《计算机控制技术及其应用》 第1章 概述 思考题与习题 指导信息
第1章 概述
1. 什么是自动控制、控制系统、自动化和控制论？ [指导信息]: 参见1.1自动控制的基本概念。
自动控制(autocontrol)：不用人力来实现的控制，通常可用机械、电气等装置来实现。通常相对手动控制而言。
控制系统(control system)：通过控制来实现特定功能目标的系统。而系统(system)是由相互联系、相互作用要素组成的具有一定结构和功能的有机整体。控制系统通常有一定的规模和复杂性，否则常称为控制装置或控制机构。
自动化(automation)：在无人工干预情况下，一个或多个控制系统或装置按规定要求和目标的实现过程。自动化强调的是自动控制过程，其核心概念是信息。
控制论(cybernetics)：研究各类系统的调节和控制规律的科学。各类系统包括动物(及人类)和机器系统。自从1948 年诺伯特·维纳发表了著名的《控制论——关于在动物和机中控制和通讯的科学》一书以来，控制论的思想和方法已经渗透到了几乎有的自然科学和社会科学领域。控制论着重于研究过程中的数学关系。
2. 控制的本质是什么？
[指导信息]: 参见1.1.2 自动控制中的基本问题。
控制过程本质上是一系列的信息过程，如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等。控制系统中的目标信息、被控对象的初始信息、被控对象和环境的反馈信息、指令信息、执行信息等，通常由电子或机械的信号来表示。 3. 自动控制中有哪些基本问题？
[指导信息]: 参见1.1.2 自动控制中的基本问题。
自动控制中的基本问题包括：自动控制系统的结构、过程、目标和品质等。
结构包括组成及其关系两个部分；控制过程主要为一系列的信息过程，如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等；目标规则体现了系统的功能；控制品质即为控制的质量，可通过系统的性能指标来评价。
4. 一个控制系统由哪些部分组成？试结合一个实例来说明。 [指导信息]: 参见1.1.2 自动控制中的基本问题。
一个控制系统可以由控制单元、执行单元、反馈单元、被控对象、目标规则组成，它们的相互关系参见图 1 5所示。
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信息传输信息加工信息获取反馈单元目标规则控制单元执行单元信息施效被控对象控制系统结构框图
5. 控制系统的性能指标有哪些？试结合一个实例来说明。 [指导信息]: 参见1.1.2 自动控制中的基本问题。
控制系统的性能指标有传统意义上的性能指标和广义的评价指标。统意的性能指标有稳定性、快速性、准确性等。广义的评价指标包括可靠性、操作性、互换性、效率以及性价比等。
（结合实例来说明略。）
6. 一个典型的计算机控制系统由哪些部分组成？它们的关系如何？ [指导信息]: 参见1.2.1 计算机控制系统的结构。
计算机系统分为硬件系统和软件系统，硬件系统包括计算机、输入输出接口、过程通道(输入通道和输出通道)、外部设备(交互设备和通信设备等)，软件系统包括系统软件和应用软件，其中计算机系统作为控制单元，见图 1 6所示。
计算机系统设计人员管理人员操作人员交互设备输入通道反馈单元被控对象输出通道过程通道软件系统(系统软件+应用软件)执行单元其他系统通信设备外围设备输入输出接口计算机输入输出接口典型计算机控制系统的结构框图
7. 计算机控制系统有哪些分类？试比较DDC、SCC、DCS和FCS的各自特点。 [指导信息]: 参见1.2.2计算机控制系统的分类。
分类方法有：按系统结构的分类、按控制器与被控对象的关系分类、按计算机在控制系统中的地位和工作方式分类、按控制规律分类。
其中DDC(Direct Digital Control)、SCC(Supervisory Computer Control)、DCS(Distributed Control System) 和FCS(Field bus Control System)是按计算机在控制系统中的地位和工作方式来分类的。
DDC中的计算机直接承担现场的检测、运算、控制任务，相当于“一线员工”。
SCC系统中的SCC计算机主要完成监督控制，指挥下级DDC计算机完成现场的控制，相当于“车间主任”或“线长”。
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DCS由多台分布在不同物理位置的计算机为基础，以“分散控制、集中操作、分级管理”为原则而构建的控制系统，DCS中的计算机充当各个部门的“管理人员”，如过程管理、生产管理、经营管理等职能。
FCS是建立在网络基础上的高级分布式控制系统。在FCS中，控制器、智能传感器和执行器、交互设备、通信设备都含有计算机，并通过现场总线相连接。这些计算机的功能不仅仅在于对一般信息处理，而是更强调计算机的信息交换功能。 8. 试通过实例来说明不同控制规律的特征。 [指导信息]: 参见1.2.2计算机控制系统的分类。
不同控制规律分类有恒值控制、随动控制、PID控制、顺序控制、程序控制、模糊控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。
恒值控制：控制目标是系统的输出根据输入的给定值保持不变，输入通常是在某一时间范围内恒定不变或变化不大的模拟量。如恒温炉的温度控制，供水系统的水压控制，传动机构的速度控制。
随动控制：控制目标是要求系统的输出跟踪输入而变化，而输入的值通常是随机变化的模拟量，往往不能预测。如自动导航系统、自动驾驶系统、阳光自动跟踪系统、雷达天线的控制等。
PID控制：根据给定值与输出值之间偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行的反馈控制，是工业上适用面较广、历史较长、目前仍得到广泛应用的控制规律。许多连续变化的物理量如温度、流量、压力、水位、速度等的控制，都可采用PID控制。许多恒值控制和某些随动控制也可采用PID规律来实现。
顺序控制：根据给定的动作序列、状态和时间要求而进行的控制。如交通信号灯的控制、电梯升降的控制、自动包装机、自动流水线的控制。
程序控制（数值控制、数字控制）：指根据预先给定的运动轨迹来控制部件行动。如线切割机的控制、电脑绣花机的控制。
模糊控制：基于模糊集合和模糊运算，采用语言规则表示法进行的控制。在许多家用电器（电饭煲、洗衣机等）、工业过程控制等领域得到了越来越多的应用。
最优控制（最佳控制）：使系统的某些指标达到最优，而这些指标往往不能直接测量，如时间、能耗等。
自适应控制：在工作条件改变的情况下，仍能使控制系统对被控对象的控制处于最佳状态。它需要随时检测系统的环境和工作状况，并可随时修正当前算法的一些参数，以适应环境和工作状况的改变。
自学习控制：能够根据运行结果积累经验，自行改变和完善控制的算法，使控制品质愈来愈好。它有一个积累经验和主动学习的过程，可以适时地调整算法的结构和参数，以不断地提高自身算法质量。 9. 计算机控制系统中获取信息、传输信息、加工信息、执行信息等过程分别与哪些技术有关？ [指导信息]: 参见1.2.3 计算机控制技术及其发展。
计算机控制系统中的获取信息、传递信息、加工信息、执行信息等过程都有相应的技术来实现，而这些过程中的信息大部分由电子信号来表示，信息处理的工具是电子计算机。在这些过程用到的计算机控制技术包括控制用计算机技术、输入输出接口与过程通道技术、控制网络与数据通信技术、数字控制器设计与实现技术、控制系统的人机交互技术、控制系统的可靠性技术以及计算机控制系统的设计技术
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