机控制系统设计与实现

8．1概述

通过前面的介绍，我们已经掌握了计算机控制系统各部分的工作原理、硬件和软件以及控制算法，因而具备了设计计

算机控制系统的条件。计算机控制系统的设计，既是一个理论问题又是一个工程问题。计算机控制系统的理论设计包括：建立被空对象得数模型；确定满足一定经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。计算机控制系统的工程设计，不仅要求掌握生产过程的工艺要求，以及被空对象的动态和静态特性，而且要通晓自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术和微电子技术等。

本章主要介绍计算机控制系统设计的原则和步骤、计算机控制系统的工程设计与实现和计算机控制系统的设计举例。8．2 重点与难点 8．2．1 系统的设计原则 1．安全可靠

工业控制计算机不同于一般用于科学计算或管理的计算机，它的工作

环境比较恶劣，周围的各种干扰随时地威胁着它的正常运行，而且它所担当的控制重任又不允许它发生异常现象。因此在设计过程中要把安全可靠放在首位。

2． 作维护方便

操作方便体现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不要求操作工要掌握计算机知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有得操作习惯。维修方便体现在易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能没，模板式结构，便于更换故障模板。并在功能模板上安装状态指示灯 和监测点，便于维修人员检查。另外配制诊断程序用来查找故障。

3． 时性强

工业控制机的实时性表现在对内部和外部事件能及时的响应，并做出响应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类，一类是定时事件，如数椐的定时采集、运算控制等；另一类是随机事件，如事故、报警等。对于定时事件，系统设臵时钟保证定时处理。对于随机事件系统设臵中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生保证优先处理紧急故障。4．通用性好

工业控制计算机的通用灵活性体现在两个方面，一是硬件模板设计采用标准总线结构，配臵各种通用的功能模板，以便在扩充功能时只需增加功能摸板就能实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需按要求选择各功能模块，灵活地进行控制系统组态。

5． 济效益高

计算机控制应该带来高的经济效益，系统设计时要考虑性能价格比，要有市场竞争意识。经济效益表现两个方面，一是系统设计的性能价格比要尽可能高；二是投入产出比要尽可能的低。

8．2．2系统的设计步骤 8．2．3系统的工程设计与实现 一般按如下步骤进行： 1． 系统总体方案设计 2． 硬件的工程设计与实现 3． 软件的工程设计与实现 4． 系统的调试与运行

8．2．4计算机控制系统设计举例

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

《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

第四篇：计算机控制技术学习体会

计算机控制技术学习体会

时间过得真快，不知不觉间，又有一门课程结课了。而通过本课程，我也学到了不少东西，同时也培养成了记笔记的好习惯。

一、主要内容

课上老师主要讲了数据通信技术、输入输出通道、控制算法的计算机实现、计算机监控系统常用软件以及毕业设计等内容。课程注重理论联系实际，从实际应用出发，为学生的毕业设计和将来的工作奠定基础。

其中，在数据通信技术方面，老师首先讲了数据通信中一些名词的基本概念，便于在后续学习过程中对一些名词的出现有一定的了解。然后讲了传输代码，就是将待传输的数据转换成二进制代码。这在我们以前的数字电子技术的学习过程中有所涉及，所以听起来很容易明白。还有像同轴电缆和双绞线这样的传输介质和对串行通信技术的更深一步的讲解。最后讲了无线通信技术（如ZigBee技术和GPRS技术等）和工业以太网。

在输入输出通道方面，先讲了接口部件数据缓冲、信号转换、驱动功能、中断管理等功能，接着是过程通道和I/O接口，还简要介绍了多路模拟开关和采样以保持。然后是A/D与D/A转换器，这是老师重点介绍的内容，因为A/D与D/A转换器是以后设计时的核心部分。这部分内容包括了A/D转换原理、各个管脚的作用、它的连接以及对它的编程。课后老师还让我们在网上查询一个A/D转换器以及它的详细数据，我查的是AD7887。通过查询，使我对各种转换器的认识与了解更进一步。还有对数字和模拟输入与输出通道的介绍，这在我们的数字电子技术和模拟电子技术中都有详细的介绍和计算。

在控制算法的计算机实现方面，首先将模拟原件和数字元件做了对比介绍，分别解释了模拟元件的优缺点和数字元件的优缺点，以及由模拟信号转换成数字信号的方法。接着是数字滤波方法：

1、算术平均值滤波

2、程序判断滤波

3、中值滤波。非线性补偿：

1、公式计算法

2、查表法

3、线性插值法。最后是控制系统的直接数字化设计法方面。其中讲了它的基本思想和优点，以及设计法的具体步骤和要求。

计算机监控系统常用软件技术方面，具体内容可分为办公类（WPS、office等）、学习类（CAD等）、游戏类（CS等）、应用软件、网络（IE、QQ、MSN等）。还有操作系统的发展史和编程语言，以及动态连技与嵌入技术、动态链接库、动态数据交换技术。

最后老师根据历届毕业生的结业设计实例给我们讲了微机控制系统设计步骤和在做毕业设计时需要注意的一些细节，让我们学到了很多。

二、学到的方法

通过本门课程的学习，我首先学会了一种记笔记的方法。这是一种很有效的笔记方法，看上去一目了然，在复习的时候也很容易记忆。虽然我没有记笔记的习惯，也没能将这种方法在别的方面应用，但在以后记笔记的时候首先想到的一定是这种方法。

除此之外，我还学会了如何查询集成电路芯片以及它各管脚的功能。在本门课程讲到A/D与D/A转换器时，老师让我们自己查一个A/D转换器。通过查询，我对A/D7887有了一个详细的了解。在一次模拟电子技术实验时，电路中出现了一个我们以前没学过的集成电路芯片，让我们自己安装，由于上课听的不怎么认真，对这个实验不怎么了解，一时间不知该怎么办。过了一会，突然想起了在计算机控制技术课程中老师让我们查的A/D转换器，想着应该和这个差不多，于是先找着集成芯片上的缺口，将芯片安装在了电路实验板上，然后上网查了它的各管脚的用途以及整个芯片的功能，最后结合电路图成功将实验圆满完成。还有在本课程中所学的模数转换的取样方法在模拟电子技术中同样也讲到了。由此可见，计算机控制技术不仅仅是对计算机的简单介绍，它其中的一些知识和应用方法对 别的课程也有所帮助，所以要细心品味书中的内容，对所学能容有一定的认识，在日后学习工作生活中注意和本课程的联系。尤其是在毕业设计时，本课程所学习的一些方法和理论一定能够用得上。

三、不明白的会否查参考文献

参考文献是优秀科技论文中必不考少的部分，参考着会对参考内容有更独到的理解，以加深自己对所学内容的印象。而在论文中，它的正确合理引用不仅可以反映论文研究工作的基础、创新性和学术水平，而且也表明作者的学术风格和学术水平。

本书（计算机控制技术 重庆大学出版社 何小阳主编）247页所列出的参考文献即本书在编写过程中所查阅的著作和报刊杂志。我们查阅才考文献，是为了加深对本课程内容的理解。在本课程学习过程中，我曾对数字滤波方法比较感兴趣，但又不是太明白，于是我在网上用我们学校的图书馆中的中国知网查了一下，有很多这方面的文献，我点击了“浅谈微机控制中的数字滤波方法（张辉 丹东师专学报 2000-12-25 期刊）”。在这里边，他对数字滤波作了更为详细的介绍。

其中，在数字滤波方面:

算数平均值法对信号的平滑程度完全取决于N。当N较大时,平滑度高,但灵敏度低;当N较小时,平滑度低,但灵敏度高。

在中值滤波方面：

设表首地址为DATA的N个数,先由小到大排列,再取中间1/3个数进行求平均运算,结果存放于SAMP单元。程序流程图如上。

四、以后面对问题如何解决

在工作中，每个人都会遇到很多问题，面对问题，我们应该如何解决、如何处理，如何把问题化小，最终把问题消除，这些都是值得探讨的。

有时问题与困难并非导致生活艰难的根本原因，而决定因素往往是你面对问题的心态，看待困难的角度不同造成了困难过后的结果不同，多数人苦恼的原因大多是因为他们面对问题时的负面、消极的情绪，而非困难本身。

通过课程学习，让我明白了面对问题要冷静思考解决的办法。首先要仔细检查问题产生的原因，最后再通过一切可能的办法将问题解决。

计算机控制技术结课作业

姓

名：张建国

学

院：机械学院

班

级：测控11-1

学

号：201110107021 主讲教师：徐刚

第五篇：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。