中南大学计算机控制考试重点.docx

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中南大学计算机控制考试重点

中南大学计算机控制技术考试重点

第一章绪论

1、操作指导控制系统

工作原理：

参数检测（数据采集）；最优设定计算；认可与修正；输出设定值，供操作人员参考；下一级调节器完成闭环控制。

系统特点：

开环系统；参谋作用；结构简单，控制灵活安全。

人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。

2、直接数字控制系统（DDC）

系统特点：

计算机不仅能完全取代模拟调节器参加闭环控制过程，而且不需改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制规律，是计算机用于工业生产过程控制的一种最典型的系统。

3、监督控制系统（SCC,SupervisoryComputerControl）

工作原理：

计算机按照描述生产过程的数学模型或其它方法，计算出最佳给定值送给模拟调节器或者计算机按照描述生产过程的数学模型或其它方法，计算出最佳给定值送给模拟调节器或者DDC计算机。

主要功能：

参数采集；模型修改；设定计算；过程监控；通信。

系统特点:

闭环系统；不直接作用于生产过程；保持生产过程在最优状态下运行；对软件要求较高。

4、集（分）散控制系统（DCS,DistributedControlSystem）

工作原理:

由若干台微处理器或微机分别承担部分任务，并通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现复杂的控制和优化。

由若干台微处理器或微机分别承担部分任务，并通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现复杂的控制和优化。

系统特点:

采用4C技术（Computer,Control,Communication,CRT）；采用分散控制，集中操作，综合管理和分而治之的设计原则；硬件积木化；软件模块化；控制系统组态；具有通信网络；可靠性高。

（系统结构，冗余技术，自诊断功能，抗干扰措施，高性能元件）

5、现场总线控制系统FieldbusControlSystem，简称FCS

将现场仪表和控制室仪表连接起来的全数字化、双向、多站的互联通信网络。

是新一代分布式控制结构。

现场总线控制系统的出现对DCS作了很大的变革，主要表现在：

⑴信号传输实现了全数字化，从最低层逐层向最高层均采用通信网络互联；

⑵系统结构采用全分散化；

⑶现场设备具有互操作性；

⑷通信网络为开放式互联网络；

⑸技术和标准实现了全开放。

能充分发挥上层系统调度、优化、决策的功能，更容易构成CIMS系统并更好的发挥作用

6、计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufactureSystem）

通过分布式数据库、网络通信和自动化系统的环境支持，将产品设计、产品制造及信息管理

三个功能集成在一起。

解决总体目标或总任务的全局多目标最优，即企业综合自动化问题。

7、计算机控制系统的优缺点

优点：

（1）对于外部环境的低灵敏性，如环境温度、湿度和元器件使用时间等。

（2）数字信号传输成本低，抗干扰能力强。

（3）没有参数漂移现象。

（4）可靠性高。

（5）能够以较低的成本完成非常复杂的工作。

（6）通过软件很容易改动系统，具有很高的适应性。

（7）能够实现多个系统的协调控制，如机器人多关节控制等。

（8）能够实现复杂的控制，如前馈控制、自适应控制、智能控制等。

缺点：

（1）由于数字计算的有限精度引入了误差（或噪声）。

（2）由于计算机控制的离散时间特性，其控制变化陡峭。

（3）高性能控制算法的工程实现较复杂。

（4）对于系统的运行速度有较大的限制，即计算机控制系统的频带比实现同样功能的模拟控制系统要窄。

第二章输入输出接口与过程通道

1、开关量（数字量）的种类：

（1）电平式为高电平或低电平；

（2）触点式为触点闭合或触点断开。

2、输出驱动电路

功能：

输出锁存器输出的信号的电压等级、输出功率无法满足执行机构的要求，应进行隔

离处理、电平转换和功率放大。

根据被控对象控制信号的作用要求，将开关量输出信号转变为以下形式：

TTL电平逻辑信号、电子无触点开关输出和继电器输出等。

3、过零检测电路（零交叉电路）：

可使交流电压变化到零状态附近时让电路接通，从而减少干扰。

电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。

4、传感器：

非电量转换为电信号的器件，称为“传感器”。

（mV，μA，V，R，C）

常用传感器如：

光敏传感器、温度传感器、压敏传感器、超声传感器、流量传感器、压力传感器、转速传感器、位置传感器、电压）

5、传感器（Transducer）：

非电量→电压、电流

变送器（Transformer）：

转换成标准的电信号

I/V变换：

电流（0-20mA）→电压（0-5V）

多路转换器（Multiplexer）：

多选一

采样保持器（SampleHolder，S/H）：

保证变换时信号恒定不变

A/D变换器（A/DConverter）：

模拟量转换为数字量

6、多路转换器

1）功能：

将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。

2）要求：

开路电阻无穷大、导通电阻无穷小、切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。

3）基本形式：

（1）机械触点式

（2）电子无触点式

7、A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。

转换方式包括：

并行比较式：

转换速度快，但精度低。

双积分式：

转换时间长（几十毫秒~几百毫秒），精度高，抗干扰能力强

逐次逼近式：

转换时间短（几微秒~几百微秒），可很好地兼顾速度和精度，抗干扰能力差，在16位以下的A/D转换器中广泛应用。

常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的

ADC0809，12位分辨率的AD574等。

8、D/A转换器是将数字量转换成模拟量的元件或装置，是模拟量输出通道的重要组成部分。

D/A转换器根据输出模拟量的形式分为电压型和电流型两种。

对后者，可以外接运算放大

器将输出电流转换成电压，并提高带负载能力。

常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常都带两级缓冲寄存器。

9、干扰：

就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。

抗干扰的重要性：

系统的可靠性，是系统的生命线，决定了系统是否能长期运行，会不会被淘汰。

系统的可靠性，主要取决于硬件的可靠性，特别是外围通道的可靠性。

系统的抗干扰能力，是提高系统可靠性的关键。

因此，必须采取有效的抗干扰措施，才能保证系统可靠工作。

噪声干扰存在的三要素：

干扰源；干扰的传输通道；接收设备（需保护免受干扰的设备）。

抑制干扰的方法：

包括硬件和软件。

本节主要说明硬件抗干扰技术。

（1）屏蔽

（2）接地（3）滤波（4）隔离（5）消除噪声源

10、设置地线的目的：

1）为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰，常称为工作接地；

2）为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，这称为保护接地。

11、设计接地的一般原则

1）分离原则：

各种地线分别设置，且各自形成回路。

一般采用分别回流法单点接地。

回流线采用汇流条而不采用一般导线（减少自感，减少干扰的窜入途径）；数字地汇流条与

模拟地汇流条隔开；机壳地与信号地隔开。

2）单点接地原则：

低频电路（f<1MHZ）应单点接地。

避免形成地环路，避免地环路产生的电流引入到信号回路中引起干扰。

而布线及元件间的电感影响不大。

3）就近接地原则：

以最短路径接地。

高频电路（f>10MHZ）应多点接地。

因为高频时，地线上的电感增加了地线阻抗，且各地线间产生电感耦合；在1至10MHZ间若用单点接地时，地线长度不得超过波长的间若用单点接地时，地线长度不得超过波长的1/20，否则应多点接地。

4）合理确定地线形状：

包括宽窄、精细及分布方式等。

第三章数字控制技术

1、步进电机的特点：

①快速起动、反转和制动，有较宽的调速范围；

②定位精度高。

③在负载能力范围内，其转速不受电源电压波动或负载环境条件的影响，仅与脉冲频率成正比。

2、相数（定子绕组的组数）：

三、四、五、六、八相。

起动频率：

即电动机不丢步地起动的最高频率，它反映了带有步进电机的系统的工作速度及可靠性。

起动频率的值是和一定的负载条件相对应的，空载条件下称为空载起动频率；额定负载时，称为额定起动频率。

负载越小，电机的起动频率越高。

最高运行频率：

步进电动机连续正常运行时所能接受的最高控制脉冲频率称为最高运行频率，通常远大于起动频率。

3、步进电机控制

－改变输出脉冲数，控制步进电机的走步数，即控制位移量；

－改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的转向，正转、反转；

－改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速

4、脉冲序列的生成：

用软件实现脉冲波的方法是：

先输出一高电平，然后利用软件延时一段时间，再输出低电平，并延时。

延时时间的长短由步进电机的工作频率决定。

步进电机方向控制：

如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电，则步进电机正向转动。

反之，如果按上述相反的方向进行通电，则步进电机反向转动。

所谓步进电机方向控制，实际上就是按上述某一控制方式（根据需要进行选定）所规定的顺序送脉冲序列（输出字），即可达到控制步进电机方向的目的。

第四章常规极复杂控制技术

1、PID控制器的数字化属于模拟化设计方法，是由连续系统PID控制发展起来的。

　　　具有原理简单，易于实现，鲁棒性（Robustness）好和适用面广等优点。

PID算法是指对偏差值进行比例、积分和微分处理。

2、增量式PID：

是对位置式PID取增量，这时数字控制器输出的是相邻两次采样时刻所计算的位置值之差。

优点：

（1）计算机只输出增量，误动作时影响小，必要时可增设逻辑保护;

（2）手动/自动切换时冲击小;

　　（3）算式不需要累加，只需记录四个历史数据，即e（k-2）,e（k-1）,e（k）和u（k-1），占用内存少，计算方便；避免了计算误差和计算精度造成的累加误差的影响；在实际系统中，如执行机构为步进电机，则可以自动完成数字PID的增量式的计算功能。

3、1）PID常用口诀:

 参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低4比1，

2）一看二调多分析，调节质量不会低 

3）PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照：

温度T:

 P=20-60%,T=180-600s,D=3-180s

压力P:

 P=30-70%,T=24-180s, 　　

液位L:

 P=20-80%,T=60-300s, 　　

流量L:

 P=40-100%,T=6-60s。

4、有纹波：

对任意两次采样时刻之间的输出不提任何要求（设计过程和设计结果均较简单），只能保证系统输出在采样点上误差为0而采样点之间不能保证误差为零。

无纹波：

在采样点上及采样点之间均能保证误差为0。

这是以牺牲快速性为代价的，它的调节时间长于“有纹波”系统（一般至少长一拍）。

5、最少拍系统性能要求：

①稳定性；

②准确性：

对典型输入无稳态误差。

仅在采样点上无稳态差为有纹波；在采样点之间也无稳态差为无纹波；

③快速性：

过渡过程尽快结束，即调节时间为有限步；

④数字控制器的物理可实现性。

优点：

方法简单，结构简单，整个设计过程可解析地进行。

为“最低标准设计”

局限性：

（1）对输入形式的适应性差（指定输入），针对某种典型输入设计的最少拍系统对其它类型输入不一定是最少拍，甚至会有很大的超调和静差。

（2）、最少拍控制器的可实现性要求

最少拍系统设计的可实现性是指：

控制器当前的输出信号只能与当前时刻的输入信号、以前的输入信号和输出信号有关，而与将来的输入信号无关，即要求数字控制器的z传递函数D（z），不能有z的正幂项zi　（即不能含有超前环节）。

（3）最少拍控制器的稳定性要求：

①当G（z）有单位圆外或圆上的零点时，在Φ（z）表达式中应把这些零点作为Φ（z）的零点而保留。

②当G（z）有单位圆外或圆上的极点时，在Φe（z）表达式中应把这些极点作为Φe（z）的零点而保留

6、最少拍有纹波控制器设计步骤如下：

（1）根据被控对象的数学模型求出广义对象的脉冲传递函数G（z）。

（2）根据输入信号R（z）及对象G（z），由最少拍特性、稳定性和可实现性条件，确定Φ（z）、Φe（z）。

（3）将G（z）、Φ（z）、Φe（z）代入下式

进行Z域运算，即可求出数字控制器的脉冲传递函数D（z）。

（4）根据结果，分析控制器效果，求出控制序列（还可画出系统的响应曲线、误差曲线等）。

7、无纹波设计：

是指在典型输入信号的作用下，经过有限拍后，系统达到稳态，并且在采样点上和采样点之间均没有纹波，输出误差为零。

设计最少拍无纹波控制器的必要条件：

（1）对阶跃输入，当t≥NT时，有y（t）=常数；

（2）对速度输入，当t≥NT时，有=常数；

（3）对加速度输入，当t≥NT时，有=常数。



结论：

被控对象必须具有足够的积分环节是实现无纹波控制的必要条件

最少拍无纹波系统确定Φ（z）的约束条件

①最少拍无纹波设计，要求Φ（z）包含G（z）的全部零点。

②相对最少拍有纹波系统设计，无纹波系统的调整时间要增加若干拍，增加的拍数等于G（z）在单位圆内的零点数；

8、纯滞后对系统的影响：

将使系统的稳定性下降，尤其当t比较大时，系统趋于不稳定，因此，常规的调节规律D（s）很难使具有纯滞后的系统获得满意的控制性能。

当

时，采用常规的PID控制难以得到好的控制效果，对此类系统进行设计时，为得到较好的控制性能，可适当增加调节时间。

9、串级：

在DDC系统中，有多个调节器（控制器）串接，前一级的控制输出就是后一级的输入设定值，即

。

这种DDC系统称为“串级”控制系统。

为什么采用“串级”控制

（1）实际控制的需要：

　有的系统同时有几个因素影响被控量，若仅对其中一个因素进行控制，系统无法满足性能要求。

需要通过控制多个因素来调节被控量。

因而会增加相应的内控回路。

（2）采用串级控制的优点：

1、等效副对象的时间常数小于原时间常数，因此串级系统的响应速度快；

2、等效副对象的放大系数小于原放大系数，因此允许主回路放大系数适当增大，提高了系统的静态精度及抗干扰能力；

3、副回路有较强的抑制扰动的能力；

4、系统对负荷变化的适应能力更强。

串级副回路抑制扰动的能力比单回路控制高出十数倍至上百倍

10、串级控制系统的设计原则

（1）将系统中主要的扰动包含在副回路中，可在扰动影响主回路被控参数之前，使扰动的影响大大削弱。

（2）当主回路的积分控制造成的相角滞后对系统的影响较大时，应该尽量将积分环节包含于副回路中，有利于改善系统的品质。

　（3）必须有一个可以测量的中间变量作为副回路被控参数，或选择可以通过观测分析由下游状态推断上游状态的中间变量。

　（4）主、副回路的采样周期不同时，应该T1≧3T2，即二者之间相差三倍以上。

11、副回路微分先行的目的P139

⑴防止主调节器输出（即副调节器的给定输入）变化过大而引起副回路不稳定；

⑵克服副对象惯性较大而引起调节品质的恶化，加快响应速度，改善控制质量。

12、前馈与反馈的比较

（1）控制方式

　　　反馈：

按偏差计算控制量，进行闭环调节控制；

　　　前馈：

按扰动计算补偿量，进行开环控制。

（2）控制效果

　　　反馈：

按输出偏差进行闭环调节，对各种扰动均有抑制作用，控制作用落后于扰动的作用；

　　　前馈：

按指定扰动进行开环校正，只对指定扰动有抑制作用，对其它未被引入前馈控制器的扰动量无任何补偿作用。

（3）优势互补

　　　反馈为主：

抑制各种扰动。

前馈为辅：

完全补偿指定扰动。

（4）前馈控制系统的主要特点：

是一个开环系统；应用前提是扰动可测；只能针对某一特定的干扰实施控制；较少单独使用，一般结合反馈控制，构成前馈-反馈（Feedforward-Feedback）控制。

13、耦合影响：

两个控制回路之间的耦合，会造成两个回路很久不能平衡，影响系统稳定工作。

　解决措施：

“解耦”，化为两个相互独立的等效回路，消除回路间的相互影响。

多变量系统解耦的条件为：

Φ（s）为对角线矩阵。

P147

（解耦的条件可转化为：

GK（s）为对角线矩阵。

）

　转化的目的：

实现方便，便于解耦补偿。

解耦的根据：

在D（s）和G（s）之间，引入解耦补偿装置F（s），使得GKF（s）为对角阵，从而使Φ（s）为对角阵，满足系统解耦的条件。

第五章现代控制技术

第六章应用程序设计与实现技术

1、数据处理：

1）对传感器输出的信号进行放大、滤波、I/V转换等处理，通常称为信号调理；

2）对采集到计算机中的信号数据进行进行一些处理，如进行系统误差校正、数字滤波，逻辑判断、标度变换等处理，通常称之为一次处理；

3）对经过前两步得到的测量数据进行分析，寻找规律，判断事物性质，生成所需要的控制信号，此称为二次处理。

信号调理都是由硬件完成，而一次和二次处理一般由软件实现。

注意：

通常所说的数据处理多指上述的一次处理。

一次处理的主要任务是提高检测数据的可靠性，并使数据格式化、标准化，以便运算、显示、打印或记录。

2、人工自动校准原理与全自动校准的不同：

①基准信号来源不同，②不是自动定时校准，在需要时由人工接入标准参数进行校准测量。

③零信号的补偿由数字调零完成。

人工自动校准电路图

3、传感器具有非线性转换特性，所测量的模拟信号与被测量的参数不是线性关系，但为了便于显示和数据处理，希望计算机输出的数据与被测物理量之间的数值是线性的，因此需进行线性化处理及非线性补偿，将非线性关系转化成线性关系。

常用的方法：

1）查表法：

较精确的非线性处理方法；

2）用数学表达式换算：

测量数据与转换的电信号之间有明确的数学表达式

3）折线近似及线性插值：

将曲线分成若干段，然后进行分段线性化，用多段折线代替曲线。

4、在计算机系统中，经传感器和A/D变换后得到的一系列数字量并不等于原来带有量纲的参数值，仅对应于参数值的大小，故必须把它们转化为带有量纲的数值才能运算、显示和打印输出，这称为标度变换

标度变换方法：

1）线性变换公式（参数值与A/D转换结果之间呈线性关系）

2）公式转换法（传感器测出的数据与实际的参数不是线性关系，它们有着由传感器和测量方法决定的函数关系，且这些函数关系可用解析式表示）

3）多项式插值法，也可以采用线性插值法或查表进行变换。

4、常用的数字滤波方法有哪些？

分别能滤除什么类型的干扰信号？

若某计算机测量系统工作性能有时不太稳定，且被测信号受现场电磁干扰影响，应对测量数据作怎样处理才能保证检测数据较为准确？

答：

常用的数字滤波方法有算术平均值法、中值滤波法、限幅滤波法和惯性滤波法等。

　　算术平均值法能滤除周期性干扰信号；中值滤波法和限幅滤波法能滤除偶然性脉冲干扰信号；惯性滤波法能滤除高频及低频干扰信号。

　　可采用限幅滤波、中值滤波和平均值滤波相结合的方法处理数据。

5、

某液位测量系统检测范围[0，1000mm]，液位变送器输出信号为[1，5V]，用12位A/D转换器进行采样。

该A/D转换模板的输入量程可设定为[-10V，+10V]，[-5V，+5V]，[-2.5V，+2.5V]，[0，2.5V]，[0，5V]，[0，10V]或[0，20V]，应如何选择A/D转换器的输入量程才会有较高的测量精度？

计算该量程下的实际分辨率是多少（精确到0.0001mm/bit）？

若A/D转换的结果为0400H，对应的液位高度是多少（精确到1mm）？

（10分）

第八章分布式测控网路技术

1、RS－422A：

采用平衡驱动差分接收电路，驱动器：

MC3487（发送器）；接收器：

MC3486；

RS-422采用全双工通信，每个通道要用二条信号线，只能有一个发送器，可以有多个接收器，因此通常采用点对点通讯方式。

传输过程：

①通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送。

②通过传输线接收器，把电位差转变成逻辑电平，实现终端的信息接收。

主要性能及优点：

①传送速率可达100Kbps（波特）；

②传输距离可达1200M；（传输距离相同时,传输速率较RS—422慢）。

③不受地电位波动和共模干扰影响（差分平衡结构）；

④1台驱动器/10台接收器。

（最多允许）

2、RS－485（半双工通信）：

只需要一对平衡差分传输线。

数据传输驱动方式：

①采用平衡差分驱动方式；②由于“半双工”，发送器和接收器的输出，均需由使能信号（

）控制；③驱动/接收电路与RS－422A基本相同。

主要性能及优点：

RS－485是一种多发送器的电路标准，它是RS-422A性能的扩展，是真正意义上的总线标准（允许挂接32台RS-485负载设备）

①不受地电平波动和共模干扰的影响；

②构成“半双工”通信方式时，传输线只需一对；

③32台驱动器/32台接收器；（最多允许）

④传输速率/传输距离为：

12m/10Mbps；120m/1Mbps；1200m/100Kbps。