计算机控制系统第十章 计算机控制系统设计原则与步骤
计算机控制技术(第2版)部分课后题答案
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。
5.2计算机控制系统设计
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。
（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。
（1）较完善的中断系统 微型计算机控制系 统必须具有实时控制性能。
（ 2）足够的存贮容量 ； （3）完备的输入输出通道和实时时钟； （4）字长、速度、指令。 可选择：单片机、单板机、可编程序控制器 PLC、制 方案的具体实施步骤。前面的工作（系统 组成粗框图、算法、设计要求以及所选用 的微型机）是总体设计的主要依据。通过 这一步的设计要画出系统构成的总体框图。
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。 （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。
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 (3)
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。
计算机组成原理10 第十章 CU的设计(2)
⑨ JMP X
T0
T1 T2 Ad ( IR ) PC
⑩ BAN X
T0
T1 T2 A0 • Ad ( IR ) + A0• PC PC
5. 中断周期 微操作的 节拍安排
T0
T1 T2
10.1
硬件关中断
0
PC MDR
MAR
MDR M ( MAR )
1
W
向量地址
PC
中断隐指令完成
三、组合逻辑设计步骤
T0
EX 执行
1
1 T1
M(MAR) AC
W
(AC)+(MDR) AC T2
MDR
MDR 0
M(MAR)
AC AC 1
1
2. 写出微操作命令的最简表达式
M ( MAR ) MDR
10.1
= FE · 1 + IND · 1 ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) T T + EX · 1 ( ADD +LDA ) T = T1{ FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) }
10.1
微操作命令信号 CLA COM ADD SAT LDA JMP PC 1 M(MAR) ( PC ) +1 MDR OP( IR ) MAR R MDR PC IR ID IND EX 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
FE 取指
T0 T1 T2 PC 1 R MDR PC IR ID
计算机控制系统习题答案刘士荣
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。
计算机控制系统的设计与实施
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。
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3.实时性强
• 实时性是计算机控制系统的重要指标之一，要求 系统对内部和外部事件能及时地响应，并在规定 的时间内做出相应的处理。处理的事件一般有两 类：一类是定时事件，如定时采样、运算处理、 输出控制量到被控对象等；另一类是随机事件， 如出现事故后的报警、安全联锁、打印要求等。 对于定时事件，由系统内部时钟来实现。对于随 机事件，系统应设置中断，根据故障的轻重缓急， 预先分配中断级别，根据中断优先级进行处理， 以保证优先处理紧急故障。
5.经济性高
• 经济性主要体现在两个方面：一方面是系 统的性能价格比要尽可能高，而投入产出 比要尽可能低，投资回报周期要尽可能短； 另一方面还要从提高产品质量与产量、节 能降耗、减少污染、改善劳动条件等经济、 社会效益各方面进行综合评估。由于计算 机技术发展迅速，在设计与实施计算机控 制系统时，还要有市场意识，要有一定的 预见性。
4.在线调试和运行阶段
• 系统离线仿真和调试后便可进行在线调试和运行。 在线调试和运行就是将系统和生产过程连接在一 起，进行现场调试和运行。尽管系统已经通过了 离线仿真和调试，但工业现场情况更加复杂，现 场调试和运行仍可能出现问题，因此必须重视现 场调试环节，以便及时发现问题，认真分析加以 解决。系统运行正常后，再试运行一段时间，即 可组织验收。验收是系统项目最终完成的标志， 应由甲方主持，乙方参加，双方协同办理，共同 组织材料，验收完毕后应形成验收文件存档。
1.安全可靠
• 对工业控制计算机系统最基本的要求是安全性和可靠性高。因为一旦计算机 出现故障，将会造成整个生产过程的混乱，轻者影响生产，使产品质量不合 格，重者则会造成人员和设备的事故；同时由于现今过程控制对象往往是连 续工艺流程的一部分，一个系统的事故往往会引起前后工序的连锁反应，最 后导致整个过程的运行异常。因此，在过程计算机控制系统的整个设计过程 中，务必将安全可靠性放在首位。
• 操作方便表现在系统便于学习掌握、操作简单，而且画面显示直观。 系统投入运行后将由现场操作人员进行操作与日常维护，所以在考虑 先进性的同时，还应兼顾操作人员以往的操作习惯，使操作人员容易 掌握，而不必强求他们掌握计算机知识。例如，现场操作人员已经习 惯了PID调节器的面板操作，则可在CRT画面上设计回路操作显示面板。 另外，人机对话的操作也应简单明了，尽量采用图示与中文操作提示， 热键设计不宜太多。
4.通用性好
• 在设计开发计算机控制系统时，应尽量采用积木 式的模块化结构，便于以后系统稍做改动就能适 应新的要求。并在此基础上，根据各种不同的设 备和不同控制对象的控制要求，灵活地设计系统。 这样设计出的系统便于随时进行系统的扩展或改 进，通用性好。特别地，在针对某一行业或某一 类装置开发具有某些特殊功能的计算机控制系统 时，设计时就应考虑在该行业或该类装置上的通 用性，以便系统建成后能迅速推广。
2.工程项目的设计阶段
• 工程项目的设计阶段主要包括组建项目研 制小组、系统总体方案的设计、方案论证 与评审、硬件和软件的细化设计、制作调 试、系统组装等。
3.离线仿真和调试阶段
• 所谓离线仿真和调试是指在实验室而不是 在工业现场进行的仿真和调试。离线仿真 和调试后，还要进行拷机运行。拷机的目 的是要在连续不停机的运行中暴露问题和 解决问题。
第十章 计算机控制系统设计原则 与步骤
• 第一节 计算机控制系统设计原则 • 第二节 计算机控制系统设计步骤 • 第三节 计算机控制系统的工程设计与实
现 • 四、控制系统的调试与运行
第一节 计算机控制系统设计原则
• 1.安全可靠 • 2.操作、维护与维修方便 • 3.实时性强 • 4.通用性好 • 5.经济性高
• 维护、维修方便体现在易于查找故障、排除故障。设计人员要从软件 与硬件两个方面综合考虑，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。同时模板上还应安装工作状态指示灯和 监测点，便于维修人员检修。在软件上应配备检测与故障诊断程序， 用于查找故障源。必要时还应考虑设计容错程序，在出现故障时保证 系统的安全。
第三节 计算机控制系统的工程设 计与实现
• 一、计算机控制系统的总体方案设计
• 二、硬件的工程设计与实现
一、计算机控制系统的总体方案设 计
• 1.硬件总体方案设计 • 2.软件总体方案设计 • 3.系统可靠性设计及机(箱)柜结构设计 • 4.设计说明书
1.硬件总体方案设计
• 计算机控制系统的硬件总体设计主要包括 以下各方面的内容：系统的构成方式；现 场设备及自动化仪表的选择；人-机接口方 式；系统的控制机箱结构设计；抗干扰措 施等。
• 为避免计算机出现故障后对生产造成损失，有必要设置后备装置。对于一般 的控制回路，可选用手动操作器作为后备；对于必须采用自动控制的重要回 路或特殊回路，可采用常规控制仪表或后备计算机作为后备。这样，一旦系 统出现故障，就可将后备装置切换到控制回路中，维持生产过程的正常运行。
2.操作、维护与维修方便
• 首先，要选用高性能的工业控制计算机或其他的主机模式，保证其在诸如振 动、冲击、粉尘、高温、电磁干扰、大电流干扰等恶劣的工业现场环境下， 仍能正常运行。
• 其次，设计可靠的控制方案应具有各种安全保护措施，比如异常报警、事故 预测、故障诊断与处理、安全联锁、不间断电源等功能。
• 再次，控制系统要设计完善的抗干扰措施，硬件抗干扰措施有屏蔽、隔离、 滤波和接地等，软件抗干扰方法有数字滤波、软件陷阱和看门狗技术等，另 外还要考虑电源的抗干扰问题。
第二节 计算机控制系统设计步骤
• 1.工程项目与控制任务的确定阶段 • 2.工程项目的设计阶段 • 3.离线仿真和调试阶段 • 4.在线调试和运行阶段
பைடு நூலகம்
1.工程项目与控制任务的确定阶段
• (1)甲方提出任务委托书。 • (2)乙方研究任务委托书。 • (3)双方对委托书进行确认修改。 • (4)乙方初步进行系统总体方案设计。 • (5)乙方进行方案可行性论证。 • (6)签订合同书。