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计算机控制技术复习提纲

2015计算机控制技术复习提纲

1.计算机控制系统概念及其组成。

2.计算机控制系统的工作原理。

3.在线方式与离线方式。

4.常用计算机控制系统主机。

5.计算机控制系统的典型形式种类与特点。

（操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散型控制系统、现场总线控制系统）。

6.了解几种常用的片级总线、系统总线和外部总线。

7.RS-232、RS-485、RS-442、USB总线的特点（电气、物理）与区别。

8.CPU与I/O设备进行数据交换时存在的问题。

9.IO端口的分类与功能。

10.计算机IO端口地址选用原则。

11.熟悉IO端口的三种地址译码方法和原理，看懂图2-9译码电路图。

12.计算机数字量接口和过程通道的概念和特点（看懂电路和编程）。

13.熟悉数字量通道三种输入调理电路的原理和特点。

14.小功率直流驱动电路的形式和特点。

15.熟悉大功率驱动电路的形式和特点（光电隔离、继电器、接触器），了解固态继电器原理。

16.由三极管驱动的继电器的电路形式是怎样的？

其中的续流二极管的作用。

如果将继电器接在三极管e级有什么缺点？

17.理解图2-19原理。

18.模拟量输入接口和过程通道的概念和特点（看懂电路和编程）。

19.哪些是标准的接口信号？

为什么要采用标准的电压、电流信号？

哪一种最常用？

为什么？

20.理解图2-21与2-22调理电路的原理作用。

21.画出有源I/V变换和无源I/V变换的电路，并说明其工作原理。

22.简述多路转换器的作用，什么时候需要采用多路转换器？

23.为什么要对模拟信号采样？

模拟信号的采样特点，香农采样定理的要点。

24.量化的概念：

用一组数码逼近离散模拟信号的幅值，量化误差：

±q/2，量化单位q=（ymax-ymin）/（2n-1）。

25.采样保持器电路结构、工作原理。

26.模拟信号最高频率、孔径时间和量化精度的相互关系。

27.A/D转换器的主要技术指标。

（转换时间、分辨率、量程）

28.A/D转换器ADC0809与计算机的连接（带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器，转换时间100us,误差±1/2LSB）。

29.理解图2-36的原理。

30.模拟量输出通道的两种结构型式和特点。

31.理解D/A转换器关键技术指标，输出接口形式。

32.D/A转换器单极性与双极性输出电路及其应用场合，推导输出电压与输入数字量的公式。

33.了解V/I变换的目的和原理。

34.分析直接将电压变换为负载电流的电路原理，计算V/I关系。

35.硬件抗干扰技术包括哪些（三大类）？

36.串模干扰的定义、干扰产生机理及其通常采取的对策，并叙述对策的特点。

37.共模干扰的定义、干扰产生机理及其通常采取的对策，并叙述对策的特点。

38.将模拟量转换为数字量时，可采用什么方法将输入量和输出量隔离？

其隔离器件的特点是什么？

39.长线传输干扰的三个问题及其抑制方法。

40.熟悉CPU抗干扰技术的种类与特点，了解MAX1232看门狗电路的功能和特点。

41.接地的重要性，接地注意问题（不同电源接地、模拟地、数字地、浮地、屏蔽接地、低频单点与多点接地等），安全接地线的标志、颜色。

42.数控系统：

输入装置、输出装置、控制器和插补器。

43.开环控制、闭环控制、半闭环控制的特点与应用范围。

1．开环数字程序控制

控制结构无反馈检测元件，常由步进电机驱动。

属于初级的程序控制。

由于采用了步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变得更加灵活，更易于实现各种插补运算和运动轨迹控制。

2．（半）闭环数字程序控制

这种结构的执行机构多采用直流电机（小惯量伺服电机和宽调速力矩电机）作为驱动元件，反馈测量元件采用光电编码器（码盘）、光栅、感应同步器等。

44.为什么要进行插补运算，常用的插补运算有哪些？

插补计算就是对数控系统输入基本数据（如直线的起点、终点坐标，圆弧的起点、终点、圆心坐标等），运用一定的算法计算，并根据计算结果向相应的坐标发出进给指令。

数控机床中常用的插补算法，有逐点比较法、数字积分法、时间分割法及最小偏差法等。

求给定点中间值的数值计算方法称为插值或插补。

直线插补

二次曲线插补

45.数控系统按控制方式来分类有哪些？

数控系统按控制方式来分类，可以分为点位控制、直线切削控制和轮廓切削控制，这三种控制方式都是运动的轨迹控制。

46.步进电机的主要技术参数及作用有哪些？

（1）最高空载频率f0（最高启动频率fs）

（2）最大静转矩T

（3）相电流（半流、全流与电流设定）

（4）步距角α（半步与整步）

前三项对应交直流电机的转速、功率、电压。

47.步进电机按工作原理分哪几类？

特点如何？

•激磁式（电磁式）

定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。

•反应式（磁阻式）

转子无绕组，定子绕组励磁后产生力矩，使转子转动。

•永磁式

转子和定子某一方为永久磁钢，另一方为软磁材料。

绕组通电建立磁场与恒定磁场相互作用产生转矩。

•混合式（永磁感应式）

还可以分为快速步进电动机功率步进电动机

48.步进电机开环与闭环控制特点？

49.最高空载频率f0、最高启动频率fs、额定负载运行频率的概念。

50.步进电机分类、特点和应用。

51.步进电机的“相”和“拍”的含义，其工作方式，与速度和精度的关系如何？

“相”－绕组的个数“拍”－绕组的通电状态。

52.双三拍与单三拍异同（步距角、速度、力矩）。

53.步进电动机什么时候采用加减速控制，加减速控制的特点，短距离与长距离时的加减速控制的区别。

54.常用步进电机的驱动器有几种，特点如何？

（单电压驱动，高低压驱动，恒流崭波，调频调压，细分电路等）

55.步进电机各相的脉冲分配可由软件或硬件实现，其原理如何？

56.步进电机带负载的能力如何确定（与M/f有关），步进电机速度过快会或过载时有什么现象？

57.熟悉数字控制器的连续化设计的原理和设计步骤。

1、数字控制器的连续化设计

（1）忽略控制回路中的零阶保持器和采样器，在S域中设计连续控制器。

条件：

采样周期足够短。

（2）通过近似方法，把连续控制器离散化为数字控制器，用计算机实现。

分为5步

1、设计假想的连续控制器D（s）

2、选择采样周期T

3、将D（s）离散化为D（z）

4、设计由计算机实现的控制算法

4、校验闭环特性是否符合要求？

58.如何选择采样周期T？

假定相位裕量可减少5°～15°，则要进行补偿，采样周期减少，应选为：

其中ωC是连续控制系统的剪切频率。

按上式的经验法选择的采样周期相当短。

因此，采用连续化设计方法，用数字控制器去近似连续控制器，要有相当短的采样周期。

59.熟悉双线性变换法、前向差分法、后向差分法公式，了解其特点和稳定性问题。

双线性变换法

稳定系统经双线性变换仍然是稳定的。

前向差分法

稳定系统经前向差分法转换后可能不稳定。

后向差分法

后向差分法将s的左半平面映射到z平面内半径为1/2的圆，因此如果D（s）稳定，则D（z）稳定。

60.熟悉PID控制原理、算法和应用范围。

（比例作用：

迅速反应误差，但不能消除稳态误差，过大容易引起不稳定；积分作用：

消除静差，但容易引起超调，甚至出现振荡；微分作用：

减小超调，克服振荡，提高稳定性，改善系统的动态特性。

）

61.数字PID控制器的作用和设计。

用数值逼近的方法实现PID控制规律。

数字PID位置型控制算法

数值逼近的方法：

用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化为差分方程。

数字PID增量型控制算法

62.数字PID控制中的位置式和增量式的形式、特点和应用。

在控制系统中，如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字PID位置式控制算法，

如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量式控制算法，

算法比较：

（1）增量型算法：

容易计算，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；算法得出的是控制量的增量，计算误差对误动作影响小；算式中不出现u0项，则易于实现手动到自动的无冲击切换。

（2）位置型算法：

要用到过去误差的所有累加值，计算工作量大；增量型而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大；可以直观得到PID参数，便于调整。

63.系统产生扰动的原因？

哪些是一般控制系统可以解决的？

64.为什么要对积分项进行改进?

改进的方法有哪些（积分分离，抗积分饱和，梯形积分，消除积分不灵敏区）。

积分分离

原因：

当有较大扰动或大幅度改变给定值而产生较大偏差、系统有惯性和滞后，在积分项作用下，会产生较大超调和长时间波动。

思路：

当被控量和给定值偏差大时，取消积分控制，以免超调量过大；当被控量和给定值接近时，积分控制投入，消除静差。

抗饱和积分

积分饱和：

如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得运算结果继续增大或减小，但执行结构已无相应动作，控制信号则进入深度饱和区。

影响：

如果系统程序反向偏差，则u（k）首先需要从饱和区退出，进入的饱和区越深，退出时间越长，导致超调量增加。

改进方法：

对控制量u（k）限幅。

梯形积分

原因：

减小残差，提高积分项运算精度。

方法：

矩形积分改为梯形积分。

消除积分不灵敏区

原因：

由于计算机字长限制，当运算结果小于字长所表示数的精度，计算机就作“零”处理，此时积分作用消失，这称为积分不灵敏区。

措施：

①增加A/D转换位数，加长运算字长，提高运算精度。

②当积分项连续n次小于输出精度ε的情况下，不要把它们作为“零”处理，而是将其累加，直到累加值大于ε时才输出，同时把累加单元清零。

65.为什么要对微分项的改进？

叙述其方法和特点【不完全微分PID控制（两种方式：

直接串在微分项；串在PID调节器之后），微分先行PID控制算式】

（1）不完全微分PID控制

原因：

微分具有放大干扰信号特点，在PID控制中，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡。

方法：

串联一阶惯性环节，作为低通滤波器抑制高频噪声，组成不完全微分PID控制器。

两种方式：

直接串在微分项；串在PID调节器之后，

不完全微分PID控制的效果：

①抑制高频噪声。

②克服纯微分的不均匀性。

（2）微分先行PID控制算式

原因：

为避免给定值的升降给系统带来冲击，如超调过大，调节阀动作剧烈。

微分先行：

把微分运算放在前面，后面跟比例和积分运算。

方法：

把微分提前，只对被控量y（t）微分，不对偏差e（t）微分。

66.时间最优PID控制：

Bang-Bang控制和PID控制相结合的特点、应用范围。

67.带死区的PID控制算法的特点。

原因：

避免精确控制时动作过于频繁

68.数字PID控制器的参数整定，采样周期的选择，采样周期的考虑因素。

采样周期的选择：

给定值频率、被控对象与执行机构特性、控制算法类型、控制回路数

69.熟悉数字PID控制器中采样周期的确定。

采样周期上限Tmax（大）的确定：

采样（香农）定理Tmax=π/ωmax，其中ωmax为被采样信号的上限角频率。

采样周期下限Tmin（小）的确定：

Tmin为计算机执行程序和输入输出所耗费的时间。

70.工程法整定PID参数（扩充临界比例度法，扩充响应曲线法，归一参数整定法）。

71.数字控制器的离散化设计步骤和特点。

72.设计数字控制器D（Z）时，要求考虑哪些因素。

73.数字控制器的直接设计方法和种类。

74.最少拍控制系统是如何设计的，写出控制器的形式。

75.典型输入下的最少拍控制系统分析和设计。

76.根据z变换的终值定理，理解系统的稳态误差的公式。

77.最少拍控制器有什么局限性？

78.最少拍控制器的可实现性问题指什么？

79.最少拍控制的稳定性问题（最少拍控制系统的每个采样点之间的控制值U和输出值Y稳定吗？

如何解决？

）

80.最少拍控制时，对典型的三种输入，其控制器最快的调整时间分别为T、2T、3T时，其闭环脉冲传递函数分别是什么？

81.分析闭环控制系统Z函数的稳定性。

82.最少拍无纹波系统的必要条件是什么？

在控制器和输出所表现的效果是怎么样的？

83.工业过程中的纯滞后现象与解决方法。

84.施密斯预估控制原理与特点。

（与D（s）并联1个预估器，组成纯滞后补偿器，用于补偿对象的纯滞后部分。

补偿后，消除了纯滞后部分的影响，而系统的稳定性无影响，e-τs将控制作用推移了τ时间，系统无振荡，系统特性与对象符合。

）

85.具有纯滞后补偿的数字控制器，数字PID控制器＋施密斯预估器。

86.施密斯预估器的滞后环节的在计算机中是如何实现？

87.纯滞后补偿控制算法步骤和特点。

88.对于得到的数据，一般要进行预处理，最基本的处理有：

线性化处理、标度变换和系统误差的自动校准。

89.系统误差（零点漂移、增益误差）的自动校准的原理和方法。

全自动校准

人工自动校准

90.量化误差

量化单位q,也就是机内的最小单位。

举例，8位和12位的A/D转换器，在0—5V时的q通过A／D转换可计算出模拟电压x相当于多少个整量化单位，即:

x=Lq+ε,式中L为整数，对于余数ε（ε＜q）可以用截尾或舍入来处理。

91.标度变换的原理和方法。

1.线性变换公式、公式转换法、其它标度变换法

92.理解手动/自动无忧切换的原理。

在正常运行时，系统处于自动状态；而在调试阶段或出现故障时，系统处于手动状态。

指在进行手动到自动或自动到手动的切换之前，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。

为实现无平衡操作无扰动切换，在手动（SM或HM）状态下，尽管并不进行PID计算，但应使给定值（CSV）跟踪被控量（CPV），同时也要把历史数据，如e（k-1）和e（k-2）清零，还要使u（k-1）跟踪手动控制量（MV或VM）。

这样，一旦切向自动而u（k-1）又等于切换瞬间的手动控制量，这就保证了PID控制量的连续性。

当然，这一切需要有相应的硬件电路配合。

93.实际控制系统AD转换和DA转换的字长如何确定？

／D转换器的字长选择

确定字长要考虑的因素是：

分辨率和输入信号x的动态范围，再取整数。

2、D／A转换器的字长选择

执行机构的最大输入值为umax

最小输入值为umin

灵敏度为λ

94.软件的抗干扰技术研究的主要技术内容是哪些？

1.采用软件的方法抑制叠加在输入输出信号上噪声影响，如模拟输入信号的数字滤波技术；

2.由于干扰而使程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环，采取使程序纳入正规的措施，如指令冗余、软件陷阱、“看门狗”技术等；

3.发现程序失控后，解决系统恢复正常运行的方法，如重要信息的恢复，系统重入的条件等；

95.数字滤波的特点，数字滤波方法有几种，原理和特点如何？

所谓数字滤波，就是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。

故实质上它是一种程序滤波。

特点：

1.数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。

2.数字滤波可以对频率很低（如0．01HZ）的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。

3数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

主要数字滤波算法：

算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法

算术平均值法：

N值决定了信号平滑度和灵敏度。

可采用加权平均值滤波法。

平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。

2．中位值滤波法：

中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次（m≥3）且是奇数，并按大小顺序排列；再取中间值作为本次采样的有效数据。

中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发的干扰有良好的滤波效果。

如对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法会收到良好的滤波效果；对流量、速度等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波法。

中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。

也称为去脉冲干扰平均值滤波法.

3滑动平均值法滤波

在RAM区中设置一个先进先出的循环队列作测量数据缓冲区，其长度固定为N，每采样一个新数据，就将其存入队尾，而丢掉原来队首的一个数据，而后求出包括新数据在内的N个数据的算术平均值。

这样每进行一次采样，就可计算出一个新的平均值，从而提高了系统响应速度和测量精度。

特点：

对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差。

所以不适合脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统。

4．限幅滤波法

由于大的随机干扰或采样器的不稳定，使得采样数据偏离实际值太远，为此采用上、下限限幅，而且采用限速（亦称限制变化率）

5．惯性滤波法

α称为滤波系数，且0＜α＜1，Ts为采样周期，Tf为滤波器时间常数。

根据惯性滤波器的频率特性，若滤波系数α越大，则带宽越窄，滤波频率也越低。

因此，需要根据实际情况，适当选取α值，使得被测参数既不出现明显的纹波，反应又不太迟缓。

96.数字滤波与模拟电路滤波的特点和对比。

特点：

1.数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。

2.数字滤波可以对频率很低（如0．01HZ）的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。

3数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

97.算术平均滤波方法可以提高信噪比吗，原理如何？

98.对程序跑飞、死机等干扰可以采取什么措施？

1、睡眠抗干扰2、指令冗余3.软件陷阱4.程序运行监视系统（WATCHDOG）

99.指令冗余与陷阱的作用与特点。

CPU受干扰后，往往将操作数当操作码执行，造成程序混乱。

应多采用单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重复书写，提高弹飞程序纳入正轨的机会，这便是指令冗余。

1.降低正常程序执行的效率；

2.可以减少程序弹飞的次数，3.指令冗余使弹飞程序安定下来是有条件的，

☆所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将扑获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。

如果弹飞的程序弹飞到一个临时构成的死循环中，冗余指令和软件陷阱就无能为力了。

这时系统将完全瘫痪。

100.硬件抗干扰和软件抗干扰有什么特点？