计算机控制系统应用实例

scada系统的应用实例SCADA系统是计算机自动化和远程管理系统的简称，它常用于对复杂的物理系统，其中收集、处理和分析的数据的监控和控制。

它在各行各业中都有广泛的应用，如电力行业，石油和天然气行业，农业，通信，制造及其他行业。

SCADA系统的一个典型应用实例是Smart Grid，它使能智能电网的部署，从而可以实现靶向制定的能源计划，提高能源效率。

SCADA系统可以监控和控制电网中的每一处节点，以确保电网稳定运行。

它还可以监测用户使用的能源，并根据用户的工作量调节他们的用电情况，以避免超负荷。

此外，SCADA系统还可以用于建立事务处理系统，以实现计算机设备之间的通信，从而实现设备间的可靠，有效和有效的资源共享。

另一个比较典型的应用实例就是水处理系统。

由于水处理系统涉及到不同的测量点，如水压，水流量和水位等，因此使用SCADA系统可以实时监测各个传感器的信号及设备的状态，从而实时记录和分析水处理系统的运行情况。

使用SCADA系统可以确保各种水处理设备正常运行，并按照实时参数调节设备，以免发生不必要的故障。

此外，SCADA系统还可以记录水处理系统的运行信息，并在需要时将这些数据发送至服务器，从而可以方便地进行远程管理和监控。

SCADA系统还被广泛应用于制造业，它可以帮助制造企业监控和控制生产过程，以确保生产过程的质量和效率。

通过SCADA系统，可以实现对生产设备的远程监控，并及时采取措施实现有效控制，避免设备损坏或出现不必要的故障。

此外，SCADA系统还可以实现物流管理和出入库管理等，从而帮助制造业企业提高效率，减少成本，提升竞争力。

总之，SCADA系统在物联网的自动化和监督管理方面发挥着重要的作用，它为我们提供了高效、灵活和低成本的解决方案，在电力行业、石油行业、天然气行业、农业、通信行业以及制造行业等行业中都有广泛的应用。

2023-11-06CATALOGUE目录•数控系统概述•数控系统的组成•数控系统的基本原理•数控系统的分类•数控系统的发展趋势和挑战•数控系统的应用实例01数控系统概述数控系统是一种采用数字控制方法的计算机控制系统。

它通过接收输入的程序信息，对信息进行计算、比较、处理等操作，控制各种机械运动，实现自动化加工。

数控系统主要由输入、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、伺服驱动装置、检测装置等组成。

数控系统的定义数控系统的特点数控系统具有高精度的控制能力，能够实现精确的加工和测量。

高精度高效性灵活性可靠性数控系统能够实现自动化加工，提高生产效率，降低人工成本。

数控系统具有多种控制模式和编程语言，可以根据不同的加工需求进行定制和调整。

数控系统具有稳定的性能和可靠性，能够保证长时间连续工作的稳定性和安全性。

数控系统的应用范围数控系统广泛应用于机床、刀具、夹具等制造设备的控制，能够实现高效、高精度的加工和测量。

机械制造业数控系统用于半导体制造、电子组装等领域的控制和监测，能够实现精密的加工和检测。

电子制造业数控系统用于飞机、火箭等航空器的制造和维修，能够实现高精度、高效率的加工和检测。

航空航天业数控系统还广泛应用于汽车制造、医疗器械、食品加工等领域，能够实现自动化、智能化的生产和加工。

其他领域02数控系统的组成数控装置是数控系统的核心，也称为CNC装置或NC装置。

它由计算机、输入/输出设备、可编程控制器等组成，负责处理各种加工数据，如零件的几何尺寸、工艺参数、加工轨迹等，并将其转化为控制机床运动的指令。

数控装置一般采用高性能的微处理器和计算机硬件，具备强大的计算和控制能力，能够实现高精度、高效率的加工控制。

数控装置伺服系统是数控系统的重要组成部分，负责将数控装置的电信号转换为机床的运动。

它由伺服驱动器、伺服电机和反馈装置组成。

伺服驱动器根据数控装置发出的指令，驱动伺服电机转动，实现机床的移动和转动。

反馈装置将机床的实际运动状态反馈给数控装置，形成闭环控制系统。

PLC在DCS系统的应用实例一、前言PLC在SmartPro系统中的应用根据通信方式可以分为三类：1、串口通信：一般将PLC与计算机的串口相联接，通过RS232或RS485接口与PLC进行数据通信。

这种方式适用于低速、接口开放性较差的PLC系统。

一般需要针对性的通信开发。

2、以太网通信：这种通信方式要求PLC具有以太网接口，或者具有RS485/以太网关转换接口。

通过这种方式可以实现较灵活的网络形态，满足用户特定的现场环境需求，同时使用也比较方便。

典型的如西门子S400系列。

3、DP接口：采用这种方式的PLC一般是作为DP从站挂接在DCS系统的DP总线上，实现与DCS的双向通信。

这种方式可以避免前两种中PLC数据不能参与DCS运算的缺点，应用较广泛。

还有一类是在软件之间进行通信连接。

即通过PLC的上层监控与DCS系统的上层监控软件之间以OPC、NETDDE等方式进行数据的通信与监视。

这种情况一般应用在扩展已存的小型系统、或在各独立小型PLC系统之间进行联网。

随着技术的发展，PLC和DCS的差别也越来越小，用户也希望在整个系统中避免过多地接口转换。

针对此，现在市场上也推出了各种转换元件，如RS485/以太网，RS485/DP接口等，仅仅通过填表式的操作就能完成以前开发人员的接口编程工作，大大方便工程使用。

下面以SmartPro系统为例简要介绍FOPLC在DCS系统中的应用。

不管PLC与何种DCS系统连接，一般涉及三个方面：PLC侧的组态、DCS侧的组态、两者之间的通信区的设置与读取。

下面逐一介绍：二、PLC侧的组态设置FOPLC与西门子S300系列兼容，因此一般使用STEP7软件完成对FOPLC的组态设置。

要在Step7中使用FOPLC模块，就必须将FOPLC模块加入Step7硬件配置器（HW config）的模块列表（Catolog）中。

步骤：将FOPLC的GSD文件（G5_S7.gsd）拷贝至Step7的安装路径下\s7data\gsd\目录中；1、工程建立再打开STEP7软件，新建一个工程，提示如下：输入工程名、路径等信息；点击OK。

第一章计算机控制系统概述习题与思考题1.1什么是计算机控制系统计算机控制系统较模拟系统有何优点举例说明;解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统,被称为计算机控制系统;与模拟系统相比,计算机控制系统具有设计和控制灵活,能实现集中监视和操作,能实现综合控制,可靠性高,抗干扰能力强等优点;例如,典型的电阻炉炉温计算机控制系统,如下图所示：炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后,变成电信号毫伏级,再经变送器变成标准信号1-5V或4-20mA从现场进入控制室；经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机,与计算机内部的温度给定比较,得到偏差信号,该信号经过计算机内部的应用软件,即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量,再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器,进而控制双向晶闸管对交流电压220V进行PWM调制,达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小,从而调节炉温变化,最终达到计算机内部的给定温度;由于计算机控制系统中,数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的,所以很容易实现多种控制算法,修改控制算法的参数也比较方便;还可以通过软件的标准化和模块化,这些控制软件可以反复、多次调用;又由于计算机具有分时操作功能,可以监视几个或成十上百个的控制量,把生产过程的各个被控对象都管理起来,组成一个统一的控制系统,便于集中监视、集中操作管理;计算机控制不仅能实现常规的控制规律,而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能,可以综合生产的各方面情况,在环境与参数变化时,能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制,必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预,这些都是传统模拟控制无法胜任的;在计算机控制系统中,可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能,使计算机控制系统具有很强的可维护性;另一方面,计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的,程序代码存储于计算机中,一般情况下不会因外部干扰而改变,因此计算机控制系统的抗干扰能力较强;因此,计算机控制系统具有上述优点;1.2计算机控制系统由哪几部分组成各部分的作用如何解答：计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成;被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号1-5V或4-20mA；再经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机,计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量,再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器,进而控制被控对象的物理量,实现控制要求;1.3应用逻辑器件设计一个开关信号经计算机数据总线接入计算机的电路图;解答：1.4应用逻辑器件设计一个指示灯经过计算机数据总线输出的电路图;解答：1.5设计一个模拟信号输入至计算机总线接口的结构框图;解答：模拟量输入通道组成与结构图1.6设计一个计算机总线接口至一个4~20mA模拟信号输出的结构框图;解答：1.7简述并举例说明内部、外部和系统总线的功能;解答：内部总线指计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线,用于芯片一级的互连,是微处理器总线的延伸,是微处理器与外部硬件接口的通路,图所示是构成微处理器或子系统内所用的并行总线;内部并行总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类;图 内部并行总线及组成 系统总线指计算机中各插件板与系统板之间的总线如Multibus 总线、STD 总线、PC 总线,用于插件板一级的互连,为计算机系统所特有,是构成计算机系统的总线;由于微处理器芯片总线驱动能力有限,所以大量的接口芯片不能直接挂在微处理器芯片上;同样,如果存储器芯片、I/O 接口芯片太多,在一个印刷电路板上安排不下时,采用模块化设计又增加了总线的负载,所以微处理器芯片与总线之间必须加上驱动器;系统总线及组成如图所示;图 系统总线及组成外部总线指计算机和计算机之间、计算机与外部其他仪表或设备之间进行连接通信的总线;计算机作为一种设备,通过该总线和其他设备进行信息与数据交换,它用于设备一级的互连;外部总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上,外部总线及组成如图所示;图 外部总线及组成1.8 详述基于权电阻的D/A 转换器的工作过程;解答：D/A 转换器是按照规定的时间间隔T 对控制器输出的数字量进行D/A 转换的;D/A 转换器的工作原理,可以归结为“按权展开求和”的基本原则,对输入数字量中的每一位,按权值分别转换为模拟量,然后通过运算放大器求和,得到相应模拟量输出;相应于无符号整数形式的二进制代码,n 位DAC 的输出电压out V 遵守如下等式：2 31223()2222nout FSR n B B B B V V =++++式中,FSR V 为输出的满幅值电压,1B 是二进制的最高有效位,n B 是最低有效位;以4位二进制为例,图给出了一个说明实例;在图中每个电流源值取决于相应二进制位的状态,电流源值或者为零,或者为图中显示值,则输出电流的总和为：3124234()2222out B B B B I I =+++ 我们可以用稳定的参考电压及不同阻值的电阻来替代图中的各个电流源,在电流的汇合输出加入电流/电压变换器,因此,可以得到权电阻法数字到模拟量转换器的原理图如图所示;图中位切换开关的数量,就是D/A 转换器的字长;图 使用电流源的DAC 概念图图 权电阻法D/A 转换器的原理图D/A 转换器误差的主要来源是什么解答：D/A 转换的误差主要应由D/A 转换器转换精度转换器字长和保持器采样点之间插值的形式以及规定的时间间隔T 来决定;详述逐次逼近式A/D 转换器的工作过程;解答：逐次逼进式A/D 转换器原理图如图所示,当计算机发出转换开始命令并清除n 位寄存器后,控制逻辑电路先设定寄存器中的最高位为“1”其余位为“0”,输出此预测数据为100…0被送到D/A 转换器,转换成电压信号f V ,后与输入模拟电压g V 在比较器中相比较,若g f V V ≥,说明此位置“1”是对的,应予保留,若g f V V <,说明此位置“1”不合适,应置“0”;然后对次高位按同样方法置“1”,D/A 转换、比较与判断,决定次高位应保留“1”还是清除;这样逐位比较下去,直到寄存器最低一位为止;这个过程完成后,发出转换结束命令;这时寄存器里的内容就是输入的模拟电压所对应的数字量;图 逐次逼近式A/D 转换器原理框图详述双积分式A/D 转换器的工作过程;解答：双积分式A/D 转换器转换原理框图如图a 所示,转换波形如图b 所示;当t=0,“转换开始”信号输入下,g V 在T 时间内充电几个时钟脉冲,时间T 一到,控制逻辑就把模拟开关转换到ref V 上,ref V 与g V 极性相反,电容以固定的斜率开始放电;放电期间计数器计数,脉冲的多少反映了放电时间的长短,从而决定了输入电压的大小;放电到零时,将由比较器动作,计数器停止计数,并由控制逻辑发出“转换结束”信号;这时计数器中得到的数字即为模拟量转换成的数字量,此数字量可并行输出;a b图 双积分式A/D 转换器原理及波形图A/D 转换器误差的主要来源是什么解答：A/D 转换的误差主要应由A/D 转换器转换速率孔径时间和转换精度量化误差来决定; 简述操作指导控制系统的结构和特点;解答：操作指导系统的结构如图所示;它不仅提供现场情况和进行异常报警,而且还按着预先建立的数学模型和控制算法进行运算和处理,将得出的最优设定值打印和显示出来,操作人员根据计算机给出的操作指导,并且根据实际经验,经过分析判断,由人直接改变调节器的给定值或操作执行机构;当对生产过程的数学模型了解不够彻底时,采用这种控制能够得到满意结果,所以操作指导系统具有灵活、安全和可靠等优点;但仍有人工操作、控制速度受到限制,不能同时控制多个回路的缺点;图 操作指导系统框图简述直接数字控制系统的结构和特点;解答：直接数字控制系统DDC 结构如图所示;这类控制是计算机把运算结果直接输出去控制生产过程,简称DDC 系统;这类系统属于闭环系统,计算机系统对生产过程各参量进行检测,根据规定的数学模型,如PID 算法进行运算,然后发出控制信号,直接控制生产过程;它的主要功能不仅能完全取代模拟调节器,而且只要改变程序就可以实现其他的复杂控制规律,如前馈控制、非线性控制等;它把显示、打印、报警和设定值的设定等功能都集中到操作控制台上,实现集中监督和控制给操作人员带来了极大的方便;但DDC 对计算机可靠性要求很高,否则会影响生产;图 直接数字控制系统简述计算机监督控制系统的结构和特点; 解答：监督控制系统有两种形式;1SCC 加模拟调节器的系统这种系统计算机对生产过程各参量进行检测,按工艺要求或数学模型算出各控制回路的设定值,然后直接送给各调节器以进行生产过程调节,其构成如图所示;这类控制的优点是能够始终使生产过程处于最优运行状态,与操作指导控制系统比较,它不会因手调设定值的方式不同而引起控制质量的差异;其次是这种系统比较灵活与安全,一旦SCC 计算机发生故障,仍可由模拟调节器单独完成操作;它的缺点是仍然需采用模拟调节器;图 SCC 加调节器的系统框图2SCC 加DDC 的系统在这种系统中,SCC 计算机的输出直接改变DDC 的设定值,两台计算机之间的信息联系可通过数据传输直接实现,其构成如图所示;这种系统通常一台SCC 计算机可以控制数个DDC 计算机,一旦DDC 计算机发送故障时,可用SCC 计算机代替DDC 的功能,以确保生产的正常进行;图 SCC 加DCC 的系统框图简述集中控制系统的结构和特点;解答：这种系统是由一台计算机完成生产过程中多个设备的控制任务,即控制多个控制回路或控制点的计算机控制系统;控制计算机一般放置在控制室中,通过电缆与生产过程中的多种设备连接;集中控制系统具有结构简单、易于构建系统造价低等优点,因此计算机应用初期得到了较为广泛的应用;但由于集中控制系统高度集中的控制结构,功能过于集中,计算机的负荷过重,计算机出现的任何故障都会产生非常严重的后果,所以该系统较为脆弱,安全可靠性得不到保障;而且系统结构越庞大,系统开发周期越长,现场调试,布线施工等费时费力不,很难满足用户的要求;简述DCS控制系统的结构和特点;解答：集散型控制系统DCS,Distributed Control System是由以微型机为核心的过程控制单元PCU、高速数据通道DHW、操作人员接口单元OIU和上位监控机等几个主要部分组成,如图所示;各部分功能如下：1过程控制单元PCU由许多模件板组成,每个控制模件是以微处理器为核心组成的功能板,可以对几个回路进行PID、前馈等多种控制;一旦一个控制模件出故障,只影响与之相关的几个回路,影响面少,达到了“危险分散”的目的;此外,PCU可以安装在离变送器和执行机构就近的地方,缩短了控制回路的长度,减少了噪声,提高了可靠性,达到了“地理上”的分散;2高速数据通道DHW是本系统综合展开的支柱,它将各个PCU、OIU、监控计算机等有机地连接起来以实现高级控制和集中控制;挂在高速数据通道上的任何一个单元发生故障,都不会影响其他单元之间的通信联系和正常工作;3操作人员接口OIU单元实现了集中监视和集中操作,每个操作人员接口单元上都配有一台多功能CRT屏幕显示,生产过程的全部信息都集中到本接口单元,可以在CRT上实现多种生产状态的画面显示,它可以取消全部仪表显示盘,大大地缩小了操作台的尺寸,对生产过程进行有效的集中监视,此外利用键盘操作可以修改过程单元的控制参数,实现集中操作;4监控计算机实现最优控制和管理,监控机通常由小型机或功能较强的微型机承担,配备多种高级语言和外部设备,它的功能是存取工厂所有的信息和控制参数,能打印综合报告,能进行长期的趋势分析以及进行最优化的计算机控制,控制各个现场过程控制单元PCU工作;图集散控制系统简述NCS控制系统的结构和特点;解答：以太网络为代表的网络控制结构如图所示;以太控制网络最典型应用形式为顶层采用Ethernet,网络层和传输层采用国际标准TCP/IP;另外,嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器可以很方便地接入以太控制网;以太控制网容易与信息网络集成,组建起统一的企业网络;图以太控制网络组成简述FCS控制系统的结构和特点;解答：现场总线控制系统FCS,Fieldbus Control System的体系结构主要表现在：现场通信网络、现场设备互连、控制功能分散、通信线供电、开放式互连网络等方面;由于FCS底层产品都是带有CPU的智能单元,FCS突破了传统DCS底层产品4-20mA模拟信号的传输;智能单元靠近现场设备,它们可以分别独立地完成测量、校正、调整、诊断和控制的功能;由现场总线协议将它们连接在一起,任何一个单元出现故障都不会影响到其它单元,更不会影响全局,实现了彻底的分散控制,使系统更安全、更可靠;传统模拟控制系统采用一对一的设备连线,按照控制回路进行连接;FCS采用了智能仪表智能传感器、智能执行器等,利用智能仪表的通信功能,实现了彻底的分散控制;图为传统控制系统与FCS的结构对比;图传统控制系统与现场总线控制系统结构的比较SPI总线中的从控器应满足什么要求解答：略;智能仪表接入计算机有几种途径解答：两种,一种是485串行方式,另一种是以太网方式;针对计算机控制系统所涉及的重要理论问题,举例说明;解答：1.信号变换问题多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的,而计算机控制系统在结构上通常是由模拟与数字部件组成的混合系统;同时,计算机是串行工作的,必须按一定的采样间隔称为采样周期对连续信号进行采样,将其变成时间上是断续的离散信号,并进而变成数字信号才能进入计算机；反之,从计算机输出的数字信号,也要经过D/A 变换成模拟信号,才能将控制信号作用在被控对象之上;所以,计算机控制系统除有连续模拟信号外,还有离散模拟、离散数字等信号形式,是一种混合信号系统;这种系统结构和信号形式上的特点,使信号变换问题成为计算机控制系统特有的、必须面对和解决的问题; 2.对象建模与性能分析计算机控制系统虽然是由纯离散系统的计算机和纯连续系统的被控对象而构成的混合系统,但是为了分析和设计方便,通常都是将其等效地化为离散系统来处理;对于离散系统,通常使用时域的差分方程、复数域的z 变换和脉冲传递函数、频域的频率特性以及离散状态空间方程作为系统数学描述的基本工具;3.控制算法设计在实际工程设计时,数字控制器有两种经典的设计方法,即模拟化设计方法和直接数字设计方法,它们基本上属于古典控制理论的范畴,适用于进行单输入、单输出线性离散系统的算法设计;以状态空间模型为基础的数字控制器的设计方法,属于现代控制理论的范畴,不仅适用于单输入、单输出系统的设计,而且还适用于多输入、多输出的系统设计,这些系统可以是线性的也可以是非线性的；可以是定常的,也可以是时变的;4.控制系统实现技术在计算机控制系统中,由于采用了数字控制器而会产生数值误差;这些误差的来源、产生的原因、对系统性能的影响、与数字控制器程序实现方法的关系及减小误差影响的方法,如A/D 转换器的量化误差；当计算机运算超过预先规定的字长,必须作舍入或截断处理,而产生的乘法误差；系统因不能装入某系数的所有有效数位,而产生的系数设置误差；以及这些误差的传播,都会极大的影响系统的控制精度和它的动态性能,因此计算机控制系统的工程设计是一项复杂的系统工程,涉及的领域比较广泛;举例略;第二章 信号转换与z 变换习题与思考题什么叫频率混叠现象,何时会发生频率混叠现象解答：采样信号各频谱分量的互相交叠,称为频率混叠现象;当采样频率max 2s ωω<时,采样函数*()f t 的频谱已变成连续频谱,重叠部分的频谱中没有哪部分与原连续函数频谱 ()F j ω相似,这样,采样信号*()f t 再不能通过低通滤波方法不失真地恢复原连续信号;就会发生采样信号的频率混叠现象;简述香农采样定理;解答：如果一个连续信号不包含高于频率max ω的频率分量连续信号中所含频率分量的最高频率为max ω,那么就完全可以用周期max /T πω<的均匀采样值来描述;或者说,如果采样频率max 2s ωω>,那么就可以从采样信号中不失真地恢复原连续信号; D/A 转换器有哪些主要芯片解答：8位DAC0832,12位D/A 转换器DAC1208/1209/1210; D/A 转换器的字长如何选择 解答：D/A 转换器的字长的选择,可以由计算机控制系统中D/A 转换器后面的执行机构的动态范围来选定;设执行机构的最大输入为u max ,执行机构的死区电压为u R ,D/A 转换器的字长为n ,则计算机控制系统的最小输出单位应小于执行机构的死区,即 所以[]max lg /1/lg2R n u u ≥+;简述D/A 输出通道的实现方式; 解答：常用的两种实现方式;图 a 由于采用了多个D/A 转换器,硬件成本较高,但当要求同时对多个对象进行精确控制时,这种方案可以很好地满足要求;图 b 的实现方案中,由于只用了一个D/A 转换器、多路开关和相应的采样保持器,所以比较经济; 2.6 A/D 转换器有哪些主要芯片解答：8位8通道的ADC0809,12位的AD574A; 2.7 A/D 转换器的字长如何选择解答：根据输入模拟信号的动态范围可以选择A/D 转换器位数;设A/D 转换器的位数为n ,模拟输入信号的最大值u max 为A/D 转换器的满刻度,则模拟输入信号的最小值u min 应大于等于A/D 转换器的最低有效位;即有 所以[]max min lg /1/lg2n u u ≥+;简述A/D 输入通道的实现方式;解答：查询方式,中断方式,DMA 方式简述A/D 的转换时间的含义及其与A/D 转换速率和位数的关系;解答：设A/D 转换器已经处于就绪状态,从A/D 转换的启动信号加入时起,到获得数字输出信号与输入信号对应之值为止所需的时间称为A/D 转换时间;该时间的倒数称为转换速率;A/D 的转换速率与A/D 的位数有关,一般来说,A/D 的位数越大,则相应的转换速率就越慢; 写出()f t 的z 变换的多种表达方式如(())Z f t 等; 解答：*[()][()]()()k k Z f t Z f t F z f kT z ∞-====∑;证明下列关系式1 11[]1k Z a az-=- 证明：ln *()k a Tf kT e =令将两式相减得： 证毕;2 [()]()k z Z a f t F a =证明：3 [()]()dZ tf t Tz F z dz=- 证明：4 211213(1)[](1)T z z Z t z ---+=- 5 112[](1)aT ataT Te z Z tee z -----=-6 [()]()t TZ a f t F a z -=用部分分式法和留数法求下列函数的z 变换 1 1()(1)F s s s =+解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：11()1F s s s =-+ 1111111111;1+11,111(1)()11(1)(1)T T T T s z s e z e z F z z e z z e z --------------=-=----与相对应的连续时间函数相应的z 变换是与相对应的连续时间函数相应的z 变换是因而留数法： 2 1()(3)(2)s F s s s +=++解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：21()32F s s s =-++ 留数法： 3 21()(2)(1)s F s s s +=++解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：2()(2)21A B CF s s s s =+++++ 求,,A B C ：所以上式中等号右边第一项不常见,查后续表,得到 留数法:()F s 的极点11s =-,2,32s =-,2m =,2n = 4 23()(2)(1)s F s s s +=++ 解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：2122()(2)21F s s s s -=-++++留数法：5 21()(1)sTe F s s s --=+留数法： 部分分式法:6 21()(1)sTe F s s s --=+留数法:部分分式法：用级数求和法求下列函数的Z 变换1 ()kf k a =解答：2 1()k f k a -=解答：3 1()k f t ta -=解答：所以122331()2...az F z Ta z Ta z ---=++4 25()tf t t e -=解答：用长除法、部分分式法、留数法对下列函数进行z 反变换1 111(1)()(1)(1)aT aT z e F z z e z ------=-- 解答：长除法 部分分式法： 留数法：2 (1)()(1)()aT aTz e F z z z e ---=-- 解答：长除法 部分分式法： 留数法：3 11262()12z F z z z ----+=-+解答：长除法 部分分式法： 留数法：4 1120.5()1 1.50.5z F z z z---=-+ 解答：长除法 部分分式法： 留数法：5 1123()12z F z z z----+=-+ 解答：长除法 部分分式法： 留数法： 6 2()(2)(1)zF z z z =--解答： 长除法：部分分式法： 留数法：()F z 中有一个单极点和两个重极点12z =,2,31z =,2m =,2n =利用式求出12z z ==时的留数利用式求出2,31z z ==的留数,其中2n =;根据式有 ()21kf kT k =--从而 *()(21)()kk f t k t kT δ∞==---∑举例说明,z 变换有几种方法解答：级数求和法,部分方式法,留数计算法;举例见书上例题; 简述z 变换的线性定理,并证明之;解答：线性定理：线性函数满足齐次性和迭加性,若[]11()()Z f t F z =,[]22()()Z f t F z =a 、b 为任意常数,12()()()f t af t bf t =±,则证明：根据z 变换定义 证毕;简述z 变换的滞后定理,并证明之; 解答：滞后定理右位移定理如果()0f t =,则 证明：根据z 变换定义令k n m -=,则因为0t <时,()0f t =物理的可实现性,上式成为 证毕;简述z 变换的超前定理,并证明之; 解答：超前定理左位移定理 如果 [](0)()(1)0f T f T f n T ===-=则证明：根据z 变换定义 令k n r +=,则当[](0)()(1)0f T f T f n T ===-=零初始条件时,上式成为证毕;简述z 变换的初值定理,并证明之; 解答：初值定理如果()f t 的z 变换为()F z ,而lim ()z F z →∞存在,则证明：根据z 变换定义当z →∞时,上式两端取极限,得 证毕;简述z 变换的终值定理,并证明之; 解答：终值定理如果()f t 的z 变换为()F z , 而1(1)()z F z --在z 平面以原点为圆心的单位圆上或圆外没有极点,则证明：根据z 变换定义 因此,有当1z →时,上式两端取极限,得111lim[()()]lim(1)()kk z z k k f kT zf kT T z z F z ∞∞---→→==--=-∑∑由于0t <时,所有的()0f t =,上式左侧成为 因此有 证毕;简述z 变换的求和定理,并证明之; 解答：求和定理叠值定理在离散控制系统中,与连续控制系统积分相类似的概念叫做叠分,用()kj f j =∑来表示;如果 0()()(0,1,2,)kj g k f j k ===∑则证明：根据已知条件,()g k 与(1)g k -的差值为： 当0k <时,有()0g k =,对上式进行z 变换为1()()()G z z G z F z --=,11()()1G z F z z -=-即 101()()1k j Z f j F z z-=⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦∑ 证毕;简述z 变换的复域位移定理,并证明之; 解答：复域位移定理如果()f t 的z 变换为()F z ,a 是常数,则位移定理说明,像函数域内自变量偏移aT e ±时,相当于原函数乘以ate ;证明：根据z 变换定义令1aTz ze ±=,上式可写成 代入1aTz ze ±=,得证毕;简述z 变换的复域微分定理,并证明之; 解答：复域微分定理如果()f t 的z 变换为()F z ,则 证明：由z 定义对上式两端进行求导得 对上式进行整理,得 证毕;简述z 变换的复域积分定理,并证明之; 解答：复域积分定理如果()f t 的z 变换为()F z ,则 证明：由z 变换定义,令 利用微分性质,得对上式两边同时积分,有()1()zz dG z dz F z dz dz Tz ∞∞=-⎰⎰,()()lim ()z z F z G z G z dz Tz ∞→∞-=⎰ 根据初值定理所以 证毕;简述z 变换的卷积和定理,并证明之; 解答：卷积定理两个时间序列或采样信号()f k 和()g k ,相应的z 变换为()F z 和()G z ,当0t <时,()()0f k g k ==,0t ≥的卷积记为()()f k g k *,其定义为。

PID控制是一个二阶线性控制器定义：通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数的工业控制系统获得良好的闭环控制性能。

优点a. 技术成熟b. 易被人们熟悉和掌握c. 不需要建立数学模型d. 控制效果好e. 鲁棒性通常依据控制器输出与执行机构的对应关系，将基本数字PID算法分为位置式PID 和增量式PID两种。

1 位置式PID控制算法基本PID控制器的理想算式为(1)式中u(t)——控制器(也称调节器)的输出；e(t)——控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp——控制器的比例放大系数；Ti ——控制器的积分时间；Td——控制器的微分时间。

设u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID算式(2)式中，。

由于计算机的输出u(k)直接控制执行机构（如阀门），u(k)的值与执行机构的位置（如阀门开度）一一对应，所以通常称式(2)为位置式PID控制算法。

位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。

2 增量式PID控制算法增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu(k)。

采用增量式算法时，计算机输出的控制量Δu(k)对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。

执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，如利用算式u(k)=u(k-1)+Δu(k)程序化来完成。

由式(2)可得增量式PID控制算式(3)式中Δe(k)=e(k)-e(k-1)进一步可以改写成(4)式中、、一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了Kp、Ti、Td，只要使用前后3次测量的偏差值即可由式(3)或式(4)求出控制增量。

计算机控制系统课程设计一、教学目标本课程旨在让学生掌握计算机控制系统的基本原理、方法和应用，培养学生运用计算机技术分析和解决控制问题的能力。

具体目标如下：1.知识目标：（1）了解计算机控制系统的基本概念、分类和特点；（2）掌握控制系统的数学模型建立和仿真方法；（3）熟悉常见控制器的设计方法和性能分析；（4）掌握计算机控制系统的实现技术和应用领域。

2.技能目标：（1）能够运用数学模型分析和解决计算机控制系统问题；（2）具备使用控制系统仿真软件进行仿真分析的能力；（3）能够根据实际需求设计合适的控制器，并分析其性能；（4）具备计算机控制系统设计和调试的基本技能。

3.情感态度价值观目标：（1）培养学生对计算机控制系统的兴趣和好奇心；（2）培养学生勇于探索、创新的精神，提高自主学习能力；（3）培养学生团队协作意识和沟通能力；（4）培养学生关注社会热点，将所学知识应用于实际问题的意识。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.计算机控制系统概述：计算机控制系统的定义、分类、特点和应用领域；2.控制系统的数学模型：控制系统数学模型的建立、仿真和分析；3.控制器设计方法：PID控制、模糊控制、神经网络控制等控制器设计方法；4.计算机控制系统实现技术：硬件选型、软件设计、系统调试等；5.计算机控制系统应用案例：工业生产、航空航天、生物医学等领域的应用实例。

三、教学方法为实现教学目标，本课程将采用以下教学方法：1.讲授法：系统地传授理论知识，引导学生掌握基本概念和原理；2.案例分析法：通过分析实际案例，使学生了解计算机控制系统的应用和设计方法；3.实验法：学生进行实验，提高学生的动手能力和实际问题解决能力；4.讨论法：学生分组讨论，培养学生的团队协作和沟通能力。

四、教学资源为实现教学目标，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统、全面的学习资料；2.参考书：提供相关领域的参考书籍，丰富学生的知识体系；3.多媒体资料：制作课件、视频等多媒体资料，提高课堂教学效果；4.实验设备：配置合适的实验设备，为学生提供实践操作的机会。

计算机控制技术对生产生活的影响具体实例1.自动化生产线：计算机控制技术使得生产线能够实现高度自动化。

例如，在汽车制造厂中，计算机控制技术可以实现从车身焊接到涂装、装配等一系列的生产过程。

这不仅大大提高了生产效率，还减少了人力成本，提高了产品质量和一致性。

2.家居智能化：随着智能家居技术的进步，计算机控制技术已经成为现代家庭中的常见元素。

例如，通过智能手机或语音助手，居民可以远程控制家中的电器设备，调节家庭的温度、照明和安防系统等。

这种智能化的家居系统提高了生活的便利性和舒适度，同时也实现了能源的可持续利用。

3.航空航天技术：航空航天行业是计算机控制技术的典型应用领域。

航天器、导弹和飞机都依赖于计算机系统发射、控制和导航。

计算机控制技术的应用使得航空航天器的设计更加精确，飞行更加安全和可靠。

同时，计算机控制还将航天飞机与地面控制中心相连，实现了航天数据的传输和监测。

4.医疗领域：计算机控制技术在医疗领域的应用也非常重要。

例如，医疗设备，如手术机器人，可以通过计算机控制精确地进行手术操作，减少了手术风险和人为误差。

此外，计算机控制技术也在医疗后勤管理、病历管理和健康监测等方面发挥重要作用。

5.交通运输：计算机控制技术在交通运输领域的应用也有很多具体实例。

例如，GPS系统可以通过计算机控制实现精确的导航和路径规划，提高驾驶安全性和交通效率。

此外，交通信号灯和交通控制系统也依赖于计算机控制来协调交通流量，避免交通拥堵。

总而言之，计算机控制技术在生产和生活中的应用具有广泛和重要的影响。

它不仅提高了生产效率和质量，同时也带来了生活的便利性和舒适度。

未来，随着计算机技术的不断发展，我们可以期待更多创新和应用，进一步改善我们的生产生活。

1.计算机在机械设计中的应用1. CAD的基本应用绘图（几何实体造型）标准件库与调用标注—标准和规范的引用零件的设计计算将制图工具——设计工具将通用的设计工具平台——专用的设计系统基于模块化设计方法的CAD基于DFX设计方法的CAD基于优化设计方法的CAD基于可靠性设计方法的CAD支持自顶向下方式的CAD智能CAD网络协同设计CAD常用软件：UG、Pro/E、二、CAE技术的应用1.有限元分析使用有限元软件对机械结构进行性能分析:强度(应力)、刚度（应变和变形）、动态特性（固有频率、振动模态）、热态特性（温度场、热变形）。

有限元建模：网格划分、边界条件的确定。

常用软件：ANSYS、SAP、ADINA、NASTRAN等2.优化设计运用优化设计算法，以机械的某项或多项性能指标最优为目标，求解其设计参数。

选定优化目标，构造目标函数。

确定设计参数和约束条件软件：ISIGHT、OPB—22.计算机在机械制造中的应用一、CAM技术的应用利用计算机辅助编制CNC机床的零件加工程序。

刀位轨迹计算（优化）、编辑、验证（仿真）、后置处理。

二、CAPP技术的应用利用计算机辅助制定零件的加工工艺过程。

零件信息的描述、毛坯选择、工艺过程拟定（工艺方案分析）、工艺参数计算、工艺文件的生成。

创成式、派生式、半创成式、工具式。

三.计算机控制技术一、几个实例1.轧钢机计算机控制系统控制轧钢机轧制钢板时的张力和钢板厚度由张力传感器和厚度传感器检测实际张力和钢板实际厚度，将数据反馈给计算机，与张力和厚度的给定值比较，经计算机按一定的规律计算，输出控制信号给液压伺服系统，由液压伺服系统执行改变张紧辊的位置和轧辊的间距，从而调节张力和钢板厚度到给定值。

2.发电机计算机控制系统控制发电机的转速和电压由转速传感器和电压计检测发电机实际转速和实际电压，将数据反馈给计算机，与速度和电压的给定值比较，经计算机按一定的规律计算，输出转速控制信号给电液转换器，由电液转换器执行改变阀门的开度，从而调节发电机转速到给定值；输出转速控制信号给励磁器，由励磁器执行改变励磁电压，从而调节电压到给定值3.丝杆磨床螺距误差补偿计算机控制系统给丝杆螺母一个附加转动补偿螺距误差用圆光栅检测主轴(被加工丝杆)的转动角度，直线光栅检测砂轮架纵向位移。

浅谈计算机在自动控制中的应用摘要：计算机自动化控制在钢铁行业、电力、自动驾驶、印刷造纸、纺织、化工、医药、食品等行业得到了广泛的应用，取得了显著的效果。

本文简述计算机自控的特点、组成以及在化工行业中的应用。

abstract： the computer automation control is widely used in the steel industry， electricity， autopilot， printing and paper， textile， chemical， pharmaceutical， food and other industries， and has achieved significant results. this paper describes the features and composition of computer automation control， as well as its application in the chemical industry.关键词：计算机专家系统；自动控制；化工应用key words： computer expert system；automatically control；chemical applications中图分类号：tp39 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）05-0192-020 引言化工行业体现一个国家的综合实力，在当今各个国家都有相对重要的地位，甚至是关系到某些以化工产业为支撑的国家的经济命脉产业。

化工行业以高速的发展、种类繁多、工艺复杂且可能对操作过程有毒副作用以及对环境也有较大冲击，因此计算机的飞速发展，以其可以自动化远程精准控制，降低操作和监控的复杂性，计算机的使用使得在化工行业的自动控制变成了可能。

1 计算机的自动控制系统特点自动控制对于各个行业的发展越来越重要。