计算机测控系统概述
测控系统概念
第一章1.1测控系统的概念测控系统是现代检测技术与现代控制技术发展的必然和现实的需要，是以检测为基础，以传输途径，以处理为手段，以控制为目的的闭环系统。
测控系统的基本构成由四个部分构成：传感检测部分：感知信息（传感技术、检测技术）信息处理部分：处理信息（人工智能、模式识别）信息传输部分：传输信息（有线、无线通信及网络技术）信息控制部分：控制信息（现代控制技术）1.3测控系统的基本特点❖设备软件化：简化硬件、缩小体积、降低功耗、提高可靠性。
❖过程智能化：以计算技术和人工智能为核心。
❖高度灵活性：实现组态化、标准化、分布式。
❖高度实时性：采集、传输、处理、控制高速化。
❖高度可视性：图形编程、三维技术、虚拟现实。
❖测控一体化：测量、控制、管理。
二、测控系统的分类和组成（ppt图10页）1.检测系统又称数据采集系统。
以通用计算或嵌入式计算系统为核心，单纯实现系统信号的检测、处理、记录和显示为目的的系统。
2.控制系统以通用计算机或嵌入式计算系统为核心，单纯以实现控制为目的的系统。
3. 测控系统以通用计算机或嵌入式计算机系统为核心，以实现检测、传输、处理和控制为目的的系统4. 局域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在局部区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统5. 广域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在大范区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统四、测控技术的发展方向◆微型化：向微机电系统方向发展◆网络化：向无线网、自组织网、物联网、泛在网方向发展◆智能化：向人工智能化方向发展◆虚拟化：向虚拟现实方向发展测控系统的网络化（1）有线测控网络工业总线、局域网络、广域网（2）无线测控网络ADhoc自组织网络、传感网（3）混合测控网络物联网、泛在网第二章MEMS器件的封装要求(1)封装应对传感器芯片提供一个或多个环境通路(接口)；(2)封装给传感器带来的应力要尽可能的小；(3)封装与封装材料不应对应用环境造成不良影响；(4)封装应保护传感器及其电子器件免遭不利环境的影响；(5)封装必须提供与外界的通道。
测控系统
测控系统从它诞生到现在大致已经历过了四个阶段：即由气动到电动的集中控制式系统，集散式（DCS）控制系统，最前沿的是包括FCS 的网络集成全分布式系统。
因为试验场的试验项目种类繁多，测试设备多种多样，采用的总线、接口标准也各不相同，必须合理的将这些设备通过网络的形式组织起来，形成可靠、实用的适合于试验场应用的测试网络。
网络化测控系统结构属于网络应用体系结构的范畴。
而以OSI七层模型框架为代表的网络通信体系结构，主要只反映了网络通信方面的结构恃性，并没有充分反映出含计算机的测控网络系统中，综合信息采集、处理、存储、传输和控制的重要特征，更难以反映网络应用系统的结构特征。
网络应用体系结构就是研究包括基本网络系统和应用软件在内的网络应用系统的体系结构，它应把传统的网络通信体系结构内容(OSI七层模型)与应用软件及其运行环境要素的体系结构内容(如测控系统)结合在一起，形成一个统一的计算机网络应用系统的抽象结构模型，它可以更本质地反映该系统综合信息采集、处理、存储、传输和控制的结构特征。
根据以上分析，网络化测控系统的抽象结构框架可如图1-1所示。
图1-1 网络化测控系统的抽象结构框架该模型明确反映出系统中各重子系统之间的基本接口关系不依赖子系统内部的具体结构和特性，实现了接口标准化、通用化，以提高系统的开放性。
因为开放电子系统体系结构使用的是标准的系统接口，允许设计者使用最新的、性能最好的电子器件、通用电子模块和计算子系统，这样可以确保测试系统的性能处于领先地位。
随着测控技术、计算机技术、网络技术以及各种高科技在测控系统中的发展，测控系统的基本结构也逐步由集中控制式经历了集散控制式发展到网络分布式系统。
下面简单介绍一下几种控制系统的大致情况。
一、集中控制式测控系统其体系结构的特点概括为：①统一集中控制；②一对一物理联接；③功能单一、结构复杂、可以升级扩展；④系统高效，可以对全局进行优化。
二、集散控制式测控系统集散控制式测控系统, 以控制站的直接数字控制ＤＤＣ对现场的分散被控对象进行实时分散控制，而以操作站的中央管理计算机进行集中操作、显示、报警、优化控制功能等，随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、右编程控制器（PLC）以及由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散控制系统。
测控系统
2010年
第一章 概述
• 就技术而言： 测控系统是传感器技术、通信技术、计算机技术、控制技术、 计算机网络技术等信息技术的综合；
• 就其应用而言： 广泛应用于国民经济的各个领域，如化工、冶金、纺织、能源、 交通、电力，城市公共事业的自来水、供热、排水、医疗， 在科学研究、国防建设和空间技术中的应用更是屡见不鲜。
放大器是任何一台现代测量仪器不可缺少的基本电路。越灵 敏的仪器，越需要高增益高性能的放大器。根据实际仪器的 功能和要求的不同，对放大器也有这样或那样的性能要求， 如增益的高低，频带的宽窄，输入阻抗的高低等等。实际上， 放大器的参数远不止这些，还有许许多多的参数来表征放大 器，如非线性放大器，程控放大器，差动放大器，微功耗放 大器，轨—轨放大器……所以，放大器的种类举不胜举。往 常，通用运算放大器是设计工程师们的“万金油”。不管什 么样的放大器都用通用运算放大器来设计。虽然有的运算放 大器在某个或某些参数上具有突出的特性，比较适合于某些 应用场合。但可以说，最适合应用于某种场合的放大器一般 都不是采用通用运算放大器所构成的放大器，而是采用某些 有特色的运算放大器或专门设计的放大器芯片
●第三代就是智能式仪器仪表：计算机置于仪器中
●第四代为虚拟仪器：仪器仪表置于计算机中
以计算机为核心
• 门捷列夫：“科学是从测量开始的”
• 钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。 信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三 部分组成。测量技术是关键和基础”
数据采集技术
数据采集系统的组成结构
传感器
★时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时间频率测 量仪等
★电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、RLC测量仪、 静电仪、磁参数测量仪等
测控
一．概述1.计算机测控技术的含义：是传感技术，自动控制技术，计算机技术，通信技术，计算机网络技术，智能技术和数据库管理技术综合发展的产物。
2.计算机测控系统的含义：是以测量与控制为目的，在无人直接参与的情况下，应用计算机测控技术实现目标对象的数据采集，信息处理，决策控制，监督管理的综合自动化系统。
3.测试系统特点：网络化，多功能，智能化，易操作，可靠性高等。
4.测控系统的基本组成：测控对象；测控系统硬件（测试主机，检测与执行机构，过程通道，通信与网络接口，人机接口）；测控系统软件（数据采集，分析及处理，控制决策，控制输出，监控报警，数据通信系统管理）5.典型的测控系统：1）基于处理器的测控系统；2）基于工控机的测控系统；3）集散控制系统（DCS）；4）基于现场总线的测控系统；5）工业以太网测控系统；6）基于无线通信的测控系统；7）基于Internet的网络测控系统。
6.微处理器化测控系统的组成：嵌入式微处理器（最核心），外围硬件设备，接口部件及软件。
特点：1）功能丰富，性价比高；2）结构紧凑，可靠性高；3）具有自测试和自诊断功能；4）系统自动化水平高；5）系统能实现复杂的运算和控制功能；6）系统的人机对话能力强；7）系统构成柔性化。
7.集散控制系统（DCS）：体系机构按垂直分解通常分为三级：第一级即分散过程控制级（基础）；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。
集散控制系统特点：1）采用分级递阶结构；2）采用微处理器技术；3）采用工业以太网络通信技术；4）采用高可靠性技术；5）具有丰富的软件功能。
8.现场总线控制系统（FTS）是以现场总线为基础，是开放式，数字化，多点，铜线的网络化控制系统。
FCS的特点：1）全数字化；2）系统开放性；3）互操作与互换性；4）现场是被智能化，功能自治；5）高度分散性；6）高度环境适应性；7）低成本；8）信息系统化。
9.测控系统发展趋势：测控系统的智能化，网络换，虚拟化，多样化，标准化。
第一章计算机测控系统概述
第一章计算机测控系统概述计算机测控系统是一种用计算机和相关设备进行控制和测量的系统。
它通常包括硬件设备、软件工具和算法，用于收集、分析和处理测量数据，并根据需要控制被测对象。
计算机测控系统被广泛应用于各个领域，如工业自动化、环境监测、科学研究等。
计算机测控系统的基本构成主要包括传感器、数据采集卡和数据处理器。
传感器用于将被测量转换为电信号，传感器的种类多种多样，根据不同的测量对象和需求选择合适的传感器进行测量。
数据采集卡是连接传感器和计算机的接口，它负责将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，然后传输给计算机进行处理。
数据处理器是计算机或嵌入式设备，它负责接收和处理采集到的数据，并根据需要进行控制操作。
计算机测控系统的核心技术包括数据采集和处理、数据传输和通信、控制和决策算法等。
数据采集和处理是系统的基础部分，它涉及到模拟信号转换为数字信号的过程，以及对采集到的数据进行滤波、去噪、校准等处理。
数据传输和通信是系统与外部设备或网络之间进行信息交换的方式，通常使用串口、以太网等接口进行数据传输。
控制和决策算法是系统的核心部分，它根据测量数据进行分析和判断，并根据需要进行自动或手动控制操作。
计算机测控系统的优势在于其高效、准确和灵活的特点。
通过计算机的处理能力和算法优势，可以对大量的测量数据进行实时分析和决策，提高系统的控制精度和效率。
同时，系统的硬件设备可以根据需要进行扩展和更新，以适应不同的测量对象和环境要求。
此外，计算机测控系统还可以实现远程监控和操作，便于用户对系统进行远程控制和数据访问。
然而，计算机测控系统也存在一些挑战和问题。
首先，系统的稳定性和可靠性是一个关键问题，由于测控系统常常运行在复杂的工业环境中，例如高温、强电磁干扰等，因此对系统的硬件设备和软件工具进行可靠性设计是至关重要的。
其次，系统的数据安全和保密性也是需要考虑的问题，特别是在一些敏感领域和国家级重点工程中，对系统的数据进行保护和防护是必不可少的。
9计算机测控系统_工业以太网及无线通信
短距离：Bluetooth、Wi-Fi、IrDA、ZigBee等
机械构造力学及控制国家重点实验室
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8.2 无线传感器网络
无线通信技术：ZigBee技术
ZigBee是基于标准的低功耗个域网协议。成立于 2001年8月有Motorola、Philips等公司发起。
目前已经在工业监控、传感器网络、家庭监控、 平安系统等领域得到广泛应用。
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8.2 无线传感器网络
无线通信技术：ZigBee技术
ZigBee的工作频段是2.4GHz、868MHz及915MHz。 在我国，创立网络时，协调器节点首先依次扫描 ch11到ch26，从中找出一个相对安静的通道，根 据事先的协议创立通道特征。其它待参加到节点 上电重启后同样扫描通道，一旦发现通道中有活 动的协调器节点，那么比较特征参数，符合那么 参加。
24
8.3 应用举例
输电线损伤检测系统
压电驱 动器
功放
DA
发波节 点
输电线
压电传 感器
发波装置
Coordinator 节点
PC机
采集装置 电压放
大,滤波
AD
采集节 点
机械构造力学及控制国家重点实验室
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8.3 应用举例
输电线损伤检测系统
机械构造力学及控制国家重点实验室
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8.3 应用举例
输电线损伤检测系统
机械构造力学及控制国家重点实验室
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8.2 无线传感器网络
无线通信技术：无线传感器网络
无线传感器网络〔Wireless Sensor Network〕是由 大量的具有通信和计算能力的微小传感器节点， 以无线的方式连接构成的自治测控网络。
《计算机测控技术》课件
航天航空
利用计算机测控技术，可以实时监测和控制飞 行器的参数，确保飞行安全和任务顺利完成。
计算机测控系统的构成和工作原理
构成
工作原理
计算机测控系统由传感器、数据 采集卡、计算机和执行器等组成， 通过软硬件的协同工作实现测量 和控制功能。
控制器接收传感器采集的数据， 经过处理和分析后，输出控制信 号给执行器，实现对被控对象的 控制。
3 智能农业
利用计算机测控技术，实现农田的自动化浇灌和监测，提高农作物的产量和质量。
总结与展望
总结
计算机测控技术是一种结合计算机科学和测量控制 技术的应用技术，广泛应用于各个领域，提高了测 量和控制的准确性和效率。
展望
随着科技的不断发展，计算机测控技术将继续创新， 实现更高水平的测量和控制，为人类的生活和工作 带来更多便利。
计算机测控技术的应用领域
工业自动化
计算机测控技术广泛应用于工业自动化领域， 用于监测和控制工业术，可以实时监测环境参数 如温度、湿度、气压等，用于环境保护和资源 管理。
医学仪器
计算机测控技术在医学仪器中的应用使得医学 诊断和治疗更加准确和可靠，提高了医疗水平。
3
未来
未来计算机测控技术将更加智能化和自动化，结合人工智能和大数据分析等技术， 实现更高水平的测量和控制。
案例分析：计算机测控技术在实际项 目中的应用
1 智能家居
计算机测控技术与物联网技术结合，实现智能家居的自动化控制，提高生活品质。
2 智能交通
通过计算机测控技术，实现交通信号灯的智能控制，优化交通流量和减少交通拥堵。
数据处理
数据处理是计算机测控系统的核 心环节，包括数据采集、数据转 换、数据存储和数据分析等。
数学模型与计算机控制 第二章 计算机测控系统组成及类型
第二章计算机测控系统组成及类型2.1 计算机测控系统的组成及特点计算机测控系统是应用计算机来实现生产过程的测试、控制的系统。
其组成框图如图2-1所示。
操作人员微机测控系统图2-1 计算机测控系统的组成主机是计算机的测控系统的中心。
主机由的系统板上装有微处理器、内存贮器和一些支持元件组成。
外部设备是计算机专用的输入输出设备。
主要有：键盘、打印机、视频显示器、外存贮器（软盘、硬盘、磁带、可读写光盘等）。
外部设备起人机联系的作用，通过它人工才能了解和干预生产过程。
计算机是由主机和外部设备组成。
外围设备计算机测控系统中生产过程信号输入输出通道。
输入通道包括模拟量输入、开关量输入和脉冲量输入通道。
输出通道包括模拟量输出、数字量输出、脉冲量输出、报警通道和时钟通道。
由计算机和外围设备组成了工业控制机。
生产过程的各种参数，如温度、压力、流量、位移、成分等，通过传感器的测量输给外围设备的输入通道。
控制部件则通过接收外围设备的输出通道的信号来控制生产过程。
用工业控制机对生产过程进行测控就组成了计算机测控系统。
主机、外部、外围和测控仪器仪表，是计算机测控系统的硬件部分。
除硬件部分之外，还必须配备相应的软件。
计算机测控系统的软件可分系统软件和应用软件。
系统软件是计算机本身的操作系统和监控程序，它有一定的通用性，由计算机生产厂家提供。
应用软件是实现生产过程测控的应用程序，也称用户程序，它具有专用性，由用户根据具体需要编制。
由常规测控仪器仪表构成的模拟测控系统，虽具有可靠性高、成本低、易于维护操作的优点，但是它难以实现多变量测控、复杂控制规律的控制，如最优控制，自适应控制，时变控制；模拟控制屏越来越长，难以实现集中控制；各分子系统之间不便于进行通讯联系，难以实现多级控制；控制方案的修改比较麻烦。
计算机测控系统则能很好地解决上述问题。
计算机测控系统不仅能完成模拟测控系统的所有功能，而且还具有如下优点：（1）测控的速度和精度高；（2）由于计算机具有分时操作功能，所以一台计算机可以代替多台常规测控装置；（3）由于计算机具有记忆和逻辑判断功能，所以能够综合生产过程各方面的情况，在工艺参数变化时能及时地作出判断，选择最优控制。
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— 概述
李江全
石河子大学机电学院电气工程系
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1
测控系统的演变
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2
1、传统测控时代
被测参数
显示仪表
传统检测系统
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3
被测控参数 执行机构
显示器
传统手动控制系统
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4
2、电气测控时代
被
测
参
传感器
数
调理电路 模块
显示仪表传感Βιβλιοθήκη 检测系统编辑ppt5
被
测
控 参
传感器
数
调理电路 模块
执行机构
显示仪表
现代手动控制系统
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6
被
测
控
参
传感器
数
调理电路 模块
执行机构
控制电路 模块
电气控制系统
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显示器
7
3、智能测控时代
被测控参数
传感器
智能仪表
执行机构
智能检测控制系统
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8
4、计算机测控时代
被
测 控
传感器
调理电路 模块
输入通道
参
数
计
算
机
执行机构
❖ 控制：采用各种方法支配或约束某一客观 事物的进程结果，称之为“控制”
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测控系统的分类
按照仪器和系统担负的任务不同，测控系统可分为 三大类： ❖ 单纯以测量和检测为目的的“测试（检测）系统”
❖ 单纯以控制为目的的“控制系统”
❖ 测控一体的“测控系统”或“监控系统”
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15
按信号传递路径分类：开环控制系统和闭环控制系统
特点： 1) 控制量与输出量之间仅有前向通路，没有反馈通路，输
出量只被检测，无直接控制作用； 2) 外部条件和系统内部参数保持不变时，对于一个确定的
输入量，总存在一个与之对应的输出量； 3) 控制精度取决于控制器各被控对象的参数稳定性，易受
干扰影响（抗干扰能力差），缺乏精确性和适应性。
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17
（2） 闭环（反馈）控制系统
系统的被控量对控制作用有直接影响的系统称为闭环控 制系统。
反馈：指输出量通过适当的装置将测量信号的全部或一部分 返回输入端，使之与输入量进行比较的过程。
如果输出量和反馈量相减则称为负反馈，反之，若二者 相加，则称为正反馈。输入量和反馈量之差称为偏差信号。
反馈控制系统是指在负反馈的基础上，用“检测误差用 以纠正误差”这一原理组成的系统。由于此类系统信息的传 递途径有一个自己闭合的环路，所以称为闭环控制系统。
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18
扰动
输入量 + -
控制器 控制量 被控对象 输出量 反馈元件
特点：
1) 由负反馈构成闭环，利用误差信号进行控制；
2) 对于外界扰动和系统内部参数的变化等引起的误差能够自 动纠正；
3) 系统元件参数配合不当，容易产生振荡，使系统不能正常 工作，因而存在稳定性问题。
闭环控制系统与开环控制系统的主要区别在于闭环控制 系统有一条从系统输出端经过编测辑pp量t 元件到输入端的反馈通路19
比较 热电偶
电热器
给定电压
u
前 置 放 大
执行机构
功
率 放
M
大
减速器
调压变压器
炉子
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~2 20V 20
输 期望温度 入 +
变 换
电 压 放 大
功 率 放 大
执 行 机 构
减 速 器
调 压 器
电 热 器
炉 实际温度 子
热电偶
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21
在线方式和离线方式
❖ 在线方式或联机方式：在计算机控制系统中， 生产过程与计算机相连，并受计算机控制的方 式称在线方式。
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23
实时系统强调的是实时性和可靠性。
这除了与计算机硬件有关外，还与 实时系统的软件密切相关。实时系统的 软件是实时应用软件和实时操作系统 RTOS（Real-Time Operating System）
一个在线系统不一定是一个实时系统，但一个
实时系统必定是在线系统。
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24
计算机测控系统同样分为三类: 计算机测试系统 计算机控制系统 计算机测控系统
（1） 开环（前馈）控制系统 系统的被控制量（输出量）对系统的控制量（输入量）
没有影响，即被控制量只受控于控制量，而对控制量无反作 用，这类系统称为开环系统，或前馈控制系统。
炉子
电热丝
调压变压器
~220V
扰动
输入量 控制器 控制量 被控对象 输出量
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16
开环控制系统工作原理：根据给定的信号去控制被控对象， 不能自动消除被控参数偏离给定值所带来的误差。
除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起来，随
时进行分析、统计和显示并制作各种报表。
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计算机测试系统是以微机为核心，单纯以 “监测”为目的的系统
测
量 对
非电量
传感器
象
输入信号 调理器
计算机 显示器
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27
计算机控制系统
如果需要对被监控的对象进行控制，则由 计算机中的应用软件根据采集到的物理参量的 大小和变化情况以及按照工艺所要求该物理量 的设定值进行判断；然后在输出装置中输出相 应的电信号，并且推动执行装置（如调节阀、 电动机）动作从而完成相应的控制任务。
❖ 离线方式或脱机方式：在计算机控制系统中， 生产过程与计算机不相连，且不受计算机控制， 而是靠人进行联系并做相应操作的方式称离线 方式。
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22
实时系统
❖ 实时系统是对外来事件在限定时间内能 做出反应的系统。
❖ 实时控制系统和实时信息处理系统统称 为实时系统。
需要注意的是：实时并不等于快！它是一个相对 的概念，确切定义应该是“及时”，即在系统允 许的时间范围内完成任务。
随着科学技术的迅速发展，计算机控制技术的应 用领域日益广泛，在冶金、化工、电力、自动化机床、 工业机器人控制、柔性制造系统和计算机集成制造系 统等工业控制方面已取得了令人瞩目的研究与应用成 果，在国民经济中发挥着越来越大的作用。
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13
基本概念
❖ 测量：采用各种方法获得客观事物的量值， 称之为“测量”
控制电路 模块
输出通道
计算机测控系统
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9
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10
计算机测控系统的含义与类别
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11
计算机测控技术是一门综合性的技术。
它是自动检测和传感技术、自动控制技术、 计算机技术（包括软件技术、接口技术、通信技 术、网络技术、显示技术）的综合应用。
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12
计算机控制系统作为当今工业控制的主流系统，已取 代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和 很大部分操作管理的人工职能，并具有较高级复杂的 计算方法和处理方法，以完成各种过程控制、操作管 理等任务。
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计算机测试系统
利用传感装置将被监控对象中的物理参量 （如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电 量（如电压、电流），再将这些代表实际物理参 量的电量送人输人装置中转换为计算机可识别的 数字量，并且在计算机的显示装置中以数字、图 形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能 够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。