计算机控制技术(清华大学)

一、实训背景随着科学技术的不断发展，计算机技术在各个领域的应用日益广泛。

计算机控制技术作为自动化领域的重要组成部分，其研究与应用对于提高生产效率、降低成本、改善产品品质等方面具有重要意义。

为了使学生深入了解计算机控制技术，提高动手能力，本实训课程以计算机控制技术为核心，通过实际操作，使学生掌握计算机控制系统的设计、调试和实施方法。

二、实训目的1. 理解计算机控制系统的基本原理和组成；2. 掌握计算机控制系统的设计方法；3. 熟悉计算机控制系统的调试与实施；4. 培养学生团队合作精神和创新意识。

三、实训内容1. 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统主要由以下几个部分组成：（1）被控对象：被控对象是指需要通过计算机控制系统进行控制的设备或过程。

（2）传感器：传感器用于将物理量转换为电信号，以便计算机控制系统进行处理。

（3）控制器：控制器是计算机控制系统的核心，负责接收传感器输入信号，根据预设的控制策略进行计算，并输出控制信号。

（4）执行器：执行器根据控制器输出的控制信号，实现对被控对象的调节。

（5）人机界面：人机界面用于人与计算机控制系统之间的交互，包括操作面板、显示器等。

2. 计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计主要包括以下几个步骤：（1）系统分析：分析被控对象的特点和需求，确定控制目标。

（2）系统建模：根据被控对象的特点，建立数学模型。

（3）控制器设计：根据数学模型和控制目标，选择合适的控制器类型，并进行参数整定。

（4）系统仿真：在计算机上对控制系统进行仿真，验证系统性能。

（5）系统实施：根据仿真结果，对实际控制系统进行调整和优化。

3. 计算机控制系统的调试与实施计算机控制系统的调试主要包括以下几个方面：（1）硬件调试：检查硬件设备是否正常，包括传感器、控制器、执行器等。

（2）软件调试：检查控制算法是否正确，参数是否合理。

（3）系统联调：将硬件和软件结合起来，进行系统联调，验证系统性能。

《计算机控制技术》课程标准（执笔人：韦庆审阅学院：机电工程与自动化学院）课程编号：0811305英文名称：Computer Control Techniques预修课程：计算机硬件技术基础B、自动控制原理B、现代控制理论学时安排：36学时，其中讲授32学时，实践4学时。

学分：2一、课程概述（一）课程性质地位本课程作为《自动控制理论》的后续课程，是控制科学与工程、机械工程及其自动化和仿真工程专业本科学员理解和掌握计算机控制系统设计的技术基础课。

（二）课程基本理念本课程作为一门理论与工程实践结合紧密的技术基础课，结合自动控制原理技术、微机接口技术，以学员掌握现代化武器装备为目的。

本课程既注重理论教学，也注重教学过程中的案例实践教学环节，使学员在掌握基本理论的基础上，通过了解相关实际系统组成，综合培养解决工程实际问题的能力。

（三）课程设计思路本课程主要包括计算机控制原理和计算机控制系统设计两大部分。

在学员理解掌握自动控制原理的基础上，计算机控制原理部分主要介绍了离散系统的数学分析基础、离散系统的稳定性分析、离散系统控制器的分析设计方法等内容；计算机控制系统设计部分结合实际的项目案例，重点介绍了计算机控制系统的组成、设计方法和步骤、计算机控制原理技术的应用等内容。

二、课程目标（一）知识与技能通过本课程的学习，学员应该了解计算机控制系统的组成，理解计算机控制系统所涉及的采样理论，掌握离散控制系统稳定性分析判断方法，掌握离散控制系统模拟化、数字化设计的理论及方法，掌握一定的解决工程实际问题的能力。

（二）过程与方法通过本课程的学习和实际系统的演示教学，学员应了解工程实际问题的解决方法、步骤和过程，增强积极参与我军高技术武器装备建设的信心。

（三）情感态度与价值观通过本课程的学习，学员应能够提高对计算机控制技术在高技术武器装备中应用的认同感，激发对自动化武器装备技术的求知欲，关注高技术武器装备技术的新发展，增强提高我军高技术武器水平的使命感和责任感。

《计算机控制技术》课程教学大纲课程代码：ABJD(M16课程中文名称:计算机控制技术课程英文名称：ComputerContro1Techno1ogy课程性质：必修课程学分数：2学分课程学时数：32学时授课对象：自动化专业本课程的前导课程：数字电子技术、模拟电子技术、电力电子技术、自动控制原理等一、课程简介该课程是自动化专业一门重要的专业必修课。

它的目的是使学生通过本课程的学习，获得计算机控制系统的组成、原理、设计等基础知识和基本应用技术。

学习掌握计算机控制系统软硬件设计的基本方法与原则。

通过本课程的学习，使学生具有计算机控制系统硬件设计、应用软件编程与系统调试的基本能力。

二、教学基本内容和要求1 .绪论课程教学内容：计算机控制技术一般概念，计算机控制系统的组成和分类，计算机控制系统的发展概况和趋势。

课程的重点、难点：计算机控制系统工作原理、组成和分类。

课程教学要求：了解计算机控制技术一般概念、计算机控制系统的发展概况和趋势。

理解计算机控制系统控制过程。

掌握计算机控制系统组成结构和分类。

2 .输入输出过程通道与接口技术课程教学内容：模拟量输入输出通道，数字量输入输出通道，人机接口技术，电机控制接口技术。

课程的重点、难点：D/A、A/D转换器接口技术和模板标准化设计，数字量输入输出通道，键盘接口技术，7段显示器接口技术，直流电机和步进电机接口技术。

课程教学要求：了解模拟量输入输出通道、数字量输入输出通道的结构形式组成。

理解D/A、A/D转换的工作原理，人机接口电路工作原理，电机接口电路工作原理等。

掌握模拟量输入输出通道设计技术，数字量输入输出通道设计技术，键盘接口技术，7段显示器接口技术，直流电机和步进电机接口技术。

3 .计算机控制基础理论课程教学内容：计算机控制系统的信号变换理论，计算机控制系统的数学描述，连续系统的离散化方法及特点。

课程的重点、难点：计算机控制系统的信号变换理论，Z变换与反Z变换的定义，连续系统的离散化方法，差分方程的求解。

计算机控制技术实验报告精33 任雪冰 2013010667一. 设计报告的全部内容（含分析）：（一）. 基本信息：实验日期为第15周周三以及即将到来的第16周周二，组号为第4组，至于设备号印象不是很清楚，似乎是1号（这就很尴尬）。

组员有赵航，康轶譞与任雪冰。

（二）. 电机模型参数的辨识过程与辨识结果：辨识过程：1.首先是采样周期的确定，根据题中所给条件，由M P =0.3，t s =0.5可以解出：ξ=0.3579，ωn =16.7665，BW=23.6527再根据公式：ωs =(10−30)max ⁡(ωn ，BW)，T =2πωs 可以解出：0.008855s<T<0.026564s为方便计算，令采样周期T=0.01s=10ms2.然后便是在实验室的工作：给予系统一个幅值为5V 的阶跃信号，观察并导出系统的响应曲线以及个点数据。

3.数据拟合：理论计算出阶跃信号的输出函数为：5()()b Y s s s a =+ 5()(1)at b y t e a-=- 编写matlab 程序：fun=inline('b(1).*(1-exp(-b(2)*k))','b','k');b0=[8,0.5];[b,r,j]=nlinfit(k,y,fun,b0);b（k 是采集的时间，b 是对应的数据）将三次数据得到的b(1)、b(2)做平均得到最终结果a=b(2)、b=b(1)*a/54.辨识结果：结果为：a=5.9817，b=50.7030（三）. 计算机控制设计：原理框图如下：（图片来源于老师课件第七章）设计步骤：1.Z变换：被控对象传递函数为：G s=50.7030对其求Z变换得：H z=B(z)=0.002485z+0.00243622.求H m分解：B z=B+B−，B+=1，B−=0.002485z+0.002436由于K V=20>1，所以设：B m1=b0z+b1可计算：d=degA z−deg B z=1r=deg B−z+deg B m1z=2p1=−2e−ξωn T cos2∙ωn∙T =−1.8605p2=e−2ξωn T=0.8869所以：H m z=B m(z)m=(0.002485z+0.002436)∙(b0z+b1)32根据条件K V=20>1可得方程：H m1=1−dH m(z)dz z=1=1TK V=15最后解得：b0=0.7791，b1=4.5857H m z=B m(z)m=0.001936z2+0.01329z+0.01117323.求T，S，R：首先知道：T z=B m1z=0.7791z+4.5857设：R z=z+r，S z=s0z+s1再根据公式：A z∙R z+B z∙S z=A m(z)带入后各次幂对应系数相等，可解得：R z=z+0.03471，S z=18.7872z−13.4224带入后验证无误。

计算机控制技术的发展及趋势张赟枫自动化13040901130425一、计算机控制技术的发展1、第一代工业计算机控制技术第一代工控机技术起源于20世纪80年代初期，盛行于80 年代末和90年代初期，到90年代末期逐渐淡出工控机市场，其标志性产品是STD总线工控机。

STD总线最早是由美国Pro-Log公司和Mostek公司作为工业标准而制定的8位工业I/O总线，随后发展成16位总线，统称为STD80，后被国际标准化组织吸收，成为IEEE961标准。

国际上主要的STD总线工控机制造商有Pro- Log、Winsystems、Ziatech等，而国内企业主要有北京康拓公司和北京工业大学等。

STD总线工控机是机笼式安装结构，具有标准化、开放式、模块化、组合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特点，并且设计、开发、调试简单，得到了当时急需用廉价而可靠的计算机来改造和提升传统产业的中小企业的广泛欢迎和采用，国内的总安装容量接近20万套，在中国工控机发展史上留下了辉煌的一页。

2、第二代工业计算机控制技术1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC机，震动了世界，也获得了极大成功。

随后PC机借助于规模化的硬件资源、丰富的商业化软件资源和普及化的人才资源，于80年代末期开始进军工业控制机市场。

美国著名杂志《CONTROL ENGINERRING》在当时就预测“90年代是工业IPC的时代，全世界近65%的工业计算机将使用IPC，并继续以每年21%的速度增长”。

历史的发展已经证明了这个论断的正确性。

IPC在中国的发展大致可以分为三个阶段：第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初，这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品。

90年代末期，ISA总线技术逐渐淘汰，PCI总线技术开始在IPC中占主导地位，使IPC工控机得以继续发展。

但由于IPC工控机的结构和金手指连接器的限制，使其难以从根本上解决散热和抗振动等恶劣环境适应性问题，IPC开始逐渐从高可靠性应用的工业过程控制、电力自动化系统以及电信等领域退出，向管理信息化领域转移，取而代之的是以CompactPCI总线工控机为核心的第三代工控机技术。

计算机控制技术教学大纲一、教学目标1. 了解计算机控制技术的基本概念和发展历程。

2. 熟悉计算机控制系统的组成和工作原理。

3. 掌握计算机控制技术在工业生产中的应用。

4. 能够运用计算机控制技术进行实际操作和问题解决。

二、教学内容1. 计算机控制技术概述1.1 计算机控制技术的定义和特点1.2 计算机控制技术的分类和应用领域1.3 计算机控制技术的发展历程2. 计算机控制系统结构与组成2.1 控制系统的基本组成2.2 控制系统的功能和作用2.3 控制系统的分类和特点3. 计算机控制系统的工作原理3.1 控制系统的输入输出设备3.2 控制系统的逻辑运算和控制算法3.3 控制系统的软件和硬件设计4. 计算机控制技术在工业生产中的应用4.1 PLC控制技术及应用4.2 CNC控制技术及应用4.3 SCADA控制技术及应用5. 计算机控制技术实验5.1 PLC控制系统实验5.2 CNC控制系统实验5.3 SCADA控制系统实验三、教学方法1. 理论教学与实践相结合，注重理论联系实际。

2. 多媒体教学和实验教学相结合，提高教学效果。

3. 引导学生积极参与课堂讨论和互动，激发学习兴趣。

4. 定期组织学生进行实验操作和项目设计，培养实际操作能力。

四、教学评价1. 期中考试：占总成绩30%2. 期末考试：占总成绩40%3. 实验报告：占总成绩20%4. 课堂表现：占总成绩10%五、教学参考书目1. 《计算机控制技术导论》，李明著，机械工业出版社2. 《先进制造技术与计算机控制》，王志强著，清华大学出版社3. 《PLC原理与应用》，刘强著，电子工业出版社六、教学安排1. 每周一、三、五上午9:00-11:30，理论课程2. 每周二、四下午1:30-4:00，实验课程七、教学督导1. 教师应定期进行学生学习情况跟踪，及时发现和解决问题。

2. 学生对教学内容和教学方法有异议，可向教师或相关部门反映，共同改进。

以上为《计算机控制技术教学大纲》，供参考。

可编辑修改精选全文完整版浅谈计算机控制技术引言：计算机控制系统是自动控制技术和计算机技术相结合的产物，利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工控机）来实现生产过程自动控制的系统，它由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和受控对象两大部分组成。

随着计算机技术和现代控制理论的快速发展，计算机控制技术诞生并迅速蓬勃发展起来，其应用遍及国防、航空航天、工业、农业、医学等多种领域。

本文将主要针对计算机控制技术的发展历史、当今现状以及计算机控制技术的发展趋势做一介绍，并结合它的具体实例介绍计算机控制技术的一些主要应用领域。

正文：一、计算机控制技术的概述1、计算机控制的定义：计算机控制是自动理论和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。

2、计算机控制的发展历史：计算机控制技术的思想始于上世纪五十年代中期，美国TRW航空公司与美国德克萨斯州的一个炼油厂合作，进行计算机控制的研究，他们设计出了一个利用计算机控制实现反应器供料最佳分配，根据催化剂活性测量结果来控制热水的流量以及确定最优循环的系统。

这项具有跨时代意义的工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术迅速发展，并被各行各业广泛应用。

伴随着计算机技术的飞速发展，计算机控制技术也紧随其后，迅猛的发展起来。

现如今，微型计算机的出现和发展使计算机控制技术又进入了一个崭新的阶段。

二、计算机控制技术的应用领域1、计算机控制技术在农业领域的应用实例在农业日趋机械化及自动化的今天，自动控制技术在农业中的应用也越来越广泛，利用计算机控制技术管理控制农业生产已成为目前研究的一个重点。

农业大棚、智能化养殖场等等都是计算机控制技术在农业生产领域应用的鲜明例子。

智能温室大棚中利用计算机进行远程监控和操作，还可设计自动控制无人管理温室大棚。

根据远程传感器搜集来的温度、湿度、光照等模拟信息，经输入通道进行AD转换，传入计算机，计算机既可以利用这些数据进行监控，同时又可以利用这些数据对大棚进行控制，进行加湿、加温、增加光照等控制，从而实现温室大棚的自动化智能控制。

计算机控制技术本课程学习指导资料根据该课程教学大纲的要求，参照现行采用教材《微型计算机控制技术》（于海生等主编，清华大学出版社，1999年3月第一版）以及课程学习光盘，并结合远程网络业余教育的特点和教学规律进行编写，适用于电气工程及其自动化专业专升本学生。

计算机控制技术是为了适应计算机的工业控制领域的需要而发展起来的一门专业技术，主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

随着我国电力工业的发展，计算机及自动化控制技术在电力系统中的应用越来越广泛，本课程将帮助学生理解现有的自动控制设备的原理，提高对此类产品的认识，更好的利用这些设备或设计出相应的满足电力系统要求的控制设备。

学习本课程需首先具备一定的计算机软（汇编和C语言程序设计）、硬件（计算机构成、原理）知识，模拟、数字电子技术知识，以及自动控制理论的相关知识。

学完本课程后，应当结合实际设备进行深入的理解。

通过对本门课程的学习，学生应了解：计算机控制系统的发展及现状；计算机控制系统的在过程控制中的作用，及在本专业应用；主要模板的性能与应用范围；计算机控制系统中的复杂控制技术。

通过本门课程的学习，学生应熟悉：数字程序控制系统技术；计算机控制系统的初步分析、设计方法；能完成简单计算机控制系统构成、实时软件编制；计算机控制系统调试维护的基本知识。

通过本门课程的学习，学生应掌握：模拟自动控制系统与计算机控制系统的区别；计算机控制系统的分类及其特点；计算机控制系统的输入/输出通道的构成，及主要参数的选择；计算机控制系统中的常规控制技术（如PID控制器的设计）；分散型控制系统（DCS）与现场总线（Fieldbus）技术。

11、本章学习要求本章应熟悉的内容有计算机技术、计算机控制理论的发展过程和计算机控制系统的发展趋势；应掌握的内容有：计算机控制系统的典型形式、工业控制机的特点和工业控制机的总线结构；应熟悉掌握的内容有：工业控制机的硬件组成及软件组成、计算机控制系统的工作原理。

目录1 前言 (3)2总体方案设计 (4)2.1 主控芯片选择 (4)2.2 显示模块选择 (5)2.3 可燃气体信号采集传感器选择 (6)2.4 A/D转换部分 (6)2.5 电源的选择 (7)3理论分析与计算 (7)3.1 MQ-2可燃气体信号采集传感器特点及参数 (7)3.2 相关理论值计算 (8)4单元模块电路设计 (11)4.1 可燃气体信号采集部分 (11)4.2 显示部分 (12)4.3 A/D转换部分 (13)4.4 报警显示部分 (14)4.5 最小系统及按键 (15)5软件设计 (17)5.1 程序结构图 (17)5.2 程序代码 (18)6系统调试 (19)6.1 系统硬件调试 (19)6.1.1 排除逻辑故障 (19)6.1.2 排除元件故障 (19)6.2 系统软件调试 (19)7设计总结 (20)8参考文献 (22)附录一：系统总图 (23)附录二：相关程序 (25)1 前言随着城市煤气、天然气事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆的气体种类和应用范围在不断增长，这些易燃易爆气体在生产和使用过程中，一旦发生泄漏将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故，人们在对安全生产的重视限度日益增长的同时，对生产技术手段也进行不断的提高，研制一种新型、性能稳定、准确监测可燃性气体报警控制器势在必行。

而传统的模拟型可燃性气体报警控制器，对于气体传感器的特性补偿、修正，采用匹配补偿传感器的硬件调整方式；这种调整方式虽然具有现场调整方便的优点，但补偿拟合的范围窄，匹配传感器的部件选择困难，而难以获得较好的补偿、修正效果。

因此，本次设计采用了“探测器+单片机控制电路”设计思绪。

本次设计采用以STC89C52芯片为核心，用半导体陶瓷式气体传感器MQ-2来检测外部气体浓度，结合外部硬件电路实现对可燃性气体进行报警控制装置。

STC89C52芯片具有功能强大，性价比高等一系列优点，适合产品大规模生产。

同时，设计出的可燃性气体报警控制器具有操作简朴，实用性强，价格便宜，安全性高等特点，所以非常适合贮气仓库，以及家庭等场合使用，具有很高的实用价值。