第十章 计算机控制系统设计原则与步骤
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控制系统设计:探讨控制系统设计的原则、方法和流程引言控制系统设计是现代工程领域中的重要组成部分,用于实现对复杂系统的监控和调节。
无论是电子设备、机械系统、工业生产线还是交通系统,控制系统的设计都扮演着关键角色。
本文将探讨控制系统设计的原则、方法和流程,帮助读者了解如何设计高效可靠的控制系统。
原则在进行控制系统设计之前,有一些重要的原则需要遵循。
1. 目标明确设计控制系统的首要原则是明确目标。
这包括确定系统需要控制的参数、设定期望的输出以及制定达到这些目标的策略。
明确的目标有助于设计师理解系统的需求,为设计提供明确的指导。
2. 抽象和模型化控制系统设计需要将复杂的实际系统抽象为数学模型。
这样可以简化设计过程,并更好地理解系统的行为和响应。
通过建立准确的数学模型,设计师可以设计出能够稳定、有效地控制系统的控制器。
3. 系统分析在设计控制系统之前,需要对所需控制的系统进行全面的分析。
这包括对系统的性能要求、约束条件以及可能的故障情况进行评估。
通过系统分析,设计师可以更好地了解系统的特性,为设计选择合适的控制策略和参数。
4. 可行性和可靠性分析控制系统设计的可行性和可靠性是非常重要的。
设计师需要评估设计方案的可行性,并确保系统能够在各种情况下正常工作。
可靠性分析可以帮助发现设计中可能存在的问题,并采取相应的措施来提高系统的可靠性和稳定性。
5. 可调节性和适应性设计的控制系统应具有可调节性和适应性,以应对系统参数和环境条件的变化。
一个良好的控制系统能够自动调整参数和策略,以保持系统的稳定性和性能。
可调节性和适应性是一个控制系统设计的关键要素。
方法设计一个有效的控制系统需要使用适当的方法。
以下是一些常用的方法来实现控制系统设计。
1. 反馈控制反馈控制是一种常见的控制系统设计方法。
它基于对系统输出的实时测量和比较,从而调整输入并实现期望的输出。
反馈控制在许多实际应用中被广泛使用,例如电子设备、机器人和工业生产线。
计算机控制系统软件设计原则下面将介绍几个常见的计算机控制系统软件设计原则:1.单一职责原则(SRP)单一职责原则要求一个类只负责一个功能或任务,即一个类应该只有一个引起它变化的原因。
这样可以提高类的内聚性,降低类之间的耦合度,使得类更易于理解、修改和扩展。
2.开放封闭原则(OCP)开放封闭原则要求一个软件实体应当对扩展开放,而对修改封闭。
这意味着系统中的模块应该通过扩展来增加新的功能,而不是通过修改已有的代码来实现。
这样可以保持系统的稳定性和复用性,并降低对大规模修改的需求。
3.里式替换原则(LSP)里式替换原则指出任何基类可以被它的子类替换,而不影响系统的正确性。
也就是说,子类应当能够替换所有对基类的使用,而不需要修改使用基类的客户端代码。
这可以提高系统的扩展性和可维护性。
4.依赖倒置原则(DIP)依赖倒置原则要求高层模块不应该依赖于低层模块,而是依赖于抽象。
具体而言,就是高层模块应该依赖于接口或抽象类,而不是具体实现类。
这样可以降低模块之间的耦合度,提高系统的灵活性和可维护性。
5.接口隔离原则(ISP)接口隔离原则要求一个类或模块不应该依赖于它不需要的接口。
具体而言,就是一个类只应该依赖于它需要的最小接口,而不应该依赖于所有可能使用的接口。
这可以减少模块之间的依赖关系,提高系统的灵活性和可维护性。
6.迪米特法则(LoD)迪米特法则(也称为最少知识原则)要求一个对象应当尽量少与其他对象发生相互作用,即一个对象应当尽量不要引用其他对象的内部实现细节。
这样可以降低模块之间的耦合度,提高系统的复用性和可维护性。
7.高内聚低耦合原则高内聚低耦合原则要求一个软件模块应该尽可能地聚集相关的功能,以提高模块的内聚性。
同时,模块之间应该尽可能地减少相互依赖和相互影响,以降低模块之间的耦合度。
这可以提高模块的独立性、可测试性和可复用性。
综上所述,计算机控制系统软件设计原则主要包括单一职责原则、开放封闭原则、里式替换原则、依赖倒置原则、接口隔离原则、迪米特法则和高内聚低耦合原则。
计算机控制系统习题集目录一各章习题 (1)二填空题练习 (6)三简答题练习 (8)四综合题练习 (11)一各章习题1.1 第1章绪论1. 计算机控制系统的硬件主要包括哪几个部分?2. 什么是过程控制通道,过程控制通道主要有哪几种?3. 根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态,计算机控制系统可分为哪6类,各有何特点?4. 计算机控制系统从深度和广度两方面各有何发展趋势。
1.2 第2章计算机控制系统中的检测设备和执行机构1. 什么叫传感器及变送器?2. 简述压力检测的主要方法和分类。
3. 简述温度检测的主要方法和分类。
4. 简述热电偶测温的原理。
2. 物位仪表分为哪几类?6. 简述电容式差压变送器的工作原理。
7. 简述常用执行机构和执行器的工作原理。
8. 简述TT302温度变送器的结构和工作原理。
9. 简述交流、直流伺服电机的工作原理。
10.简述步进电机的工作原理。
1.3 第3章计算机总线技术1.什么叫总线?为什么要制定计算机总线标准?2.计算机总线可以分为哪些类型?3.评价总线的性能指标有哪些?4.STD总线有哪些特点?5.常用的PC总线有哪些?各有什么特点?6.简述PCI总线的性能特点。
7. 简述IEEE-488总线的工作过程。
8. 详述RS-232C 、RS-485和RS-422总线的特点和性能。
9. RS-232C 总线常用的有哪些信号?如何通过该接口实现远程数据传送?10. 什么是平衡方式和不平衡传输方式?试比较两种方式的性能。
11. USB 数据传输方式有哪几种?USB 协议中是如何区分高速设备和低速设备的?12. 简述USB 总线的枚举过程1.4 第4章 过程通道与人机接口1.什么是过程通道?过程通道由哪几部分组成?2.画出数字量输入输出通道的结构。
3.在数字量输入调理电路中,采用积分电容或RS 触发器是如何消除按键抖动的?4.数字量输出驱动电路有哪三种形式?各有什么特点?5.画出D/A 转换器原理框图,并说明D/A 转换的原理。
计算机控制系统的设计步骤1 计算机控制系统的设计步骤1. 研究被控对象、确定控制任务在进行系统设计之前,首先应该调查、分析被控对象及其工作过程,熟悉其工艺流程,并根据实际应用中存在的问题提出具体的控制要求,确定所设计的系统应该完成的任务。
最后,采用工艺图、时序图、控制流程等描述控制过程和控制任务,确定系统应该达到的性能指标,从而形成设计任务说明书,并经使用方的确认,作为整个控制系统设计的依据。
2. 确定系统总体控制方案一般设计人员在调查、分析被控对象后,已经形成系统控制的基本思路或初步方案。
一旦确定了控制任务,就应依据设计任务书的技术要求和已作过的初步方案,开展系统的总体设计。
总体设计包括以下内容:⑴确定系统的性质和结构根据系统的任务,确定系统的性质是数据采集处理系统,还是对象控制系统。
如果是对象控制系统,还应根据系统性能指标要求,决定采用开环控制,还是采用闭环控制。
⑵确定执行机构方案根据被控对象的特点,确定执行机构采用什么方案,比如是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动,应对多种方案进行比较,综合考虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。
⑶控制系统总体“黑箱”设计所谓“黑箱”设计,就是根据控制要求,将完成控制任务所需的各功能单元、模块以及控制对象,采用方块图表示,从而形成系统的总体框图。
在这种总体框图上,只能体现各单元与模块的输入信号、输出信号、功能要求以及它们之间的逻辑关系,而不知道“黑箱”的具体结构实现;各功能单元既可以是一个软件模块,也可以采用硬件电路实现。
⑷控制系统层次以及硬件、软件功能划分根据控制要求、任务的复杂度、控制对象的地域分布等,确定整个系统是采用直接数字控制(DDC)、还是采用计算机监督控制(SCC),或者采用分布式控制,并划分各层次应该实现的功能。
同时,综合考虑系统的实时性、整个系统的性能价格比等,对硬件和软件功能进行划分,从而决定哪些功能由硬件实现,哪些功能由软件来完成。