计算机控制系统知识点.docx
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计算机控制系统知识点
第一章
1、什么是计算机控制系统？
与传统的控制系统相比，计算机控制系统的优点是什么？
答：
计算机控制系统：
用计算机代替常规控制系统中的模拟控制器对系统进行控制的系统。
优点：
具有精度高速度快、存储容量大和逻辑判断功能，看完实现高级复杂的控制方法，获得快速静谧的控制效果。
2、简述计算机控制系统的硬件组成和各自的功能。
答：
计算机控制系统的硬件一般由主机、接口和输入/输出通道、通用外部设备、执行机构、检测元件、仪表、操作台等部分组成。
主机：
采用一台或多台计算机，通过接口和I/O口通道，接收检测设备传来的信息并向控制系统的各个部件发出命令，同时计算机对系统的各个参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、分析报警、逻辑判断等。
接口与I/O通道：
主机与被控对象之间进行信息交换的纽带。
通用外部设备：
扩大计算机的功能，是计算机系统与操作人员的交互界面，用来完成信息的记录、存储、显示、打印、传送。
检测元件、仪表、执行机构：
检测元件和仪表用来测量生产对象的某些参数，并将非电量的被测参数转换为电量表示；执行机构接受CPU的命令使被控对象完成规定的控制动作。
操作台：
用来实现人机之间的交互功能。
3、计算机控制系统应当有哪些主要特征？
答：
1.实时性2.良好的输入/输出能力3.标准化和系列化4.模块化的系统结构5.可靠性（平均无故障时间、抗干扰能力强、具有定时自动启动功能和硬件自检功能）
4、计算机控制系统大致可分为哪几类？
简述各类计算机控制系统的结构和特点。
答：
计算机控制系统大致可分为以下五类：
1）数据采集系统（DAS，DataAcquisionSystem）
2）直接数字控制系统（DDC，DirectDigitalControl）
3）计算机监督系统（SCC，SupervisoryComputerControl）
4）分布式控制系统（DCS，DistributedControlSystem）
5）现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）
1）数据采集系统简称：
DAS
计算机只对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理，并将处理后的数据输出。
操作人员根据输出的数据，对生产过程出现的问题进行处理，计算机不直接参与生产过程的控制，该系统结构简单，安全可靠。
2）直接数字控制系统简称：
DDC
直接数字控制系统中，计算机经输入（AI或DI）对生产过程进行数据采集。
采集的数据进入计算机后与预先设定的值进行比较，或按照要求进行处理。
计算机根据比较和分析的结果，按照控制规律（如PID）经输出（AO或DO）对生产过程进行直接控制。
3）计算机监督系统简称：
SCC
计算机监督系统实际是两级计算机控制系统，上一级为SCC，下一级为DDC。
生产过程采集数据经AI、DI送DDC的同时也送SCC。
SCC根据采集的数据，经过计算后获得最佳设定值传送给DDC。
DDC对设定值和测量值进行比较，比较后的结果经AO、DO送出，对生产过程进行控制。
对计算机监督系统，要求SCC级具有强大的数据处理能力，存储容量大；DCC则需要实时性好、可靠性高和环境适应性好。
4）分布式计算机控制系统（DCS）又称集散式控制系统。
分布式计算机控制系统的特点是“控制分散，管理集中”
5）现场总线控制系统（FCS）
FCS是建立在网络基础的计算机控制系统。
现场总线是一种通信协议，是连接设备和系统的数字式网络。
现场总线使控制系统实现了现场网络通信、设备互连与互操作、全数字通信等。
现场总线的组成由监控设备、服务器和网桥、执行器、变送器、辅助设备等部分。
FCS与DCS系统相比有以下特点：
全数字信息传输系统结构更合理方便的互操作性
第二章
5、什么是PID控制算法？
其优点是什么？
答：
控制系统中，控制器的输出是其输入的比例、积分、微分（Proportional、Integral、Differential）的函数，简称PID控制
优点：
（1）PID控制技术成熟
（2）不需要求出系统的数学模型（3）控制效果好
6、试述PID算法的表达式中各项的作用。
答：
比例系数Kp决定控制
作用的强弱，Kp加大时可
减少系统的稳态误差，提高系统的动态响应速度，但Kp过大会引起振荡或导致系统不稳定。
积分项Ki/S用于消除系统的稳态误差，但积分项会使动态过程变慢，增大系统的超调量，使系统的稳定性变坏。
微分KdS的控制作用与偏差的变化速度有关。
微分能产生超前的校正作用，有助于减少超调和振荡，并能减少调整时间，从而改善系统的动态性能。
7、写出位置式PID和增量式PID的表达式，增量式PID与位置式PID相比有什么优点？
答：
数字PID控制的位置式：
对上式作Z变换
Z传递函数
式中：
Kp为比例系数
Ki=Kp*T/Ti为积分系数
Kd=Kp*Td/T为微分系数。
增量式数字PID的控制算式
将上式中同一时刻的输入值合并，则增量式PID控制算式可写为：
增量式数字PID控制算法有下列优点：
（1）位置式算法需要计算偏差的累加值，容易产生累计误差，而增量式算法只与三个采样值有关，误差可减少。
（2）位置式的积分项可能产生积分饱和与超调，增量式克服了上述缺点，使系统的过渡过程时间缩短，系统的动态性能得到提高。
（3）当过程控制系统中需要手动—自动切换时，增量式易于实现无冲击切换。
在实际工程中，大量使用增量式算法。
8、什么是不完全微分、积分分离的PID算式？
答：
不完全微分算法：
在PID算式中，当有阶跃信号输入时，微分项的输出急剧增加，引起高频干扰。
为了抑制高频干扰，可在数字调节器中串接一个低通滤波器。
积分分离算法：
在PID控制中积分项用于消除系统的稳定误差，但过大的积分会导致系统的稳定性变坏，出现饱和和较大的超调量。
可采用积分分离算法，在误差比较大，超过某一规定值时，取消积分，用PD控制，改善系统的动态特性；在误差比较小时，采用PID控制，保持稳态特性。
9、在数字PID中，采样周期如何确定？
采样周期的大小对调节品质有何影响？
答：
采样周期T的确定：
由采样定理，采样频率的上限fs≥2fmax时，系统可真实恢复原有的信号。
实际控制中，采样频率取值都取得较高，一般要根据被测参数的情况进行变化
影响采样周期的因素有以下几个方面：
（1）扰动频率：
当扰动频率高时，采样频率应相对提高。
（2）被控对象的动态特性：
被控对象的滞后和时间常数应作为考虑的因素，采样周期T应与滞后时间基本相符。
（3）控制的回路数：
当回路多时，采样周期应加大
（4）其它如采用的算法和执行器的类型、控制的精度等因素。
10、PID控制中，为何需要参数整定？
简述临界比例法、试凑法的的操作过程。
答：
工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。
PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。
不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。
试凑法
此方法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据PID各参数对系统的控制作用，反复调节试凑得到满意的结果为止。
试凑时按先比例、后积分、再微分的次序进行。
（1）调整比例系数KP，由小变大观察响应曲线的变化，达到满意为止。
（2）当KP不能达到控制效果时，须加入积分环节。
将积分时间常数，由大逐渐减小，并适当调整KP，观察系统特性，使其保持在良好的动态特性下消除稳定误差Ess。
（3）若动态特性不能满意，则再加入微分环节，调整时，将微分时间常数由小到大，观察系统特性。
（4）按步骤⑴，⑵反复试凑，直到满意为止。
3、临界比例法
该方法是一种简易的工程整定方法。
临界比例法是基于模拟调节器使用的一种PID参数整定方法，操作的步骤如下：
（1）选择一个足够短的采样周期；
（2）将输入到计算机控制系统，只取比例控制，逐步缩小比例度，直到系统产生等幅振荡，此时的比例度δu称临界比例度，相应的振荡周期Tu称为临界振荡周期。
3）选择控制度：
控制度指DDC的控制效果与模拟调节器控制效果之比，评价函数用误差平方积分
表示。
控制度=
对于模拟系统，其误差平方积分可按记录纸上的图形面积计算，而DDC系统可用计算机计算。
通常当控制度为1.05时，表示DDC系统和模拟系统的控制效果相当。
（4）根据控制度，查表可求出T、KP、KI和KD值。
（5）按照上方法求得的参数，通过实际运行观察控制效果，必要时可适当调整参数，直到获得满意的效果为止。
第四章
11、工业控制领域中常用的微型计算机有哪几种？
答：
控制系统中常用的微型计算机主要有以下几种：
（1）单片微型计算机和嵌入式系统
（2）可编程逻辑控制器（3）STD总线工控机（4）工业PC机
12、用单片机对系统进行控制时，通常需要扩充存储器，简述扩充中需注意的事项。
答：
1）地址和编码方式
（1）统一式编码方式单片机一般采用
（2）隔离式编码方式PC机采用
2）M的片选控制方式
（1）线选控制方式
（2）局部译码法（3）全译码法
3）M芯片的选择
（1）RAMSRAM、DRAM、IRAM
（2）ROM掩膜ROM、PROM、EPROM、E2PROM、闪速
存储器
4）与CPU的连接
（1）负载能力
较小系统CPU可与M芯片直接连接，较大系统时增加驱动器。
（2）时序的配合
尽量选与CPU速度相近的M芯片。
（3）M的地址分配
确定扩充M的容量，选择合适的芯片，画出地址分配图，选出译码器等其它器件，画出硬件连接图。
（4）搭出硬件电路并进行调试，制作集成电路板。
13、微机控制系统中，常用的显示器件有哪几种？
各自的特点是什么？
什么是动态显示和静态显示？
比较两者的优缺点。
答：
控制系统常用显示器：
1）显示和记录仪表2）LED和LCD3）CRT显示器4）大屏幕
1、LED显示器
（1）分为七段和米字型
（2）有共阴和共阳两种接法
（3）有红、黄、蓝、紫多种颜色
（4）已经有将4-6位集成在一起的多位LED数码管
●LED数码管的显示方法
（1）软件实现方法
①动态显示：
单片机定时对显示器件扫描，显示器件分时工作。
优点：
使用硬件少、线路简单、价格便宜
缺点：
占用机时长
②静态显示单片机一次输出显示后，一直保持显示结果，直到下一次送新的显示内容。
优点：
占用机时少、显示可靠
缺点：
使用硬件多、线路比较复杂、价格较高
（2）硬件实现方法
采用硬件译码器代替软件获得显示代码，其优点是节省CPU的机时，程序设计简单。
同样分为动态和静态两种。
2、LCD
LCD显示器是在两片玻璃间配置10-12um的薄层流体液晶构成。
和LED相比较LCD的特点是不仅能显示数字，还能显示图像。
LCD显示器的显示方式：
①笔段式：
类似7段LED显示器，为长条状显示像素组成的显示器。
②点阵字符式和点阵图形式：
显示像素连续排列，可以显示字符和各种图形曲线。
显示时需加驱动器控制。
14、试述可编程控制器PLC、STD工控机和工业PC机的主要特点和应用。
它们分别使用于何种控制系统？
答：
（1）PLC可编程控制器的
特点:
①可靠性高、抗干扰能力强②编程简单，使用方便③组合灵活，适用面广④丰富的I/O接口模块，功能齐全，扩充方便⑤体积小，体重轻，价格低。
应用：
①顺序控制②定时控制③过程控制④数据处理⑤数据处理⑥其他
实现的功能：
①顺序控制②过程控制③计数定时控制④模/数和数/模转换⑤数据处理⑥通信和联网⑦冗余控制⑧监控功能⑨其他功能
（2）STD工控机
特点：
①采用165×114mm的小板结构，机械强度好，抗冲击、抗震动、抗老化和抗干扰能力强；
小板上元件少，因此散热性能好，提高了系统的可靠性和可维护性。
此外，元器件都经过严格筛选和老化处理，使其产品的平均无故障间隔时间（MTBF）达60年。
②提供大量功能模块（近千种），模块设计标准化，用户可根据实际需要选择各种模块和软件构成工业控制系统。
既提高了设计的效率又降低了系统的成本。
③兼容开放式的总线结构，使STD总线可支持多种8位CPU，包括Z80、M68系列和PC系列的多种产品。
采用周期窃取和分时复用技术，可灵活地扩充升级16位和32位的CPU，配套性和兼容性好。
④总线模板上各接口之间呈直线连接，信号最短距离传送，运行速度高，减少了干扰，对软件（系统软件）采用固化措施，提高了可靠性。
应用场合：
由于以上特点，STD总线可适应工业现场的震动、灰尘、高温、有害气体、电磁干扰等恶劣环境，成为工业现场首选的控制机。
（3）工业PC机IPC
特点：
①可靠性高②实时性好③环境适应能力强④小板结构，模块化设计，完善的I/O通道⑤系统开放性好⑥性能价格比高
第五章
15、什么是传感器？
传感器有哪些主要的技术指标？
选用传感器应当遵循哪些规则？
答：
传感器是一种能感知某一被测量，并将被测量变换为相应的其它量的器件或装置。
传感器的技术指标：
（1）输入特性
l 量程测量上限与下限的差
l 过载超出传感器测量范围的最大允许输入值
（2）静态响应特性
l 精度测量结果与“真值”的靠近程度
l 分辨率对被测量相对变化的最高反应能力
l 灵敏性输出量变化值与相应输入量变化值之比
l 稳定性在一个较长时间内保持性能参数的能力
（3）动态特性
动态特性是指被测量在变化时传感器的输出量是否能追随输入量的变化，分为阶跃响应和频率响应两类，可根据其特性曲线的特征值来判定。
主要的指标是时间常数τ，上升时间Tr，建立时间Ts，过冲量α，衰减比δ等。
选用传感器的一般规则：
（1）与测量条件有关的事项
测量的目的、被测量的类型、测量的范围、测量所需的时间
（2）与传感器性能有关的事项
静态响应特性和动态响应特性。
（3）与使用条件有的事项
场所、温度、湿度、是否与其它设备相连、外界干扰、功率容量、外形尺寸、重量等。
（4）其它
传感器的性能价格比、生产厂家的服务、交货时间、保修时间、零配件的供应等。
16、在模拟量输入通道中，信号调理包括哪几部分？
答：
放大器、信号转换设备、滤波器
17、画出模拟量输入（输出）通道的结构图，说明各部分的作用。
答：
模拟量输入通道原理框图
多路开关：
1、将待测控的多路参数分时接通，送入通道进行A/D转换；
2、将计算机处理后的数据分时的经D/A转换成模拟信号，控制执行器的执行。
两种用途可采用同一种多路开关，但具体任务不同，常将前者称为多路开关，后者称为多路分配器。
18、解释下列名词：
采样、量化、编码。
答：
采样：
将模拟信号变为一串脉冲信号，采样的输出跟随模拟量输入的变化。
保持：
保持采样时的信号不变，直到保持命令撤消为止，以便完成A/D转换。
量化：
将采样时刻的信号按最小量化单位取整。
编码：
将量化后的信号转换为二进制码形式，即数字量，属于无误差的等效转化，编码后的数字量可由计算机识别并处理。
解码：
将数字信号转化为模拟脉冲信号。
19、什么是孔径时间（TAP）和捕捉时间（TAC）？
答：
孔径时间指保持命令发出后到逻辑输入控制的开关完全断开所需时间。
TAP的存在影响A/D转换的精度。
捕捉时间是采样命令发出后，输出值从保持值到达当前输入信号值所需时间。
TAC影响采样频率的提高。
20、A/D转换器按转换方式如何分类？
叙述各种转换方式的优缺点。
答：
A/D转换器按转换方式分类：
逐次逼近型、双积分型、V/F、Σ-Δ型变换器
21、D/A输出中，解释
（1）什么是单极性和双极性输出？
（2）什么是左对齐和右对齐
答：
（1）单极性输出：
指输入的数字量为最小到最大时输出电压全为正或全为负。
在电压输出型的D/A转换器中，因其片内含有一级运算放大器，已经将模拟电流量转换为模拟电压量输出，因而属于单极性输出类型；而电流输出型的D/A转换器中，为了保证梯形电阻网路各支路及各臂压降稳定不变，必须将OUT1端接“虚地”。
因此，常常将电流输出型的D/A转换器的电流输出端与一电压放大器相连接，而构成单极性的电压输出方式。
双极性输出：
指输入的数字量为最小到最大时输出电压部分为正部分为负。
在随动系统中，例如伺服电机控制系统，由偏差产生的控制量，不仅与其大小有关，而且还与控制量的极性有关，因而要求D/A转换器为负载提供双极性电压的输出方式。
（2）××××D11D10D9D8D11D10D9D8D7D6D5D4
D7D6D5D4D3D2D1D0D3D2D1D0××××
（a）向右对齐数据格式（b）向左对齐数据格式
“向右对齐数据”时，将单片机的D0-D7与D/A转换器的D0-D7连接，再将单片微机的数据总线中D3~D0与D/A转换器的D11~D8对应连接起来。
“向左对齐数据”时，将单片机的D0-D7与D/A转换器的D11-D4连接，再将单片微机的数据总线中D7-D4与D/A转换器的数字输入端D3-D0对应连接起来。
22、在控制系统中，执行器按所需能量分，分成哪三类？
各自的优缺点是什么？
答：
A.电动执行器。
●分为电机式和电磁式两类。
电机式包括伺服电动机、步进电机等。
电磁式包括继电器、接触器、电磁阀、电磁离合器等。
●电动执行器具有响应速度快，与计算机接口容易等优点，成为计算机控制系统的主要执行机构。
●其中步进电机由于可以直接接受数字量，并且执行速度快、精度高，在计算机控制系统中得到了广泛的应用。
B.气动执行器。
●气动执行器分为薄膜式和活塞式两种。
●气动执行器由接收器、喷嘴挡板结构、气马达或作动筒等部分组成。
接收器接受计算机发来的控制命令，将电量信号转变为气压信号，驱动气马达或作动筒运转，开启或关闭阀门，完成执行功能。
●气动执行器的优点是结构简单、输出推力大、价格低廉、防火防爆，常用于石油、化工、冶金、电力等部门。
C.液压执行器。
●液压执行器由控制部分（节流阀、射流喷管、可调泵）和执行部分（液压马达、动力作动简）组成，可将油液压力转变成机械能，驱动负载直线或回转运动。
●液压执行器的优点是能进行无级变速、输出功率大、结构简单、维修方便，常用于传送大扭矩和推力的场所。
23、在开关量输入/输出系统中，为何要采取隔离措施，常用的隔离措施有哪几种？
开关量输入/输出电路中常采用哪几种保护方法？
答：
开关量：
继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。
对于开关量控制的器件，在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如不处理可能造成计算机控制系统的损坏和误动作。
因此在开关量输入/输出通道和接口设计中，必须考虑信号的调理和隔离。
常用隔离措施：
a、光电隔离b、继电器隔离c、变压器隔离
开关量输入/输出电路中常采用保护方法：
24、说明继电器的工作原理，选用继电器应考虑哪些因素？
答：
继电器是电器控制中最常用的一种控制器。
继电器由通电线圈和触点（常开或常闭触点）构成。
工作原理：
当线圈通电时，由于磁场的作用，使开关触点闭合或打开，接通或断开执行器，完成控制功能。
通电线圈用直流低电压控制（如9V、12V、24V），触点输出部分可以直接与220V或380V市电和工业用电相连。
选用继电器时应当考虑下面因素：
a继电器的额定工作电压（或电流）。
b接点的数量、种类和负荷、吸合和释放的时间。
c继电器的体积和封装形式。
d继电器的工作环境。
25、SSR与继电器相比有何优点？
答：
继电器触点吸合时容易产生火花，引起干扰，影响系统可靠性。
SSR用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，并将光电隔离器融为一体（是一种带光电隔离的无触点通断型大型功率电子开关）。
它比电磁继电器工作可靠，并有寿命长，对外干扰小、抗干扰能力强、开关速度快、使用方便、输入与TTL和CMOS电平兼容等特点，故在工业控制中应用广泛。
26、在计算器控制中，采用哪几种大功率器件驱动执行器的工作？
答：
a门电路b大功率管c继电器和固态继电器d可控硅
27、试述步进电机的结构特点和工作原理。
答：
步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行器件，广泛应用于工业过程控制和仪表中。
结构特点与工作原理：
步进电机由定子转子组成，转子由多个矩形小齿均匀分布在园周上；定子嵌装有多相不同连接的控制绕组，定子的绕组线圈，由专用的电源供给电脉冲信号，使定子的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，使转子转动一定的角度。
步进电机转子的角位移与控制脉冲间精确同步，可以通过改变脉冲频率来调速，具有精度高、能快速启停等优点。
28、在三相步进电机中，说明：
（1）三相的含义
（2）三相单三拍、三相双三拍、三相六拍的通电顺序
答：
（1）三相：
电机的定子上有6个等分磁极，A、A′，B、B′，C、C′，相邻两个磁极间夹角600，相对两个磁极组成一相，构成A-A′，B-B′，C-C′三相。
（2）a三相单三拍，通电顺序为ABCA
b三相双三拍，通电顺序为ＡBBCCAＡB
c 三相六拍，通电顺序为ＡABBBCCCAＡ
第六章
29、计算机控制系统的软件的分类、软件应具有哪些主要特点？
什么是顺序查表法、计算查表法和对分查表法？
答：
计算机控制系统的软件的分类：
系统软件和应用软件
计算机控制系统的软件应当具有以下特点：
a、实时性对系统的一组特定的输入，在未发生变化前，系统能作出适当的反应。
b、并发性能支持多任务并行操作，具有资源共享、保护功能并能有效地进行联网通信。
d、随机性能及时响应偶发性事件，并能对这些事件做出正确的判断和处理。
e、良好的界面软件应当有友好的界面，以利于参数的调整和操作人员的操作。
顺序查表法：
对无顺序排列的表格，一般采用顺序查表法。
顺序查表的步骤如下：
（1）表的起始位置送PC和DPTR
（2）表格的长度存放在某个寄存器中
（3）要查找的关键字放在某一内存单元
（4）用CJNEA，direct,rel指令进行查找
计算查表法：
根据所给元素，通过一定规律的计算，求出元素所对应的数值的地址，将该地址单元的内容取出。
计算查表法要求表格有序，各个元素在表中排列与占用的地址空间一致。
对分查表法
当实际应用中表格较长，又难以用计算法时，可用对分查表法。
对分查表法要求表格从大→小或从小→大的顺序排列。
对分查表法比顺序查表法快很多倍。
l设一个线性表字节长度为n，采用顺序法平均查表次数=N/2，采用对分查表法最多查找㏒2N-1次。
l具体方法：
设表格中数据从小→大的顺序排列，先取中间值D=n/2，与要搜索的X值进行比较，若X﹥n/2，则下次取n/2-n中间值即3/4n进行比较，若X﹤n/2，取1/4n比较，一直到找到。
30、数字滤波与RC滤波器相比有那些优点？
答：
数字滤波与RC滤波相比，有以下优点：
a无需增加硬件，只需编写一段数字滤波程序
b可多通道共享，不存在阻抗匹配问题，可靠性高
c滤波的频率范围宽，如可对0.01HZ的信号进行滤波
d可改变参数或
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