计算机控制系统的分类与典型系统介绍
计算机控制系统复习题答案 (1)
《计算机控制系统》课程复习题答案一、知识点：计算机控制系统的基本概念。
具体为了解计算机控制系统与生产自动化的关系；掌握计算机控制系统的组成和计算机控制系统的主要特性；理解计算机控制系统的分类和发展趋势。
回答题：1.画出典型计算机控制系统的基本框图；答：典型计算机控制系统的基本框图如下：2.简述计算机控制系统的一般控制过程；答：(1) 数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理；(2) 实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。
3.简述计算机控制系统的组成；答：计算机控制系统由计算机系统和被控对象组成，计算机系统又由硬件和软件组成。
4.简述计算机控制系统的特点；答：计算机控制系统与连续控制系统相比，具有以下特点：⑴计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。
⑵计算机控制系统修改控制规律，只需修改程序，一般不对硬件电路进行改动，因此具有很大的灵活性和适应性。
⑶能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。
⑷计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。
⑸一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。
⑹采用计算机控制，便于实现控制与管理一体化。
5.简述计算机控制系统的类型。
答：（1）操作指导控制系统；（2）直接数字控制系统；（3）监督计算机控制系统（4）分级计算机控制系统二、知识点：计算机控制系统的硬件基础。
具体为了解计算机控制系统的过程通道与接口；掌握采样和保持电路的原理和典型芯片的应用，掌握输入/输出接口电路：并行接口、串行接口、A/D和D/A的使用方法，能根据控制系统的要求选择控制用计算机系统。
回答题：1.给出多通道复用一个A/D转换器的原理示意图。
2.给出多通道复用一个D/A转换器的原理示意图。
3.例举三种以上典型的三端输出电压固定式集成稳压器。
答：W78系列,如W7805、7812、7824等；W79系列，如W7805、7812、7824等4.使用光电隔离器件时，如何做到器件两侧的电气被彻底隔离？答：光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。
第一章 计算机控制系统概述
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。
典型数控系统介绍FANUC西门子广州数控华中数控
典型数控系统介绍（1）FANUC数控系统日本FANUC公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在我国市场的占有率远远超过其它的数控系统，主要体现在以下几个方面：①系统在设计中大量采用模块化结构。
这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性大大提高，而且便于维修、更换。
②具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。
其工作环境温度为0～45℃，相对湿度为75%。
③有较完善的保护措施。
FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。
④FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。
对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。
⑤提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。
这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。
⑥具有很强的DNC功能。
系统提供串行RS232通讯接口，使通用计算机PC和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的DNC操作。
⑦提供丰富的维修报警和诊断功能。
FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。
FANUC的新一代NGC(NEXT GENERATION CONTROLLERS) 数控系统(以下简称为NGC系列)包括3个系列：0i系列：高可靠性和高性能价格比的CNC，该系列包括FS0i/0i mate D；16i系列：适合于各种数控机床的高速、高精、纳米CNC，该系列包括FS16i/18i/21i；30i系列：适合于先进、复合、多轴、多通道、纳米CNC，该系列包括 FS30i/31i/32i。
这三个系列的CNC数控系统是FANUC公司新近开发的数控系统。
涵盖低端到高端，并配合开发各种规格的高性能、高精度的旋转和直线移动的伺服电机(包括传感器)、伺服放大器，构成了完整的系列。
（2）SINUMERIK数控系统SINUMERIK数控系统是西门子集团旗下自动化与驱动集团的产品，目前在广泛使用的主要有802、810、840等几种类型。
计算机操作系统分类
计算机操作系统分类什么是计算机操作系统计算机操作系统是一种软件，可以管理并控制计算机硬件资源，为用户和应用程序提供一个统一的接口。
操作系统充当计算机系统的核心，协调各个组件的工作，并为用户提供资源管理、进程管理、文件管理等功能。
操作系统分类的重要性操作系统分类是对计算机操作系统进行归类和分组的过程。
这种分类对于理解操作系统的功能和特性非常重要。
通过了解操作系统的分类，我们可以更好地理解它们的应用领域、使用方式以及各自的优缺点。
常见的操作系统分类1. 分时操作系统分时操作系统允许多个用户同时访问计算机系统。
它通过时间片轮转的方式，为每个用户分配独占的时间片，使得每个用户都感觉到系统在独占地为其服务。
分时操作系统适用于多用户环境，比如服务器、大型主机等。
2. 批处理操作系统批处理操作系统是一种自动化处理一系列作业的操作系统。
它以作业为单位进行操作，将一组作业集中在一起，顺序地自动进行处理。
批处理操作系统适用于需要进行大量重复性任务的环境，比如批量数据处理、批量打印等。
3. 实时操作系统实时操作系统以时间为基准，对任务的完成时间进行严格控制。
它主要用于需要实时响应的系统，比如工业控制、航空航天等。
实时操作系统可以分为硬实时操作系统和软实时操作系统，前者对任务完成时间要求极高，后者对任务完成时间要求相对较低。
4. 分布式操作系统分布式操作系统运行在多台计算机上，通过网络进行通信和协调。
它将计算机系统组织成一个分布式网络，可以共享资源、协同工作，并提供高可靠性和可伸缩性。
分布式操作系统适用于大规模分布式计算系统，比如云计算环境、分布式数据库等。
5. 网络操作系统网络操作系统是一种专门用于管理网络的操作系统。
它提供网络连接、数据传输、路由控制等功能，确保网络的正常运行和数据的安全性。
网络操作系统适用于局域网、广域网等各种网络环境。
6. 实时嵌入式操作系统实时嵌入式操作系统是一种针对嵌入式系统设计的操作系统。
上位机、下位机、人机界面、工控机知识介绍
什么是上位机、下位机上位机上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC/host computer/master computer/upper computer,屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。
上位机在工业控制中又被称作HMI（人机界面）。
下位机下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/智能模块/智能仪表/单片机single chip microcomputer/slave computer/lower computer之类的。
工具/原料：计算机一台，组态王，PLC1、方法/步骤：上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。
下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。
上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。
在概念上，控制者和提供服务者是上位机，被控制者和被服务者是下位机，也可以理解为主机和从机的关系，但上位机和下位机是可以转换的。
2、工作原理：两机如何通讯，一般取决于下位机，下位机一般具有更可靠的独有通讯协议；使用一些新的API(API（Application Programming Interface,应用程序编程接口）是一些预先定义的函数，目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件的以访问一组例程的能力；多语言支持功能模块，一般同时支持数种高级语言为上位机编程。
通常上位机和下位机通讯可以采用不同的通讯协议，有RS232的串口通讯或者RS485串行通讯。
当用计算机和PLC通讯的时候，不但可以采用传统的D形式的串行通讯，还可以采用更适合工业控制的双线的PROFIBUS-DP通讯。
采用封装好的程序开发工具就可以实现PLC和上位机的通讯，当然可以自己编写驱动类的接口协议控制上位机和下位机的通讯。
3、经验：通常工控机，工作站，触摸屏作为上位机，通信控制PLC，单片机等作为下位机，从而控制相关设备元件和驱动装置。
计算机控制系统(1)
计算机控制系统席爱民编著第1章绪论1.1 概述可以这样说，没有计算机的参与，现代化的自动化系统是不可能实现的。
随着微电子学、计算机技术革命性的发展，当今所构成的自动控制系统都是建立在计算机基础之上的。
要获得比模拟控制系统更好的控制性能，使控制系统具备新的功能，只有使用计算机控制系统。
计算机具有信息储存记忆、逻辑判断推理和快速数值计算功能，是一种强大的信息处理工具，其应用己经渗透到人类活动的各个领域，强有力地推动着技术与科学的全面进步。
随着计算机技术的迅猛发展，计算机在工业控制中的应用也越来越广泛。
如今计算机控制已广泛应用于各行各业技术工程和各类工业生产制造过程的控制中。
学习本书的目的：本书将侧重系统讲述有关计算机控制系统的分析及设计的基本理论和方法，以及一些较为实用的计算机先进控制算法。
实际上目前全部的控制系统都是基于计算机控制，因此懂得计算机控制是很重要的。
如果将计算机控制系统仅仅看作模拟控制系统的近似是很不够的。
因为那是没有看到计算机控制的全部潜在能力。
很好地掌握计算机控制系统，就能够充分发挥计算机控制的全部潜能。
计算机控制系统存在着一些模拟控制系统所没有的相应现象，本书的主要目标就提供了解、分析和设计计算机控制系统扎实的基础理论知识，这对于从事控制系统方面的工程技术人员来说是很重要的。
本章概述：计算机控制系统的组成、类型、特点、任务以及计算机控制的发展概况及趋势；了解过程自动化的任务，进一步明确计算机控制系统的类型、特点。
1.1.1计算机控制系统典型计算机反馈控制系统如图1.1所示。
系统中存在着两种截然不同的信号，即模拟连续信号及数字离散信号。
因而对于计算机控制系统的分析和设计就不能完全采用连续控制理论，需要有相应的离散控制理论与之相适应。
不同类型信号混合的分析有时是困难的，然而，在大多数的情况下，描述系统在采样点上的表现就足够了。
1.1.2计算机控制系统组成计算机控制系统是由硬件和软件两部分组成的。
操作系统定义、功能、特征、分类介绍
操作系统定义、功能、特征、分类介绍现代计算机系统由⼀个或多个处理器、主存、磁盘、打印机、键盘、⿏标、显⽰器、⽹络接⼝以及各种其他输⼊/输出设备组成软件与操作系统底层是硬件。
硬件包括芯⽚、电路板、磁盘、键盘、显⽰器以及类似的设备。
在硬件的顶部是软件。
计算机运⾏模式：内核态和⽤户态。
核⼼模式和⽤户模式（管态和⽬态）核⼼模式⼀般指操作系统管理程序运⾏的状态，具有较⾼的特权级别。
⽤户模式⼀般指⽤户程序运⾏时的状态，具有较低的特权级别。
处理器处于管态时全部指令（包括特权指令）可以执⾏，可使⽤所有资源，并具有改变处理器状态的能⼒。
当处理器处于⽤户模式时，就只能执⾏⾮特权指令。
特权级别不同，可运⾏指令集合也不同。
特权级别越⾼，可以运⾏指令集合越⼤。
⾼特权级别对应的可运⾏指令集合包含低特权级的。
核⼼模式到⽤户模式的唯⼀途径是通过中断。
软件中最基础的部分是操作系统，它运⾏在内核态。
在这个模式中，操作系统具有对所有硬件的完全访问权，可以执⾏机器能够运⾏的任何指令。
软件的其余部分运⾏在⽤户态下。
在⽤户态下，只使⽤了机器指令中的⼀个⼦集。
特别地，那些会影响机器的控制或可进⾏I/O（输⼊/输出）操作的指令，在⽤户态中的程序⾥是禁⽌的。
操作系统的⽤户接⼝程序(shell或者GUI)，处于⽤户态程序中的最低层次。
允许⽤户运⾏其他软件程序，如Web浏览器、电⼦邮件阅读器或⾳乐播放器等。
操作系统运⾏在裸机之上，为所有其他软件提供基础的运⾏环境。
什么是操作系统?操作系统：是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源、有效地组织多道程序运⾏的系统软件（或程序集合），是⽤户与计算机之间的接⼝。
1) OS是什么：是系统软件（⼀整套程序组成，如UNIX由上千个模块组成）2) 管什么：控制和管理系统资源（记录和调度）操作系统和普通软件（⽤户态）之间的主要区别：如果⽤户不喜欢某个特定的电⼦邮件阅读器，他可以⾃由选择另⼀个，或者选择⾃⼰写⼀个，但是他不能⾃⾏写⼀个属于操作系统⼀部分的时钟中断处理程序。
《计算机控制技术》教学大纲
《计算机控制技术》课程标准（执笔人：韦庆审阅学院：机电工程与自动化学院）课程编号：0811305英文名称：Computer Control Techniques预修课程：计算机硬件技术基础B、自动控制原理B、现代控制理论学时安排：36学时，其中讲授32学时，实践4学时。
学分：2一、课程概述（一）课程性质地位本课程作为《自动控制理论》的后续课程，是控制科学与工程、机械工程及其自动化和仿真工程专业本科学员理解和掌握计算机控制系统设计的技术基础课。
（二）课程基本理念本课程作为一门理论与工程实践结合紧密的技术基础课，结合自动控制原理技术、微机接口技术，以学员掌握现代化武器装备为目的。
本课程既注重理论教学，也注重教学过程中的案例实践教学环节，使学员在掌握基本理论的基础上，通过了解相关实际系统组成，综合培养解决工程实际问题的能力。
（三）课程设计思路本课程主要包括计算机控制原理和计算机控制系统设计两大部分。
在学员理解掌握自动控制原理的基础上，计算机控制原理部分主要介绍了离散系统的数学分析基础、离散系统的稳定性分析、离散系统控制器的分析设计方法等内容；计算机控制系统设计部分结合实际的项目案例，重点介绍了计算机控制系统的组成、设计方法和步骤、计算机控制原理技术的应用等内容。
二、课程目标（一）知识与技能通过本课程的学习，学员应该了解计算机控制系统的组成，理解计算机控制系统所涉及的采样理论，掌握离散控制系统稳定性分析判断方法，掌握离散控制系统模拟化、数字化设计的理论及方法，掌握一定的解决工程实际问题的能力。
（二）过程与方法通过本课程的学习和实际系统的演示教学，学员应了解工程实际问题的解决方法、步骤和过程，增强积极参与我军高技术武器装备建设的信心。
（三）情感态度与价值观通过本课程的学习，学员应能够提高对计算机控制技术在高技术武器装备中应用的认同感，激发对自动化武器装备技术的求知欲，关注高技术武器装备技术的新发展，增强提高我军高技术武器水平的使命感和责任感。
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u(kT)
D/A
保持器
u
被调参数 y
广义对象
ym A/D
计算机系统
采样器
测量变送器
图b 单回路计算机控制系统示意图
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第一章 绪 论
6
—计算机控制系统—
1）在线方式和离线方式
★ 在线方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受 计算机控制的方式。
★ 离线方式或脱机方式：生产过程不和计算机相连，且不受 计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
燕山大学自动化系
第一章 绪论 Introduction
—计算机控制系统—
04.12.2019
第一章 绪 论
1
本章主要内容
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的一般概念 • 计算机控制系统的组成及特点 • 计算机控制系统的分类 • 计算机控制系统的发展概况与趋势
04.12.2019
第一章 绪 论
2
燕山大学自动化系
—计算机控制系统—
★接口电路: 主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁
★过程输入/输出通道
模拟量输入通道 模拟量输出通道
开关量输入通道
开关量输出通道
★外部设备
输入设备
输出设备Βιβλιοθήκη 外存储器★ 操作台
（CRT）显示器或(LED)数码显示器
键盘（功能键和数字键）
A/D
保持器
• 连续模拟信号:时间与幅值上均连续，如 y(t)、u(t)
• 离散模拟信号:时间是离散的，幅值上连续，如y*(t)、
u*(t)
• 离散数字信号:时间离散的，幅值为数字量，如
y(kT)、u(kT)
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第一章 绪 论
8
1-1-2 信号特点（2）
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的采样过程
y(t)
采样器
y*(t)
原始过程信号
y(t)
y*(t)
t
信号通过采样器
τ
t 2T 4T 采样后的信号
过程信号采样过程示意图
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第一章 绪 论
9
1-1-2 信号特点（3）
—计算机控制系统—
• 信号的保持
– 目的：是将离散采样信号恢复为被控对象能 够感知的连续模拟信号
– 方法：采用保持器 – 常用的保持器：零阶、一阶及高阶
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第一章 绪 论
14
1-1-4 工业控制机的特点
• 高可靠性和可维护性 • 环境的适应性强 • 控制的实时性 • 较完善的输入输出通道 • 较丰富的软件
—计算机控制系统—
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第一章 绪 论
15
浙江大学控制科学与工程学系
—计算机控制系统—
第二节 Unit 2
计算机控制系统的分类及典型系 统简介
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第一章 绪 论
18
—计算机控制系统—
1-2-2 计算机控制系统的分类
直接数字控制（DDC）系统
特点:取代模 CRT 打印机 报 警 操作台 拟 器 , 使 用 复
杂的控制规律
直接数字控制(DDC)计算机 要 求 : 计 算 机
实时性好,可
过程输入通道
过程输出通道 靠 性 高 , 适 应 性强
—计算机控制系统—
第一节 Unit 1
计算机控制概述 Introduction of Computer Control System
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第一章 绪 论
3
本节主要内容
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的一般概念 • 计算机控制系统的组成
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第一章 绪 论
4
1-1-1 概述（1）
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第一章 绪 论
11
—计算机控制系统—
1-1-3 计算机控制系统的组成及作用
计算机控制系统的组成示意图
计算机控制系 统
主机、外设、系统总线
控制计算 生产过程输入输出通道
硬件部分
机
人—机联系设备、通信设备
现场仪表（测量传感器、执行机
软件部 分
构等） 系统软 件
应用软
操作系统、汇编或高级语言 、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等
• 常规控制系统的工作原理
设定值r e
u 模拟调节器
执行机构
—计算机控制系统—
被调参数 y 被控对象
ym
测量变送器
图a 单回路常规控制系统示意图
按偏差e进行控制，目的是减少或消除偏差。
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第一章 绪 论
5
1-1-1 概述（2）
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的工作原理
e(kT) 设定值r
过程输入/输出程序、过程控
件
制程序、人机接口程序、打印
显示程序、各种公共子程序、
历史数据库、实时数据库
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第一章 绪 论
12
—计算机控制系统—
图1-4 微型计算机控制系统原理图
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第一章 绪 论
13
★ 主机
中央处理器（CPU）
内存储器(RAM和ROM)
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测量变送 测量变送 执行机构 执行机构
… ……
… ……
被控生产过程
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第一章 绪 论
19
—计算机控制系统—
1-2-3 计算机监督系统（SCC）
•计算机监督系统（Supervisory Computer Control）简称SCC系统。 SCC系统有两种 不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器， 另一种是SCC+DDC控制系统。 （1）SCC+模拟调节器控制系统 （2）SCC+DDC控制系统
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第一章 绪 论
16
本节主要内容
• 操作指导系统 • 直接数字控制系统 • 监督控制系统 • 分级计算机控制系统
• 典型的计算机控制系统
—计算机控制系统—
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第一章 绪 论
17
—计算机控制系统—
1-2-1 计算机控制系统的分类
操作指导系统
优点:控制安全,具有一定 智能. 缺点:速度慢,误差大. 适用:新的算法的设计
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第一章 绪 论
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1-1-2 信号特点（4）
—计算机控制系统—
• 零阶保持器恢复信号的示意图
y
采样信号y(kT)
原信号y(t)
恢复信号yh(t)
t
2T 4T
6T
零阶保持器算式 yh(kT+t)=y(kT)
0≤t＜T, k=0, ±1,
±2,…
由于它只是简单地 外推，故只有当T 足够小时，零阶保 持器才能较好地恢 复原信号。
2）实时的含义
★ 实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范 围内完成。 ★ 实时控制系统必定是在线系统。
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第一章 绪 论
7
1-1-2 信号特点（1）
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的信号形式
y(t)
y*(t)
y(kT)
u(kT) u*(kT)
u(t)
采样器
A/D
计算机