计算机控制附第1章
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计算机控制技术(曹立学)1-4章 (3)
第3章 人机接口技术
发光二极管(Light Emitting Diode, LED)是一种电-光转 换型器件， 是PN结结构。 在PN结上加正向电压， 产生少子 注入， 少子在传输过程中不断扩散， 不断复合而发光。 改 变所采用的半导体材料， 就能得到不同波长的发光颜色。
第3章 人机接口技术
LED的主要优点如下： ·主动发光。 一般产品的亮度大于1 cd/m2， 高的可达 10 cd/m2。 ·工作电压低。 约为2 V。 ·正向偏置工作。 性能稳定， 工作温度范围宽， 寿命 长(105 h)。 ·响应速度快。 对于直接复合型材料， 响应速度为16 MHz～160 MHz； 对于间接复合材料响应速度为105 Hz～106 Hz。 ·尺寸小。 一般LED的PN结芯片面积为0.3 mm2。 LED的主要缺点是电流大， 功耗大。
3.1.2
1. 采用8255A可编程并行输入/输出接口扩展独立式按键的电 路如图3.5所示。
第3章 人机接口技术 图3.5 采用8255A扩展独立式按键电路图
第3章 人机接口技术
若背景机选用8×C196CPU， 8255A的口地址分配如下：
PA口为7FFCH、 PB口为7FFDH、 PC口为7FFEH、 控制口为
第3章 人机接口技术 图3.1 按键抖动波形
第3章 人机接口技术
2.
一个按键的电路如图3.2所示。 当按下按键S时， VA=0， 为低电平； 当未按下按键S时， VA=1， 为高电平。 反之， 当VA=0时， 表示按键S被按下； 当VA=1时， 表示按键S未被
按下。 由按键电路的分析可见， 按键闭合与否， 反映在电压上
第3章 人机接口技术 表3.1 LED显示器字模表
第3章 人机接口技术
微机控制第1-2章
缩、图像识别等。
通信
数字信号处理技术在通信领域 应用广泛，如调制解调、信道
均衡、语音编码等。
控制
数字信号处理技术可以用于控 制系统，如PID控制器、自适
应控制等。
05 微机控制系统的软件设计
微机控制系统的软件组成
实时操作系统
用于管理微机控制系统 的资源，提供多任务处
理和实时性支持。
监控软件
控制算法软件
微处理器的基本概念
微处理器是一种集成电路芯片，它包含中央处理器（CPU）和一定数量的内存，是 计算机系统的核心部件。
微处理器的主要功能是执行算术、逻辑和指令控制操作，以实现计算机程序的运行。
微处理器的发展经历了多个阶段，从早期的4位处理器到现代的64位多核处理器， 性能得到了极大的提升。
微控制器的特点与分类
输入输出接口的功能
输入输出接口的主要功能包括数据传输、信号转换、缓冲存储、设 备选择等，以确保微机与外部设备之间的可靠通信。
输入输出接口的类型
常见的输入输出接口类型包括并行接口、串行接口、定时器接口、 中断接口等，根据不同的应用需求选择合适的接口类型。
输入接口技术
模拟量输入接口
模拟量输入接口用于将模拟信号 转换为数字信号，以便微机进行 处理。常见的模拟量输入接口包 括模数转换器（ADC）和多路模
汽车电子等。
微控制器通过接收输入信号，执 行程序，输出控制信号，实现对
被控对象的精确控制。
微控制器具有可靠性高、实时性 强、成本低等优点，因此在自动 化和智能化控制领域得到了广泛
应用。
03 输入输出接口技术
输入输出接口的基本概念
输入输出接口定义
输入输出接口是微机系统中的重要组成部分，负责连接微机与外 部设备，实现数据传输和控制。
通信
数字信号处理技术在通信领域 应用广泛，如调制解调、信道
均衡、语音编码等。
控制
数字信号处理技术可以用于控 制系统，如PID控制器、自适
应控制等。
05 微机控制系统的软件设计
微机控制系统的软件组成
实时操作系统
用于管理微机控制系统 的资源，提供多任务处
理和实时性支持。
监控软件
控制算法软件
微处理器的基本概念
微处理器是一种集成电路芯片，它包含中央处理器（CPU）和一定数量的内存，是 计算机系统的核心部件。
微处理器的主要功能是执行算术、逻辑和指令控制操作，以实现计算机程序的运行。
微处理器的发展经历了多个阶段，从早期的4位处理器到现代的64位多核处理器， 性能得到了极大的提升。
微控制器的特点与分类
输入输出接口的功能
输入输出接口的主要功能包括数据传输、信号转换、缓冲存储、设 备选择等，以确保微机与外部设备之间的可靠通信。
输入输出接口的类型
常见的输入输出接口类型包括并行接口、串行接口、定时器接口、 中断接口等，根据不同的应用需求选择合适的接口类型。
输入接口技术
模拟量输入接口
模拟量输入接口用于将模拟信号 转换为数字信号，以便微机进行 处理。常见的模拟量输入接口包 括模数转换器（ADC）和多路模
汽车电子等。
微控制器通过接收输入信号，执 行程序，输出控制信号，实现对
被控对象的精确控制。
微控制器具有可靠性高、实时性 强、成本低等优点，因此在自动 化和智能化控制领域得到了广泛
应用。
03 输入输出接口技术
输入输出接口的基本概念
输入输出接口定义
输入输出接口是微机系统中的重要组成部分，负责连接微机与外 部设备，实现数据传输和控制。
计算机控制技术PPT 第3章
3. 综合指标
在现代控制理论中，如最优控制系统的没计时，经常使用综
合性能指标来衡量一个控制系统。选择性能指标时．既要考虑
到能对系统的性能做出正确的评价，又要考虑到数学上容易处
理，以及工程上便于实现。因此，选择性能指标时，通常需要
做一定的试探和比较。综合性能指标通常有3种类型。
1）积分型指标：
（1）误差平方的积分：
3.5 线性离散时间系统的能控性与能观测性
线性定常离散时间系统的能控性定义及判据 线性定常离散时间系统的能观测性定义及判据
3.6 应用MATLAB进行离散系统分析
3.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统(Computer Control System)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。
为n，Qc为由系数矩阵A和B按一定规则组成的分块矩阵，
表达式是：
n为系统的维数。 判别线性定常系统能控性的判据还有 其他的形式。对于线性时变系统，判别能控性的条件要复 杂一些，而且系统是否能控，常常还依赖于初始时刻的选 取。对于完全能控的线性定常系统，通过特别选定的坐标 变换，可以将其状态方程化成标准的形式，称为能控规范 形。
3.3 控制系统的性能指标描述
对于一个控制系统来说，人们总是要求它能根据实际 的被控对象，在给定信号的作用下达到稳定、快速和准确 的性能指标。对于计算机控制系统，计算机相当于人的大 脑，因此有更多的功能可以实现，系统就能实现最佳的性 能指标。本章描述了控制系统的基本性能指标，以及这些 性能指标与系统的固有参数和设计参数的关系，从而为分 析和设计控制系统提供了依据。
计算机控制技术 --控制组件分布和集成
2008.6
自动控制系统计算机仿真第1章
1.2 自动控制系统仿真的基本概念
1.2.1 仿真的定义
自动控制系统的计算机仿真是指以数字计算机为主要工具， 编写并且运行反映真实的自动控制系统运行状况的程序。 对计算机输出的信息进行分析和研究， 从而对系统性能 进行评价。 系统仿真所依据的理论是相似性原理。即：真实系统与它 的数学模型和仿真模型在某种意义上是相似的。
自动控制系统建模通常包括以下内容： （1）确定控制系统模型的结构，建立系统的约束条件， 确定系统的属性与运动； （2）测取模型数据； （3）运用相关领域的理论建立系统的数学描述； 由于自动控制系统的数字仿真是以该系统的数学模型为基 础的，仿真结果的可信度在很大程度上取决于系统建模的 准确程度。可见，系统建模至关重要，它在很大程度上决 定了数字仿真实验的成败。 在MATLAB/Simulink环境下，通常建模的过程会变得十分 方便快捷和真实准确。仿真结果也更加可信。
自动控制系统计算机仿真
张晓江 黄云志 编著
机械工业出版社
第1章 自动控制系统仿真概述
自动控制系统仿真是一门新兴的技术学科。它是对自动控 制系统进行分析、设计与综合研究的一种重要手段。 自动控制系统仿真已经成为从事控制领域以及相关行业的 工程技术及科研人员所必须掌握的一门技术。 目前，MATLAB为全世界自动控制领域最为流行的设计与 仿真软件。
自动控制系统的模型是对该控制系统的特征与变化规律的 一种定量抽象表示，是人们为了认识事物所采用的一种手 段。通常有以下几种模型： （1）物理模型：根据相似原理，把真实系统按比例放大 或缩小制成的模型。 （2）数学模型：用数学方程、结构图来描述系统特性的 模型。 （3）数学模型和物理模型相结合的模型（半实物模型）
第1章
结
束
应用现状和发展趋势
计算机控制系统1-6章
2. 信号形式特点
• 有多种（连续模拟、离散模拟、离散数字等）信号形 式，是一种混合信号系统。
3. 系统工作方式特点
• 可同时控制多个被控对象或被控量，即可为多个控制 回路服务。同一台计算机可以采用串行或分时并行方 式实现控制，每个控制回路的控制方式由软件来形成。
北京航空航天大学 清华大学出版社
10
23
1.3.1 计算机控制系统的理论问题
实线表示连续系统， 虚线是同一被控对象 的计算机控制系统。
图1-15 有限调节时间系统
(4)一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是无 限的，因为它的响应是多个指数函数之和。
计算机控制系统，通过设计却可以实现在有限的采
样间隔内(即有限时间内)达到稳态值，从而可以获得比
连续系统更好的性北京能航。空航天大学 清华大学出版社
24
1.3.1 计算机控制系统的理论问题
(5)系统的稳定性也是值得关注的问题。
– 对闭环负反馈的一阶、二阶线性连续系统，系 统开环放大系数为任意值，系统均是稳定的。
– 从第4章的分析可以看到，当采样周期一定时， 计算机控制系统的开环放大系数仅处于一定范 围时，系统才能稳定 。
16
分类：
1. 直接数字控制DDC(Direct Digital Control) 系统
图1-10 直接数字控制系统
北京航空航天大学 清华大学出版社
17
分类：
2. 计算机监督控制SCC(Supervise Control by Computer) 系统
图1-11 计算机监督控制系统
北京航空航天大学 清华大学出版社
北京航空航天大学 清华大学出版社
27
计算机实际工程设计的设计方法
• 有多种（连续模拟、离散模拟、离散数字等）信号形 式，是一种混合信号系统。
3. 系统工作方式特点
• 可同时控制多个被控对象或被控量，即可为多个控制 回路服务。同一台计算机可以采用串行或分时并行方 式实现控制，每个控制回路的控制方式由软件来形成。
北京航空航天大学 清华大学出版社
10
23
1.3.1 计算机控制系统的理论问题
实线表示连续系统， 虚线是同一被控对象 的计算机控制系统。
图1-15 有限调节时间系统
(4)一个稳定的连续时不变系统，达到稳态的时间应是无 限的，因为它的响应是多个指数函数之和。
计算机控制系统，通过设计却可以实现在有限的采
样间隔内(即有限时间内)达到稳态值，从而可以获得比
连续系统更好的性北京能航。空航天大学 清华大学出版社
24
1.3.1 计算机控制系统的理论问题
(5)系统的稳定性也是值得关注的问题。
– 对闭环负反馈的一阶、二阶线性连续系统，系 统开环放大系数为任意值，系统均是稳定的。
– 从第4章的分析可以看到，当采样周期一定时， 计算机控制系统的开环放大系数仅处于一定范 围时，系统才能稳定 。
16
分类：
1. 直接数字控制DDC(Direct Digital Control) 系统
图1-10 直接数字控制系统
北京航空航天大学 清华大学出版社
17
分类：
2. 计算机监督控制SCC(Supervise Control by Computer) 系统
图1-11 计算机监督控制系统
北京航空航天大学 清华大学出版社
北京航空航天大学 清华大学出版社
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计算机实际工程设计的设计方法
微型计算机控制技术_第1章 [兼容模式]
![微型计算机控制技术_第1章 [兼容模式]](https://img.taocdn.com/s3/m/68f1a30ba6c30c2259019efd.png)
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《计算机控制技术》
1.2 计算机控制系统的典型形式
1.2.1 操作指导控制系统
优点是结构简单，控制灵活和安全。 缺点是要由人工操作，开环结构，控制的实时性差，不能 控制多个对象。
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《计算机控制技术》
1.2.2 直接数字控制（DDC）系统
闭环结构，控制的实时性好，可以控制多个回路或对象。
《计算机控制技术》
1.1.2 计算机控制系统的组成
计算机控制系统由计算机(工业控制机)和生产过程两大部分 组成。
1.工业控制机 （1）硬件组成： （2）软件组成: 系统软件；应用软件。 2.生产过程
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《计算机控制技术》
1.1.3 常用的计算机控制系统主机 1. 2. 3. 4. 5. 可编程序控制器（PLC） 工控机（IPC） 单片机 DSP 智能调节器
《计算机控制技术》
RS-232C信号状态 状态 逻辑状态 信号条件 功能 -15V＜V1＜-5V 1 传号（MARK） OFF +5V＜V1＜+15V 0 空号（SPACE） ON
RS-232C电平转换及接口电路
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《计算机控制技术》
2）USB串行通信总线
（1）具有热插拔功能 （2）USB采用“级联”方式连接各个外部设备 （3）适用于低速外设连接
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《计算机控制技术》
3）PCI总线信号定义
主控设备49条，目标设备 47条，可选引脚 51条（主要 用于64位扩展、中断请求、高 速缓存支持等），总引脚数 120条（包含电源、地、保留 引脚等）。
4）Compact PCI总线
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《计算机控制技术》
2 外部总线
1）RS-232串行通信总线
集散控制系统第1章
1.1.1 计算机控制系统的一般概念
计算机控制系统是融计算机技术与工业过程 控制于一体的综合性技术，它是在常规仪表 控制系统的基础上发展起来的。 一个完整的计算机控制系统是由硬件和软件 两大部分组成的。
1.1.2 计算机控制系统内的信号变换
信号的采样 信号的量化 信号的保持
1.1.3 计算机控制系统的分类
1.4.2 监督控制和数据采集系统
监督控制和数据采集(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)系统的功能主要是监督 控制功能 SCADA系统的软件主要由两个部分组成 SCADA SCADA系统的现场设备就是RTU和用于远程通信的 设备 SCADA系统的特点在于其广泛的监视范围和庞大的 数据量
思 考 题
1-1 计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？ 1-2 画图说明计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的主要 作用是什么？ 1-3 说明何为信号的采样过程、量化过程与保持过程？ 1-4 从控制目的与系统构成上，计算机控制系统可分为哪几类？各有 什么特点？ 1-5 简述计算机控制系统的设计原则。 1-6 简述计算机控制系统的设计内容与步骤。 1-7 试分析仪表分散控制、仪表集中控制和计算机集中控制系统的优 缺点？ 1-8 概述DCS的产生过程，并分析其设计思想和设计原则。 1-9 分析集散控制系统的发展中，随哪四项技术的发展而不断更新？
1.3.2 DCS的基本组成及特点
过程控制单元(Process Control Unit，PCU) 过程接口单元(Process Interface Unit，PIU) 操作员站(Operating Station，OS) 数据高速通道(Data Hiway，DH) 管理计算机(Manager Computer，MC)
集散控制系统第一章：计算机控制系统概述
第一章 绪论
2．直接数字控制系统（DDC） ．直接数字控制系统（ ）
检测 变送 输入 通道
AI/DI 计 算 机
Workstation
生 产 过 程
执行 机构
输出 通道
AO/DO
Printer Data
图1-5 DDC控制系统原理图 控制系统原理图
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第一章 绪论
特点：。完全替代模拟调节器实现多回路、 特点：。完全替代模拟调节器实现多回路、多种控制规 ：。完全替代模拟调节器实现多回路 律的复杂控制； 律的复杂控制； 。不需改变系统的硬件和软件，只改编组态逻辑 不需改变系统的硬件和软件， 即可方便的实现各种复杂的控制方案； 即可方便的实现各种复杂的控制方案； 。组态、控制器参数定值可在线实时修改。 组态、
第一章 绪论
控制过程： 控制过程： 实时数据采集:对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入 对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 ◆ 实时数据采集 对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 ◆ 实时控制决策:对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律， 实时控制决策 对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律， 对采集到的被控量进行分析和处理 决定将要采取的控制策略。 决定将要采取的控制策略。 实时控制输出:根据控制决策 适时地对执行机构发出控制信号， 根据控制决策， ◆ 实时控制输出 根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控 制任务。 制任务。 控制过程中，连续完成这三个环节工作的一个循环时间为一个周期，称为采样 控制过程中，连续完成这三个环节工作的一个循环时间为一个周期，称为采样 控制周期。可见，采样控制周期小，则实时性高。 控制周期。可见，采样控制周期小，则实时性高。 几个常用术语 在线（ ）：计算机控制系统与生产设备直接相连 ◆ 在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连 ）： 离线（ ）：计算机控制系统与生产设备断开 ◆ 离线（Offline）：计算机控制系统与生产设备断开 ）： 实时（ ）：计算机输入 ◆ 实时（Real time）：计算机输入、输出和计算都在规定时间内完成 ）：计算机输入、 ◆ 在线与实时的关系 — 一个在线系统不一定是实时系统 — 一个实时系统必定是在线系统
计算机附录基础练习题(1)
第一章信息技术基础知识1、近代信息技术的发展阶段的特征是以________为主体的通信技术。
A、电传输B、光缆、卫星等高新技术C、信息处理技术D、书信传输2、在信息技术整个发展过程中，经历了语言的利用、文字的发明、印刷术的发明、________和计算机技术的发明和利用五次革命性的变化。
A、农业革命B、电信革命C、工业革命D、文化革命3、________第一台数字电子计算机在美国诞生拉开了第五次信息革命和现代信息技术发展的序幕。
A、1945年B、1946年C、1947年D、1948年4、信息资源的开发和利用已成为独立的产业，即________A、第二产业B、第三产业C、信息产业D、房地产业5、知识是通过加工和________的，通过认识主体所表达的条理化的信息。
A、研究确定B、反复叙述C、理论论证D、实践检验6、自然信息和社会信息一起构成了当前人类社会的信息体系，人们每时每刻都在自觉或不自觉地接受和________信息。
A、认识B、传播C、存储D、复制7、冯诺依曼结构的计算机是将计算机划分为运算器、控制器、输入设备、输出设备和________等五大部件。
A、存储器B、CPUC、高速缓冲器D、硬盘8、电子管又称真空管，其三个主要电极有阴极、栅极和________。
A、集电极B、屏极C、基极D、发射极9、以下________不是电子计算机的发展趋势。
A、巨型化B、微型化C、网络化D、专业化10、计算机中使用辅助存储器作为虚拟存储，用于提高计算机的________。
A、命中率B、运行速度C、存储容量D、运算能力11、信息处理技术是建立在信息基础技术上的，具体实现对信息获取、________、处理、控制和存储的技术。
A、检索B、排序C、传输D、转换12、计算机系统能够实现多任务、多用户作业，在于它________。
A、采用实时操作系统B、采用并行操作系统C、采用多道程序设计技术D、采用图形界面操作系统13、计算机操作系统的基本任务是指________。
第一章计算机测控系统概述
期望温度
输 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 子
实际温度
热电偶
给定电压
比较 热电偶
u 前 置 放 大 功 率 放 大
执行机构
减速器
M
电热器 调压变压器
炉子
~220V
1-24
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；
1）计算机主机
2）过程通道 3）操作控制台
1-28
过程通道
1) 接口与输入输出通道：主机与被控对象信息传递的纽带。 2) 检测元件及仪表：将被测（被控）参数由非电量变为电 量，并将这些电量变为A/D转换器所能转换的统一电压。 3) 执行机构：执行控制动作从而达到控制被控参数的目的 （有电动、气动、及液动控制形式、各种控制电机 （交、 直流电机、步进电机等。））
1-43
分布控制系统也称集散控制系统，是以微处理器为基础的集中 分散控制系统，主要特征是集中管理和分散控制 主要分为三部分：操作管理站、现场控制站和通信网络，以实 现分散控制与集中管理和操作的功能。 操作管理站负责系统的管理、控制组态、系统生成，实现控 制系统的控制操作、过程状态显示、报警状态显示、历史数 据的收集和各种趋势显示及报表生成与打印等
1-16
控制周期（采样周期）：完成实时数据采集、 实时控制决 策，实时控制 输出所用的时间。
实时的概念：是指信号的采集、计算决策、输 出控制都要在一定的时间内完成， 满足系统的要求。