计算机控制系统设计
计算机控制系统的设计
23% Option 1
5.操作面板
操作面板也叫操作台， 它是 人机对话的纽带。 根据具体 情况， 操作面板可大可小， 大到可以是一个庞大的操作台， 小到只有几个功能键和开关。
系统负载匹配问题 逻辑电路间的接口及负载匹配问题 在进行系统设计时， 有时需要TTL和CMOS两种电路混 合使用， 但两者要求的电平不一样(TTL高电平为+5 V， CMOS则为+3V～+15V) ， 因此， 一定要注意电 流及负载的匹配问题。 MCS-51系列单片机负载匹配问题 微型计算机与微型计算机之间， 微型计算机与I/O接 口之间都存在着负载匹配问题。
4.开关量I/O接口 设计
在微型计算机控制系 统中， 除了模拟量 输入/输出通道外， 经常遇到的还有开关 量I/O接口。
6.系统速度匹配问题
在不影响系统速度的前提下， 时钟频率选低一些为好, 这样 可降低系统对其他元器件工作
速度的要求， 从而降低成本 和提高系统的可靠性。
30% Option 2
3. 软件开发过程 软件开发大体包括以下几个方面。 (1) 划分功能模块及安排程序结构。 (2) 画出各程序模块详细的流程图。 (3) 选择合适的语言(如高级语言或汇编语言) 编写程序。 (4) 将各个模块连结成一个完整的程序。
8.1.6 微型计算机控制系统的调试
1. 硬件调试 根据设计逻辑图制作好实验样机， 便进入硬件调试阶段。 调试工 作的主要任务是排除样机故障， 其中包括设计错误和工艺性故障。 1) 脱机检查 用万用表或逻辑测试笔逐步按照逻辑图检查印刷板中器件的电源及 各引脚的连接是否正确， 检查数据总线、 地址总线和控制总线是否有 短路等故障。 有时为了保护芯片， 先对各管脚电位(或电源)进行检查， 确定无误后再插入芯片检查。
《计算机控制技术》计算机控制系统的设计与实现
在以上硬件设计的每一个阶段，都应该遵循边设计，边调试， 边修改的原则，包括元器件测试、电路模块调试、子系统调试等。 这样，问题发现得越早，对整个控制系统的设计、研制的影响就越 小，付出的代价也越小。
（3）来自控制系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，
如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件 间的相互不匹配使用等。这都属于控制设备制造厂家对系统 内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无 法避免，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经 过考验的系统。
经过上述系统仿真调试，并取得满意控制性能的计算机控 制系统运到现场就可以进行现场安装调试了。现场调试是实际 生产过程对计算机控制系统性能的全面检查与性能评估，与实 验室的半实物调试相比，需要特别注意系统的安全性与抗干扰 等问题。在通过现场安装调试后，就可以投入实际生产过程进 行试运行。在试运行过程中，往往会出现许多错综复杂、时隐 时现的现象，暴露设计缺陷，这时设计者应当认真分析问题根 源，寻求解决方法。同时，系统的可靠性与稳定性也应当长期 考验，针对现场特殊的工作环境，采取行之有效的措施，在经 过一段时间的试运行并取得满意的性能评价之后，整个控制系 统就可以正式投入到实际运行中了。
8.2.4 系统的调试与运行 在硬件、软件的设计过程中，一般已经进行了分模块调试。在系
统投入现场运行之前，还需要在实验室进行硬件、软件的联合调试与 系统的仿真调试。软、硬件联调是整个调试的基础，这个步骤在硬件 设计时就开始了，即逐个功能模块进行边设计边调试，并将调试好的 模块逐步加入硬件系统进行联调。在硬件调试通过的情况下，就可将 软件系统加入进去，进行控制系统硬件软件的联合调试，联合调试的 目的是检验系统硬件、软件设计的正确性与运行的可靠性。在联合调 试过程中，不但会发现软件错误，还会发现一些在硬件调试中未发现 的硬件故障或设计缺陷，可根据情况予以修正。上述软件、硬件的联 合调试一般是脱离实际的被控过程进行的，主要在于检验系统硬件、 软件设计在功能上的正确性，不能全面反映整个控制系统的性能，因 此，还必须经过整个系统的仿真试验来检验系统的实际控制性能是否 能满足指标要求。
计算机控制系统课程设计
计算机控制系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解计算机控制系统的基本原理，掌握控制系统的数学模型和性能指标；2. 学会分析控制系统的稳定性、快速性和准确性，并运用相关理论知识对实际控制系统进行优化；3. 掌握计算机控制系统的设计方法和步骤，能结合实际案例进行控制系统设计。
技能目标：1. 能够运用所学知识，对简单的控制系统进行建模、分析和设计；2. 掌握使用计算机辅助设计软件（如MATLAB/Simulink）进行控制系统仿真的基本技能；3. 培养团队协作和沟通能力，通过小组合作完成课程设计任务。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机控制系统课程的兴趣，激发他们探索未知、解决问题的热情；2. 培养学生严谨的科学态度，注重理论与实践相结合，提高他们的工程素养；3. 增强学生的创新意识，鼓励他们在课程设计中勇于尝试新方法，培养创新精神和实践能力。
课程性质分析：本课程为专业核心课程，旨在使学生掌握计算机控制系统的基本理论、方法和技能，培养具备实际控制系统设计与分析能力的高级技术人才。
学生特点分析：学生处于本科高年级阶段，已具备一定的控制系统基础知识和实践能力，具有较强的求知欲和自主学习能力。
教学要求：结合课程性质和学生特点，注重理论与实践相结合，强调动手能力和创新意识的培养。
通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际控制系统设计，提高解决实际问题的能力。
在教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行教学设计和评估。
二、教学内容1. 计算机控制系统概述：介绍计算机控制系统的基本概念、发展历程、应用领域及发展趋势。
教材章节：第一章 计算机控制系统引论2. 控制系统数学模型：讲解控制系统的微分方程、传递函数、状态空间模型等数学描述方法。
教材章节：第二章 控制系统数学模型3. 控制系统性能分析：分析控制系统的稳定性、快速性、准确性等性能指标。
教材章节：第三章 控制系统性能分析4. 计算机控制系统设计方法：讲解控制系统设计的基本方法，包括PID控制、状态反馈控制、观测器设计等。
计算机控制系统 设计
计算机控制系统设计引言计算机控制系统是一种通过计算机对特定设备或过程进行控制和监测的系统。
计算机控制系统广泛应用于工业自动化、交通运输、通信等领域，可以提高生产效率和产品质量，减少人力成本和人为错误。
本文将介绍计算机控制系统设计的基本原理和步骤，包括硬件设计、软件设计和系统集成等方面的内容。
硬件设计计算机控制系统的硬件设计是指选择合适的电子元器件和设计电路来实现控制系统的功能。
硬件设计通常包括以下几个方面：1. 选择合适的控制器控制器是计算机控制系统的核心组成部分，负责接收输入信号、处理数据并输出控制信号。
常见的控制器有微处理器、PLC（可编程逻辑控制器）等。
在选择控制器时，需要考虑控制系统的需求和性能要求。
2. 传感器和执行器选择传感器和执行器用于将实际物理量（如温度、压力、位置等）转换为电信号或控制信号。
在硬件设计中，需要选择适合的传感器和执行器，并设计相应的电路来与控制器连接。
3. 电源电路设计电源电路是提供控制系统所需的电能的基础设施，需要设计合适的电源电路来保证控制器和其他电子元器件的正常工作。
软件设计软件设计是计算机控制系统中不可或缺的一部分，它通过编写计算机程序来实现控制系统的逻辑功能。
软件设计主要包括以下几个方面：1. 确定系统需求在进行软件设计之前，需要明确系统的功能需求和性能要求。
这些需求可以通过系统规格说明书、用户需求分析等方式来获取。
2. 设计控制算法控制算法是计算机控制系统的核心部分，它决定了系统如何对输入信号做出反应并生成相应的控制信号。
在软件设计中，需要根据系统需求和控制原理设计合适的控制算法。
3. 编写程序在设计控制算法之后，需要将算法转化为实际的计算机程序。
程序可以使用各种编程语言来实现，如C、C++、Python 等。
编写程序时需要考虑可读性、可维护性和性能等方面的因素。
系统集成系统集成是将硬件设计和软件设计进行整合的过程，目的是确保计算机控制系统的各个组成部分能够正常协同工作。
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。
任务二计算机控制系统设计举例
优点分析
高效性
计算机控制系统能够快 速、准确地处理大量数 据，提高了控制效率。
灵活性
系统可以根据需要进行 软件编程和修改，适应
不同的控制需求。
远程控制
通过网络技术，可以实 现远程监控和控制，方
便管理。
可靠性
计算机控制系统具有较高 的稳定性和可靠性，减少
了故障发生的概率。
缺点分析
成本较高
• 计算机控制系统设计举例的挑战：在任务二中，我们也遇到了一些挑战，如系 统稳定性、实时性和安全性等问题。为了解决这些问题，我们采用了多种技术 手段，如优化算法、提高硬件性能和加强安全防护等。
• 计算机控制系统设计举例的未来发展方向：随着技术的不断进步和应用需求的 不断提高，计算机控制系统设计将朝着更加智能化、网络化和安全化的方向发 展。未来，计算机控制系统将更加注重用户体验和个性化需求，同时不断拓展 应用领域，为人类创造更加美好的生活。
保证安全可靠
在系统设计时充分考虑安全性和可靠 性，确保系统在各种情况下都能稳定 运行，防止意外事故发生。
设计步骤
2. 硬件选型与配置
根据需求分析结果，选择合适的 传感器、控制器和执行器等硬件 设备，并进行配置。
1. 系统需求分析
明确控制系统的功能需求和技术 指标，分析被控对象的特性和环 境因素。
3. 软件设计
计算机控制系统设计和实施成 本较高，需要投入大量资金。
依赖性
系统高度依赖于计算机软硬件 ，一旦出现故障，可能影响整 个控制系统的正常运行。
技术难度
系统设计和维护需要专业的技 术人员，技术难度较大。
安全风险
计算机控制系统存在一定的安 全风险，如数据泄露、黑客攻
击等。
计算机控制系统课程设计
4.案例分析：
-分析计算机控制系统在工业生产、交通运输、医疗设备等领域的应用案例；
-讨论不同场景下控制系统的设计要点和解决方案。
5.课程设计任务：
-分组进行课程设计，根据任务书要求设计计算机控制系统；
-结合实际案例，自主选择控制器类型，完成控制系统设计。
-指导学生根据仿真和实验结果，对控制系统设计进行优化；
-探讨不同控制策略的优缺点，鼓励学生创新思维，提出改进方案。
3.小组讨论：
-鼓励学生以小组形式进行讨论，分享设计过程中的心得体会；
-分析各自设计的控制系统性能，比较不同设计方案的效果。
4.知识拓展：
-引导学生了解当前计算机控制系统领域的前沿技术和研究动态；
-引导学生结合实际应用场景，探索计算机控制系统的创新设计和应用。
4.教学评估：
-收集学生对课程设计的意见和建议，进行教学评估；
-分析评估结果，为后续课程设计和教学改进提供参考。
5.跨学科融合：
-强调计算机控制系统与其他学科领域的融合，如自动化、电子工程、机械工程等；
-鼓励学生拓宽视野，掌握跨学科知识，提升综合应用能力。
6.报告撰写与评价：
-指导学生按照规范撰写课程设计报告，包括系统设计、仿真分析、实验结果等；
-制定评价标准，对学生的课程设计成果进行评价和反馈。
3、教学内容
1.实践操作：
-组织学生进行实验室实践，实际操作计算机控制系统硬件设备；
-引导学生结合理论知识，调试和优化控制器参数，观察控制效果。
2.设计优化：
6.未来规划：
-与学生探讨计算机控制系统在未来的发展趋势和职业规划；
-鼓励学生树立长远目标，为未来从事相关领域工作做好准备。
计算机控制系统的经典设计方法-精品文档
经ZOH后：
j T 1 e u ( j ) E * ( j ) D * ( j ) D j
j T 1 e s i n ( T / 2 ) j T / 2 G ( j ) T e Z O H j T / 2
ZOH传递函数：
s i n ( T / 2 ) u ( j) e D * ( j) E ( j j n ) D s T / 2 n
② 一阶保持器z变换法（斜坡响应不变法）
由于和零阶保持器z变换法类似的原因，这种方法应用的较少。
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2. 一阶向后差分法
(1)离散化公式
实质：将连续域中的微分 用一阶向后差分替换
d c ( t ) / d t c ( k ) c ( k 1 ) ] / T tk T[
s与z之间的变换关系： （直接代入）
2
2
2
j T j T / 2 j T / 2 D D D 2 1e 2 e e j j A D j D T T / 2 j / 2 D T 1e T e e T
图5-10 双线性变换映射关系
2s ji n ( T / 2 ) 2 T 2 D j t a nD T 2 c o s ( T / 2 ) T 2 D
j T / 2 必有： D * ( j ) e D ( j )
补偿器 模拟控制器
uj ( )e D
jT / 2
D * ( j )( E j)
数字控制器
补偿器：补偿ZOH带来的相位延迟－T/2 当T较小时可以忽略其影响，可以不补偿
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连续域-离散化设计的步骤如下：
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（2）PLC的软件是指PLC使用的各种程序的集合， 它包括系统程序和用户程序。 系统程序由PLC生产厂家提供并固化在EPROM 中，包括监控、编译及诊断等程序，用来管理全 机，“翻译”语言，诊断故障； 用户程序是用户根据实际的需要，用PLC的程 序语言编制的应用程序，由若干种形式的操作指 令和数据组成，用来实现各种控制，由用户利用 编程器输入PLC的RAM中。
(1)确定I／O点数：统计并列出被控系统中所有输入量和输出 量，选择I／O点数适当的PLC。
(2)确定用户程序存储器的存储容量：用户程序所需内存容量 与控制内容和输入／输出点数有关，也与用户的编程水平有关。 一般粗略的估计方法是：(输入＋输出)x(10－12)＝指令步数。
(3)响应速度：PLC的扫描工作方式使其输出信号与相应的输入信 号间存在一定的响应延迟时间，它最终将影响控制系统的运行速度， 所选PLC的指令执行速度应满足被控对象对响应速度的要求。 3）硬件设计
5、PLC的应用举例
1）确定控制对象及控制内容
(1)深入了解和详细分析被控对象的工作原理及工艺流程，画 出工作流程图；
(2)列出该控制系统应具备的全部功能和控制范围；
(3)拟定控制方案使之能最大限度地满足控制要求，并保证操 作简单、经济、安全、可靠。 2）PLC机型选择 一般须考虑以下几方面的问题。
（3）扫描速度
指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。 （4）指令系统条数 指令种类和数量越多，其软件功能越强。 （5）内存分配及编程元件的种类和数量
其数量关系到编程是否方便灵活，是衡量PLC硬件功能强弱的指标。
4、PLC编程语言
可编程序控制器标准编程语言有以下5种： (1) 梯形图 (LD) ，主要由触点、线圈和用方框表示的功能块 组成，是PLC厂家采用最多的编程语言，最初是由接触器、继电 器控制图演变过来的，特点是形象、直观、易懂。 (2) 指令（语句表STL)，是一种助记符编程表达式,采用指令 语和作用器件编号两部分组成。类似计算机汇编语言，适合于简 单文本自编专用程序。 (3) 顺序功能图 (SFC)，主要由步、有向连线、转换、转换条 件和动作组成，描述了控制系统的控制过程、功能和特性 ,适合 于多进程时序混和型复杂控制； (4) 功能块图(FBD) ，是类似于数字逻辑门电路的编程语言， 提供了一个有效的开发环境 , 适合于典型固定复杂算法控制如 PID调节等，特别适用于过程控制应用； (5) 高级语言（结构文本ST)，这是一种类似用于计算机的专 用高级编程语言 , 通常适用于大中型 PLC 系统和集散控制系统控 制；
5.6 可编程序控制器PLC
1985年国际电工委员会（IEC）颁布的可编程程 序控制器标准对PLC作了如下定义： 可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而 设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程程 序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺 序控制、定时、计数和算术等操作的指令，并通过 数字或模拟式输入和输出，控制各种类型的机械或 生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都应 按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其 功能的原则设计 。
2、PLC的基本工作原理
PLC是按照“顺序扫描、不断循环”的方式工 作的。其工作过程可分为输入采样、程序执行和 输出刷新三个阶段。 PLC经过上述三个阶段的工作，称为一个扫描 周期。然后，PLC又重新执行上述过程，周期性循 环。扫描时间由程序长短决定，一般为毫秒级， 目前基本PLC的扫描时间为10ms。
三相电动机控制例子：
PLC编程元件通 常用X表示输入继 电器；Y表示输出 继电器；T定时器 ； C 计数器； M 辅 助继电器等。 如 图 Y1 表 示 接 触 器 KM ； FR 热 过 载继电器；
说明：
(1) 梯形图中的继电器不是物理继电器，而是PLC存储器的一个存储 单元。当写入该单元的逻辑状态为1时，则表示相应继电器的线圈 接通，其动合触点闭合，动断触点断开。 (2)梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行起始于 左母线，然后是触点的串、并连接，最后通过线圈与右母线相连。
(3)梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”， 从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是用来描述用 户程序执行中满足线圈接通的条件。 (4)输入继电器用于接收外部输入信号，它不能由PLC内部其他继电 器的触点来驱动。因此梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出 现其线圈。输出继电器用于将程序执行结果输出给外部输出设备。 当梯形图中的输出继电器线圈接通时，就有信号输出，但不是直接 驱动输出设备，而要在输出刷新阶段通过输出接口的继电器、晶体 管或晶闸管才能实现。
Байду номын сангаас 1、PLC的结构组成
PLC本质上是一种专用的工业控制计算机，它由硬件和软件两 个部分组成。
（1）PLC的硬件又可分为主机、I/O扩展机、编程器和电源四 部分。 其中 PLC 的主机由微处理机 ((CPU) 、存贮器、 I/O 模块构成。 CPU 包括运算器和控制器，它是整个 PLC 运算和控制的核心。 CPU主要完成接收指令、扫描、诊断、执行程序、刷新状态等 任务。 存贮器用来存贮系统程序和用户程序，其要根据实际情况选 取足够大的存储器，并且要求有一部分空余作为缓存。PLC存 储器按照类型可分随机存储器 (RAM) 、只读存储器 (ROM) 、可 擦除只读存储器(EPROM)等。 编程器用于用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可通过 其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过 接口与CPU连接，突现人机“对话”。 I/O扩展机主要用来扩展输入、输出点数。当用户所需的输 入、输出点数超过主机的输入、输出点数时，可用它来扩展。 电源则向PLC提供各部分工作所需要的电压。
PLC与继电器控制的区别： PLC工作方式为“串行”方式；继电器为“并行”方式；
3、PLC的主要性能指标
（1）I/O点数
指PLC的外部输入和输出端子数。通常小型机有几十个，中型机有 几百个，大型机超过千点。
（2）用户程序存储容量
此为衡量PLC所能存储用户程序的多少。在PLC中，程序指令按“步” 进行存储，一步占用一个地址单元，一条指令往往不止一步。