计算机控制系统考试知识点总结.docx

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计算机控制系统考试知识点总结

第一章绪论

1、计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术的基础上产生的。

2、画出典型计算机控制系统的基本框图，并分别说明各单元的作用。

① A/D转换器：

将电信号转换成数字信号反馈给计算机；

②控制器：

将反馈信号与给定值信号进行比较，得到的偏差信号按照一定的控制算法输出数字控制信号 

③ D/A转换器：

将数字控制信号转换为模拟控制信号驱动执行器

④ 执行器：

接受模拟控制信号，改变被控对象的控制参数值

⑤ 被控对象：

工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。

2、简述计算机控制系统的一般控制过程。

（1）数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理。

（2）实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。

3、计算机控制系统的组成

4、与连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？

（1）计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。

（2）在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的（数字控制器），修改一个控制规律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。

（3）计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

（4）计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。

（5）一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。

（6）采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。

5、计算机控制系统的类型

（1）操作指导控制系统：

计算机的输出不直接控制被控对象，只是采集信息，操作人员根据结果操作执行机构，是一种开环控制结构。

（2）直接数字控制系统：

计算机通过检测元件对一个或多个系统参数进行巡回检测，并经过输入通道送入计算机。

计算机根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使系统的被控参数达到预定值。

（3）监督计算机控制系统：

由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳控制输出送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或者DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最佳工作状态。

（4）分级计算机控制系统：

装置控制级、工厂集中控制级、车间监督级、企业管理级

第二章计算机控制系统设计的硬件基础

1、开关量信号输入通道的主要作用是什么？

在计算机控制系统中，为了获取系统的运行状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输入。

2、模拟量信号输入通道的主要作用是什么？

把从控制对象检测到的模拟信号，转换成二进制数字信号，经I/O接口送入计算机。

3、开关量信号输出通道的主要作用是什么？

答：

在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关或启/停，某些控制算法也需要控制执行机构在一定时间T内全负荷工作一段时间t（0≤t≤T），这些控制可通过计算机开关量输出通道来实现。

4、模拟量信号输出通道的主要作用是什么？

把计算机输出的数字量转换成模拟量。

5、说明光电耦合器的作用、用法及注意事项。

光电耦合器的作用：

从工业现场获取的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，可能从现场引入高压信号损害计算机系统的安全。

因此用光电耦合器进行电气隔离。

（电气隔离和电平转换）

光电耦合器的用法：

当输入侧（即发光二极管）流过一定的电流IF时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。

这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。

光电耦合器的注意事项：

①输入侧导通电流：

要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使发光二极管发光。

不同的光电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流IF=10mA。

②频率特性：

受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。

因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔离器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。

③输出端工作电流：

光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。

一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。

④输出端暗电流：

这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。

在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。

⑤隔离电压：

它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。

⑥电源隔离：

光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。

光电隔离器件两侧的供电电源也必须完全隔离。

6、开关量输出的输出信号处理。

（1）隔离处理

（2）电平转换和功率放大（小功率低压开关量输出、继电器输出、晶闸管输出、功率场效应管输出、集成功率电子开关输出）

7、多路A/D转换器电路有几种常见方案，各有什么优、缺点？

（1）采用集成多路A/D转换器，或选择内含集成多路A/D转换器的微处理器。

优点:

设计简洁、可靠性高缺点：

有时各模拟量输入互相串扰。

（2）每个模拟量输入配置一个A/D转换器。

缺点：

当系统中模拟量输入较多时，硬件费用会迅速增加、可靠性降低，一般不采用这种方案，仅在考虑转换速度、各模拟量互相串扰等情况下使用。

（3）采取多路模拟量输入复用一个A/D转换器的方案。

8、在A/D转换器前使用采样-保持器有什么作用？

这里采样保持器中的“采样”和2.6节中的“采样”有何区别？

答：

在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换器的孔径时间（即转换时间）而造成较大的转换误差，克服的方法是在A/D转换器之前设置采样保持电路。

采样保持器平时处于“采样”状态，跟踪输入信号变化；进行A/D转换之前使其处于“保持”状态，则在A/D转换期间一直保持转换开始时刻的模拟输入电压值；转换结束后，又使其变为“采样”状态。

2.6节中的“采样”指抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程。

9、模拟量输入隔离、放大、滤波。

隔离：

光电隔离、共模电压的隔离（光电隔离、电容隔离技术、隔离放大器）放大：

测量放大器、程控增益放大器滤波：

硬件、软件

10、多路D/A转换器电路有几种常用方案，各有何优、缺点？

（1）为每一个通道设置一个独立的D/A转换器。

优点：

转换速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出现故障也不会影响其他通道的工作，相应软件的编制也比较简单。

缺点：

如果模拟量信号输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的D/A转换器时。

（2）多通道复用一个D/A转换器，并辅以多路模拟开关和采样保持放大器来实现。

这个方案是由计算机通过多路模拟开关分时地把一个D/A转换器的输出送至各个采样保持放大器，并由保持电容对模拟量信号进行保持。

优点：

成本较低。

缺点：

电路结构复杂、精度低、可靠性差，受运算放大器的输入阻抗、模拟开关和保持电容的漏电阻等因素的影响，导致保持电容上的电压信号逐渐衰减，需要计算机定时刷新输出，也因此占用了CPU的大量时间。

适用于输出通道不多且对速度要求不高的场合。

11、常用的集成稳压器

三端输出电压固定式正输出/负输出、可调式集成稳压器

12、简述典型的计算机控制系统中所包含的信号形式。

（1）连续信号：

连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的,也可以是断续的。

（2）模拟信号：

模拟信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值在某一时间范围内是连续的。

模拟信号是连续信号的一个子集，在大多数场合与很多文献中，将二者等同起来，均指模拟信号。

（3）离散信号：

离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。

（4）采样信号：

采样信号是离散信号的子集，在时间上是离散的、而幅值上是连续的。

在很多场合中，我们提及离散信号就是指采样信号。

（5）数字信号：

数字信号是幅值整量化的离散信号，它在时间上和幅值上均是离散的。

13、什么是采样或采样过程？

采样或采样过程，就是抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程，有时也称为离散化过程。

14、什么是采样开关？

常见的采样方式有几种？

完成采样操作的装置称为采样开关。

（1）周期采样：

指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。

（2）同步采样：

如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。

（3）非同步采样：

如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。

（4）多速采样：

如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。

（5）随机采样：

若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。

15、δ函数的数学定义是什么？

区分δ（t）和δ（t-kT）的含义，并画出它们的几何图形。

函数有下列性质：

。

即在任意t0时刻，δ函数的积分或δ函数的强度为1。

根据δ函数的这个性质，对任意连续函数f（t）和任意整数k有其中，T为采样周期。

从上式可以看出，δ（t-kT）可以把f（t）在kT时刻的值提取出来，也就是说，δ函数具有采样功能。

16、写出理想采样开关的数学表达式，并给出其图形表达方式。

函数表示为：

。

k为任意整数。

那么理想采样开关可以

描述为理想单位脉冲函数序列：

17、简述采样定理的基本内容及采样周期选取的一般原则

采样定理:

如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为,则对进行周期采样且采样角频率时，连续信号可以由采样信号唯一确定，亦即可以从无失真地恢复。

从理论上讲，采样频率越高就越能如实反映被采样的连续信号的特征信息。

但是，从计算机控制系统角度来讲，选取过高的采样频率会使系统对硬件的要求过高，造成成本攀升，并且还会使干扰对系统的影响明显上升。

因此，应该综合考虑计算机控制系统中采样周期的选择问题。

（按系统闭环频带选取、系统的开环传递函数选取、系统开环阶跃响应的上升时间选取、生产过程控制的经验选取）

18、什么是信号重构？

答：

把离散信号变为连续信号的过程，称为信号重构，它是采样的逆过程。

19、试推导零阶采样-保持器的传递函数，说明它和理想低通滤波器之间的特性差异。

引入零阶保持器对系统开环传递函数的极点有何影响？

答：

零阶保持器在奈奎斯特频率以外的增益不为零，在相位上相当于引入T/2的时间延迟，因此其性能劣于理想低通滤波器，信号恢复效果也稍差。

不影响。

20、数字滤波的概念及方法。

答：

是把A/D转换得到的数据通过软件按照一定的算法进行平滑加工等处理，再送给控制程序运算，以增强其有效信号、消除或减小各种干扰和噪声，从而提高控制精度和系统的可靠性与稳定性。

限幅滤波方法、中值滤波方法、算术平均滤波方法、一阶滞后滤波方法、复合滤波方法。

21、已知连续系统的开环传递函数为

试求采用计算机闭环控制时采样周期的选择范围。

答：

将系统的开环传递函数写成

从而：

T1＝0.25秒，1＝0.04秒，1＝2/32秒0.196秒。

得min＝0.04秒。

22、差分方程式离散系统的一个完整描述，它完全反映了一个实际物理系统的特征；系统的稳定性只取决于系统的通解，即系统的特征根；系统的动态特性取决于特征根的分布。

23、开关量输入信号基本类型：

1位的状态信号、成组的开关信号、数字脉冲信号。

24、共模电压是指多根信号线对参考电压的相等的部分。

若是相差的部分则为差模电压。

25、W7800系列是三端式正输出集成稳压器。

输入端1、输出端2、公共端3。

输入端和公共端之间电容C1为滤波电容，0.33uF，改善纹波和抑制高频干扰。

输出端和公共端之间电容C2，0.1uF，改善负载的瞬态响应。

W7900系列三端固定式输出集成稳压器。

W7800的3为公共端，W79001位公共端。

第四章计算机控制系统特性分析

1、稳定：

在有界输入作用下