计算机控制系统第十章 计算机控制系统设计原则与步骤

第一章1、计算机控制系统是由哪几部分组成的？画出方框图并说明各部分的作用。

答:计算机控制系统由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成；框图P3。

1）工业控制机主要用于工业过程测量、控制、数据采集、DCS操作员站等方面。

2）PIO设备是计算机与生产过程之间的信息传递通道，在两者之间起到纽带和桥梁的作用。

3）生产过程就是整个系统工作的各种对象和各个环节之间的工作连接。

2、计算机控制系统中的实时性、在线方式与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？（1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。

（2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。

3.计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？（1）操作指导控制系统（OIS）优点：结构简单、控制灵活和安全。

缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。

（2）直接数字控制系统(DDC) （属于计算机闭环控制系统）优点：实时性好、可靠性高和适应性强。

（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最有工况。

（4）集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。

（5）现场总线控制系统优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。

（6）PLC+上位系统优点：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是现代灵活性、功能及可靠性。

第二章1、什么是工业控制计算机？它们有哪些特点？答：工业控制计算机是将PC机的CPU高速处理性能和良好的开放式的总线结构体系引入到控制领域，是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。

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。

计算机控制系统课后答案问题1：什么是计算机控制系统？计算机控制系统是指利用计算机技术对物理过程或机械设备进行监控、控制和管理的系统。

它由计算机硬件、软件和工程配套设备等多个组成部分构成。

计算机控制系统具有实时性好、反应速度快、准确性高等特点，广泛应用于各种工业自动化领域。

问题2：计算机控制系统的组成部分有哪些？计算机控制系统由以下几个部分组成：1.传感器和执行器：传感器用于感知物理过程的状态和参数，并将其转换为电信号，以便计算机能够处理。

执行器根据计算机的指令来执行控制动作，控制物理过程或机械设备的运行。

2.计算机硬件：包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出接口等。

计算机硬件负责接收传感器采集的数据，并根据预设的算法进行处理和判断，进而控制执行器的动作。

3.计算机软件：包括控制算法、界面程序等。

控制算法根据输入的传感器数据进行计算和判断，生成相应的控制指令。

界面程序提供控制系统的人机交互界面，使操作员能够对系统进行监控和控制。

4.工程配套设备：包括可编程逻辑控制器（PLC）、仪表仪器等。

这些设备与计算机系统相连，作为中间装置，用于完成不同领域的控制任务。

问题3：计算机控制系统的工作原理是什么？计算机控制系统的工作原理是通过传感器采集物理过程的状态和参数，将其转换为电信号输入到计算机系统中。

计算机根据预设的控制算法，对输入的数据进行处理和判断，生成相应的控制指令。

这些控制指令通过输出接口发送给执行器，执行器根据指令来执行相应的控制动作，从而实现对物理过程或机械设备的控制。

计算机的工作过程可以理解为以下几个步骤：1.信号采集：传感器采集物理过程的状态和参数，并将其转换为电信号。

2.信号处理：计算机系统接收传感器的电信号，对其进行滤波、放大、数字量化等处理，以获取准确的数据。

3.控制计算：根据输入的数据，计算机系统进行控制算法的计算和判断，生成相应的控制指令。

4.控制输出：控制指令通过输出接口发送给执行器，执行器根据指令来执行相应的控制动作。

计算机控制系统设计的基本内容计算机控制系统设计的基本内容是指在控制工程领域中，针对特定的系统设计出相应的控制系统，以实现对系统的监控和控制。

在这个过程中，设计人员需要考虑多方面的因素，包括系统的稳定性、性能、鲁棒性等。

控制系统设计的基本内容之一是系统建模。

在设计控制系统之前，首先需要对被控对象进行建模，即将实际系统抽象成数学模型，以便进行分析和设计。

建模的过程可以采用不同的方法，如传递函数法、状态空间法等。

通过建模可以更好地理解系统的特性，为后续的控制器设计奠定基础。

控制器设计是控制系统设计的核心内容之一。

根据系统的特性和要求，设计合适的控制器来实现对系统的控制。

常见的控制器包括比例积分微分（PID）控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。

不同类型的控制器适用于不同的系统，设计人员需要根据实际情况选择合适的控制器。

信号采集和处理也是控制系统设计的重要内容之一。

通过传感器采集系统的状态信息，然后经过信号处理模块对信号进行处理，提取有效信息并传递给控制器。

信号采集和处理的准确性和及时性对系统的控制效果起着至关重要的作用。

控制系统设计还需要考虑系统的稳定性和性能。

稳定性是指系统在受到干扰或参数变化时能够保持稳定的能力，设计人员需要通过合理的控制策略来保证系统的稳定性。

性能则是指系统在实际操作中能够达到的指标，如响应速度、抗干扰能力等。

设计人员需要根据实际需求来平衡系统的稳定性和性能。

控制系统设计还需要考虑系统的实时性和可靠性。

实时性是指系统对输入信号能够做出及时响应的能力，设计人员需要考虑信号处理和控制算法的复杂度，以确保系统能够在规定的时间内完成控制任务。

可靠性则是指系统在长时间运行中能够保持正常工作的能力，设计人员需要考虑系统的容错性和自诊断能力，以提高系统的可靠性。

计算机控制系统设计的基本内容包括系统建模、控制器设计、信号采集和处理、稳定性和性能、实时性和可靠性等方面。

设计人员需要综合考虑这些因素，以实现对系统的有效监控和控制，从而达到预期的控制效果。

1-1典型的计算机控制系统与常规控制系统之间有哪些区别？常规：由控制计算机系统与生产过程(被控对象、执行机构、测量变送)组成，结构相对复杂， 可靠性较低，成本稍高； 典型：结构简单、控制灵活、安全；但是需要人工操作，速度受限制，不能控制多个对象，实用 性好。

1-3计算机控制系统结构有哪些分类？并指出主要的应用场合。

1.操作指导控制系统 2.直接数字控制系统 3.计算机监督控制系统4. 集散控制系统 操作管理功能的集中和控制功能的分散5. 现场总线控制系统6.工业过程计算机系统集成制造系统综合管理、指挥调度和经营管理2-3 信号调理单元的功能是什么？通常包括那些电路？放大、电平变换、电隔离、阻抗变换、线性化和滤波，将传感器输出的电信号尽可能不失真地转 变为标准的电流或电压信号(通常为4〜20mA 0〜5V 等)。

通常包括标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。

2-5 仪表放大器与普通运算放大器有何不同？其特点有哪些？对于输出阻抗大，共模电压高的输入信号，需要用到高输入阻抗和高共模抑制比的差动放大器， 仪器放大器是专为这种应用场合设计的增益可调的放大器。

如果由普通的运放构成增益可设定的差动放大器，因其输入阻抗低，电阻参数对称性调整复杂， 共模抑制比低，故而不适合作为传感器输出信号的差动放大器。

2-7为何要使用I/V 变换电路？_为了后续的检测、放大、调理电路如果只是检测变化缓慢的电流大小，可以直接用电流检测电路即可 但是如果要检测变化较快、幅值很小、存在干扰的电流信号呢，就要进行 I/V 变换了。

比如光电检测中的光电二极管输出即是电流信号，有的在 uA 级，有的在 mA 级，你必须变换后进行放大、滤波等处理才能由 AD 采样。

2-9在模拟量输入通道中，为何通常要使用可编程放大器？答：因为在模拟输入通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往 往不同，但都要放大到模数转换器的同一量程范围内获取适合的分辨力，所以常要使用可编程放大器。

第 10 章计算机控制系统的设计与实施通过前面的介绍，我们已经掌握了计算机控制系统各部分的工作原理、硬件和软件技术以及控制算法，因而具备了设计计算机控制系统的条件。

计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。

计算机控制系统的理论设计包括：建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。

进行计算机控制系统的工程设计，不仅要掌握生产过程的工艺要求，以及被控对象的动态和静态特性，而且要熟悉自动检测技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术、微电子技术等。

本章主要介绍计算机控制系统设计的原则与步骤、计算机控制系统的工程设计与实现。

10.1 计算机控制系统设计原则与步骤10.1.1 计算机控制系统设计原则尽管计算机控制系统的对象各不相同，其设计方案和具体技术指标也千变万化，但在系统的设计与实施过程中，还是有许多共同的设计原则与步骤，这些共同的原则和要求在设计前或设计过程中都必须予以考虑。

1.操作性能好，维护与维修方便对一个计算机应用系统来说，所谓操作性能好，就是指系统的人机界面要友好，操作简单、方便、便于维护。

为此，我们在设计整个系统的硬件和软件时，都应处处为用户想到这一点。

例如，在考虑操作先进性的同时要兼顾操作工以往的操作习惯，使操作工易于掌握；考虑配备何种系统和环境，能降低操作人员对某些专业知识的要求；对硬件方面，系统的控制开关不能太多、太复杂，操作顺序要尽量简单，控制台要便于操作人员工作，尽量采用图示与中文操作提示，显示器的颜色要和谐，对重要参数要设置一些保护性措施，增加操作的鲁棒性等，凡是涉及人机工程的问题都应逐一加以考虑。

维修方便要从软件与硬件两个方面考虑，目的是易于查找故障、排除故障。

硬件上宜采用标准的功能模板式结构，便于及时查找并更换故障模板。

模板上还应安装工作状态指示灯和监测点，便于检修人员检查与维修。

PLC控制系统设计的基本原则和步骤plc已广泛地应用在工业掌握的各个领域，由于PLC的应用场合多种多样，随着PLC自身功能不断增加，PLC应用系统也越来简单，对PLC 应用系统设计人员的要求也越来越高。

1、PLC掌握系统设计的基本原则①最大限度地满意被控对象的掌握要求。

②保证掌握系统的高牢靠、平安。

③满意上面条件的前提下，力求使掌握系统简洁、经济、有用和修理便利。

④选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。

2、PLC掌握系统设计的基本内容①选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的掌握对象。

②安排I/O，设计电气接线图，考虑平安措施。

③选择适合系统的PLC。

④设计程序。

⑤调试程序,一个是模拟调试，一个是联机调试。

⑥设计掌握柜，编写系统交付使用的技术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。

⑦验收、交付使用。

3、PLC掌握系统设计的一般步骤1）分析被控对象——被控对象工艺工程、工作特点、功能进行分析；输入输出两分析；构成完整的功能表达图和掌握流程图；确定PLC掌握方案。

2）系统硬件配置PLC机型选择——按掌握系统需求合理选择，功能涵盖使用要求，避开大马拉小车，品牌、价格、服务等因素都要考虑。

输入/输出（I/O）点数——I/O点数是PLC的一项重要指标。

合理选择I/O点数可以既满意掌握系统要求，又降低系统的成本。

PLC的I/O点数和种类应依据被控对象的开关量、模拟量等输入输出设备的状况来确定。

考虑到以后的调整和进展，可以适当留出备用量（一般20%左右）。

3）软件设计软件设计包括系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和帮助程序的设计等，小型开关量掌握系统一般只有主程序。

首先应依据总体要求和掌握系统详细状况，确定用户程序的基本结构，画出程序流程图或开关量掌握系统的挨次功能图。

它们是编程的主要依据，应尽可能地精确和具体。

较简洁的系统的梯形图可以用阅历法设计，简单的系统一般用挨次掌握设计法设计。

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。

第一章，计算机控制概述1，计算机控制系统的硬件由主机，常规外部设备，过程输入/输出（I/O）通道，操作台，通信设备组成。

2，DAS，数据采集系统3，OGC操作指导控制系统4，DDC，直接数字控制系统5，SCC，监督计算机控制系统6，DCS，分散控制系统7，FCS，现场总线控制系统8，CIMS，计算机集成制造系统第二章，模拟量输出通道1，模拟量输出通道的任务，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。

主要由接口电路，数/模转换器，电压/电流变换器等构成。

2，D/A转换器的性能指标，分辨率，转换精度，偏移量误差，线性误差，稳定时间。

3，由于电流信号1，易于远距离传输，且不易受干扰,。

2，在过程控制系统中，自动化仪表接收的是电流信号。

故输出通道常用电流信号传递信息。

4，D/A转换模板具有通用性，体现在，符合总线标准，接口地址可选，输出方式可选。

5，十三，十四页，图。

第三章，模拟量输入通道1，模拟量输,入通道的任务，把控制对象的过程参数如温度电压等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。

2，把连续变化的量变成离散后在进行处理的计算机控制系统称为离散系统或采样数据系统。

采样形式，周期，多阶，随机采样。

3，A/D转换器从原理上可分为，逐位逼近式，双积分式，电压/频率式。

4，A/D转换器的性能指标，分辨率，转换精典型的度，线性误差，转换时间。

5，A/D转换器的接口电路主要解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号。

典型的两种接口电路，查询方式读入A/D转换数，定时方式读入A/D转换数。

第四章数字量输入输出通道。

1，光电耦合隔离器按其输出级不同分为，三极管型，单向晶闸管型，双向晶闸管型。

2，数字量输入通道把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。

以开关和脉冲输入形式居多。

3，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。