计算机控制技术实验报告

计算机控制技术实验报告
实验一过程通道和数据采集处理一、输入与输出通道
本实验教程主要介绍以A/D 和D/A 为主的模拟量输入输出通道，A/D 和D/A 的芯片非常多，这里主要介绍人们最常用的ADC0809 和TLC7528。

一、实验目的
1(学习A/D 转换器原理及接口方法，并掌握ADC0809 芯片的使用
2(学习D/A 转换器原理及接口方法，并掌握TLC7528 芯片的使用二、实验内容
1(编写实验程序，将,5V ~ +5V 的电压作为ADC0809 的模拟量输入，将转换所得的8 位数字量保存于变量中。

2(编写实验程序，实现D/A 转换产生周期性三角波，并用示波器观察波形。

三、实验设备
+
PC 机一台，TD-ACC实验系统一套，i386EX 系统板一块四、实验原理与步骤1(A/D 转换实验
ADC0809 芯片主要包括多路模拟开关和A/D 转换器两部分，其主要
1
特点为:单电源供电、工作时钟CLOCK 最高可达到1200KHz 、8 位分辨率，8 个单端模拟输入端，TTL 电平兼容等，可以很方便地和微处理器+ 接口。

TD-ACC教学系统中的ADC0809 芯片，其输出八位数据线以及CLOCK 线已连到控制计算机的数据线及系统应用时钟1MCLK (1MHz) 上。

其它控制线根据实验要求可另外连接 (A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0,IN7)。

根据实验内容的第一项要求，可以设计出如图1.1-1 所示的实验线路图。

单次阶跃模数转换单元控制计算机
图1.1-1
上图中，AD0809 的启动信号“STR”是由控制计算机定时输出方波来实现的。

“OUT1” 表示386EX 内部1,定时器的输出端，定时器输出的方波周期,定时器时常。

图中ADC0809 芯片输入选通地址码A、B、C 为“1”状态，选通输入通道IN7;通过单次阶跃单元的电位器可以给A/D 转换器输入,5V ~ +5V 的模拟电压;系统定时器定时1ms 输出方波信号启动A/D 转换器，并将A/D 转换完后的数据量读入到控制计算机中，最后保存到变量中。

2
(1)实验流程图:
主程序
图1.1-2
(2)实验步骤与结果:
(1) 打开联机操作软件，参照流程图，在编辑区编写实验程序。

检查无误后编译、链接。

(2) 按图1.1-1 接线 (注意:图中画“o”的线需用户自行连接)，连接好后，请仔细检查，无错误后方可开启设备电源。

(3) 装载完程序后，系统默认程序的起点在主程序的开始语句。

用户可以自行设置程序起点，可先将光标放在起点处，再通过调试菜单项中设置起点或者直接点击设置起点图标，即可将程序起点设在光标处。

(4) 加入变量监视，具体步骤为:打开“设置”菜单项中的“变量
3
监视”窗口或者直接点击“变量监视”图标，将程序中定义的全局变量
“AD0,AD9”加入到变量监视中。

在查看菜单项中的工具栏中选中变量区或者点击变量区图标，系统软件默认选中寄存器区，点击“变量区”可查看或修改要监视的变量。

1)数据记录
表1.1 AD0~AD9值
模拟输入电压对应的数字量十进制
(V) (H)
-5 (00)01 1
-4 (1A)1B 27
-3 (33)34 52
-2 (4C)4E 78
-1 (66)66 102
0 (80)80 128
1 (99)9B 155
2 (B3)B6 182
3 (CD)D0 208
4 (E6)EA 234
5 (FF)FF 255
2)实验结果分析
将实验中的数据反映在下图中，则可以看出AD转换近似为线性转换，因此可以很好地用数字量反映模拟量。

4
图1.1 转换前后结果对照曲线
2(D/A 转换实验
本实验采用TLC7528 芯片，它是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。

其主要参数如下:转换时间100ns ，满量程误差1/2 LSB ，参考电压,10V ~
+10V ，供电电压+5V~ +15V，输入逻辑电平与TTL 兼容。

实验平台中的TLC7528 的八位数据线、写线和通道选择控制线已接至控制计算机的总线上。

片选线预留出待实验中连接到相应的I/O 片选上，具体如图1.1-3。

5
(1) 参照流程图
主程序
图1.1-4
(2) 实验结果
1)数据记录
实验的到完整的三角形波，如下图所示。

图1.2 示波器输出波形
2)实验结果分析
实验程序中有如下一段程序，程序中加粗部分说明DA转化器输出6
应为线性周期变化的三角波曲线。

AGAIN: CALL DELAY ;调用延时子程序
MOV DX,0302H ;选择数模转换单元的OUT1端作为模拟量的输出
OUT DX,AL ;D/A输出当前AL中的值
INC AL ;AL加一，准备下一次D/A输出值
JMP AGAIN
二、信号的采样与保持
一、实验目的
1(熟悉信号的采样和保持过程
2(学习和掌握香农 (采样) 定理
3(学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号
二、实验内容
1(编写程序，实现信号通过A/D 转换器转换成数字量送到控制计算机，计算机再把数字量送到D/A 转换器输出。

2(编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。

三、实验设备+
PC 机一台，TD-ACC实验系统一套，i386EX 系统板一块四、实验原理与步骤零阶保持
香农 (采样) 定理:若对于一个具有有限频谱 (|W|<Wmax) 的连续信号f (t)进行采样，当采样频率满足 Ws?2Wmax 时，则采样函数f*(t) 能无失真地恢复到原来的连续信号f(t)。

Wmax 为信号的最高频率，Ws 为采样频率。

实验线路图:本实验中，我们将具体来验证香农定理。

可设计如下的实验线路图，图中画“?”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

7
(1)实验程序流程图:
(2)实验结果
1)数据记录
下表为实验中的数据记录，实验中可以清楚地看出，只要改变TK值从而间接改变采样频率，就可以观察到波形是否失真。

表1.2 采样实验波形记录
8
模拟信号
采样信号
模拟信号与未失真的采样信号
9
模拟信号与
失真的采样
信号
2)实验结果分析
增大采样周期，当采样周期>0.5S 时，即Tk>32H 时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形失真，如上表，经验证香农采样定理成立。

但是在实验中当TK<32H或者采样频率高于固有频率时采样后的曲线仍有微小的偏差，这可能是由干扰造成的。

三、数字滤波
一、实验目的
1. 学习和掌握一阶惯性滤波
2. 学习和掌握四点加权滤波
二、实验内容
分别编写一阶惯性滤波程序和四点加权滤波程序，将混合干扰信号的正弦波送到数字滤波器，并用示波器观察经过滤波后的信号。

三、实验设备+
PC 机一台，TD-ACC实验系统一套，i386EX 系统板一块
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四、实验原理与步骤
一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种。

由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点，被广泛应用，下面是一个典型数字滤波的方框图:
模数转换控制数模转换
IN7 OUT 计算机
1.实验线路图:
图中画“?”的线需用户在实验中自行接好，运放单元需用户自行
搭接。

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上图中，控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部1,定时器的输出端，定时器输出的方波周期,定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259 的7 号中断，用作采样中断。

电路中用RC 电路将S 端方波微分，再和正弦波单元产生的正弦波叠加。

注意R 点波形不要超过?5V，以免数字化溢出。

计算机对有干扰的正弦信号R 通过模数转换器采样输入，然后进行数字滤波处理，去除干扰，最后送至数模转换器变成模拟量C 输出。

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3.参考流程图:
4.实验结果
(1)正弦波T1=2S，V1=3v，干扰信号T2=100ms ，V2=0.5V时波形图。

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(2)一阶惯性波形图:
Tk=01
Tk=08
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5.实验结果分析
表1.3 一阶惯性滤波结果
参数滤波前后滤波前后Tk 16Ts 1-a a A1 A2 A3 A4 正弦幅值干扰幅值进制(ms) 项目比比
01 5 10 90 3/3 0.5/0.1 一阶
惯性 08 40 10 90 3/2.15 0.5/0
由上表可以看出减小频率失真增大，干扰幅值比也增大。

所以为了尽可能地使滤波效果明显，应该增大频率。

实验二开环系统的数字程序控制数字PWM 发生器和直流电机调速控制
一、实验目的
掌握脉宽调制 (PWM) 的方法。

二、实验内容
用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制。

三、实验设备
+
PC 机一台，TD-ACC实验系统一套，i386EX 系统板一块四、实验原理与步骤1(PWM (Pulse Width Modulation) 简称脉宽调制 (见图2.1-1) 。

即，通过改变输出脉冲的占空比，实现对直流电机进行调速控制。

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VH VL
图2.1-1
2(实验线路图:图中画“?”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

图2.1-2
图中，“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚P1.4，输出PWM 脉冲经驱动后控制直流电机。

本实验中，由系统产生1ms 的定时中断。

在中断处理程序中完成PWM 脉冲输出。

最后通过控制计算机的数字量输出端DOUT0 引脚来模拟PWM 输出，并经达林顿管输出驱动直流电机，实现脉宽调制。

3.实验步骤
1(参考实验线路图的说明及流程图2.1-3，编写相应的主程序及PWM 子程序，检查无误后编译、链接。

2(按图2.1-2 接线，检查无误后开启设备的电源。

3(装载程序，将全局变量TK (PWM 周期) 和PWM_T ( 占空比)加入监视，以便实验过程中修改。

4(运行程序，观察电机运行情况。

5(终止程序运行，加大脉冲宽度，即将占空比PWM_T 变大，重复第3 步，再观察电机的运行情况，此时电机转速应加快。

电机每转动一圈，“HR”端(霍尔元件的输出端)就会输出一个脉冲，用虚拟仪器中示波器的一路表笔测“HR”端的脉冲信号可算出电机此时的转速。

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4.实验程序流程图
图2.1-3
5.实验结果
Tk=0C8H; PWM_T=14H;FPWM=01H;
HR
图3.2 PWM波形
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1)实验结果分析
程序段中有如下数据段，其中加粗部分为占空比，修改参数即可改变输出PWM波占空比，从而改变电机转速。

DATA SEGMENT
TK DB 0C8H ;PWM周期
PWM_T DB 08H ;占空比
FPWM DB 01H ;PWM标志
VH DB 00H
VL DB 00H
DATA ENDS
有实验可得:当占空比较小时，电机无法启动，当占空比增大到一
定程度时，电机启动，并且不断增大占空比，电机转速也不断增大。

2)思考题
本实验中是通过改变脉冲的占空比，周期T 不变的方法来改变电
机转速的，还有什么办法能改变电机的转速，应该怎么实现,
答:可以改变PWM周期，即脉冲频率调制，即PFM调速;也可
以是同事改变占空比和周期来改变转速。

实验三数字PID闭环控制
积分分离法PID控制
一、实验目的
1(了解PID参数对系统性能的影响。

2(学习凑试法整定PID参数。

3(掌握积分分离法PID控制规律
二、实验设备
，PC机一台，TD,ACC实验系统一套，i386EX系统板一块
三、实验原理和内容
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-TSC10RE1,eP I D(0.3S+1)(0.4S+1)TS
图3.2,1
图3.2,1是一个典型的PID闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，图中画“?”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。

控制计算机
i386EX CPU
模数转换单元DIN0P1.0
OUT1STR数模转换单元TMROUT1/IOY0/IOY1信号源/CS/OECS0#IRQ7(主
8259IRQ7)EOCINT3/ST1MHZACLOCK短TMRCLK1/IOW/WRWR#分STB路C频M/IO#S块A0A024MHZ+5VCLK2OUTD0XD0D0.........D7IN7D7OUT1XD7
2uF3uF10K20K100K200K
10K20KC100K20KE20KR
,2 图3.2
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采样中断服务程序主程序
是系统初始化同步信号到否,D/A输出清零求误差E(k)
否变量初始化调PID子程序变量初始化
采样周期变量减一
采样周期变量输出控制量U(k)等待中断赋初值是采样周期到否,采样周期变量赋初值
否
中断返回
PID子程序
TdT计算 Ek+*Ek
TdT否是判积分分离值Kp(Ek+*Ek)
是判积分溢出是判控制量溢出取极值TTd否TiT取极值否 Ek)Kp(Ek+*Ek+* 图3.2,3 中断返回四、实验步骤
1(流程图3.2,3编写实验程序，检查无误后编译、链接。

2(按照实验线路图3.2,2接线，检查无误后开启设备电源。

3(调节信号源中的电位器及拨动开关，使信号源输出幅值为2V，周期6S的方波。

确定系统的采样周期以及积分分离值。

4(装载程序，将全局变量TK (采样周期)、EI (积分分离值)、KP (比例系数)、TI (积分系数)和TD (微分系数) 加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。

5(运行程序，将积分分离值设为最大值7FH (相当于没有引入积分分离)，用示波器分别观测输入端R和输出端C。

6(如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。

7(修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，
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并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。

8(将6和7中的较满意的响应曲线分别保存，在画板、PHOTOSHOP中处理后粘贴到WORD中，方便形成实验报告。

五、实验结果及分析
1)数据记录
表3.1 PID控制时域波形
2)实验结果分析
增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。

但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。

增大积分时间参数TI有利于消除静差、减小超调、减小振荡，使
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系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。

增大微分时间参数TD有利于加快系统响应，使超调量减小，系统稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。

由上表中的第二行的两个波形图可以看出引入积分分离后系统的超调减小，缩短了调节时间。

二、简易工程法整定PID参数
一、实验目的
1(学习并掌握扩充临界比例度法整定PID参数。

2(学习并掌握扩充响应曲线法整定PID参数。

二、实验设备
，PC机一台，TD,ACC实验系统一套，i386EX系统板一块三、实验原理及内容1(扩充临界比例度法
1) 实验原理
扩充临界比例度法是对模拟调节器中的临界比例度法的推广，在工程实践中最常用，其参数整定步骤如下:
(1) 选择一个足够小的采样周期T，一般取系统纯滞后时间的1/10以下。

(2) 使系统闭环工作，只用比例控制，增大比例系数K直到系统等P幅振荡，记下此时的临界比例系数K和临界振荡周期T(见图3.4,1)。

PUU
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C(t)Tu
R
t
图3.4,1
(3) 选择控制度 (1.05~2.0)。

控制度指数字调节器和模拟调节器控制效果之比。

根据控制度，查表3.4,1计算出采样周期T和K、T、T。

(4) PID
表3.4,1
控制度 T K T T PID
1.05 0.014T 0.63K 0.49T 0.14T UPUUU
1.2 0.043T 0.47K 0.47T 0.16T UPUUU
1.5 0.09T 0.34K 0.43T 0.20T UPUUU
2.0 0.16T 0.27K 0.40T 0.22T UPUUU2) 实验设计
图3.4,2是一个PID闭环控制系统的实验电路原理及接线图，图中画“?”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。

其相应的程序流程图和3.2节中的图3.2,3是一样的，实验中的参数取值范围规定为:
T KP TI TD 参数名称
取值范围 1,FFH 0,FFFFH 1,7FFFH 0,7FFFH
实际量纲 10,2550ms 0,1倍 10ms,327.67s 0ms,327.67s
23
控制计算机
i386EX CPU
DIN0P1.0模数转换单元
OUT1数模转换单元TMROUT1STR/IOY1/IOY0信号源/CSCS0#/OEIRQ7(主
8259IRQ7)EOCINT3/ST1MHZA/IOWCLOCK短WR#TMRCLK1/WR分BST路M/IO#C频S块A0A0CLK224MHZ+5VOUTXD0D0D0.........IN7D7D7OUT1XD7
1uF3uF10K20K100K250K
10K20KC10KER50K20K
图3.4,2
2(扩充响应曲线法
1) 实验原理
扩充响应曲线法是模拟调节器的响应曲线法的一种扩充，也是一种常用的工程整定方法。

其参数整定步骤如下:
(1) 使数字调节器不接入系统，让系统处于手动操作状态，当系统稳定在某一值处后，给对象一个阶跃输入。

C(t)
(2) 用仪表记录下被调量在阶跃输入下的整个响应曲线，见图3.4,3。

Ot0
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图3.4,3
图中“,”表示对象的时间常数;“,”表示对象的纯滞后时常
,(4) 根据所得的,、，查表3.4,2计算出采样周期T和K、T、PITD
表3.4,2
控制度 T K T T PID
, 1.15,,,1.05 0.05 2.00 0.45 ,
,1.0 ,,,1.2 0.16 1.90 0.55 ,
,0.85 ,,,1.5 0.34 1.62 0.65 ,
, 0.60,,,2.0 0.60 1.50 0.82 ,
2) 实验设计
同样，图3.4,4也是一个PID闭环控制系统的实验电路原理及接线图，图中画“?”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。

其相应的程序流程图和3.2节中的图3.2,3是一样的。

本实验中，将针对该闭环系统应用扩充响应曲线法来整定PID参数。

图3.4,4中，控制计算机的“OUT1”表示386EX内部1,定时器的输出端，定时器输出的方波周期,定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的7号中断，用作采样中断，“DIN0”表示386EX的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。

实验中，参考程序中的参数取值范围规定为:
T K T T 参数名称 PID
取值范围 1,7FH 0,800H 1,1FFH 0,1FFH
实际量纲 10,1270ms 0,8倍 10ms,5110s 0ms,5110ms
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控制计算机
i386EX CPU
DIN0P1.0模数转换单元
OUT1数模转换单元TMROUT1STR/IOY1/IOY0信号源/CSCS0#/OEIRQ7(主
8259IRQ7)EOCINT3/ST1MHZA/IOWCLOCK短WR#TMRCLK1/WR分BST路M/IO#C频S块A0A0CLK224MHZ+5V
OUTXD0D0D0.........IN7D7D7OUT1XD7
2uF10K20K2uF100K10K20KC200K200KER20K
,4 图3.4
1(扩充临界比例度法
1)数据记录
表3.2 参数整定表
控制度 T K T T PID
1.05 0.014T 0.63K 0.49T 0.14T UPUUU
1.2 0.043T 0.47K 0.47T 0.16T UPUUU
1.5 0.09T 0.34K 0.43T 0.20T UPUUU
2.0 0.16T 0.27K 0.40T 0.22T UPUUU
表3.3 时域波形
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超调很大，调节时间很长
超调比较大，调节时间比较长
没有超调，调节时间很短
2)实验结果分析
利用工程整定方法可以很好地实现波形的整定，如上表中第三图结果所示。

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2(扩充响应曲线法
表3.4
控制度 T K T T PID
,1.05 1.15,,,0.052.00 0.45 ,
,1.2 1.0,,,0.16 1.90 0.55 ,
,1.5 0.85,,,0.34 1.62 0.65 ,
实验四数字调节器直接设计方法最小拍控制系统
一、实验目的
1(掌握最小拍有纹波控制系统的设计方法。

2(掌握最小拍无纹波控制系统的设计方法。

二、实验设备
，PC机一台，TD,ACC实验系统一套，i386EX系统板一块三、实验原理及内容典型的最小拍控制系统如图4.1,1所示，其中D(Z)为数字调节器，G(Z)为包括零阶保持器在内的广义对象的Z传递函数，(Z)为闭环Z,传递函数，C(Z)为输出信号的Z传递函数，R(Z)为输入信号的Z传递函数。

28
(z)
G(z)
R(z)C(z)
e(t)r(t)E(z)U(z)零阶保持器D(Z)对象
c(t)
图4.1,1
三、实验步骤及结果
1(最小拍有纹波系统设计
1)数据记录
表4.1 最小拍有波纹时域响应图
29
C(t)C(t)
2VCC
tt
0012124343
U(z)U(z)
tt
0044123123
最小拍无纹波最小拍有纹波
2)实验结果分析
针对阶跃输入，其有纹波系统控制算法可设计为:
,1U ( Z )0.5435,0.2ZD ( Z ),,,1E ( Z )1，0.717Z其中K,0.5435,0,P,0.717K,,0.2,,11,,P,0K,0,22,,,P,0K,03,3, 由图可以看出波形产生明显的波纹。

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2(最小拍无纹波系统设计1)数据记录
表4.2 最小拍无纹波
C(t)C(t)
2V
CC
tt
0012124343
U(z)U(z)
tt
0044123123
最小拍无纹波最小拍有纹波
2)实验结果分析
图1中波形明显无纹波，图2中略有波纹，说明最小拍系统本身存在很多不足。

最小拍控制系统的设计方法是简便的，结构也是简单的，设计结果可以得到解析解，便于计算机实现。

但是最小拍设计存在如下一些问题:
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(1) 最小拍控制系统对输入形式的适应性差，当系统的输入形式改变，尤其是存在随机扰动时，系统的性能变坏。

(2) 最小拍控制系统对参数的变化很敏感，在实验过程中，随着外部条件的变化，对象参数的变化是不可避免的，以及计算机在计算过程中产生的误差，从而使得实际输出可能偏离期望值。

这也就是在做最小拍设计实验时常常得不到预期效果的原因。

实验总结
通过本次实验，我掌握了过程通道和数据采集处理中数模转换和模数转换的软件编程和硬件实现，学会运用直线插值法和二次曲线插值法还原信号;数字滤波方面掌握了一阶惯性滤波方法，去除了输入信号中的干扰。

在开环控制系统的数字控制过程中掌握了运用PWM脉冲调制方法，通过改变输入脉冲占空比实现电机调速控制的过程，并运用试凑法调节PID参数，掌握了扩充临界比例度法整定PID参数和扩充响应曲线法整定PID参数，最后在数字调节器直接设计中分别设计了最小拍有波纹控制系统和最小拍无波纹控制系统。

为以后进行实际的计算机控制系统设计打下了一个初步的基础。

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