第3章计算机控制系统理论基础

计算机控制系统教学大纲课程简介本课程主要针对计算机控制系统方向的学生，旨在介绍计算机控制系统的基本原理、构成、功能和应用等方面的知识，培养学生的系统化思维和解决问题的能力。

课程目标1.了解计算机控制系统的基本原理和应用；2.掌握计算机控制系统的构成、功能及其工作过程；3.能够具备计算机控制系统的调试、维护和管理等实际操作能力；4.能够独立设计计算机控制系统，并能够解决实际问题。

课程总体安排第一章计算机控制系统概述1.1 计算机控制系统简介1.2 计算机控制系统的基本构成和功能1.3 计算机控制系统的分类和工作特点第二章模拟量传感器及其检测2.1 模拟量传感器简介2.2 温度传感器2.3 压力传感器2.4 流量传感器第三章数字量传感器及其检测3.1 数字量传感器简介3.2 光电传感器3.3 声电传感器3.4 磁电传感器第四章计算机控制系统中的执行器4.1 计算机控制系统中的电机4.2 计算机控制系统中的液压执行器4.3 计算机控制系统中的气动执行器第五章计算机控制系统的控制器5.1 计算机控制系统的控制器简介5.2 单片机控制器5.3 PLC控制器第六章计算机控制系统的通信6.1 计算机控制系统中的通信协议6.2 计算机控制系统中的网络通信第七章计算机控制系统设计实践7.1 计算机控制系统设计实践概述7.2 计算机控制系统软件设计7.3 计算机控制系统硬件设计评分标准1.准确理解计算机控制系统的基本原理和应用；2.能够准确掌握计算机控制系统的构成和功能；3.能够独立设计计算机控制系统，并能够解决实际问题。

参考教材1.《自动化控制原理》，第七版，韦元宝等著，机械工业出版社；2.《自动化原理与应用》，朱少伟等著，高等教育出版社；3.《自动化控制系统》，第四版，胡寿松等著，清华大学出版社。

教学方式本课程采用课堂讲授、案例展示和实践操作相结合的方式进行教学，通过实际操作提升学生的实际应用能力。

同时，通过课外作业、小组讨论等方式提升学生的合作能力和自主学习能力。

计算机控制系统课后答案第三章计算机控制系统中的总线技术1、为什么要制定计算机总线标准？采用总线结构有哪些优点？答：为了使插件与插件之间、系统与系统之间能够实现正确的连接和可靠通信，就必须对连接各插件或各系统的基础——总线，制定出严格的规约，即总线标准。

优点：①使结构由面向CPU变为面向总线，简化了系统结构；②可做到硬件、软件的模块化设计与生产；③系统结构清晰明了，便于灵活组态、扩充、改进与升级；④符合同一总线标准的产品兼容性强；⑤用户可以根据自己的需要将不同生产厂家生产的各种型号的模块或模板方便的用标准总线连接起来，构成满足各种用途的计算机应用系统。

2、计算机总线大致可分为几类，其中内部总线又可分为几类？根据总线的功能和应用场合，总线分为内部总线和外部总线。

根据总线的结构总线还可分为并行总线和串行总线。

内部总线分为：数据总线D，地址总线A，控制总线C和电源总线P。

3、总线的功能强弱、适应性好坏取决于什么？控制总线决定了总线的功能强弱、适应性好坏。

4、常见的总线体系结构有哪几种？总线的控制方式又有哪些？常见的总线体系结构有以下三种：单总线体系结构；并发总线体系结构；带Cache的并发总线体系结构。

总线的控制方式：①串行链接式总线裁决②定时查询方式③独立请求式总线裁决。

5、总线的数据传输方式有哪些？①同步式通信②异步式传输③半同步传输6、调制解调器实现远程通信时可分为哪三阶段？并阐述RTS、CTS等信号的变化情况。

调制解调器实现远程通信一般包括呼叫建立、数据传输和拆线三个阶段。

RTS、CTS等信号的变化情况见教材P41。

7、RS-232与RS-485有什么本质的区别？简述其优缺点。

RS-232采用EIA电平，非平衡连接及公用地线，用于数据中断设备DTE和数据通信设备DCE之间的串行异步数据通信，还可作为计算机与计算机，计算机与外设之间的连接标准，通信方式既可全双工，也可半双工；RS-485采用差分驱动电路平衡方式，采用TTL电平，多个发送器，多个接收器，可采用总线方式通信，也可采用环路方式，只能工作在半双工方式。

计算机控制系统设计的基本内容
计算机控制系统设计主要包括以下基本内容:
1. 控制理论基础知识：计算机控制系统的设计需要运用控制理论的基础知识，如传递函数、稳定性分析、动态响应分析等。

2. 计算机控制系统的硬件设计：包括控制器、传感器、执行器等硬件设备的设计和选型，需要考虑硬件设备的可靠性、性能、成本和可维护性等因素。

3. 计算机控制系统的软件设计：包括控制系统的算法设计、软件界面设计、数据采集和处理等，需要运用计算机编程语言和软件设计工具进行开发。

4. 计算机控制系统的调试和测试：设计完成后，需要进行系统调试和测试，以确保系统的稳定性、可靠性和性能指标符合要求。

5. 计算机控制系统的应用和优化：在实际应用场景中，需要对计算机控制系统进行优化和调整，以提高控制性能和效率。

以上是计算机控制系统设计的主要基本内容，不同的应用场景和控制需求可能需要针对具体情况进行定制化设计。

计算机控制课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握计算机控制系统的基础理论知识，包括控制系统的组成、工作原理和性能指标；2. 使学生了解常见传感器的工作原理，并能运用所学知识分析传感器的选用原则；3. 让学生掌握计算机控制算法的基本原理，如PID控制、模糊控制等。

技能目标：1. 培养学生运用计算机编程软件（如MATLAB）进行控制系统仿真的能力；2. 培养学生设计简单的计算机控制系统硬件电路，并进行调试的能力；3. 提高学生运用所学知识解决实际计算机控制问题的能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机控制技术产生浓厚的兴趣，激发学生的学习热情；2. 培养学生具备团队协作精神，学会与他人共同探讨、分析和解决问题；3. 增强学生的创新意识，培养学生在面对实际问题时敢于尝试、勇于突破的精神。

分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为计算机控制技术的实践性课程，旨在培养学生的实际操作能力和创新能力。

学生处于高年级阶段，已具备一定的专业基础知识和实践能力。

教学要求注重理论与实践相结合，强调学生的动手实践能力和解决实际问题的能力。

二、教学内容1. 计算机控制系统概述- 控制系统基本概念- 控制系统发展历程- 计算机控制系统的优势与应用2. 控制系统硬件组成- 控制器硬件结构- 传感器及其接口技术- 执行器及其接口技术3. 计算机控制算法- PID控制算法原理- 模糊控制算法原理- 其他先进控制算法介绍4. 控制系统仿真与设计- MATLAB/Simulink软件介绍- 控制系统仿真模型搭建- 控制系统硬件设计及调试5. 实际案例分析与讨论- 典型计算机控制系统案例分析- 学生分组讨论实际控制问题- 创新性控制系统设计实践教学内容安排与进度：第一周：计算机控制系统概述第二周：控制系统硬件组成第三周：计算机控制算法第四周：控制系统仿真与设计第五周：实际案例分析与讨论教材章节及内容列举：第一章：计算机控制系统概述（涵盖教学内容1）第二章：控制系统的硬件与接口技术（涵盖教学内容2）第三章：计算机控制算法（涵盖教学内容3）第四章：控制系统的仿真与设计（涵盖教学内容4）第五章：计算机控制系统应用案例（涵盖教学内容5）三、教学方法本课程采用以下多样化的教学方法，以充分激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：用于讲解计算机控制系统的基本概念、原理和算法等理论知识。

计算机控制系统席爱民编著第1章绪论1.1 概述可以这样说，没有计算机的参与，现代化的自动化系统是不可能实现的。

随着微电子学、计算机技术革命性的发展，当今所构成的自动控制系统都是建立在计算机基础之上的。

要获得比模拟控制系统更好的控制性能，使控制系统具备新的功能，只有使用计算机控制系统。

计算机具有信息储存记忆、逻辑判断推理和快速数值计算功能，是一种强大的信息处理工具，其应用己经渗透到人类活动的各个领域，强有力地推动着技术与科学的全面进步。

随着计算机技术的迅猛发展，计算机在工业控制中的应用也越来越广泛。

如今计算机控制已广泛应用于各行各业技术工程和各类工业生产制造过程的控制中。

学习本书的目的：本书将侧重系统讲述有关计算机控制系统的分析及设计的基本理论和方法，以及一些较为实用的计算机先进控制算法。

实际上目前全部的控制系统都是基于计算机控制，因此懂得计算机控制是很重要的。

如果将计算机控制系统仅仅看作模拟控制系统的近似是很不够的。

因为那是没有看到计算机控制的全部潜在能力。

很好地掌握计算机控制系统，就能够充分发挥计算机控制的全部潜能。

计算机控制系统存在着一些模拟控制系统所没有的相应现象，本书的主要目标就提供了解、分析和设计计算机控制系统扎实的基础理论知识，这对于从事控制系统方面的工程技术人员来说是很重要的。

本章概述：计算机控制系统的组成、类型、特点、任务以及计算机控制的发展概况及趋势；了解过程自动化的任务，进一步明确计算机控制系统的类型、特点。

1.1.1计算机控制系统典型计算机反馈控制系统如图1.1所示。

系统中存在着两种截然不同的信号，即模拟连续信号及数字离散信号。

因而对于计算机控制系统的分析和设计就不能完全采用连续控制理论，需要有相应的离散控制理论与之相适应。

不同类型信号混合的分析有时是困难的，然而，在大多数的情况下，描述系统在采样点上的表现就足够了。

1.1.2计算机控制系统组成计算机控制系统是由硬件和软件两部分组成的。

《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。

第一章
1、计算机控制技术以自动控制理论和计算机技术为基础。

2、计算机控制技术包含两部分内容：1:计算机控制的理论基础；2：实现技术，包括通道接口技术和系统实现技术。

3、计算机控制系统的组成：工业对象、过程输入输出系统和计算机系统。

由硬件和软件组成。

4、计算机系统包括主机和外围设备。

主机：中央处理器（CPU）和内存储器（RAM、ROM）
外围设备：输入设备、输出设备、通信设备和外存储器。

过程输入输出系统：计算机与工业对象之间的信息传递是通过输入输出系统进行的，它起纽带和桥梁的作用。

5、模拟通道的作用：1：将检测变送装置得到的工业对象的生产过程参数变成二进制代码送给计算机；2：将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。

6、计算机控制系统分类：数据采集系统（DAS）、直接数字控制系统（DDC）、监督控制系统（SCC）、集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）。

第二章
采样系统：具有离散传输通道的系统。

（A/D——计算机——D/A）
采样过程：利用采样开关将连续信号转换成离散信号的过程。

采样频率:WS>=2Wmax
保持器：将采样信号复现为连续信号的装置。

零阶保持器的作用：把前一采样时刻的值保持到下一个采样时刻，从而使采样信号变为阶梯信号。

第1章概述 ............................................................... 1-2第2章计算机控制系统的理论基础 ........................................... 2-1第3章数字控制器的设计与实现 ............................................. 3-1第4章控制系统中的计算机及其接口技术 ..................................... 4-1第5章计算机控制系统中的过程通道 ......................................... 5-1第6章控制系统的可靠性与抗干扰技术 ....................................... 6-1第7章控制系统的组态软件 ................................................. 7-1第8章 DCS集散控制系统.................................................... 8-1第9章计算机控制系统的解决方案 ........................................... 9-1第10章计算机控制技术在简单过程控制中的应用 ............................. 10-1第11章计算机控制技术在流程工业自动化中的应用 ........................... 11-1第1章概述1.什么是自动控制、控制系统、自动化和控制论？[指导信息]:参见1.1自动控制的基本概念。

自动控制(autocontrol)：不用人力来实现的控制，通常可用机械、电气等装置来实现。

通常相对手动控制而言。

控制系统(control system)：通过控制来实现特定功能目标的系统。

第一讲1、什么是计算机数字控制系统？一般由哪几部分组成？请用框图形式给出实例，并简单说明其工作原理。

计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统；一般由计算机和生产过程两部分组成；计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网格结构）和生产过程两大部分组长。

其中硬件系统有主机、输入输出通道、外部设备、检测与执行机构组成；三个步骤原理：①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。

②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。

③实时控制输出：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。

2、实时、在线方式、离线方式的含义是什么？实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，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。

在线方式：在线方式亦称为联机方式，是指生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为。

离线方式：离线方式亦称为脱机方式，是指生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式。

3、简述计算机数字控制系统的发展趋势。

计算机数值控制系统的发展趋势有控制系统的网络化、扁平化、只能化、综合化。

第二讲1、简述计算机控制系统中过程通道的基本类型及其作用。

数字量输入通道：接受外部装置或产生过程的状态信号，同时将状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号；数字量输出通道：把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号；模拟量输入通道：把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位重量等模拟信号转换成计算机可以接收的数字量信号；模拟量输出通道：把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。

2、简述计算机控制系统抗干扰技术的基本措施。

计算机控制原理计算机控制原理是指计算机系统中的控制部分所遵循的基本原理。

计算机控制系统是指在计算机内部或外部通过控制器控制各种设备和过程的系统。

计算机控制原理是计算机科学和工程中的一个重要基础知识，它涉及到计算机系统的结构、功能、工作原理等方面的内容。

首先，计算机控制原理的基本概念包括了控制系统、控制器、被控对象等。

控制系统是由控制器和被控对象组成的，控制器通过对被控对象的监测和控制来实现系统的稳定运行。

控制器是控制系统的核心部分，它通过对输入信号的处理和分析来产生控制信号，从而实现对被控对象的控制。

被控对象是控制系统需要控制的对象，它可以是各种设备、机器人、生产过程等。

其次，计算机控制原理涉及到的内容包括了控制系统的建模与分析、控制器的设计与实现、控制系统的性能评价等。

控制系统的建模与分析是指通过对控制系统进行数学建模，分析系统的稳定性、性能等特性。

控制器的设计与实现是指根据控制系统的需求，设计合适的控制器并实现控制算法。

控制系统的性能评价是指对控制系统进行性能测试和评估，从而得到系统的性能指标。

此外，计算机控制原理还涉及到了控制系统的稳定性、鲁棒性、性能优化等内容。

控制系统的稳定性是指系统在受到外部扰动时能够保持稳定的特性，鲁棒性是指系统对参数变化、测量误差等不确定性的抵抗能力，性能优化是指通过对控制系统进行优化设计，使系统的性能达到最优。

总的来说，计算机控制原理是计算机科学和工程中的重要理论基础，它涉及到控制系统的建模与分析、控制器的设计与实现、控制系统的性能评价、稳定性、鲁棒性、性能优化等内容。

掌握计算机控制原理对于理解和设计计算机系统、控制系统具有重要意义，也是计算机科学和工程领域的基础知识之一。