计算机控制技术 复习资料Word下载.docx

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计算机通过模拟量输入通道、开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道、开关量输出通道直接控制生产过程。

能够实现自动控制、多回路控制，能够灵活的把各种算法施加于生产过程。

这种结构是计算机控制的最基本结构！

）（3）监督控制系统（SCC）（定义：

计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。

计算机坏了，模拟仪表可以直接控制；

DDC计算机可以直接控制，SCC计算机只是采集，优化；

这实际上是一种不存在上下级通信的两级控制，只存在传递设定值的关系。

提高系统的可靠性。

造价高、效益差，现在已经不用了。

）（4）集散控制系统（DCS）（定义：

采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。

特点：

①分散过程控制级：

这是最底层，直接和现场控制点打交道；

②集中操作控制级：

集中在控制室通过显示屏等几种监控、操作③综合信息管理级：

实现整个企业的综合信息、管理，主要执行生产管理和经营管理功能，能够提供管理决策信息。

）（5）现场总线控制系统（FCS）（FCS即新一代分布式控制系统，采用“工作站---现场总线智能仪表”二层结构，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。

降低DCS成本，提高可靠性。

）（6）综合自动化系统（CIMS\CIPS）（由企业资源信息管理系统、生产执行系统和生产过程控制系统构成的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。

综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和流程工业的计算机集成过程系统。

）

计算机控制系统的发展趋势：

（1）控制系统网络化

（2）控制系统扁平化（3）控制系统智能化（4）控制系统综合化。

第二章计算机控制系统的硬件设计技术

接口：

接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。

接口技术：

研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。

过程通道：

在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。

总线：

所谓总线，就是计算机各模块之间和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。

内部总线：

又称系统总线，或板极总线、微机总线，是用于微机系统中各插件之间信息传输的通路。

内部总线又可分为片级总线和系统总线。

片级总线包括数据总线、地址总线、控制总线等；

系统总线包括ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线等。

外部总线：

又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统之间信息传输的通路。

外部总线包括RS-232C、RS-485、IEEE-488等总线。

串行总线：

就是使数据一位一位地进行传输而实现通信的总线。

并行总线：

信息以并行方式同时传送。

非平衡电气特性：

信号采用单线传输，以地线作为信号回路，干扰信号直接叠加到信号上，易造成信号传输错误。

平衡电气特性：

信号采用双线（双绞线）传输，即使有干扰信号，也是同时加载到信号传输线的两端，只要传输系统的共模抑制比高，干扰信号不会造成实质性的影响。

ISA：

IBM公司推出的基于80286CPU的PC/AT微型计算机所采用的扩展总线标准就是ISA总线。

PCI：

PCI是美国SIG集团推出的64位总线。

该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输为80MB/s（峰值传输率为133MB/s）。

RS-232：

是由美国电子工业协会EIA于1969年制定并采用的一种串行通信接口标准。

RS-232性能特点：

（1）距离小于15m；

（2）速率小于20Kb/s（目前可达到115Kb/s）；

（3）电气特性，逻辑“1”：

－3V～－15V；

逻辑“0”：

＋3V～＋15V；

（4）传输距离≤15米；

（5）最大负载电容≤2500Pf；

（6）波特率≤20kb/s；

（7）接受器输入阻抗：

3～7kΩ；

（8）驱动器输出阻抗≤300Ω；

（9）驱动器转换速率≤30V/μs；

（10）输出短路电流≤0.5A。

（11）对共模干扰信号抵抗较差。

RS-422：

RS-422有RS-232发展而来。

为改进RS-232通信距离短、速度低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，允许在一条平衡总线上连接最多10个接受器。

RS-422是一种单机发送、多机接受的单向、平衡传输规范。

RS-422的数据信号采用差分传输方式，也称做平衡传输。

它使用一对双绞线进行数据传输。

RS-485：

RS-485是RS-422的变型，它与RS-422都采用平衡差分电路，区别在于RS-485为半双工工作方式，因而可以采用一对平衡差分信号线来连接。

RS-485性能特性：

（1）距离小于1200m；

（2）速率到100Kbit/s；

－2V～－6V；

＋2V～＋6V；

（4）传输距离≤1200米；

（5）波特率≤10Mb/s；

（6）接受器输入阻抗≥4kΩ；

（7）节点数，1发10收；

（8）抗干扰能力，共模抑制比高，干扰信号不会造成实质性的影响。

USB:

称为通用串行总线，是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NT七大共同推出的新一代接口标准。

它是一种连接外部设备的机外总线。

USB的主要性能特点：

（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。

ISA的主要性能：

（1）具有16位数据线、20根地址线；

（2）支持16MB的存储器寻址空间和64KB的I/O寻址空间；

（3）支持11级中断；

（4）支持7个DMA传输通道；

（5）支持主从控制、I/O等待和I/O校验等功能；

（6）最大传输率为8MBPs。

PCI的主要性能：

（1）支持10台外设；

（2）总线频率33.3MHz/66MHz；

（3）数据传输率133MB/s；

（4）总线宽度32bit/64bit；

（5）时钟同步方式；

（6）与CPU及时钟频率无关；

（7）自动识别外设。

CompactPCI特点：

紧凑式、欧式连接器、热插拔。

PCIe特点：

串行、高速、点对点、×

4…×

32

RS-422/RS485具有更强的抗扰能力：

平衡传输（差分传输）

RS-485网络的地址分配：

唯一。

RS-422转为RS-485：

Rx+Tx+→DATA+；

Rx-Tx-→DATA-。

单极性：

如果参考电压为+5V，则当数字量N从00H至FFH变化时，对应的模拟电压Vo的输出范围是-5V~0V。

双极性：

当数字量从00H至FFH变化时，对应的电压Vo输出范围是-5V~+5V。

离散信号：

信号是脉冲序列或数码。

输入调理信号：

将输入信号经过转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能接受的逻辑信号。

信号调理电路：

主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。

采样过程：

按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻O、T、2T、…KT的一连串脉冲输出信号的过程。

采样保持：

把采样时刻的采样值保持到A/D转换结束，采样信号恢复为连续信号。

量化：

所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。

也就是怎样将离散模拟变量变为二进制码。

将采样信号转换为数字信号的过程为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。

二进制数的大小和量化单位有关。

孔径时间：

在模拟量输入通道中,完成一次A/D转换所需的时间。

孔径误差：

对于随时间变化的模拟信号,孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转化误差。

采样保持器：

在数据采样期间，保持输入信号不变的电路称为保持器。

采样保持器的作用：

可以消除孔径误差，提高被采样模拟量输入信号的频率范围。

采样保持器的目的:

为了提高模拟量输入信号的频率范围,以适应某些随时间变化较快的信号的要求。

模拟开关：

又称多路开关，是用来切换模拟电压信号的关键元件。

利用多路开关可将各个输入信号以次地或随机地连接公用放大器或A/D转换器上。

零阶保持器：

是一种按照恒值规律外推的保持器。

它把前一采样时刻nT的采样值e（nT）不增不减地保持到下一采样时刻（n+1）T。

工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变化的连接通道。

模拟量输入通道：

把从系统中检测的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。

模拟量输出通道：

把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。

模拟量输入通道组成:

I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑组成。

开关量输入通道组成：

主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成。

开关量输出通道组成：

主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。

主机作用：

数值计算、逻辑判断、数据处理工作。

干扰分类：

按根源分：

放电噪声、高频振荡噪声、浪涌噪声。

按传导方式分：

串模、共模。

串模干扰:

所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。

这里的被测信号是指有用的直流信号或缓慢变化的交变信号，而干扰噪声是指无用的变化较快的杂乱交变信号。

抑制方法：

（1）有源滤波电路（如果串模干扰频率比被测信号频率高，则用输入低通滤波来抑制高频串模干扰；

如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；

如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。

）

（2）当峰尖型串模干扰称为主要干扰源时,用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。

（3）来自电磁感应的,对被测信号应尽可能早的进行前置放大,达到提高回路中的信号噪声比的目的;

或者尽可能早的完成模/数转换或采取隔离屏蔽等措施。

（4）从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。

（5）采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应并且使各个小环路的感应电动势互相成反向抵消。

共模干扰：

也称为共态干扰，所谓共模干扰是指A/D转换器两个输入端上共有的干扰电压。

这种干扰可能是直流电压，也可以是交流电压。

光电隔离、变压器隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比。

长线传输干扰抑制方法：

终端匹配、始端匹配。

主机抗干扰措施：

看门狗、电源监控、复位等。

地线：

模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。

第四章常规及复杂控制技术

控制系统的四大要素：

被控对象、检测变送器、执行机构、控制器。

被控对象性能指标：

（1）态性能指标：

稳态误差。

（2）动态性能指标：

超调量、调解时间、峰值时间、衰减比、振荡次数。

（3）综合性能指标：

积分性能指标，末值型指标，复合型指标。

PID控制：

根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。

比例控制的作用：

能迅速反应误差,从而减小误差,但比例控制不能消除稳态误差,Kp的加大，会引起系统的不稳定。

积分控制的作用：

只要系统存在误差，积分控制作用就不断的积累，输出控制量以消除误差，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。

微分控制的作用：

可以艰险超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，改善系统的动态性能。

增量式与位置式相比的优点：

（1）增量算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。

而位置算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。

（2）增量式算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中、只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。

而位置算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。

（3）采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。

数字PID控制器的改进：

1、积分项的改进

（1）积分分离

（2）抗积分饱和（3）梯形积分（4）消除积分不灵敏区；

2、微分项的改进

（1）不完全微分PID控制算法（作用：

消除高频干扰，延长微分作用的时间）

（2）微分先行PID控制算法；

3、时间最优PID控制；

4、带死区的PID控制算法。

积分饱和：

如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就称为积分饱和。

防止积分饱和的方法之一，可对计算出的控制量u（k）限幅，同时，把积分作用切除掉。

微分先行PID控制算法特点及使用场合：

微分先行PID控制和标准PID控制的不同之处在于，只对被控量y（t）微分，不对偏差e（t）微分，这样，在改变给定值时，输出不会改变，而被控量的变化，通常是比较缓和的。

这种输出量先行微分控制适用于给定值频繁升降的系统，可以避免给定值升降时所引起的系统振荡，明显地改善了系统的动态特性。

使用场合：

超调量过大，调节阀动作剧烈。

带死区的PID控制算法特点及作用：

该系统实际上是一个非线性控制系统。

即当偏差绝对值｜e（k）｜≤ε时，P（k）为0；

当｜e（k）｜＞ε时，P（k）=e（k），输出值u（k）以PID运算结果输出。

作用：

避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，有时采用所谓带有死区的PID控制系统。

采样周期的选择：

（1）根据香农采样定理，系统的采样周期只能在Tmin与Tmax之间选择；

（2）给定值的变化频率（变化频率越高，采样频率就应越高）；

（3）被控对象的特性（被控对象是快速变化的还是慢变的）；

（4）执行机构的类型（执行机构的惯性大，采样周期应大）；

（5）控制算法的类型（采用太小的T会使得PID算法的微分积分作用很不明显；

控制算法也需要计算时间。

）；

（6）控制的回路数。

整定PID参数的方法：

（1）扩充临界比例度法；

（2）扩充响应曲线法；

（3）归一参数整定法。

扩充临界比例度法：

对模拟控制器中使用的临界比例度算法的扩充。

整定步骤：

①选择一个足够短的采样周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。

②用选定的采样周期使系统工作。

这时，数字控制器去掉积分作用和微分作用，只保留比例作用。

然后逐渐减小比例度δ（δ=1/KP），直到系统发生持续等幅振荡。

记下使系统发生振荡的临界比例度δk及系统的临界振荡周期Tk。

③选择控制度。

④根据选定的控制度，查表求得T、KP、TI、TD的值。

串级控制：

在原控制回路中，增加一个或几个控制内回路，用以控制可能引起被控量变化的其它因素，从而有效地抑制了被控对象的时滞特性，提高系统动态响应的快速性。

克服扰动的机理：

副回路提前对扰动进行抑制；

增大等效放大系数、减小等效时间常数。

主、副回路采样周期的确定：

一般不等，二者可大可小、相差3倍以上为宜。

主要扰动因素包括在：

副回路。

前馈控制：

对扰动量进行补偿的开环控制。

理论上：

影响多少，补多少。

实际：

不行。

前馈与反馈控制作用：

既能发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用。

第六章先进控制技术

模糊控制系统的组成：

模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置和被控对象。

模糊控制系统与通常的计算机控制系统的主要区别是采用了模糊控制器。

模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊系统的性能优劣，主要取决于：

模糊控制器的结构，所采用的模糊规则、合成推理算法以及模糊决策的方法等因素。

模糊控制器的组成：

模糊化接口、知识库（数据库和规则库）、推理机、清晰化接口。

清晰化的方法：

最大隶属度法、加权平均原则和中位数判决法。

模糊控制器设计步骤：

（1）模糊控制器的结构设计

（2）模糊规则的选择和模糊推理（3）清晰化（4）模糊控制器论域及比例因子的确定（5）编写模糊控制器的算法程序（6）双输入单输出模糊控制器设计。

二维模糊推理的3种方法：

Mamdani极小运算法、代数乘积运算法、Tsukamoto方法。

关系：

客观世界的各事物之间普遍存在着联系，描写事物之间联系的数学模型之一就是关系。

关系的分类：

自返性关系、对称性关系、传递性关系。

一个关系R，若对x∈X，都有xRx,即集合的每一个元素x都与自身有这一关系，则称R为具有自返性的关系。

一个X中的关系R，对x,y∈X,若有xRy，必有yRx，即满足这一关系的两个元素的地位可以对调，则称R为具有对称性关系。

一个X中的关系R，若对x,y,z∈X,且有xRy,yRz，则必有xRz,则称R具有传递性关系。

具有自返性和对称性的关系称为相容关系，具有传递性的相容关系称为等价关系。

模糊关系：

集合X到集合Y中的一个模糊关系是直积空间X×

Y中的一个模糊子集合。

集合X到集合X中的模糊关系，称为集合X上的模糊关系。

模糊关系也有自返性、对称性、传递性等关系。

模糊矩阵：

模糊矩阵是用来表示模糊关系的一种方法，矩阵中的aij表示集合X中第i个元素和集合Y中第j个元素隶属于模糊关系的程度。

记为：

。

在闭区间〔0,1〕中取值，我们把元素在闭区间〔0,1〕中取值的矩阵称为模糊矩阵。

第七章计算机控制系统软件设计

系统误差：

指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值保持恒定，或按照某种已知的规律变化。

特点是在一定的测量条件下，误差变化的规律是可以掌握的，产生误差的原因也是知道的。

包括零点偏移和漂移、放大器的增益误差、温度漂移等。

校准的方法有数字调零和自动校正，自动校正分为全自动校正和人工自动校正。

量化误差来源：

（1）A/D转换的量化效应；

（2）控制规律计算中的量化效应；

（3）控制参数的量化效应；

（4）D/A转换的量化效应。

非线性补偿：

对于有些测量，传感器的输出信号与被测信号成一定的非线性关系，测量输出与真实信号存在偏差，要修正这样的偏差，就要进行非线性补偿。

线性化处理：

传感器的输出电信号与被测量之间的关系一般呈非线性，仪器采用的测量和转换电路是非线性的，有些在一定的范围内可以近似认为呈线性关系，而在此范围外，线性度很差，因此为了扩大线性的应用范围，提高测量转换的灵敏度，通常用一个非线性特性来矫正非线性，对测量结果进行补偿，这就是线性化处理。

标度变换：

参数经传感器和A/D转换后得到一系列的数码，这些数码值并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，这种变换就是标度变换。

D/A转换器字长选择：

根据执行机构输入值范围和灵敏度来选择。

数字滤波技术：

通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。

数字滤波比模拟滤波有以下优点：

（1）不需加硬件设备；

（2）可靠性高，无需考虑阻抗匹配问

题；

（3）可以对频率很低的信号进行滤波，而硬件实现较困难；

（4）模拟滤波每个通道都须有

硬件，数字滤波可以多个通道共用；

（5）使用灵活、方便，根据需要选用不同滤波方法或改

变参数容易。

第九章计算机控制系统设计与实现

系统设计原则:

安全可靠、操作维护方便、实时性强、通用性好、经济效益高。

系统设计步骤:

（1）工程项目与控制任务的确定阶段；

（2）工程项目的设计阶段；

（3）离线仿真和调试阶段；

（4）在线调试和运行阶段。

系统总体方案设计：

（1）硬件总体方案设计；

（2）软件总体方案设计；

（3）系统总体方案。

硬件的工程设计与实现：

（1）选择系统的总线和主机机型；

（2）选择输入输出通道模板；

（3）选择变送器和执行机构。

软件的工程设计与实现：

（1）数据类型和数据结构规划；

（2）资源分配；

（3）实时控制软件设计。

系统的调试与运行：

1、离线仿真和调试：

（1）硬件调试

（2）软件调试（3）系统仿真2、在线调试和运行。

简答题部分

1.计算机控制系统

分类

以自动控制的方式分类：

开环、闭环、在线、离线、实时控制系统

以控制的规律分类：

程序和顺序控制、PID控制、最少拍控制、复杂规律控制、智能控制系统

以参与控制方式来分类操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、分布式控制系统、

计算机集成制造系统

特点及用途：

计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功

能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。

计算机技

术的发展已使整个人类社会发生了可观的变化，自然也应用到工业生产和企业管理中。

而且，计算机所具有的信息处理能力，能够进一步把过程控制和生产管理有机的结合

起来（如CIMS），从而实现工厂、企业的全面自动化管理。

2常用的数字滤波器有哪几种，各自的优缺点

●程序判断滤波

这是根据实践经验数据获得。

detE确定不太灵活，因为不能根据现场的情况不断更换新值，不能反映采样点数大于3的各采样值受干扰的情况

●中值滤波

对于克服偶然因素引起的波动干扰，或者采样器本身的不稳定所引起的脉动干扰较为有效

只适用于物理变化相对较缓慢的工作场合

●算数平均值滤波

对电压、流量等周期脉动的参数采样值进行平滑加工，所测数据相对稳定。

不适宜用于克服随机（脉冲性）干扰

●加权平均值滤波

可以根据需要突出信号的某一部分，抑制信号的另以部分。

●滑动平均值滤波

对周期性干扰有良好的抑制作用平滑度高

灵敏度低，对偶