第二章计算机控制系统的设计方法的介绍
《计算机控制技术》课件
contents
目录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的实现技术 • 计算机控制系统的应用实例
01
计算机控制技术概述
定义与特点
总结词
计算机控制技术的定义和特点
详细描述
计算机控制技术是指利用计算机对工业生产过程进行自动控制的技术。它具有 高精度、高效率、高可靠性的特点，能够实现生产过程的自动化、智能化和信 息化。
动控制。
监控软件
用于实时监控系统的运行状态 ，显示各种参数和数据，以及
进行故障诊断和报警等。
数据库软件
用于存储和管理各种数据，如 历史数据、实时数据等。
操作系统
提供计算机控制系统的运行环 境和基础服务。
人机接口
01
02
03
界面设计
设计易于操作的人机界面 ，包括图形界面和文本界 面等。
交互方式
提供多种交互方式，如鼠 标操作、键盘输入等，方 便用户进行操作和控制。
常见的开环控制系统有步进电机 控制系统、温度控制系统等。
闭环控制系统
闭环控制系统是一种包含反馈环节的控制系统，通过检测系统输出结果，将检测结 果反馈给输入端，与输入信号进行比较，根据比较结果调整输入信号。
闭环控制系统的优点是能够实时调整系统输出，提高控制精度和稳定性，但结构相 对复杂。
常见的闭环控制系统有伺服电机控制系统、数控机床控制系统等。
自适应控制
通过调整控制器参数，使系统能够自动适应环境变化和不确定性， 保持最优性能。
鲁棒控制
设计具有鲁棒性的控制系统，使系统在存在不确定性和干扰的情况 下仍能保持稳定和良好的性能。
计算机控制系统经典设计方法——模拟控制器的离散化方法
模拟控制器的离散化方法（续三）
例7.6 已知模拟控制器D(s)=a/(s+a)，用保持Z变换法求 数字控制器D(z)。
【答案】
z－1 1 e aT） （ D( z ) aT 1 1 e z
u (k ) ?
D(s)稳定，D(z)稳定；
保持Z变换法特点
D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
模拟控制器的离散化方法（续五）
一阶后向差分:
D( z ) D( s )
1 z 1 s T
U ( s) 1 D( s ) E ( s) s
u (kT ) u[(k 1)T ] Te(k )
一阶向后差分的s与z替换关系是 z变量与s变量关系的一种近似
图7-22 后向差分矩形积分法
模拟控制器的离散化方法（续八）
D(s)稳定，D(z)不一定稳定；若D(s)有离虚 轴较远的点，只有缩小采样周期T才有可能 稳定； D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
前向差分变换法特点
图7-25 前向差分法的映射关系
模拟控制器的离散化方法（续九）
例7.7 已知模拟控制器D(s)=a/(s+a)，用后向差分求数字控制器D(z)。
z e sT
K z ( z e z1T )(z e z2T )( z e zmT ) D( z )＝ ( z 1) nm ( z e p1T )(z e p2T )( z e pnT )
模拟控制器的离散化方法（续十三）
例7.9 已知模拟控制器D(s)=a/(s+a)，用双线性变化法求数字控制器D(z)。 【答案】
【答案】
aT D( z ) 1 1 aT z
计算机控制课程设计
计算机控制课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握计算机控制系统的基础理论知识，包括控制系统的组成、工作原理和性能指标；2. 使学生了解常见传感器的工作原理，并能运用所学知识分析传感器的选用原则；3. 让学生掌握计算机控制算法的基本原理，如PID控制、模糊控制等。
技能目标：1. 培养学生运用计算机编程软件（如MATLAB）进行控制系统仿真的能力；2. 培养学生设计简单的计算机控制系统硬件电路，并进行调试的能力；3. 提高学生运用所学知识解决实际计算机控制问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机控制技术产生浓厚的兴趣，激发学生的学习热情；2. 培养学生具备团队协作精神，学会与他人共同探讨、分析和解决问题；3. 增强学生的创新意识，培养学生在面对实际问题时敢于尝试、勇于突破的精神。
分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为计算机控制技术的实践性课程，旨在培养学生的实际操作能力和创新能力。
学生处于高年级阶段，已具备一定的专业基础知识和实践能力。
教学要求注重理论与实践相结合，强调学生的动手实践能力和解决实际问题的能力。
二、教学内容1. 计算机控制系统概述- 控制系统基本概念- 控制系统发展历程- 计算机控制系统的优势与应用2. 控制系统硬件组成- 控制器硬件结构- 传感器及其接口技术- 执行器及其接口技术3. 计算机控制算法- PID控制算法原理- 模糊控制算法原理- 其他先进控制算法介绍4. 控制系统仿真与设计- MATLAB/Simulink软件介绍- 控制系统仿真模型搭建- 控制系统硬件设计及调试5. 实际案例分析与讨论- 典型计算机控制系统案例分析- 学生分组讨论实际控制问题- 创新性控制系统设计实践教学内容安排与进度：第一周：计算机控制系统概述第二周：控制系统硬件组成第三周：计算机控制算法第四周：控制系统仿真与设计第五周：实际案例分析与讨论教材章节及内容列举：第一章：计算机控制系统概述（涵盖教学内容1）第二章：控制系统的硬件与接口技术（涵盖教学内容2）第三章：计算机控制算法（涵盖教学内容3）第四章：控制系统的仿真与设计（涵盖教学内容4）第五章：计算机控制系统应用案例（涵盖教学内容5）三、教学方法本课程采用以下多样化的教学方法，以充分激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：用于讲解计算机控制系统的基本概念、原理和算法等理论知识。
《计算机控制技术》课程教学大纲
计算机控制技术课程教学大纲Techno1ogyofMicrocomputercontro1学时数：40其中：实验学时：0课外学时：0学分数：2.5适用专业：电气工程与自动化专业或其它相关专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化类各专业的“主干专业课程”，属工程技术类课程。
通过本课程的学习，使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础知识，以及基本的应用技术。
并具备独立设计计算机控制系统的能力，为今后从事工业自动化方面的工作打下一个基础。
二、课程教学的基本要求（一）熟练掌握计算机控制系统的组成与接口技术；（二）掌握和理解计算机控制系统的常用控制算法；（H）熟练掌握计算机控制系统的设计方法和实现过程；（四）了解计算机控制技术的发展趋势及前沿课题。
三、课程的教学内容、重点和难点第一章微型计算机控制系统概述（4学时）基本内容：计算机控制系统的概念、组成，计算机控制系统的分类以及发展。
基本要求：1、熟悉微机控制系统的组成（硬件结构和软件组成）。
2、了解微机控制技术的发展趋势。
重点：计算机控制系统的发展概况。
难点：计算机控制系统的分类。
第二章计算机控制系统的过程通道接口技术（6学时）基本内容：数字量输入、输出通道的设计，模拟量输入通道的设计，模拟量输出通道的设计。
基本要求：1、掌握模拟量输入、输出通道的设计。
2、掌握数字量输入、输出通道的设计。
3、了解过程通道的结构形式。
能够根据控制系统要求选择输入输出通道中所用到的各种器件，掌握工作原理和使用方法。
能正确地绘制出系统的硬件电路原理图。
重点：采样/保持器、D/A转换器、A/D转换器接口设计难点：采样定理与数据采集第三章人机交互接口技术（4学时）基本内容：人机交互输入接口技术，人机交互输出接口技术。
基本要求：1、掌握常用键盘和常用1ED显示器的工作原理及接口设计方法。
2、能够根据控制系统要求正确的设计出键盘和显示器的接口电路，以及接口程序设计。
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。
数字控制理论及应用(讲稿)第二章 数字控制系统的组成
第二章 数字控制系统的组成第一节 数字控制系统硬件及软件组成一、 硬件部分计算机控制系统的硬件包括主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台等。
1、主机它是过程计算机控制系统的核心，由中央处理器（CPU）和内存储器组成。
主机根据输入通道送来的被控对象的状态参数，按照预先制定的控制算法编好的程序，自动进行信息处理、分析、计算，并作出相应的控制决策，然后通过输出通道发出控制命令，使被控对象按照预定的规律工作。
2、接口电路它是主机与外部设备、输入/输出通道进行信息交换的桥梁。
在过程计算机控制系统中，主机接收数据或者向外发布命令和数据都是通过接口电路进行的，接口电路完成主机与其它设备的协调工作，实现信息的传送。
3、过程输入/输出通道过程输入输出（I/O）通道在微机和生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用，它是主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。
模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行设备，实现生产过程的自动控制。
微机通过开关量（脉冲量、数字量）输入通道输入反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）或脉冲信号；通过开关量（数字量）输出通道控制那些能接受开关（数字）信号的电器设备。
1）、模拟量输入（AI）通道：生产过程中各种连续的物理量(如温度、流量、压力、液位、位移、速度、电流、电压以及气体或液体的PH值、浓度、浊度等），只要由在线仪表将其转换为相应的标准模拟量电信号，均可送入模拟量输入通道进行处理。
2）、模拟量输出（AO）通道：模拟量输出通道一般是输出4～20mA（或1～5V）的连续的直流电流信号，用来控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程，或通过调速装置（如各种变频调速器）控制各种电机的转速，亦可通过电-气转换器或电-液转换器来控制各种气动或液动执行机构，例如控制气动阀门的开度等等。
第二章过程通道设计方法解读
17
信息与电气工程学院
山东科技大学
计算机控制系统
1. 小功率开关输出电路
+VCC R1 R2 +V O
0
OC门 光耦
0
VI
1 1
2019/1/30
18
信息与电气工程学院
山东科技大学
计算机控制系统
2. 中功率晶体管驱动电路
续流二极管
D 数字量输入 1 74LS06 R限流 b K Vcc +24V
CPU
并 行 接 口
数字脉冲信号 输入调理
5V
10ＫΩ×4 系统 设置 开关
数 字 量 输 入 的 三 种 形 态
译码电路 定时器/ 计数器
S0 S1 S2 S3
I/O接口逻辑
数字量输入通道结构框图
2019/1/30 7
信息与电气工程学院
山东科技大学
计算机控制系统
三态门缓冲器74LS244
三态门缓冲器74LS244可 用来隔离输入和输出线路， 在两者之间起缓冲、加强 作用。 可用如下指令来完成取数 MOV DX，PROT IN AL，DX
2019/1/30
2
信息与电气工程学院
山东科技大学
计算机控制系统
2.1 数字量过程通道的设计方法
2.2 模拟量输入通道设计方法
2.3 模拟量输出通道设计方法
2.4 小 结
2019/1/30
3
信息与电气工程学院
山东科技大学
计算机控制系统
2.1 数字量过程通道的设计方法
数字量(开关量)：用“0”和“1” 两个量进行描述，
如电动机的启动和停止，继电器的吸合与释放，指示灯
的亮和灭等。 数字量过程通道分为数字量输入通道(DI)和数字量 输出通道(DO)。
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：
计算机控制技术
智能家居控制系统
总结词
智能家居控制系统是计算机控制技术在家庭生活中的应用，通过智能设备、传 感器和执行器等硬件，实现对家居环境的智能化管理和控制。
详细描述
智能家居控制系统利用计算机技术实现对家居设备的监测、控制和智能化管理 ，提高居住舒适度和便利性。常见的智能家居控制系统包括智能照明、智能安 防、智能环境监测等。
器人等领域。
反馈控制原理
01
反馈控制原理是通过比较实际输出与期望输出的差 值来调整系统参数，以达到控制目标。
02
反馈控制原理具有较好的抗干扰能力和适应性，能 够自动调节系统参数，提高控制精度。
03
反馈控制原理是计算机控制系统的核心原理，广泛 应用于各种控制领域。
计算机控制系统的
04
设计方法
连续系统设计方法
THANKS.
交通控制系统
总结词
交通控制系统是计算机控制技术在交通管理中的应用，通过交通信号灯、传感器 和执行器等硬件，实现对交通流量的智能化管理和控制。
详细描述
交通控制系统利用计算机技术实现对交通信号灯的控制、车流量的监测和交通拥 堵的缓解，提高道路通行效率和交通安全。常见的交通控制系统包括智能交通信 号灯、交通监控系统等。
计算机控制技术
汇报人： 202X-12-23
目 录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的性能分析 • 计算机控制系统的应用实例
计算机控制技术概
01
述
定义与特点
定义
计算机控制技术是指利用计算机对工 业生产过程进行自动控制的技术。
交通领域
计算机控制技术在交通领域的 应用包括自动驾驶、交通信号
计算机控制技术课程设计
计算机控制技术课程设计计算机控制技术课程设计一、引言随着科技的不断发展和进步，计算机控制技术在工业、交通、能源等领域的应用越来越广泛。
为了更好地理解和应用计算机控制技术，我们需要进行课程设计。
本文将围绕计算机控制技术课程设计的目的、任务和要求，以及设计方法和步骤进行详细阐述。
二、计算机控制技术计算机控制技术是利用计算机对工业过程进行自动控制的一种技术。
它以计算机为控制中心，通过数据输入、处理和控制输出，实现对工业过程的自动化控制。
计算机控制技术的主要内容包括控制系统设计、程序设计、数字信号处理等。
控制系统设计是计算机控制技术的核心，需要根据控制系统的要求，选择合适的硬件和软件，设计出高效、稳定的控制系统。
三、课程设计的目的和任务课程设计的目的在于通过实践，加深学生对计算机控制技术的理解和掌握，提高学生的编程能力、系统设计和调试能力。
课程设计的任务包括：1、设计并实现一个计算机控制系统，能够实现数据的采集、处理和控制输出；2、编写控制系统的程序，实现系统的自动化控制；3、对控制系统进行调试和测试，确保系统的稳定性和可靠性。
四、课程设计的要求课程设计的要求包括：1、设计出的控制系统应具有高效性、稳定性和可靠性；2、程序应具有良好的可读性和可维护性；3、测试数据应具有完整性和准确性。
五、设计方法及步骤课程设计的具体方法和步骤如下：1、确定控制系统的需求和分析；2、选择合适的硬件和软件，设计出控制系统的总体结构；3、编写控制系统的程序，实现数据输入、处理和控制输出；4、对控制系统进行调试和测试，确保系统的稳定性和可靠性。
六、总结通过本次课程设计，我们深入了解了计算机控制技术的核心内容和实现过程，掌握了控制系统设计、程序设计和数字信号处理等关键技术。
我们也发现了课程设计中存在的一些问题和不足之处，需要我们在后续的学习和实践中不断改进和完善。
希望通过本次课程设计，能够为我们在计算机控制技术领域的学习和实践打下坚实的基础。
第二章 计算机控制系统的硬件设计
2020/7/25
计算机控制系统的硬件组成框图
1
一个计算机控制系统是一个复杂的软硬件结合体。 硬件是软件的运行平台，硬件系统设计的好坏直接影 响整个计算机控制系统的性能优劣。
硬件系统的设计主要包括：
(1)根据控制要求和运行环境选择合适的主机系统。 包括主机模式、实现人机对话的输入装置和输出装置。
的区别在于工作方式不同： （1）计算机控制系统采用中断处理方式 （2）PLC控制系统采用循环扫描的方式
2.PLC控制系统的发展 （1）继电器逻辑控制系统发展而来 （2）通信功能不断增强，PLC与PLC、计算机互联 （3）在线组态、编程和下载 （4）具备了集散控制系统的形态
2020/7/25
8
PLC原理框图
2020/7/25
6
二、可编程序控制器（PLC）
以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动 控制技术和通信技术的一种工业控制装置，
它具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方 便等优点。专门为在工业环境下应用而设计的。ຫໍສະໝຸດ 2020/7/257
1.PLC控制系统与一般计算机控制系统的区别 PLC控制系统与一般计算机控制系统相比，最大
1.嵌入式微控制器（MCU）
嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，简称MCU）
一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应
用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、
总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、串行口、
脉宽调制输出、A/D、D/A、FLASH RAM、EEPROM
(c)模块化结构
图8-15 PLC结构形式图
2020/7/25
11
计算机控制系统知识点
计算机控制系统知识点计算机控制系统是指利用计算机作为中央控制器来控制工业过程、交通运输、机械制造等领域中的各种控制系统的一种系统。
计算机控制系统知识点众多，其中包括计算机控制系统的基本组成、控制系统的分类、控制系统的特点、控制系统的控制方法、控制系统的优化等诸多内容。
一、计算机控制系统的基本组成计算机控制系统由输入、输出、控制器、执行机构四个部分组成。
其中输入部分通常包括传感器、信号调理电路、模数转换器等；输出部分通常包括数字信号输出器、模拟信号输出器、执行机构等。
控制器一般是指由微处理器、可编程逻辑控制器（PLC）或船用控制器等构成的控制模块，执行机构一般指各种电动机、泵、阀门等用来控制操作对象的机构。
二、控制系统的分类根据控制对象的特点，控制系统可以分为连续型系统和离散型系统。
连续型系统是指控制对象运动过程中的时间是连续的，例如温度、压力、流量等都是连续的；离散型系统指控制对象运动过程中的时间是离散的，例如工艺流程、机具动作等都是离散的。
根据控制系统的算法，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统是指没有反馈信号或反馈信号量不参与控制算法的控制系统。
例如，定时器就是一个开环控制器。
闭环控制系统是指反馈信号量参与控制算法的控制系统，也称为反馈控制系统。
三、控制系统的特点控制系统的特点包括：系统的控制目标明确、控制精度高、响应速度快、稳定性好、可靠性高、可编程性强等特点。
四、控制系统的控制方法根据控制系统的特点和用途不同，控制系统的控制方法也各有不同。
常见的控制方法包括：1、比例控制：比例控制是指控制输出量与输入量呈比例关系的控制方法。
比例控制在工业生产中广泛应用，例如机床加工中的主轴脉冲控制就采用了比例控制技术。
2、积分控制：积分控制是指控制器对偏差信号进行积分运算后输出控制信号的控制方法。
积分控制常用于工业自动化中的流量控制、温度控制等方面。
3、微分控制：微分控制是指控制器对偏差信号进行微分运算后输出控制信号的控制方法。
计算机控制系统的设计步骤
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。
计算机控制系统设计方法
(1)前向差分法
利 用 级 数 展 开 可 将 Z=esT 写 成 以 下 形 式
Z=esT=1+sT+…≈1+sT
可得
z 1 s T
即给定模拟控制器传递函数D(s)，其等效离散 传递函数D(z)为：
D( z ) D( s)
s
z 1 T
法 2( 数值微分 ): 设微分控制规律为
de(t ) u (t ) dt 两边求拉氏变换后可推导出控制器为
香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频 率。在计算机控制系统中，完成信号恢复功能一般由零阶保持器 H(S)来实现。零阶保持器的传递函数为：
1 e sT H ( s) s j T j T j T jT 2 2 2 1 e 2e (e e ) H ( j ) 其频率特性为 j 2 j T T sin sin T T j 2 2 2 T e T T T 2 2 2 从上式可以看出，零阶保持器将对控制信号产生附加相移 (滞后)。对于小的采样周期，可把零阶保持器H(S)近似为： ( sT ) 2 1 1 sT T sT s 1 e T 2 H ( s) T (1 s ) Te 2 s s 2
U ( s) D( s ) s E ( s)
采用前向差分近似可得
e(k 1) e(k ) u (k ) T
上式两边求Z变换后可推导出数字控制器为
U ( z) z 1 D( z ) D( s) z 1 s E( z) T T
s平面和z平面之间的映射关系
因为s平面上的虚轴是稳定与不稳定区域的分界线， 所以应着重研究虚轴在z平面内的映象。
3.1 数字控制器的连续化设计技术
计算机控制系统课程设计
计算机控制系统课程设计计算机控制系统课程设计是计算机科学与技术专业中的一门重要课程，其主要目的是培养学生的计算机控制系统设计能力。
本文将从计算机控制系统的概念、课程设计的目的、设计流程、设计要点等方面进行阐述，帮助读者更好地理解和掌握这门课程。
一、计算机控制系统概念计算机控制系统是指采用计算机技术实现对物理系统、生产过程等进行控制的系统。
它是现代工业自动化的重要组成部分，能够提高生产效率、质量和安全性。
计算机控制系统包括硬件和软件两个方面，硬件部分包括传感器、执行器、控制器等，软件部分包括控制算法、编程语言等。
二、课程设计目的计算机控制系统课程设计的主要目的是培养学生的计算机控制系统设计能力。
通过课程设计，学生能够掌握计算机控制系统的基本原理和设计方法，熟练掌握计算机控制系统的软硬件环境，能够设计出符合实际应用的计算机控制系统。
三、设计流程计算机控制系统课程设计的设计流程一般包括以下几个步骤：1.需求分析：明确设计的目标和需求，确定系统的功能和性能指标。
2.系统设计：根据需求分析结果，确定系统的结构和组成部分，设计控制算法和控制策略，选择硬件和软件平台。
3.软件设计：编写程序代码，实现控制算法和控制策略，进行软件测试和调试。
4.硬件设计：选择传感器、执行器等硬件设备，进行电路设计和制作，进行硬件测试和调试。
5.系统集成：将软件和硬件部分进行集成，进行系统测试和调试。
6.系统应用：将设计的计算机控制系统应用于实际场景，进行实际测试和应用。
四、设计要点1.需求分析要充分：在需求分析阶段，要充分考虑实际应用场景的需求，确定系统的功能和性能指标，尽量避免遗漏或不准确的需求。
2.系统设计要合理：在系统设计阶段，要合理选择硬件和软件平台，设计控制算法和控制策略，确保系统的可靠性和稳定性。
3.软件设计要规范：在软件设计阶段，要编写规范的程序代码，注意程序的可读性和可维护性，进行软件测试和调试，确保软件的正确性和稳定性。
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• 第一节 计算机控制系统的基础知识 • 第二节 计算机控制系统的模拟化设计方法 • 第三节 计算机控制系统的数字化设计方法 • 第四节 系统设计举例
第一节 计算机控制系统的基础知识
一、信号的采样与保持
信号从幅值上可以区分为： （1）模拟量：即幅值连续变化并可以为任意值的信号； （2）离散量：只在时间轴的离散点上幅值可以为任意值 的信号； （3）数字量：即幅值用一定位数的二进制编码形式表示， 这个过程称为量化。 从时间上可以区分为： （1）连续时间信号：即时间轴上任何时刻都存在的信号； （2）离散时间信号：即时间轴上断续出现的信号。
二、计算机控制系统中的信号类型 控制系统按照它所包含的信号形式通常可以
划分为以下几种类型。 （1）连续控制系统，典型结构如图2-3a所示，系
统中各处均为连续时间信号； （2）离散控制系统，典型结构如图2-3b所示，系
统各处均为离散时间信号； （3） 采样控制系统，典型结构如图2-3c所示，其
中既包含连续时间信号，也包含离散时间信号， 是一个混合信号系统； （4）数字控制系统，典型结构图如图2-3d所示， 其中包含有数字信号。所谓数字信号是指在时间 上离散、幅值上量化的信号。
E
011 010
001
0 T 2T 3T t
C，G
d3 dd12
0 T 2T 3T t
H 0 T 2T 3T t
图2-4 计算机控制系统的信号变换图
三、计算机控制系统的数学描述
1. Z变换
连续信号 f (t) 经采样周期为T 的理想采样开关后，其采样 信号f *(t) 可以表示为：
f
* (t )
f
A/D
B
图2-6 计算机控制系统结构图
从图中的 AB两点向左看，计算机控制系统等效为一个如 图2-7所示的连续系统。因此，计算机控制系统中的数字 控制器可按下面的设计步骤进行设计。
D(s)
r(t)
A/D
D(z)
D/A
y(t)
对象
图2-7 等效连续系统结构图
1．设计模拟控制器
根据给定被控对象的特性及设计要求的性能指标，利用连续系统 中的设计方法设计模拟控制器。
2．脉冲传递函数与差分方程 在连续系统中，通常用传递函数分析控制系统的性能。
对于计算机控制系统，同样可以利用脉冲传递函数在域中 分析控制系统的性能。
与连续系统中传递函数的定义类似，把在初始条件为
零时，系统输出量的 Z 变换与输入量的 Z 变换之比定义为
脉冲传递函数，即
G(z) Y(z) R(z)
R z eT
z T
(2-12)
图2-5 Z平面极点分布与脉冲响应
第二节 计算机控制系统的模拟化设计方法
一、计算机控制系统模拟化设计步骤 如前所述，计算机控制系统就其中的信号类型而言是
一种混合系统。典型的计算机控制系统结构如图2-6所示。
r(t)
计算机
A D(z)
B
D/A
A 对象
y(t)
号，因此，在满足采样定理的条件下，采用保持器将计 算机输出的离散信号恢复为被控对象能够接受的连续模 拟信号。在计算机控制系统中，D/A转换器具有零阶保持 器的作用，其信号的保持过程如图2-2所示。
y(kT )
yh (t)
2T 4T
y(kT )
保持器 yh (t)
t
2T 4T
t
图2-2 零阶保持器的信号保持过程
把时间和幅值上均连续的模拟信号，按一定的时间间 隔 （采样周期T）转变为只在瞬时才有脉冲输出信号的过程 称为采样过程。实现采样的装置称为采样器或采样开关，如 图2-1所示。
y(t)
y *(t)
采样器
y(t)
y *(t)
T
t
2T 3T
t
图2-1 采样过程示意
计算机控制系统中的被控对象接受的是连续模拟信
2．选择合适的采样周期 采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率，理论
上应根据采样定理选择采样周期。但实际上，被控对象的物理过程和 参数变化比较复杂，难以获得模拟信号的最高频率。
r(t) e(t)
u(t)
y(t)
D(s)
G(s)
r(k)
e(k ) D(z)
u(k)
G(z) y(k)
(a) 连续控制系统
(b)离散控制系统
r(t)
e(t) T
e(k )
u(k)
D(s)
保持器 u(t)
G(s) y(t)
(c)采样控制系统
r *(k )
e* ( k )
u* ( k )
u (t )
(2-6)
四、S平面到Z平面的映射
根据Z变换的定义，S平面内的极点经过变换后，在Z平 面内有对应极点为 z esT 。复变量S有实部 和虚部 ，即
s j
(2-10)
代入式（2-3），有
z eT ( j) eT e jT eTT
(2-11)
这样，复变量的模值及相角与复变量的实部和虚部的关系为
(0) (t)
f
(T ) (t
T)
f
(2T ) (t
2T )
f
(kT) (t
kT)
(2-1)
k 0
式中， (t)为脉冲响应信号，对式（2-1）做拉氏变换得：
F *(s) f (0) f (T )esT f (2T )e2sT f (kT)eksT k 0
(2-2)
从式（2-2）可以看出，F*(s) 是的超越函数，因此仅用
拉氏变换这一数学工具无法使问题简化。为此，引入另一
个复变量z ，并令 z esT
代入式（2-2），并令 F*(s) s1 ln z F(z) ，则 T F (z) f (0) f (T )z1 f (2T )z2 f (kT)zk k 0
(2-4)
式（2-4）定义为采样信号 f *(t的) Z 变换，它是变量Z 的 幂级数形式，从而有利于问题的简化求解。
y (t )
D(z)
D/A
G(s)
A/D
(d) 数字控制系统
图2-3 四种类型控制系统的典型结构图
D/A
r(k)
E D 计算机 F 解码 G 保持 H
被控对象
y (t )
C
B
编码
量化
A/D
A
传感器 I
A，I 0 T 2T 3T t
B 0 T 2T 3T t
D，F
011 010
动态过程可以用微分方程来描述，同 样，对于计算机控制系统的动态过程可以用差分方程来描 述。
设计算机控制系统的输入量序列为，输出量序列为， 控制系统的差分方程一般表示为
y(k) a1y(k 1) a2 y(k 2) an y(k n) b0r(k) b1r(k 1) b2r(k 2) bmr(k m)