计算机控制系统介绍
计算机控制系统及其应用
计算机控制系统及其应用计算机控制系统是一种由计算机控制的系统，该系统可以用于自动化控制各种过程。
与传统的控制系统相比，计算机控制系统具有更高的质量和效率，同时还提高了生产工艺的可重现性和控制精度。
本文将介绍计算机控制系统的概念、分类以及在不同领域的应用。
一、计算机控制系统的概念计算机控制系统是一种集成了计算机技术和控制技术的系统，能够实现对所需过程的自动控制。
该系统由计算机、图形界面、传感器、执行器和控制器等组成。
计算机控制系统可以控制各种工业过程，如自动化制造、机器人应用、温度控制以及数据采集和分析等。
该系统能够提高工业控制系统的工作效率、生产率以及产品质量，并降低成本。
二、计算机控制系统的分类计算机控制系统通常可以分为三类：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。
1.开环控制系统开环控制系统是指在控制系统中只能对输入进行传递和转换，不能对输出进行反馈调整，只能依靠输入来控制输出。
这种控制系统在很多应用领域中被广泛使用，如测量和参数调节等。
2.闭环控制系统闭环控制系统是一种的行动监控和自适应控制电路，它能够对传感器的反馈信息进行处理，并对输出进行反馈调整。
闭环控制系统通常用于气体和液体处理过程、电力系统、交通系统和电子制造系统等控制领域。
3.半闭环控制系统半闭环控制系统是一种在控制系统中同时采用开环和闭环控制两种技术的控制系统。
开环控制用于对系统进行预先设置，而闭环控制则用于对系统的实时信息进行反馈调整。
这种控制方法通常用于许多高级工业过程的控制领域。
三、计算机控制系统在不同领域的应用计算机控制系统已经应用于许多领域，涉及了从工业制造到医疗保健，再到军事防务的各种应用。
1.工业自动化计算机控制系统是自动化工业的重要组成部分。
自动化工业包括机器人应用、流程控制、光学识别和文本识别等领域。
这些应用都需要高度自动化和可重复性的流程，计算机控制系统在自动化工业的全部过程中起着至关重要的作用。
2.医疗保健计算机控制系统在医疗保健领域中也有着多种应用。
简述计算机控制系统基本类型
计算机控制系统是通过计算机执行控制任务的系统。
根据系统的性质和用途，计算机控制系统可以分为几种基本类型：1. 开环控制系统（Open-Loop Control System）：-在开环控制系统中，输出信号不会反馈到系统的输入。
系统执行预定的操作而不考虑实际输出的影响。
这意味着系统不具备自我调整的能力。
经典的示例是洗衣机的定时程序，无论洗涤过程的实际情况如何，程序都会按照设定的时间运行。
2. 闭环控制系统（Closed-Loop Control System）：-闭环控制系统是根据实际输出来调整系统输入的控制系统。
系统通过传感器获取实际输出，与预期输出进行比较，然后调整输入以减小误差。
这种反馈机制有助于系统更准确地执行控制任务。
温度调节系统是一个典型的闭环控制系统的例子。
3. 数字控制系统（Digital Control System）：-数字控制系统使用数字信号和数字计算来执行控制任务。
它们通常使用微处理器或计算机进行控制。
数字控制系统具有精确性高、稳定性好以及易于编程和调整的特点。
4. 模糊控制系统（Fuzzy Control System）：-模糊控制系统使用模糊逻辑来处理模糊或不确定性的输入。
与传统的精确逻辑不同，模糊控制系统考虑到了输入的模糊性，使得系统更适应真实世界的不确定性。
5. 混合控制系统（Hybrid Control System）：-混合控制系统结合了开环和闭环控制的特性，以及数字和模糊控制等不同类型的控制方式。
这种系统可以更灵活地适应不同的控制需求。
每种类型的控制系统都有其独特的优势和适用范围，选择合适的控制系统类型取决于特定应用的要求和性质。
计算机控制系统
计算机控制系统随着科技的飞速发展，计算机控制系统已经成为现代生产过程中不可或缺的一部分。
计算机控制系统结合了计算机技术和自动化控制理论，通过在工业生产中引入计算机实现对生产过程的实时监控和调整，以追求最佳性能和生产效率。
一、计算机控制系统的基本构成计算机控制系统主要由硬件和软件两大部分组成。
硬件部分包括计算机、输入输出设备、控制对象和传感器等。
软件部分则包括操作系统、控制算法程序和其他支持软件等。
通过硬件和软件的协同工作，计算机控制系统可实现对生产过程的精确控制。
二、计算机控制系统的主要优点1、自动化：计算机控制系统能根据预设程序自动监控和调整生产过程，减轻了人工操作负担，提高了生产效率。
2、精确性：计算机控制系统可以通过传感器实时获取生产数据，通过算法程序进行精确计算和控制，避免了人为误差。
3、优化性能：计算机控制系统可以通过优化算法不断优化生产过程，提高产品质量和性能。
4、远程监控：通过互联网技术，计算机控制系统可以实现远程监控，方便管理人员随时了解生产状况并进行调整。
三、计算机控制系统在各行业的应用1、制造业：在制造业中，计算机控制系统被广泛应用于生产线的控制、工艺过程的优化、设备故障的预测和维护等。
2、能源行业：在能源行业中，计算机控制系统负责对电力、石油、煤炭等能源的生产、传输和分配进行实时监控和控制。
3、交通运输业：在交通运输业中，计算机控制系统用于对交通信号灯、地铁列车、航空交通等的管理和控制。
4、农业：在农业领域，计算机控制系统已开始用于大棚种植、畜牧业和渔业等，通过精准控制提高农业生产效率。
四、未来发展趋势随着、物联网和大数据等技术的发展，计算机控制系统将迎来更多的发展机遇。
未来，计算机控制系统将更加智能化、自适应和协同化，能够更好地满足复杂多变的生产需求。
随着绿色环保理念的深入人心，计算机控制系统也将更加注重节能减排和环保，助力实现可持续发展目标。
计算机控制系统在自动化和效率方面具有显著优势，广泛应用于各行业领域。
计算机控制系统的组成和特点
计算机控制系统的组成和特点
计算机控制系统是由计算机技术和控制技术相结合的一种系统。
它的组成和特点如下：
一、组成
1. 控制对象：被控制的物理系统，例如机器人、流水线、钢铁生产线等
2. 传感器：采集控制对象的状态信息，例如温度、压力、位置等
3. 执行器：控制对象的执行部件，例如电机、气缸等
4. 控制器：根据传感器采集的信息，对执行器进行控制，保持控制对象的稳定状态
5. 通信网络：传输控制信息，例如以太网、CAN总线等
二、特点
1. 灵活性高：计算机控制系统具有程序可调性、参数配置性、功能扩展性等特点，可以快速适应控制对象的变化
2. 控制精度高：由于采用数字控制方式，控制精度较高，且控制精度可根据需要进行调整
3. 自适应性强：可以根据传感器的反馈信号自动调整控制算法，实现自适应控制
4. 控制逻辑复杂：计算机控制系统采用程序控制方式，控制逻辑往往比较复杂，需要良好的编程技能和系统设计能力
5. 抗干扰能力强：数字控制方式可以有效抵御外部干扰，保证系统稳定性和可靠性
6. 技术含量高：计算机控制系统涉及电子技术、计算机科学、控制理论等多个领域，技术含量较高
总之，计算机控制系统在工业自动化、机器人技术等领域有广泛的应用，是现代工业控制技术的重要组成部分。
计算机控制系统概述
“外部”设备是人机联系设备，通常由视频显示器、 打印机磁盘和键盘等组成。通过它可把操作人员的指 令送给计算机执行，例如启动或停止操作、查询结果、 修改程序等；并且把生产过程的运行状态和计算机的 运行状态报告给操作人员。
工业自动化仪表包括检测仪表、显示仪表和执行 器等。过程输入输出设备必须通过这些仪表才能与被 控对象联系。
计算机控制系统概述
一. 计算机控制系统基本概念 二. 计算机控制系统的组成 三. 计算机控制系统的基本类型
一.1 计算机控制系统基本概念
利用计算机参与生产 过程控制的系统,可称之 为计算机控制系统。在计 算机参与控制 以前,人们 所利用的常规的模拟控制 系统越来越表现出它的局 限性,例如图1.1所示电阻 炉炉温控制系统。
当生产工艺要求炉温 设定的炉温不为一恒 定值,而是如图1.2所示 的曲线时,要求在第一 段时间t1里均匀地将温 度7调到T2,并且斜度不 变,为此,必须时不时调 整设定值, 这种控制是 不容易实现的。
由此看出模拟量控制系统有其缺点：
1.难以实现复杂规律的词节和控制； 2.模拟量仪表盘的数目越来越多，不易实现集中监视和集中操作； 3.各分系统之间不便于实现通讯联系，因而不易实现分级控制和综合自动化； 4.控制方案的更改比较困难。
二.计算机控制系统的组成
• 计算机控制系统由两部分组成,即控制计算机和被控对象,如图1.4所示。控制计算机 又由硬件和软件两部分组成。
二.1.硬件组成
• 硬件由过程通道、主机、外部设备和工业自动化仪表等组成。
• 如图1.5是计算机控制过程的输入输出通道，输入通道具有模 拟量输入通道和数字量输入通道。通过它，计算机把运算的 结果及发出的各种控制命令转换成操作执行机构的控制信号， 以便通过执行机构去控制生产过程。
计算机控制系统知识点
计算机控制系统知识点一、计算机控制系统的定义计算机控制系统是一种利用计算机技术进行控制的系统，通过计算机对被控制对象进行监测、分析、控制和调度，实现自动化生产和运行。
计算机控制系统广泛应用于工业生产中的自动化设备、交通运输系统、医疗设备等领域。
二、计算机控制系统的组成1. 控制器：控制器是计算机控制系统的核心部件，负责对整个系统进行控制和监测。
控制器通常由计算机主机、输入输出设备、运算器、存储器等组成。
2. 输入输出设备：输入设备用于将外部系统中的数据传输到计算机控制系统中，输出设备则将计算机处理后的数据传输到外部系统中。
3. 运算器：运算器是计算机控制系统的“大脑”，负责进行各种数学运算和逻辑运算。
4. 存储器：存储器主要用于存储程序和数据，包括内存和外存两种形式。
三、计算机控制系统的工作原理计算机控制系统通过输入设备获取外部信息，经过运算和逻辑判断后，通过输出设备输出控制指令，实现对被控制对象的自动控制。
整个过程中，计算机控制系统需要经历输入、运算、输出三个基本过程。
四、计算机控制系统的应用1. 工业生产领域：计算机控制系统广泛应用于各种自动化生产设备中，提高了生产效率和生产质量。
2. 交通运输领域：交通信号灯、地铁列车调度系统等都是计算机控制系统的应用案例，提高了交通运输效率和安全性。
3. 医疗设备领域：医用X射线机、B超仪、电子胃镜等医疗设备都采用了计算机控制系统，提高了医疗诊断的准确性和效率。
五、计算机控制系统的发展趋势随着计算机技术的不断发展和进步，计算机控制系统将更加智能化、网络化和集成化。
未来，计算机控制系统将更加便捷、高效、智能，为人类社会的发展和进步提供更大的帮助和支持。
计算机控制系统
计算机控制系统计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。
若将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型的计算机控制系统。
它用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。
其中辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。
它与被控对象的联系和部件间的联系通常有两种方式：有线方式、无线方式。
控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。
1.计算机控制系统的工作原理编辑计算机控制系统包括硬件组成和软件组成。
在计算机控制系统中，需有专门的数字-模拟转换设备和模拟-数字转换设备。
由于过程控制一般都是实时控制，有时对计算机速度的要求不高，但要求可靠性高、响应及时。
计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个过程：(1)实时数据采集对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
这三个过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。
2.计算机控制系统面临的挑战编辑计算机控制系统虽然控制规律灵活多样，改动方便；控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制；能够实现数据统计和工况显示，控制效率高；控制与管理一体化，进一步提高自动化程度。
但是由于经典控制理论主要研究的对象是单变量常系数线性系统，它只适用于单输入单输出控制系统。
系统的数学模型采用传递函数表示，系统的分析和综合方法主要是基于根轨迹法和频率法[3]。
现代控制理论主要采用最优控制、系统辨识和最优估计、自适应控制等分析和设计方法。
而系统分析的数学模型主要用状态空间描述。
随着要研究的对象和系统越来越复杂，依赖于数学模型的传统控制理论难以解决复杂系统的控制问题：(1)不确定性的模型传统控制是基于模型的控制，模型包括控制对象和干扰模型。
计算机控制系统概要
实时性与可靠性
嵌入式系统和微控制器 在实时性和可靠性方面 不断提高，满足各种工 业控制和安全关键系统 的要求。
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远程控制
通过网络对远端的控制系统进行操作和控制，实 现远程维护和调试。
无线控制
利用无线网络技术，实现对控制系统的无线连接 和控制，提高系统的灵活性和便利性。
嵌入式系统与微控制器的应用
小型化与低功耗
嵌入式系统和微控制器 在不断向小型化和低功 耗方向发展，满足各种 便携式和物联网设备的 需求。
高集成度与多功能
自适应控制
通过人工智能技术，使控制系统能够根据环境变 化和系统状态自适应地调整控制策略，提高系统 的稳定性和效率。
故障诊断与预防
利用人工智能技术对系统运行过程中的异常数据 进行检测和分析，提前发现潜在的故障并进行预 防。
网络化与远程控制技术的发展
远程监控
通过网络实现对控制系统的远程监控，方便对系 统的实时状态和运行情况进行了解。
早期阶段
20世纪50年代，计算机开始被应 用于工业控制领域，出现了基于
模拟电路的计算机控制系统。
发展阶段
20世纪70年代，随着微处理器和 集成电路技术的发展，计算机控制 系统逐渐向数字化、智能化方向发 展。
成熟阶段
21世纪初，计算机控制系统已经广 泛应用于各个领域，成为现代工业 生产中不可或缺的重要部分。
控制算法
根据控制系统的要求，采用一定的数 学模型和算法，对数据进行运算和处 理，得到控制信号。
执行机构与传感器
执行机构
根据控制信号调节被控对象的参数，如阀门、电动机等。
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概
论
计算机控制系统(Computer Control System，简称 CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被 控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。控 制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要 求，也可以是达到某种最优化目标。
计算机通常指数字计算机，可以采用各种类型，如微型、大型的 通用或专用计算机。
EPS （电动助力转向 Electrically Powered Steering ）
EPS可以监控汽车行驶状态，并自动向一个或多个车轮施加 制动力，以保持车子在正常的车道上运行。 EPS一般需要安装转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、 横向加速度传感器等。
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轮胎压力调节系统——轮胎内部的传感器模块包括压力和温度 传感器，微控制单元，RF输出，以及一个电池。该模块放置在 每个轮胎中。同时使用了一个中央接收器，接受每个轮胎发出 的信号，通过CAN总线为显示器提供信息。
• 分布式控制或分散控制系统（DCS）
分散控制或分布控制，是将控制系统分成若干个独立 的局部控制子系统，用以完成受控生产过程自动控制任 务。
26
DCS大量应用在自动化领域，将过程控制、监督控制和管理 调度进一步结合起来，自下而上一般可分为过程控制级 （DDC）、控制管理级（SCC，监督控制）、生产管理级 （MIS，管理信息系统）和经营管理级（DSS，决策支持系 统）四个层次。DCS是属于专用系统，开放程度不够。
提 纲
1.1 计算机控制的发展和应用
1.2 计算机控制系统分类
1.3 计算机控制系统组成 1.4 控制系统的信号处理和传递 1.5 计算机控制系统理论
7
1.1 计算机控制的发展概况
计算机控制以经典控制理论（1868 年）、现代控制理论（1955）、智能控 制理论（1965）为基础；
计算机控制技术（1955年）是伴随 着计算机技术（1946年）和网络技术 （1969年）的发展而发展起来的；
25
• 多级控制系统（MCS）
在现代生产企业中，不仅需要解决生产过程的在线控 制问题，而且还要求解决生产管理问题，每日生产品种、 数量的计划调度以及月季计划安排，制定长远规划、预 报销售前景等，于是出现了多级控制系统。 DDC级主要用于直接控制生产过程，进行PID或前馈 等控制；SCC级主要用于进行最佳控制或自适应控制或 自学习控制计算，并指挥DDC级控制同时向MIS（管理 信息系统）级汇报情况。DDC级通常用微型计算机， SCC和MIS级一般用小型计算机或高档微型计算机。
32
1.3 现代计算机控制系统主要内容
• 直接数字控制系统（DDC）
• 计算机硬件技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 通信和网络技术
• 信息管理和处理（分类、分析、决策等）
33
1.3.1 数字控制系统（DDC）基本组成
给定值
T
+
数字控 制器 模-数 转换器
数-模 转换器 采样保 持器
被控量 保持器 执行器 对象
— 多路开 关 测量环 节
• 计算机监督控制系统（SCC）
针对某一种生产过程，依据生产过程的各种状态， 按生产过程的数学模型预测和估计出生产设备应运行 的最佳给定值，并将最佳值自动地对DDC执行级的计 算机或对模拟调节仪表进行调正或设定控制的目标值， 由DDC或调节仪表对生产过程各个点(运行设备)行使控 制。系统中包括预测和控制两个过程。
特点：大、 笨重、昂贵、 不可靠
特点：小、 轻巧、价廉、 灵活、高可 靠性、智能 化
9
计算机控制发展趋势：网络化 、智能化、综合化
计算机控制理论发展中的主要思想
• 采样定理（1949） • 差分方程（1948） • 变换方程（1952） • 状态空间理论（1958） • 最优控制与随机控制（1957） • 代数系统理论（1969） • 系统辨识、智能控制（1971） • 自适应控制（1973）
数字计算机 T
输出反馈数字控制系统
目标状态 目标函数 控制向量 观测噪声 执行器 对象 观测值 状态估计器 （状态观测器） 测量环节
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数字控 制器
状态估计
数字计算机
状态反馈数字控制系统
数字控制器
输出反馈数字控制系统结构框图
• 数字控制系统由数字控制器、执行器、被控对 象、测量环节等组成。 • 数字控制器用计算机实现，一般由计算机核心 硬件、控制算法（或称控制律，由计算机程序 实现）、模-数(A/D)转换器、数-模(D/A)转换 35 器组成。
计算机控制系统
课程安排：
学习方式：课堂学习、课堂讨论、课程实验； 学习内容：课堂知识（课件，网络学堂下载）、
文献调研、习题、实验；
课后习题要求：每章课程学习完成后的下一周，
提交该章的习题作业，要求作业采用手写纸稿；
考试形式：考查，包括参加课堂学习和讨论、课
程实验，提交实验报告。
2
参考书籍
10
计算机控制系统的应用
• 应用领域广泛 • 应用形式多样 • 重要应用： 工业自动化 汽车 船舶 飞行器、航天器 等等
11
应用举例1 — 汽车应用
汽车微机控制系统是计算机控制技术的一个应用。
发动机控制
电控燃油喷射系统（EFIS）、进 气排放控制、增压控制等
自动变速控制（ECT）、牵引力控 制（TRC）等 防抱死制动（ABS）、 电子动态稳定（EPS）、 自动巡航（CCS）
22
•
日本Murata公司的仿人机器人
1.2 计算机控制系统分类
1、以控制方式来分类
• 计算机开环控制
系统输出对被控对象行使控制，但控制结果---被控对象 的状态不影响计算机控制系统，计算机、控制器、生产过 程等环节没有构成闭合环路。
• 计算机闭环控制 （反馈控制）
计算机对被控对象进行控制时，对象状态能直接影响计 算机控制系统。在系统中，控制部件（执行器）按控制器 发出的控制信息对运行设备（被控对象）进行控制，另一 方面运行设备的运行状态作为输出，由检测部件测出后， 作为输入反馈给控制计算机；从而使控制计算机、控制部 件、生产过程、检测部件构成一个闭环回路。 23
中央处理机 CPU
硬设备
计算机 外部设备
运算器 控制器 内存储器 人机通信设备
过程输入/设备输出 操作系统
数字 控制系统
系统软件(程序)
软件 应用软件(程序) 被控对象、执行器、测量环节 支援性软件
数字控制系统的基本组成
• 实时控制系统
被控制的对象或被控过程，每当请求处理或请求控制 时，控制器能及时处理并进行控制的系统，常用在生产 过程是间断进行的场合。一个在线系统并不一定是实时 系统，但是一个实时系统必是一个在线系统。 24
2、以系统结构来分类 • 直接数字控制系统（DDC）
由控制计算机取代常规的模拟调节仪表而直接对生 产过程进行控制。控制信号通过输入/输出通道中的数/ 模(D/A)转换器将计算机输出的数字控制量转换成模拟 量，来控制被控对象；对象的模拟状态量也要经输入/ 输出通道的模/数(A/D)转换器转换成数字量进入计算机。
18
主要控制单元及传感器： • 前向控制 — 超声传感器、视觉传 感器 • 转向控制 — 陀螺和振动传感器 • 倾斜和稳定控制 — 陀螺和振动传 感器
19
20
21
•
配备有计算机控制系 统，可按照预设线路自 主行驶。利用传感器测 定前进方向，通过通信 模块与控制计算机之间 进行数据交换，从而实 现准确行驶。 在遇到前方障碍物时 ，机器人既可以转向绕 行，也可以根据指令进 行刹车。先进的传感器 技术和控制技术是实现 功能的关键。
• 在线控制（联机控制）
计算机对被控对象或被控生产过程行使直接控制，不 需要人工干预。
• 离线控制
控制计算机没有直接参于控制对象或受控生产过程， 它只完成被控对象或被控过程的状态检测，并对检测数 据进行处理，而后制定出控制方案，输出控制指示，操 作人员参考控制指示，人工手动操作使控制部件对被控 对象或被控过程进行控制。
计算机控制的发展和应用非常迅速， 已深入到各行各业，并逐渐走向智能化、 网络化和综合化。
8
计算机控制系统的发展过程
• • • • • • • • 开创期 ≈ 1955年 直接式数字控制期 ≈ 1962年 小型计算机控制期 ≈ 1967年 微型计算机控制期 ≈ 1972年 数字控制普遍应用期 ≈ 1980年 集散型控制期 ≈ 1990年 现场总线网络控制期 ≈ 2000年 无线网络智能控制期 ≈ 2010年
计算机控制系统: 理论与设计 (瑞典)奥斯 特隆姆,威顿马克著;周兆英等译
Computer-controlled systems : theory and design Karl J. Astrom, Bjorn Wittenmark
计算机控制系统 何克忠,李伟编著
……
3
课程章节的安排
第一章：概论 第三章：状态空间模型 模型和分析方法
16
红外，超声，图像感应，面向后方的婴 儿座以及车主侦测
多路输出气囊
重量传感器 碰撞严重性探测以 及阈值调整 坐位位置传感器
探测安全带的使用
车辆安全系统——为了使系统智能化，应用不同的传感器：自
动开启气囊的加速度传感器，坐位位置传感器和重量传感器，用 于探测使用者位置的红外传感器
17
应用举例2 — 机器人应用
第二章：线性离散系统的输入输出模型 第四章：线性离散系统的分析
控制器设计和实现 第五章：连续控制器的模拟化设计方法
第六章：基于输入输出模型的设计方法
第七章：基于状态空间模型的设计方法
第八章：自适应控制和智能控制系统
案例：微型飞行器控制+你身边的CCS 实验：电机控制系统设计和分析