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《计算机控制技术》自学指导书

一、课程名称：

计算机控制技术

二、自学学时：

60课时

三、教材名称：

《计算机控制技术》，顾德英等主编，北京邮电大学出版社

四、参考资料：

1、《微型计算机控制技术》，黄勤主编，机械工业出版社

2、《计算机控制技术》，薛弘晔主编，西安电子科技大学出版社

五、课程简介：

《计算机控制技术》是电子工程、自动化专业专业必修的专业基础课和专业主干课程之一。

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。

它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

计算机控制技术课程侧重讨论工业控制过程中所涉及的具体方法与技巧。

旨在使学生运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代工业控制过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的控制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。

六、考核方式：

闭卷考试

七、自学内容指导：

第一章计算机控制系统概述

1、本章内容概述：

微型计算机控制系统的微型计算机控制系统的结构原理、微型计算机控制系统的分类以及微型计算机控制系统的组成。

2、自学学时安排：

4学时

3、知识点：

A、计算机控制系统的构成及其特征是什么？

P1

B、按照计算机控制系统中信号的传输方向，系统的信息通道由那几部分组成？

P3

C、简述与模拟控制系统比较，计算机控制系统的重要功能特征是什么？

P3—4

D、简述根据计算机控制系统基本框图，计算机控制过程可归结为几个步骤？

P4

E、计算机控制系统的硬件由哪些组成？

P4—5

F、计算机控制系统按功能分类有哪几种？

P6

G、计算机控制系统软件有什么作用？

P6

H、说明DDC与SCC的系统工作原理、特征以及它们之间的区别和联系？

P7—8

I、DCS与FCS各有什么特点？

P8—10

G、离散控制理论包括哪些内容？

P12

K、新型控制策略有哪些特点？

P13—14

L、计算机控制技术的主要发展趋势是什么？

P14—15

4、难点：

（1）计算机控制系统的硬件组成。

（2）DDC与SCC的系统工作原理。

（3）离散控制理论

5、章节同步习题（客观题）：

单选题：

（1）利用计算机的存储记忆、数字运算和显示功能，可以同时实现模拟变送器、控制器、指示器、手操作器以及记录仪等多种模拟仪表的功能，并且便于（）。

A、监视和操作B、数据采集C、维修D、质量检查

（2）系统调试、参数整定灵活方便，系统控制方案、控制策略以及控制算法及其参数的改变和整定，通过修改软件或改变参数即可实现，不需要更换或变动（）。

A、控制系统B、控制线路C、机器设备D、硬件

（3）计算机快速运算能力，通过分时工作可以实现一台计算机同时控制多个回路；并且还可以同时实现直接数字控制、监督控制、（）等多种控制功能。

A、模拟控制B、直接控制C、顺序控制D、间接控制

（4）网络的分布结构可以构成（）、管理集成系统，实现工业生产与经营的管理、控制一体化，大大提高企业的综合自动化水平。

A、计算机控制B、柔性控制

C、CNC控制D、硬件控制

（5）计算机控制系统的控制过程一般可归纳为（）。

A、实时采集：

对被控参数的瞬时值实时采集，通过A/D转换通道输入计算机。

B、实时处理：

对采集到的被控参数状态量进行分析，控制器按已确定的控制规律，决策进一步的控制行为。

C、实时输出：

根据做出的控制决策，通过D/A转换通道，适时地向执行机构发出控制信号，在线、实时地实施控制。

D、以上都是。

多选题：

（1）利用计算机强大的（），实现更为复杂的控制规律。

A、计算B、逻辑判断C、信息传递能力D、存储E、记忆

（2）计算机控制系统中，计算机的输入和输出信号都是数字量，因此在这样的系统中，需要（）通道，

A、A/D转换通道B、D/A转换通道

C、A/A转换通道D、D/D转换通道

（3）过程I/O设备是计算机与被控对象之间信息联系的桥梁和纽带，计算机与被控对象之间的信息传递都是通过它们进行的。

这类设备有（）。

A、A/D通道B、DI通道

C、D/A通道D、DO通道

6、课后作业题：

（1）简述根据计算机控制系统基本框图，计算机控制过程可归结为几个步骤？

P4

（2）计算机控制系统的硬件由哪些组成？

P4—5

（3）计算机控制系统按功能分类有哪几种？

P6

（4）计算机控制系统软件有什么作用？

P6

（5）说明DDC与SCC的系统工作原理、特征以及它们之间的区别和联系？

P7—8

（6）DCS与FCS各有什么特点？

P8—10

第二章工业控制计算机

1、本章内容概述：

工控机是专门为工业现场而设计的计算机。

是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。

广泛应用于通讯、工业控制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。

2、自学学时安排：

6学时

3、知识点：

A、内部总线。

P19

B、信号调理。

P26

C、工业控制机的组成。

各部分的主要作用。

P16—19

D、PLC的特点与应用范围。

P30

E、单片机的特点。

P36—37

4、难点：

（1）工控机的主要类型及其选型。

（2）工控机的总线结构和I/O模块。

（3）可编程控制器的应用。

（4）单片机的应用。

5、章节同步习题（客观题）：

单选题：

（1）常用的通用I/O设备有（D）和通信设备。

A、输入设备B、输出设备

C、外存储器D、以上都是

（2）三菱FX2N-48MT可编程控制器属于（A）

A、小型PLCB、中型PLCC、大型PLCD、巨型PLC

（3）单片机的程序存储器是（B）

A、RAMB、ROMC、MaskRAMD、FlashRAM

（4）8051单片机是（A）位单片机

A、8B、4C、16D、32

（5）可编程序控制器采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、计时、计数和算术运算等（C　　）指令。

A、控制            B、基本            C、操作            D、特殊

（6）可编程序控制器编程灵活性。

编程语言有、布尔助记符、功能表图、（　D　）和语句描述。

A、安装图          B、逻辑图          C、原理图          D、功能模块图

（7）（　D　）阶段把逻辑解读的结果，通过输出部件输出给现场的受控元件。

A、输出采样        B、输入采样        C、程序执行        D、输出刷新

（8）可编程序控制器通过编程，灵活地改变其控制程序，相当于改变了继电器控制的（D　　）线路。

A、主、控制        B、控制            C、软接线          D、硬接线

（9）F-20MS可编程序控制器表示（　B　）类型。

A、继电器输出      B、晶闸管输出      C、晶体管输出      D、单晶体管输出

（10）F-40MR可编程序控制器中M表示（　A　）。

A、基本单元        B、扩展单元        C、单元类型        D、输出类型

（11）F系列可编程序控制器系统是由基本单元、扩展单元、编程器、用户程序、（　D　）和程序存入器等组成。

A、鼠标            B、键盘            C、显示器          D、写入器

（12）F系列可编程序控制器计数器用（D　　）表示。

A、X               B、Y               C、T               D、C

（13）F-20MR可编程序控制器输入的点数是（C　　）。

A、5               B、8               C、12              D、16

（14）当程序需要（　D　）接通时，全部输出继电器的输出自动断开，而其他继电器仍继续工作。

A、M70             B、M71            C、M72             D、M77

（15）F系列可编程序控制器常开点用（A　　）指令。

A、LD              B、LDI             C、OR              D、ORI

（16）F系列可编程序控制器常闭触点的串联用（　B　）指令。

A、AND             B、ANI             C、ANB             D、ORB

（17）F系列可编程序控制器常开触点的并联用（　A　）指令。

A、OR              B、ORI             C、ANB             D、ORB

（18）F系列可编程序控制器中的ORB指令用于（　D　）。

A、串联连接        B、并联连接        C、回路串联连接    D、回路并联连接

（19）F系列可编程序控制器中回路串联连接用（　D　）指令。

A、AND             B、ANI             C、ORB             D、ANB

（20）（　D　）指令为复位指令。

A、NOP             B、END             C、S               D、R

（21）用（　D　）指令可使LD点回到原来的公共线上。

A、CJP             B、EJP             C、MC              D、MCR

（22）编程器的显示内容包括地址、数据、工作方式、（　D　）情况和系统工作状态等。

A、位移储存器      B、参数            C、程序            D、指令执行

（23）编程器的数字键由0～9共10个键组成，用以设置地址号、计数器、（　D　）的设定值等。

A、顺序控制        B、参数控制        C、工作方式        D、定时器

多选题：

（1）可编程控制器的基本特点有灵活、实用、接线简单、体积小、重量轻、易于实现自动化（）等优点

A、可靠性高、抗干扰能力强

B、编程简单、使用方便

C、逻辑判断

D、信息传递能力

（2）可编程控制器的中央处理单元的功能（）

A、诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

B、采集现场的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。

C、逐条读取指令，完成各种运算和操作。

D、将处理结果送至输出端。

E、响应各种外部设备的工作请求。

（3）可编程控制器的技术性能指标包括（）

A、输入/输出点数B、存储容量C、扫描速度

D、指令系统E、可扩展性F、通信功能

（4）一台微型计算机的基本结构是由（）和输出设备组成。

A、运算器B、控制器

C、存储器D、输入设备

6、课后作业题：

名词解释

（1）内部总线：

P19

（2）外部总线：

P23

（3）信号调理：

P26

（4）通信模块：

P26

简答：

（1）什么是工业控制计算机？

工业控制机的特点有哪些？

P16

（2）工业控制机由哪几部分组成？

各部分的主要作用是什么？

P16—19

（3）ISA总线与PCI总线的主要特点是什么？

P21、23

（4）常用的外部总线有哪些？

P23

（5）模拟量输入模块主要指标有哪些？

P24

（6）简述PLC的特点与应用范围？

P30

（7）简述单片机的特点。

P36—37

第三章I/O接口与过程通道

1、本章内容概述：

 过程通道是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，在计算机控制系统中，工业控制计算机必须通过过程通道和生产过程相连接，而过程通道中又包含I/O接口。

本章对I/O接口与过程通道进行设计与分析。

2、自学学时安排：

6学时

3、知识点：

A、过程通道：

P43

B、接口技术：

P43

C、多路转换器：

P54

D、A/D转换器：

P58

E、D/A转换器：

P67

4、难点：

（1）数字量输出通道机构图。

（2）模拟量输入通道的组成。

（3）AD574A通过8255A与PC总线的连接图。

（4）共模干扰常用的抑制方法。

5、章节同步习题（客观题）：

单选题：

（1）ISA总线是一种多少位的内（系统）总线？

（B）

A、8位B、16位C、32位D、64位

（2）属于只读存贮器的芯片是（3）

A、SRAMB、DRAMC、EPROMD、SDRAM

（3）需要定时刷新的存贮器是（B）

A、SRAMB、DRAMC、EPROMD、EEPROM

（4）内存从A4000H到CBFFFH，共有（B）

A、124KB、160KC、180KD、224K

（5）擦除EPROM是用（D）

A、＋5V电压B、＋15V电压

C、＋21V电压D、紫外光照射

（6）采用查询方式来实现输入输出是因为它（C）

A、速度最快

B、CPU可以不介入

C、实现起来比较容易

D、在对多个事件查询工作时，能对突发事件做出实时响应

（7）实现DMA传送，需要（D）

A、CPU通过执行指令来完成

B、CPU利用中断方式来完成

C、CPU利用查询方式来完成

D、需要CPU参与即可完成

（8）下面哪种说法不正确（B）

A、内存地址也可做为接口地址使用

B、内存地址不可做为接口地址使用

C、接口地址不可做为内存地址使用

D、接口地址也可做为外存地址使用

（9）接口有三个基本功能，它们是（A）

A、变换、放大、传递B、变换、放大、转换

C、变换、放大、控制D、变换、放大、处理

（10）数据的输入输出指的是（B）进行数据交换。

A、CPU与存储器B、CPU与外设C、存储器与外设D、内存与外存

（11）在给接口编址的过程中，如果有5根地址线没有参加译码，则可能产生（C）个重叠地址。

A、52B、5C、25D、10

（12）LCD显示器比LED显示器（B）。

A、费电B、省电C、亮度高D、屏幕大

（13）串行通信适用于（D）微机间的数据传送。

A、不同类型B、同类型C、近距离D、远距离

（14）两台微机间进行串行通信时，波特率应设置为（B）。

A、不同B、相同C、可相同也可不同D、固定不变

（15）过程通道是（A）和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道

A、计算机B、上位机

C、中央处理器D、I/O接口

（16）数字量输入（DI）通道是把从控制对象检测得到的数字码、（A）、脉冲量或中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给计算机。

A、开关量B、模拟量C、数字量D、单位量

（17）模拟量输入（AI）通道是把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号（如温度,压力,流量,液位等）（1-10V,4-20mA）变换成二进制的（B），然后经接口送入到计算机

A、模拟信号B、数字信号C、开关信号D、故障信号

（18）模拟量输出（AO）通道是把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的（B）输出给控制对象。

A、数字量信号B、模拟量信号C、开关量信号D、故障量信号

（19）把时间连续的信号转换为一连串时间不连续的（C），这个过程称为“采样”，又称为“抽样”、“取样”

A、连续信号B、触发信号C、脉冲信号D、波形信号

（20）多路转换器的理想工作状态（A）要求切换速度快。

A、开路电阻为∞，导通电阻为0。

B、开路电阻为0，导通电阻为0。

C、开路电阻为∞，导通电阻为∞。

D、开路电阻为0，导通电阻为∞。

多选题：

（1）模拟量输入通道的一般组成（）

A、信号处理B、多路转换器C、采样/保持器D、A/D转换器

（2）模拟量输出通道组成（）

A、D／A转换器B、输出保持器C、多路切换开关

D、低通滤波电路E、功放电路

6、课后作业题：

名词解释

（1）过程通道：

P43

（2）接口：

P43

（3）多路转换器：

P54

（4）采样：

P56

（5）A/D转换器：

P58

（6）D/A转换器：

P67

简答：

（1）利用74LS244与PC总线工业控制机接口，设计8路数字量输入接口和8路数字量输出接口，画出电路原理图，并编写相应的程序。

P44

（2）画出数字量输出通道机构图。

P46

（3）写出MCP6S系列放大器的主要特点。

P51

（4）试述A/D转换器接口硬件设计及软件设计。

P62—64

（5）模拟量输出通道的任务及其机构形式是什么。

P66—67

（6）共模干扰常用的抑制方法有哪些？

P75

（7）数字信号通道一般采用哪些干扰措施。

P76、77

（8）计算机控制系统中一般有几种接地形式？

常用的接地技术有哪些？

P78—80

第四章顺序控制与数字控制技术

1、本章内容概述：

 顺序控制是生产过程中常用的控制技术，而数字控制技术是综合计算机、自动控制、自动检测精密机械等高新技术的产物，主要应用于数控机床，是制造自动化的主要组成部分。

2、自学学时安排：

8学时

3、知识点：

A、顺序控制：

P82

B、数字程序控制技术：

P88

C、逐点比较法：

P91

D、数字程序控制的方式？

P89

4、难点：

（1）逐点比较法插补原理。

（2）直线插补过程。

（3）终点判别方法。

（4）数字程序控制的方式。

5、章节同步习题（客观题）：

单选题：

（1）数控系统按控制对象的运动轨迹来分类可分为（）

A、点位控制、直线切削控制和轮廓切削控制

B、相对控制、绝对控制

C、相对坐标控制、绝对坐标控制

D、单步控制、单周控制和连续控制

多选题：

（1）顺序控制系统的类型（）

A、按顺序执行的继电-接触器控制系统

B、半导体逻辑顺序控制系统

C、可编程顺序控制器系统

D、微机顺序控制系统

（2）顺序控制系统的特点（）

A、输入、输出信号以开关量信号为主

B、逻辑关系复杂

C、控制程序客观

D、可靠性要求高

（3）步进电机按转矩产生的原理可分为（）

A、反应式B、永磁式C、混合式D同步式

6、课后作业题：

名词解释

（1）顺序控制：

P82

（2）数字程序控制技术：

P88

（3）逐点比较法：

P91

简答：

（1）顺序控制有哪几种类型。

P83、84

（2）顺序控制系统的组成、特点是什么？

P84、85

（3）数字程序控制有哪几种方式？

P89、90

（4）逐点比较法插补原理是什么？

P91

（5）直线插补过程分为哪几个步骤？

有几种终点判别方法？

P92

（6）简述反应式步进电动机的机构和工作原理。

P99、100

第五章数字控制器设计

1、本章内容概述：

自动化控制系统的核心是控制器。

控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，达到自动控制的目的。

在传统的模拟控制系统中，控制器的控制规律或控制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，而在计算机控制系统中，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上，即数字控制器的设计上。

2、自学学时安排：

6学时

3、知识点：

A、数字控制器的模拟化设计：

P104

B、数字PID控制器的位置算式、增量算式：

P107

C、离散化设计方法的设计步骤：

P116

D、数字控制器的设计步骤。

P138

4、难点：

（1）数字控制器的模拟化设计。

（2）数字PID控制器的位置算式、增量算式。

（3）常用的数字PID算法。

（4）数字控制器模拟化设计方法步骤。

5、章节同步习题（客观题）：

单选题：

（1）一般PID,当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上系统本身具有的惯性和滞后，在（）的作用下，将引起系统过量的超调和长时间的波动。

A、积分B、微分

C、微积分

（2）由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想微分容易在系统中引入（），引起执行机构的频繁动作，降低机构的使用寿命。

A、中频的干扰B、高频的干扰

C、低频的干扰

（3）微分PID算法中包含有一阶惯性环节，具有（）的能力，抗干扰能力较强

A、惯性滤波B、微分

C、低通滤波

（4）对于一阶惯性环节与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，控制精度要求高，可采用（）控制

A、微分B、比例积分

C、PID控制D、比例微分

（5）对于纯滞后较大，负荷变化较大，控制要求高的场合，可采用（）控制。

A、微分B、比例积分

C、PID控制D、比例微分

（6）当对象为高阶又有滞后特性时，控制要求高，则采用（）控制。

A、微分B、比例积分

C、PID控制D、比例微分

多选题：

（1）常用的数字PID控制算法的改进措施有（）

A、积分分离数字PID控制算法

B、带死区的数字PID控制算法

C、不完全微分数字PID控制算法

D、微分先行PID控制算法

（2）最小拍控制器设计存在的问题：

A、对不同输入信号的适应性差；

B、对系统参数变化敏感：

依赖于零极点对消。

C、在采样点之间存在纹波。

D、调整时间有限，拍数是最少的。

6、课后作业题：

名词解释

（1）振铃现象：

P125

（2）振铃幅度：

P125

简答：

（1）数字控制器模拟化设计方法有哪些步骤？

P104、105

（2）写出数字PID控制器的位置算式、增量算式，并比较它们的特点。

P107—109

（3）简述几种常用的数字PID算法的改进措施。

P110、112

（4）扩充临界比例度法和扩充响应曲线法的整定步骤有哪些？

P113、114

（5）简述常用的参数调整方法有哪几种？

P115

（6）简述离散化设计方法的设计步骤。

P116、117

（7）最少拍控制器的设计必须考虑那几个问题。

P120

（8）考虑振铃现象影响时设计数字控制器的一般步骤为什么？

并举例说明。

P128、129

（9）简述数字控制器的设计步骤。

P138、139

第六章控制系统的数据处理技术

1、本章内容概述：

除了硬件电路外，计算机控制系统中还有软件，分为系统软件和应用软件。

应用软件是指根据系统的具体要求，由用户自己设计、开发，面向控制系统本身的程序。

在进行计算机控制系统开发过程中，根据控制过程的实际需要设计应用程序是很重要的环节。

2、自学学时安排：

6学时

3、知识点：

A、组态：

P142

B、软件干扰技术：

P155

C、系统误差：

P145

D、复合数字滤波：

P160

4、难点：

（1）工控组态软件功能。

（2）软件陷阱技术。

5、章节同步习题（客观题）：

单选题：

（1）（）是当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪求真的一种辅助方法。

A、软件抗干扰技术B、接地保护

C、接零保护D、屏蔽保护

（2）（）是指在软件中对采集到的数据进行消除干扰的处理。

A、软件抗干扰技术B、数字滤波技术

C、数字抗干扰技术D、软件滤波技术

多选题：

（1）组态软件的功能（）

A、强大的画面显示组态功能

B