计算机控制系统的设计步骤.doc
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。
微型计算机控制系统的设计方法与步骤
否
否
本次越限标志送
5FH
清零 5EH 单元
上限处理
6-6 T0
图 中 断 服 务 程 序 流 程 图
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.. .
键盘与显示
过零信号发生器
MC 14528
LM311
~220V
..
.
.
74LS00TI光 耦L117驱 动 器
加热丝
.
变送器
热电偶
图6-2 电阻炉炉温控制系统原理图
1. 检测元件及变送器
检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为 EU，适用于0℃~1000℃的温度测量范围，相应 输出电压为0mV~41.32mV。
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6.3.3 控制系统程序设计
开始
6-5
1.
设定堆栈指针
开始
主
清标志和暂存单元
图
程 序
T 1 中断程序
清显示缓冲区
主 程
清标志D5H
序
T 0 初始化
流
开CPU中断
程
停止输出
图
扫描键盘 返回
温度显示
T 1 中断服务程序
2. T0中断服务程
T0中断服务程序是此系统的主体程序，用 于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、 越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输 出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程 序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、 数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程 序、标度变换程序和温度显示程序等。T0中断 服务程序流程图如图6-6所示。
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。
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。
10
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
7
连续域-离散化设计的步骤如下：
计算机控制系统及技术课程设计方案
计算机控制系统及技术课程设计方案12020年4月19日课程设计报告( -- 年度第 2 学期>名称：计算机控制系统题目：嵌入式处理器技术及其应用发展院系：班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数：成绩：日期：年月日2 2020年4月19日《计算机控制系统》课程设计任务书一、目的与要求1．经过本课程设计教案环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。
二、主要内容1、数字控制算法分析设计；2、现代控制理论算法分析设计3、模糊控制理论算法分析设计4、过程数字控制系统方案分析设计；5、微机硬件应用接口电路设计；32020年4月19日6、微机应用装置硬件电路、软件方案设计；7、数字控制系统I/O通道方案设计与实现；8、PLC应用控制方案分析与设计；9、数据通信接口电路硬软件方案设计与性能分析；10、现场总线控制技术应用方案设计；11、数控系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法；12、基于嵌入式处理器技术的应用方案设计13、计算机控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施分析设计14、计算机控制系统差错控制技术分析设计15、计算机控制系统容错技术分析设计16、工程过程建模方法分析三、进度计划序号设计内容完成时间备注1 选择课程设计题目，查阅相关文献资料2 文献资料的学习根据所选题目进行方案设计3 与指导老师讨论设计内容修改设计方案4 撰写课程设计报告5 课程设计答辩四、设计成果要求1．针对所选题目的国内外应用发展概述；2．课程设计正文内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等；3．课程设计总结或结论以及参考文献；42020年4月19日4．要求设计报告规范完整。
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计算机控制系统的设计步骤1 计算机控制系统的设计步骤
1. 研究被控对象、确定控制任务
在进行系统设计之前，首先应该调查、分析被控对象及其工作过程，熟悉其工艺流程，并根据实际应用中存在的问题提出具体的控制要求，确定所设计的系统应该完成的任务。
最后，采用工艺图、时序图、控制流程等描述控制过程和控制任务，确定系统应该达到的性能指标，从而形成设计任务说明书，并经使用方的确认，作为整个控制系统设计的依据。
2. 确定系统总体控制方案
一般设计人员在调查、分析被控对象后，已经形成系统控制的基本思路或初步方案。
一旦确定了控制任务，就应依据设计任务书的技术要求和已作过的初步方案，开展系统的总体设计。
总体设计包括以下内容：
⑴确定系统的性质和结构
根据系统的任务，确定系统的性质是数据采集处理系统，还是对象控制系统。
如果是对象控制系统，还应根据系统性能指标要求，决定采用开环控制，还是采用闭环控制。
⑵确定执行机构方案
根据被控对象的特点，确定执行机构采用什么方案，比
如是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，应对多种
方案进行比较，综合考虑工作环境、性能、价格等因素择优而用。
⑶控制系统总体“黑箱”设计
所谓“黑箱”设计，就是根据控制要求，将完成控制任务所需的各功能单元、模块以及控制对象，采用方块图表示，从而形成系统的总体框图。
在这种总体框图上，只能体现各单元与模块的输入信号、输出信号、功能要求以及它们之间的逻辑关系，而不知道“黑箱”的具体结构实现；各功能单元既可以是一个软件模块，也可以采用硬件电路实现。
⑷控制系统层次以及硬件、软件功能划分
根据控制要求、任务的复杂度、控制对象的地域分布等，确定整个系统是采用直接数字控制(DDC)、还是采用计算机监督控制(SCC)，或者采用分布式控制，并划分各层次应该实现的功能。
同时，综合考虑系统的实时性、整个系统的性能价格比等，对硬件和软件功能进行划分，从而决定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件来完成。
在总体方案设计完成后，形成了系统组成的粗线条框图结构、硬件与软件划分等文件，供详细设计使用。
3. 确定控制策略和控制算法
一般来说，在硬件系统确定后，计算机控制系统的控制
效果的优劣，主要取决于采用的控制策略和控制算法是否合适。
每个特定的控制对象均有其特定的控制要求和规律，必须选择与之相适应的控制策略和控制算法，否则就会导致系统的品质不好，甚至会出现系统不稳定、控制失败的现象。
在选择控制算法和控制策略时，应该注意以下几点：
⑴针对具体的控制对象和控制指标要求，选择合适的控制策略和控制算法，以满足控制速度、控制精度和系统稳定性等方面的要求。
⑵各种控制方法提供了一套通用的算法公式，但应用于具体对象控制时，应该有分析地选用，在某些情况下可以进行必要的修改和补充。
4. 硬件详细设计
计算机控制系统的硬件性能指标与控制系统的整体性
能要求有关，主要包括：信号采集分辨率、采集精度、采集速度、采集信号的数量、种类和方式；信号输出形式和大小；对人机界面的要求；对抗干扰能力的要求等等。
一般在完成系统总体设计后，过程的输入、输出通道及其处理方式就已基本确定，但最终确定则要等到控制算法选定之后，因为某些算法需要检测过程的一些内部参数。
在明确了控制任务、确定了控制算法和所需过程通道的形式、数量及其处理方式之后，就应该选择需要的计算机系
统。
过程通道及接口设计
控制台设计
可靠性设计
硬件调试
5. 软件详细设计
在计算机控制系统中，计算机除控制生产过程外，还要管理生产过程，一旦硬件系统确定了，整个系统的性能主要取决于软件的设计。
控制系统对控制软件的要求是：－实时性软件应该在对象允许的时间间隔内完成控制运算和处理，特别是对多回路系统的实时性问题更应该引起高度重视。
为提高系统实时性，可以对实时性要求高的数据采集、控制运算和控制输出采用汇编语言编程处理，对实时性高或重要的信号或任务采用中断方式处理，并对控制算法和控制模型做合理的简化、对某些由软件实现的输入信号线性化工作采用表驱动处理等，以提高软件的运算速度。
－可靠性计算机控制系统的可靠性不仅依赖于硬件的高度可靠性，软件的可靠性同样非常重要。
一般软件应该提供系统故障诊断功能，诊断功能一部分嵌入实时控制软件，在系统控制运行时进行实时的故障诊断，并作必要的处理；同时，也应提供专门的诊断软件，以便系统发生故障时作详细的故障检测与定位。
－容错性操作人员使用系统时，经常会发生误操作现象，软件应能作相应处理，保证系统的安全；对于系统的一些错误，如串行通讯的误码，能够识别、容错。
软件设计时，必须充分考虑容错设计，如针对可能发生的串行通讯误码，采取冗余码传送，
并在发生误码时采取重新发送等措施。
－使用方便性必须从软件角度提供很好的人机接口，如在显示装置上提供操作提示功能、帮助功能、演示功能等，使得系统的操作方便灵活。
－可读性设计软件应该简洁、明了、可读，采用结构化的模块式设计，提供完备的软件设计说明书和使用说明书，以便于软件的使用、维护和进一步改进。
－简洁性由于集成电路的集成越来越高、价格也越来越低，一般设计微机控制系统时，很少需要考虑软件占用的内存容量问题。
但在某些场合，如要求控制装置具有很小的体积时，就必须考虑压缩软件代码占用的内存容量，以便使用尽可能少的存储器芯片。
6. 系统仿真与调试
硬件详细设计和软件详细设计完成后，就可以进行系统的总装，然后进入系统整体调试和仿真阶段。
⑴实验室硬件联调
在系统总装后，首先要进行实验室条件下的硬件系统联调。
如果硬件系统联调没有通过，软件联调就无法进行。
事。