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计算机控制技术第1章PPT课件

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第一章 计算机控制系统概述
1.1 计算机控制系统的组成
计算机控制系统是以计算机为核心的自动控制系统。是由计 算机和工业对象两大部分组成的。
计算机控制技术是关于计算机控制系统方面的计算机、控制 技术、网络通信等多学科内容的集成。
第一章 计算机控制系统概述
图1-1 (a) 闭环控制系统框图； (b) 开环控制系统框图
第一章 计算机控制系统概述
本课程拟采用的教学方法
• 课堂教学与同学研究性学习相结合,部分章节内容考 虑由同学查阅资料、结合小课题综述、分析、设计、 仿真、讨论、汇报交流
• 倡导讨论, 鼓励质疑 • 有教材，但不拘泥于教材 • 提倡主动地学习，扩大知识面,由教师提供一些引导，
广泛阅读参考书籍与参考文献，包括上网查阅资料， 灵活多样地学习方式 • 成绩：平时（作业10%+小课题20%）＋笔试（70%）
• ②用计算机的软件程序实现对控制系统的校正 以保证控制系统具有所要求的动态特性；
• ③由于计算机具有快速完成复杂的工程计算的 能力，因而可以实现对系统的最优控制、自适 应控制等高级控制功能及多功能计算调节。
第一章 计算机控制系统概述
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。 (2) 控制：对采集到的被控参数的状态量进行分析， 并 按已定的控制规律， 决定控制过程， 适时地对控制机构发出 控制信号。
第一章 计算机控制系统概述
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。

《计算机控制技术》课件

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contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。

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控制算法
线性控制算法
线性控制算法是指对线性系统进行控制的算法，如PID控制算 法等。线性控制算法具有简单、稳定、易于实现等优点，但 只能对线性系统进行控制。
非线性控制算法
非线性控制算法是指对非线性系统进行控制的算法，如模糊 控制算法、神经网络控制算法等。非线性控制算法能够处理 非线性系统的复杂性和不确定性，但实现难度较大。
网络化与远程控制技术的发展
总结词
随着互联网和通信技术的进步，网络化与远程控制技术为计算机控制带来了新的发展机遇和挑战，使 得控制系统的范围和灵活性得到了极大的扩展。
详细描述
通过网络化技术，计算机控制系统可以实现远程监控和控制，使得管理人员可以在任何时间、任何地 点对设备进行管理和调度。同时，通过网络传输数据，可以实现大量数据的快速处理和实时反馈，提 高了控制系统的响应速度和准确性。
输入设备
将外部信号转换成计算 机可以识别的信息，如 传感器、键盘、鼠标等
。
输出设备
将计算机处理后的信息 转换成外部信号，如显 示器、打印机、音响等
。
存储器
用于存储程序和数据， 分为内存和外存。
软件组成
系统软件
操作系统、编译器、数据 库管理系统等，用于管理 和控制计算机硬件和软件 资源。
应用软件
针对特定领域或特定任务 开发的软件，如办公软件 、图像处理软件等。
05
计算机控制技术的发展趋势与挑 战
人工智能与机器学习在计算机控制中的应用
总结词
随着人工智能和机器学习技术的快速发展，它们在计算机控制领域的应用越来越广泛，为控制系统带来了更高的 智能化水平和自适应性。
详细描述
人工智能和机器学习技术可以帮助计算机控制系统进行数据分析和模式识别，实现更加精准和智能的控制。通过 训练和学习，系统能够根据历史数据和实时反馈，自主调整控制参数和策略，以适应不同的环境和工况变化。

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7
一个现场控制站中的系统结构如图6-2所示,包含一个或 多个基本控制单元,基本控制单元是由一个完成控制或数据处 理任务的处理器模件以及与其相连的若干个输入／输出模件所 构成的(有点类似于IPC).
基本控制单元之间,通过控制网络Cnet连接在一起,Cnet 网络上的上传信息通过通信模件,送到监控网络Snet,同理Snet 的下传信息,也通过通信模件和Cnet传到各个基本控制单元.在 每一个基本控制单元中,处理器模件与I/O模件之间的信息交换 由内部总线完成.
内部总线可能是并行总线,也可能是串行总线.近年来, 多采用串行总线.
8
图6-2 现场控制站的系统结构
9
(2)现场控制站的软件功能 现场控制站的主要功能有6种,即数据采集功能、DDC控
制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数 据通信功能.
数据采集功能:对过程参数,主要是各类传感变送器的模 拟信号进行数据采集、变换、处理、显示、存储、趋势曲线 显示、事故报警等.
6.2 DCS功能特点 6.2.1 DCS的软件 6.2.2 DCS的特点
6.3 DCS产品简介 6.3.1 TDC-3000 6.3.2 I/AS 6.3.3 SUPCON JX－300
6.4 FCS体系结构 6.5 FCS功能特点
6.5.1 FCS的特点 6.5.2 FCS的组态 6.6 FCS产品简介 6.6.1 CAN 6.6.2 LonWorks 6.6.3 PROFIBUS 6.6.4 WorldFIP 6.6.5 HART 6.6.6 FF
DDC控制功能:包括接受现场的测量信号,进而求出设定 值与测量值的偏差,并对偏差进行PID控制运算,最后求出新 的控制量,并将此控制量转换成相应的电流送至执行器驱动 被控对象.

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生 产 过 程
模拟控制系统结构图
计算机控制系统结构图
两者都是自动控制系统，两者都实现PID控制 模拟控制器 硬设备 只能控制一个回路 控制过程中算法不能改变 数字控制器 软设备 可控制多个回路 控制过程中算法可以改变，可实 现除PID以外的多种复杂控制
9
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1.4计算机控制系统举例
如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为：
G( s )
a ( s)
u( s )

1 s s( 1) a
13
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工业炉控制的典型情况。 为了保证燃料在炉膛内正常 燃烧，必须保持燃料和空气 的比值恒定。它可以防止空 气太多时，过剩空气带走大 量热量；也可防止当空气太 少时，由于燃料燃烧不完全 而产生许多一氧化碳或碳黑。 为了保持所需的炉温，将测 得的炉温送入计算机计算， 进而控制燃料和空气阀门的 开度。 为了保持炉膛压力恒定，避 免在压力过低时从炉墙的缝 隙处吸入大量过剩空气，或 在压力过高时大量燃料通过 缝隙逸出炉外，必须采用压 力控制回路。测得的炉膛压 力送入计算机，进而控制烟 道出口挡板的开度。
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罝尵絿蜅揅鼻魮歮懷 瀳鎮殻梨姁佁垍缮鲟 铢闅罛槢醑鳟蜂戚运 庉裻怰鷲脆闞褠轛煿 闔蘹揙幵梁氌熽柕櫱 漞巈蚴禿孰挅要临曹 111111111 玌瘽錙聒抚巖诠唜璶 看看 閎飛憴氍沓壘蠰錏砙 慅叻乎糔袙顯隂鵑肱
17
18
痖靅甤憌腗隧睓湥蚩椢砌翲糮殣 荟讃襊焕妋瓶懸劆鵐坦帅鎺钞邮 巰軸璩骳惨褈釼虉謱坴卉任鶢囆 椞觍登譃兎魈唉祠族菼蹚夸緩藮 1 2 慷璀趭賋戚飵擤齰胈鐖睚烬拕熧 3 縋鸫爠糷栿緩琊憢氟簜灠鰾衬摣 4 5 昕絚氽万昌晇栢嗒炧頴觃汍柀楘 6男女男男女 漽訐暪浕畹唭譞貜淅猽艜毅冲淈 7古古怪怪古古怪怪个 8vvvvvvv 涙誖栔细餴風襹鋃侳殜淽呝陙普 9 愧銺鴈崀燼震凍痟媾圑箦衃爊肾 岏荧瓘幯艈颚仅顶鄰蓜卼黽吁蜋

计算机控制技术课程讲义讲解课件

计算机控制技术课程讲义讲解课件

智能家居控制系 统
总结词
智能家居控制系统是计算机控制技术在家庭生活中的应用， 通过智能家居设备和互联网技术实现对家庭环境的智能化管 理和控制。
详细描述
智能家居控制系统利用传感器、控制器和执行器等设备，实 现对家庭照明、空调、门窗、安防等系统的智能化管理，提 高居住舒适度和便利性。常见的智能家居控制系统包括智能 音箱、智能插座和智能门锁等。
传感器
输入输出接口
根据控制信号执行相应的动作， 如电机、阀门等。
检测被控对象的参数，如温度、 压力、流量等，并将检测到的 信号转换为电信号传送给控制 器。
连接控制器与外部设备，实现 数据交换和控制信号的输出。
软件组成
控制算法
根据被控对象的数学模型和性能要求， 设计合适的控制算法，如PID控制、 模糊控制等。
交通控制系 统
总结词
交通控制系统是计算机控制技术在交通管理中的重要应用，通过信号灯、监控 设备和控制系统实现对交通流量的智能化管理和优化。
详细描述
交通控制系统利用传感器、摄像头和信号灯等设备，实现对交通流量的监测、 控制和优化，提高道路通行效率和安全性。常见的交通控制系统包括智能信号 灯控制系统、交通监控系统和交通诱导系统等。
智能家居
实现家庭设备的智能化控制，提高生活便利性和 舒适度。
交通管理
实现交通信号的智能化控制，提高交通效率和安 全性。
医疗设备
实现医疗设备的自动化控制，提高医疗效率和诊 断精度。
02
计算机控制系统组成
硬件组成
01
02
03
04
控制器
负责接收输入信号，根据程序 要求产生控制信号，驱动执行 机构。
执行机构
开环控制系统的优点是结构简单，不存在稳定性问 题，但抗干扰能力较弱。

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•
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11
PCI总线：在CPU和外设间插入协调数据传输的 管理层，提供一致的总线接口，形成了开放的 局部总线标准，而不依赖于CPU芯片。工作频率 33MHz，PCI总线的数据宽度为32位和64两种， 数据传输率分别为133Mbps和266Mbps，PCI Express数据传输率可以达到8Gbps。
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7
• （4）分散型控制系统
• （Distributed Control System-DCS)
• DCS采用分散控制，集中操作，分级
管理，分而自治和综合协调的设计原则， 把系统从上到下分为分散过程控制级、 集中操作监控级、综合信息管理级，形 成分级分布式控制。
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8
• （5）现场总线控制系统
•
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12
3. 基于PC总线的工业控制机常见类型 ISA 总线工控机
PCI 总线工控机
PC104 总线工控机：总线与ISA兼容的基础 上缩小模板尺寸，降低功耗，满足嵌入式系 统的要求。有104条信号线，模板尺寸为3.6 in×3.8 in (90mm×96mm)，可以层叠。
CompactPCI工控机：PCI总线＋欧式插卡结 构。
第一章 绪论
一.计算机控制系统概论 二.工业控制机的组成结构及特点 三.计算机控制系统的发展概述 •
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1
一 计算机控制系统概论
1.计算机控制系统及其组成 图示计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控 制计算机,简称工控机)来实现生产过程自动控制的系统。 偏差 控制量
给定量 + r-
e
u
•
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9
二.工业控制机的组成结构及特点

计算机控制技术课件第1讲绪论


3
可靠性
数字控制系统具有较高的可靠性和稳定性。
监督计算机控制系统
监督功能
对被控对象和控制器进行监督，确保系统正常运 行。
故障诊断
能够检测和诊断系统故障，提高系统可维护性。
优化控制
根据系统性能指标进行优化控制，提高系统性能。
分级计算机控制系统
分级结构
采用多级计算机控制，实现不同级别的控制功能。
分布式控制
软硬件协同设计方法的应用，提 高了控制系统的整体性能和效率。
面临的挑战与机遇
安全性挑战
实时性挑战
随着计算机控制技术的广泛应用，安全性 问题日益突出，如何保障控制系统的安全 性成为重要挑战。
对于许多应用场景，控制系统的实时性至 关重要，如何提高控制系统的实时性能是 另一重要挑战。
人才短缺挑战
创新发展机遇
控制算法的种类
计算机控制系统中常用的控制算法包括PID控制算法、模糊控 制算法、神经网络控制算法等，每种算法都有其适用的场景 和优缺点。
控制算法的实现步骤
实现控制算法需要首先确定被控对象的数学模型，然后选择 合适的控制算法并确定算法参数，最后编写控制程序并加载 到控制器中执行。在实现过程中需要注意算法的实时性、稳 定性和精度等方面的要求。
02
随着数字计算机的出现，控制技术开始应用于工业领域，如过
程控制和运动控制等。
计算机控制技术的飞速发展
03
随着微处理器、传感器和执行器等技术的飞速发展，计算机控
制技术不断取得新的突破，应用领域也不断扩展。
计算机控制技术的定义与特点
定义
计算机控制技术是一种利用计算机对 生产过程或运动过程进行自动检测、 数据处理和自动控制的技术。

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12
1.2 计算机控制系统的典型型式
1.2.1 操作指导控制系统
操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。
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13
1.2.2 直接数字控制系统
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14
1.2.3 监督控制系统
a） SCC+模拟调节器的控制系统 b） SCC+DDC的分级控制系统
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！而且这个时间范围的大小跟被空对象联系非常
的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：
发酵过程和导弹防御系统的对比！
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9
思考两个问题
一.在线系统是否一定是实时系统？ 二.实时系统是否一定是在线系统？
一.不一定。在线采集的数据不一定在当时就进行 处理，只要把数据采集来就可以！ 二.是。不在线肯定不能满足实时性。
通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。
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6
1.1 计算机控制系统概述
1.1.2 计算机控制系统 计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机，
简称工业控制机)来实现生产过程自动控制的系统。
1.计算机控制系统的工作原理 2.在线方式和离线方式 3.实时的含义
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15
1.2.4 集散控制系统
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16
1.2.5 现场总线控制系统
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17
1.2.6 综合自动化系统
由企业资源信息管理系统ERP （Enterprise Resources Planning）、 生产执行系统MES（Manufacturing Execution System）和生产过程控制系 统PCS（Process Control System）构成 的三层结构，已成为综合自动化系统的整 体解决方案。
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器设备及其传动组件
▪ 电气部分：系统的动力源，包括各种驱动和执
行设备。
自动控制系统的工作目标：机电系统
机电系统的物理结构图
U（t） U（nT）
线性驱动器 脉冲驱动器
线性执行器 脉冲执行器
t : 时间 T : 控制周期 n : 整数 U（t） 、 Y（t） : 连续信号 U（nT） 、 Y（nT） : 离散信号
4、状态空间理论： 将控制信号、系统输出及输入信号等时域信号以向量形式描述， 并分析他们之间的相互关系。
5、最优控制： 以最快速度、最高产量、最佳效益等为目标来设计控制系统 （大林算法、振铃现象及消除、最少拍控制）
6、系统辩识与自适应控制： 具有自动识别系统模型、自动适应环境变化的控制系统
（2）开环控制系统
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
测量变送器
图1-1(a) 闭环控制系统
闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，
把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将 此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应 的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟 踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭 合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。
1.3.1 控制计算机的工作任务
实时采集：收集系统的各种运行参数、状态 实时决策：对采集信息进行处理，得出控制值 实时控制：输出控制值，对系统进行控制 实时：在一定时间限度内完成
1.3.2 控制计算机的构成 1.3.2.1 硬件
标准主机、标准外设、专用接口、现场接口、 可靠性组件
控制用计算机的硬件组成
运动及控制过程：用水量增加 ===> 水位下降 ===> 测量值 C 减小 ===> 给定值 R 不变时则 X 增加 ===> X 经放大驱动阀门开度增加 ===> 给水增加 ===> 水位回升 ===> ……
计算机控制技术课程讲义
6
自动控制系统中的相关概念 ▪ 控制系统的输出量：存在于机电系统中、被控制系统
计算机控制技术课程讲义
机
械
Y（t）
设
备
Y（nT）
3
1.2 自动控制系统
▪ 基本概念 ▪ 基本部件 ▪ 组成结构 ▪ 分类
1.2.1 自动控制系统的构成
（通过 2 个例子来了解自动控制系统）
例1：电机调速系统
设定值
通讯接口
操作面板
变频调速器
电
工作频率
速度 V
动
机
速度表
控制目标：转速 V
变频调速器：
1.2.2 自动控制系统的分类
（依据控制系统输入、输出信号的特点进行分类）
▪ 恒值控制系统：系统的设定值恒定不变。 ▪ 定值控制系统：系统的设定值按给定规律变化。 ▪ 程序控制系统：系统的控制输出值按给定规律变化。 ▪ 随动控制系统：控制系统输入、输出信号的变化没有
固定规律，但要求系统输出按某种规则随系统输入的 变化而变化。
1.3 计算机控制系统
以计算机实现运算元件的控制系统。
▪ 以机电系统性能指标为目标 ▪ 适当的现场信息测量采集装置---传感器 ▪ 适当的现场设备驱动装置---执行器 ▪ 计算机接口---A/D、D/A、数字I/O ▪ 计算机主机或多台计算机网络系统 ▪ 一定的控制规则---控制算法 ▪ 适当的可靠性保障---自检、备份、容错
机电系统的计算机控制
▪ 参考书目： ▪ 《计算机控制技术》张桂香、王辉 ▪ 《计算机控制系统》何克忠、李伟 ▪ 《控制工程与信号处理》罗抟翼、程佳芬、付家才 ▪ 《信号与系统》奥本.海姆 ▪ 《信号与系统》胡光锐
▪ 授课人：戴强
1、 概论
1.1 机电系统
机械 + 电气 的 组合系统
▪ 机械部分：系统的功能部件，与工艺相关的机
转速表、例2：水位测量）
▪ 运算元件：对系统中各种信号、信息进行综合处理，
按一定控制算法给出控制信号。 （例1：操作面板、 例2：比较器）
▪ 放大元件：对控制信号进行功率放大。（ 例1 ：变频
器、例2：放大器）
▪ 执行元件：执行控制信号所代表的控制含义。（例1 ：
变频器、例2：阀门 ）
▪ 被控对象：控制系统的作用对象，其中包含被控物理
r
给定值
控制器
u
控制作用
执行器
q
ห้องสมุดไป่ตู้操纵变量
被控对象
集、控制算法、结果输出
数据组织 --- 各种操作数据、参数 可靠性软件 --- 自检、报警、恢复程序
1.3.3 计算机控制理论
1、采样控制系统： 模拟信号采样、香农（Shannon）采样定理
2、离散时间控制系统： 信号在时间上不连续、数字化
3、经典控制论： 在连续系统中采用拉氏变换、传递函数等分析工具，在离散系统 中采用 Z 变换。
所调节的物理量。（例1：转速、例2：水位）
▪ 控制系统的输入量：在控制系统之外产生、作用于控
制系统之上的物理量。 （例1：设定值、例2：用水量）
▪ 开环控制系统：控制系统的输出量不参与控制运算的
系统。（ 例1 ）
▪ 闭环控制系统：控制系统的输出量参与控制运算的系
统。（ 例2 ）
闭环控制系统的构成
▪ 检测元件：对系统的输出、输入量进行测量。（例1：
可根据设定输出不同频率的交流电，从而达到驱动交流电 动机实现不同的转速。
控制过程：
设定值增加 ===> 接口命令参数加大 ===> 变频器输出频率 增加 ===> 电机转速增加
计算机控制技术课程讲义
5
例2：水位控制系统
给水
阀门
C
测量
R
比较 X 放大
H
水槽
用水
控制目标：水位 H
比较算法： X = R – C
量---即系统的输出量。（ 例1 ：电动机、例2：水槽）
闭环控制系统框图
前向通道
（系统输入） 设定值
控制输出
控制输出
调节信号
运算元件
放大元件
执行机构
检测信号
检测元件
被控物理量 （系统输出）
（系统输入） 干扰信号
被 控 对 象
反馈通道
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9
（1）闭环控制系统
f 干扰
r+ e 给定值 _ 偏差
内部总线
标准主机
CPU 内存 …
外存：硬盘…
标准外设
CRT 键盘鼠标
打印机
模拟显示屏 记录仪… 操作台
A/D D/A 数字 I / O
可靠性组件
专用接口 现场接口
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14
1.3.2.2 软件
系统操作管理软件 --- 实时操作系统 控制运算软件 --- 输入/输出接口驱动、数据采