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第一章计算机控制系统概述内容及要求：1.1什么是计算机控制系统?1.2计算机控制系统的一般组成1.3计算机控制系统的基本类型1.4计算机控制系统工作过程中的量1.5计算机控制系统的实时性1.6分析设计的两种观点1.7计算机控制系统的特点1.8计算机控制系统控制策略概况。
要求：重点掌握计算机控制系统的特点及工作过程中的量、计算机控制系统的实时性、分析设计的两种观点。
自动控制对于工农业生产和科学技术的发展具有越来越重要的作用。
不仅在宇宙航行、导弹制导、核技术以及火器控制等新兴学科领域中是必不可少的，而且在金属冶炼、仪器制造及一般工业生产过程中也具有重要的意义，为实现工业生产过程的自动控制，高产、稳产、安全生产、改善劳动条件、提高经济效益创造了条件。
生产技术的进步和科学技术的发展，要求有更加复杂、更加完善的控制装置，以期达到更高的精度、更快的速度和更大的效益。
然而，若用常规的控制方法，潜力却是有限的，难以满足如此高的性能要求。
由于电子计算机出现并应用于自动控制，才使得自动控制发生了巨大的飞跃。
因为计算机具有精度高、速度快、存储量大，以及具有逻辑判断的功能等，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。
计算机所具有的信息处理能力，能够把过程控制和生产管理有机地结合起来，从而对工厂、企业或企业体系的管理实现自动化。
计算机控制既是一门新兴的学科，又与自动控制有密切的关系。
本课程的主要目的就是介绍计算机控制系统的基础理论，计算机控制系统的分析方法、设计方法和实现方法。
课程性质：自动化专业的专业课。
课程任务：课程内容包括背景与基础知识、基于连续系统的经典设计方法、基于离散系统的经典设计方法、基于状态空间的设计方法、新型控制策略、计算机控制系统的实现等共6部分20章。
通过课程教学，让学生掌握计算机控制系统的基本概念、理论基础和分析设计方法，熟悉计算机控制系统设计与实现的一般性原则和步骤，了解计算机控制系统的新型控制策略和算机控制系统的发展方向。
第一章计算机控制系统概述§1．1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系统。
近几年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，促进了计算机控制技术水平的提高。
本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。
1．1．1计算机控制技术研究的内容及特点1、研究的内容：主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。
2、主要的特点：1）理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等2）综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等3）实践性强：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等4）理论与实践相结合5）实用性强6）应用广泛等1．1．2计算机控制技术这门课所应用到的技术：计算机技术、自动控制技术、微电子技术、信息处理技术、检测与传感技术、通信与网络技术、CRT显示技术等等1．1．3计算机控制技术的现状与发展趋势计算机控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分1．1．4目前，计算机控制技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
一、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流二、PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展三、面向测控管一体化设计的DCS系统四、控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展五、仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展六、数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展七、工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展八、工业控制软件正向先进控制方向发展► 1.2. 计算机控制系统的组成► 1.3 计算机控制系统分类► 1.4 计算机控制系统中的计算机► 1.5 微型计算机控制系统的发展趋势§1.2 计算机控制系统的组成★自动控制：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。
目录第1章计算机控制系统概述 (1)1.1 引言 (1)1.2 计算机控制系统的基本概念 (2)1.2.1 计算机控制系统的组成 (2)1.2.2 计算机控制系统的应用要求 (3)1.2.3 计算机控制系统的性能指标 (4)1.3 计算机控制系统的通道和接口技术 (5)1.3.1 过程通道 (6)1.3.2 总线接口技术 (8)1.4 模拟与数字信号之间的相互转换 (10)1.4.1 D/A转换及其误差 (10)1.4.2 A/D转换及其误差 (12)1.5 计算机控制系统的理论问题 (14)1.5.1 信号变换问题 (14)1.5.2 对象建模与性能分析 (14)1.5.3 控制算法设计 (14)1.5.4 控制系统实现技术 (15)1.6 计算机控制系统的基本类型 (15)本章小结 (20)习题与思考题 (21)第1章计算机控制系统概述1.1 引言计算机控制是以控制理论与计算机技术为基础的一门新的工程科学技术，广泛应用于工业、交通、农业、军事等领域。
随着控制理论和计算机技术的发展，以及工程技术人员对计算机应用技术的不断总结和创新，使得计算机控制系统的分析设计理论和方法不断得以完善和发展，成为从事自动化技术工作的科技人员必须掌握的一门专业知识。
世界第一台数字计算机诞生于1946年，从此在科学技术上引起了一场深刻的革命。
20世纪50年代初产生了将数字计算机用于控制的思想，1955年美国TRW航空公司与美国一个炼油厂合作，开始进行计算机控制的研究，这一开创性工作为计算机控制奠定了基础；1962年英国的帝国化学工业公司应用计算机直接控制（DDC）被控过程的变量；1972年开始，微型计算机的出现和发展，推动计算机控制进入了崭新的发展阶段，并逐步取代模拟系统而成为主流控制系统。
20世纪80年代以后，微型处理器件的迅速发展对计算机控制产生了深远的影响，相互关联的微计算机组合、共同负担工作负荷的系统应运而生，计算机控制得到更为普及的应用，并快速向集散型、网络化的方向发展。
第一章计算机控制系统概述一、授课时间：年月日第1次二、教学目的：掌握计算机控制技术的应用和该课程对专业的帮助掌握计算机控制系统的组成掌握工业控制机的特点三、教学的重点和难点：重点：计算机控制系统的组成。
难点：工业控制机的特点。
四、教学的内容和过程：1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统是由计算机和工业对象两大部分组成的。
在工业领域中，自动控制技术已获得了广泛的应用。
图1-1(a)示出了按偏差进行控制的闭环控制系统图1-1 控制信号的一般形式(a) 闭环控制系统框图； (b) 开环控制系统框图图1-1(a)是闭环控制系统的原理框图，在闭环控制系统中，测量元件对被控对象的被控参数(如温度、压力、流量、转速、位移等)进行测量；变换发送单元将被测参数变成电压(或电流)信号，反馈给控制器；控制器将反馈回来的信号与给定值进行比较，控制器就根据偏差产生控制信号来驱动执行机构工作，使被控参数的值达到预定的要求。
图1-1(b)示出了开环控制系统的原理框图，它与闭环控制系统不同的是，它的控制器直接根据给定值去控制被控对象工作，被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。
它与闭环控制系统相比，因没有反馈环节，结构相对简单，但控制性能要差一些。
开环控制系统和闭环控制系统根据控制对象和控制要求的不同，分别用于不同的应用场合由图1-1可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。
这些功能是由测量元件、变换发送单元、控制器和执行机构来完成的。
控制器是控制系统中最重要的部分，它决定了控制系统的性能和应用范围。
如果把图1-1中的控制器用计算机来代替，这样就可以构成计算机控制系统，其基本框图如图1-2所示。
如果计算机是微型计算机，就组成微型计算机控制系统。
在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。
微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。
器。
图1-2 计算机控制系统基本框图计算机控制系统的控制过程通常可归结为以下两个步骤：(1) 数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测，并将数据传送给计算机。
1、计算机控制系统概述1、控制系统的基本组成（1）如今控制系统⼏乎离不开计算机，计算机控制系统简称为控制系统。
（2）控制值系统主要由控制主机（CPU、存储器、I/O单元（模拟量输⼊/输出单元、开关量输⼊/输出单元）等）和外围器件（检测仪表、执⾏机构、⼈机界⾯、操作器件、通信设备等）组成。
--控制主机包括控制计算机（下位机：PLC、DCS、FCS等控制主机）和管理计算机（上位机：⼯业计算机、触摸屏），控制计算机负责过程控制，管理计算机负责监控管理。
--检测仪表是检测过程各个参数的技术⼯具，也称测量仪表。
⼀般由传感器和变送器组成。
传感器感受被测量，按照⼀定的规律输出信号。
变送器将信号转换为规定的标准信号输出或进⾏显⽰。
--执⾏机构通常由执⾏装置和控制器组成，根据给定的模拟信号的⼤⼩来调节⼯作状态（如阀门的开度、变频电机转速等），主要由电动、⽓动、液动三类。
--通信设备：现代化⼯业⽣产过程的规模较⼤，控制和管理复杂，往往需要⼏台或⼏⼗台计算机才能分级完成。
不同的计算机之间需要通过通信设备进⾏信息交换。
常⽤的有以太⽹通信⽹卡及交换机。
--操作器件：按钮、开关、指⽰灯组成。
操作器件已经多为虚拟器件所取代，是计算机软件的模拟功能画⾯。
--⼈机界⾯：⼈和机器在信息交换和功能上接触的结合⾯，它实现信息的内部形式和⼈类可以接受形式之间的转换。
触摸屏和⼯业计算机为主。
--系统软件：计算机操作系统、控制计算器编程软件、管理软件（组态王、WINCC等）。
（3）分布式控制系统（Distributed Control System，DCS） 4C（计算机Computer，通信Communication，显⽰CRT，控制Control），基本思想：分散控制，集中操作，分级管理，灵活配置，⽅便组态。
4个层次：过程控制级，集中监控级，⽣产管理级，综合管理级。
--过程控制级 过程数据采集：对被控设备中的每个过程量和状态信息进⾏快速采集。
1.1计算机控制系统概述1.1.1 微机控制系统特征从模拟控制系统过渡到微机控制系统，控制器结构、控制器中的信号形式、系统的过程通道内容、控制量的产生方法、控制系统的组成观念等均发生了重大变化。
微机控制系统在系统结构方面有自己独特的内容；在功能配置方面呈现出模拟控制系统无可比拟的优势；在工作过程与方式等方面存在其必须遵循的规则。
因此，通过了解微机控制系统的这些特征可以建立起微机控制系统的基本概念。
l.结构特征控制器和执行机构是任何控制系统都不可缺少的内容。
执行机构是系统用来操作、改变、管理被控对象的工具，而控制器为执行机构提供执行方式和执行量值等。
模拟控制系统的控制器通过以运算放大器为基本运算电路的模拟电路计算执行量值，决策执行方式。
通常一套决策方案，一种计算方法对应一组专用生成电路，改变决策方案和计算方法就必须改变生成电路。
计算机控制系统用计算机作为控制器，执行量值的计算，执行方式的决策等都是通过计算机程序来实现。
将控制器用微型计算机来代替，便构成了微机控制系统，即其结构特征主要表现为系统控制器由微型计算机担当，系统参数分析和控制量值计算等均由微机完成。
微机控制系统的抽象结构和作用在本质上与其它控制系统没有什么区别，因此，同样存在微机开环控制系统、微机闭环控制系统等不同类型的微机控制系统。
模拟系统控制器中的信号形式是连续量，微机作为控制器只能处理离散量，当微机要给模拟执行机构提供控制量时，要将离散量或数字量转换为连续量或模拟量，即要进行D／A(数字／模拟)转换；为了将被控制的模拟量变为计算机能接受，并可进行处理的数字信号形式，在闭环反馈通道上要设置A／D(模拟／数字)转换环节。
因此，以微型计算机为控制器的闭环控制系统抽象结构如图1.1.1所示。
图1.1.1 微机闭环控制系统结构图按微机控制系统中信息的传输方向，系统包含三条基本信息通道。
第一条是含D／A转换环节的通道，称之为后向通道或输出过程通道；第二条是含有A／D转换环节的通道，称之为前向通道或输入过程通道；第三条通道是人机对话或交互通道。
