2022年2022年计算机控制 .pdf

第一章绪论1、填空1 自动控制系统有分开环和闭环两种结构. 2 计算机控制系统控制过程一般可归纳为实时数据采集、实时决策控制、实时控制输出三个步骤. 3 计算机控制系统由计算机和生产过程两大部分组成. 4 计算机控制系统输入通道分为模拟量输入通道和数字量输入通道.输出通道分为模拟量输出通道和数字量模拟通道. 5 计算机控制系统的软件通常由系统软件和应用软件组成. 2、问答题3.（1）什么是计算机控制系统？它有那几部分组成？答：计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。它是工业控制机构生产过程的大部分组成，工业控制机是指生产过程控制的特点和要求而设计的计算机。它包括硬件和软件部分。生产过程包括被控制对象，测量变送执行机构，电器开关等。（ 2）计算机控制系统有哪几类？各有什么优缺点？答：计算机控制系统的典型形式：（1）操作指导控制系统。优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点是由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。（2）直接数字控制系统（DDC ） 。实时性好，可靠性高和适应性强。（3）监督控制系统（SSC）使生产过程始终处于最优工况。（ 4）分型控制系统 (DCS) 分散控制，集中操作，分级管理。（5）现场总线控制系统（FCS）降低成本，提高可靠性，可实现真正的分方式互联系统结构。（ 5）现场总线控制系统与传统的分布式控制系统相比，具有哪些特点？答： 1.全数字化。 2.开放性。 3.智能化。 4.互操作性。 5.风险分散性。6.环境适应性强。第二章过程输入输出通道一、填空题1 要想从采样信号x*(t) 中不失真地连续信号x(t),采样频率W,必须满足Ws=2Wmax. 2 模拟量输入通道一般由信号调理电路、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器和A/D 转换器组成 . 3 多路开关的作用是切换模拟电压信号. 4A/D 转换器的启动装置分为脉冲启动和电平控制启动. 5 主机判定A/D 转换结束的方法有三种：中断 方式、 查询 方式和 延时 方式 . 6A/D 转换器与单片机的硬件接口有三种方式，分别为中断 方式、 查询 方式和 延时 方式 . 7DAC0832 有双缓冲 、单缓冲 、直通 三种工作方式，单极性输出 和双极性输出 两种输出方式 . 二、填空题6.A/D 转换器的结束信号有什么作用？根据该信号在I/O 控制中的连接方式，A/D 转换有几种控制方式？它们在接口电路和程序设计上有什么特点？A/D 转换器的结束信号的作用是用以判断本次AD 转换是否完成。常见的A/D 转换有以下几种控制方式，各自特点如下? 延时等待法: EOC 可不和I/O 口连接，程序设计时，延时大于ADC 转换时间后，取数据。? 保持等待法: EOC 与 READY 相连,EOC 无效时, 自动插入等待状态。直至EOC 有效时，取数据。? 查询法: EOC 可以和任意I/O 口连接，程序设计时，反复判断EOC 是否有效，直至EOC 有效时，取数据。 ? 中断响应法: EOC 与外部中断相连，AD 转换结束后, 发中断申请, 在中断服务程序中取数据。12.模拟量输出通道由哪几部分组成？各部分的作用是什么？模拟量输出通道一般由接口电路、D/A 转换器、功率放大和V/I 变换等信号调理电路组成。(1)D/A 转换器：模拟量输出通道的核心是数/模转换器 (Digital/Analog Converter, 简称 D/A 转换器或名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - DAC) 。它是指将数字量转换成模拟量的元件或装置。(2)V/I变换：一般情况下，D/A转换电路的输出是电压信号。在计算机控制系统中，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减少由于传输带来的干扰和衰减，需要采用电流方式输出模拟信号。许多标准化的工业仪表或执行机构，一般是采用010mA 或 4 20mA 的电流信号驱动的。因此，需要将模拟电压信号通过电压/电流 (V/I) 变换技术，转化为电流信号。5.模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？模拟量输入通道一般由I/V 变换、多路转换器、采样保持器、A/D 转换器、接口及控制逻辑电路组成。(1)I/V变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。(2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。(3)采样保持器： A/D 转换器完成一次A/D 转换总需要一定的时间。在进行 A/D 转换时间内， 希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D 转换器之前加入采样保持器。(4)A/D 转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模 /数转换器 (Analog/Digital Converter ，简称 A/D 转换器或ADC) 。11. A/D 转换器和微机接口中的关键问题有哪些？答 : A/D 转换器和微机接口时的关键问题主要有6 个。 A/D 转换器输出和CPU 的接口方式， 主要有 2 种连接方式：一种是 A/D 芯片输出端直接和系统总线相连；另一种是 A/D 芯片输出端通过接口电路和总线相连。 A/D 转换器的分辨率和微机数据总线的位数匹配：当10 位以上的A/D 转换器和8 位数据总线连接时，由于数据要按字节分时读出，因此从8 位数据线上需分2 次来读取转换的数据。设计接口时，数据寄存器要增加读写控制逻辑。 A/D 转换的时间和CPU 的时间配合问题： 要注意 A/D转换的启动方式，通常启动信号分为电平控制启动和脉冲启动两种。其中又有不同的极性要求。还要注意转换后信号的处理。A/D 的控制和状态信号。因为A/D 转换器的控制和状态信号的类型与特征对接口有很大影响，在设计时必须要注意分析控制和状态信号的使用条件。 输入模拟电压的连接，特别是多路模拟电压的切换控制。 接地问题，为了减轻数字信号脉冲对模拟信号的干扰，数字地和模拟地要正确连接。D/A 转换器和微机接口时主要注意两点：第一要了解所选用的D/A 转换器本身是否带有数据锁存器，如果芯片内部带有锁存器可以直接和的数据总线相连接；如果芯片内部不带有锁存器，在接口电路中需要通过数据锁存器来连接的数据总线和D/A 转换器的数据线。第二是要注意 D/A 转换器的位数和所要连接的微机数据总线的位数是否一致。以便决定在需要加数据锁存器时，加几级锁存器，如果CPU 的数据总线是8 位，使用的是大于8 位的 D/A 转换器，通常采用两级缓冲结构和CPU 数据总线相连。第三章常用应用程序设计一、填空题1.在加权平均值滤波公式中，所以加权系数的和应为1 2.所谓中值滤波是对某一参数连续采样n 次（一般N 取奇数），然后把n 次的采样值从小到大或从大到小排队，再取中间值作为本次采样值3.报警程序的设计方法主要有两种，一种是软件报警，另一种是直接报警4.常用的非编码键盘的按键识别方法有两种，一种是扫描法，另一种是线反转法。5.键盘的工作方式有3 种，分别是编程扫描、定时扫描和中断扫描6.LED 显示器的显示方式有两种，分别是静态显示和动态显示名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 7.液晶显示器的驱动方式一般有静态驱动和时分割驱动两种二、问答题1、 常用的数字滤波方法有几种？说出它们各自的适用场合。答：常用的数字滤波方法有：程序判断滤波、 算术平均值滤波、加权平均值滤波、中值滤波、去极值平均滤波、滑动平均滤波、低通数字滤波和复合滤波。程序判断滤波：当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真等，使得采样数据偏离实际值太远，可采用程序判断滤波。算术平均值滤波：主要用于对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工， 但对偶尔出现的脉冲性干扰的平滑作用尚不理想，因而它不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。加权平均值滤波：这种滤波方法可以根据需要突出信号的某一部分，抑制信号的另一部分，适用于纯滞后较大的被控对象。中值滤波 ：对于去掉由于偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。去极值平均滤波：因明显干扰使采样值远离真实值，可比较容易地将其剔除，不参加平均值计算。滑动平均滤波 ：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高， 灵敏度低， 适用于高频振荡系统。低通数字滤波：适用于变化过程比较缓慢的随机变量采用短时间内连续采样，然后求平均值的方法进行滤波。 复合滤波程序：进一步提高滤波效果，改善控制精度。3、 标度变换在工程上有什么意义？在什么情况下使用标度变换程序？答：为进一步显示、记录、打印以及报警等，必须把这些数字量转换成不同的单位，以便操作人员对生产过程进行监视和管理。这就是所谓的标度变换 。 工程量的实际值还需要经过一次变换， 为了实现上述变换，可把它设计成专门的工作程序，把各个不同的参数所对应的数字量放在存储器中，然后当某一参数进行标度变换时，只要调用标度变换子程序即可。4、 说明报警程序的设计方法，并简述之。答：报警程序的设计方法主要有两种，一种是软件报警 ，把被测参数如温度、压力、流量、速度成分等参数，经传感器、变送器、A/D 转换器送入计算机后再与软件上下限值比较，根据比较的结果进行报警或处理，整个过程都由软件来实现。另一种是 直接报警 ，基本做法是被测参数与给定值比较在传感器中进行，如果被测参数超过给定值，就会通过硬件向CPU提出中断请求，CPU 响应中断后就会产生报警信号。5 键盘为什么要防止抖动？在计算机控制系统中如何实现防抖？由于机械触点的弹性振动，按键在按下时不会马上稳定地接通而在弹起时也不能一下子完全地断开， 因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连串的抖动，这称为按键的抖动干扰。按键的抖动会造成按一次键产生的开关状态被CPU 误读几次。为了使 CPU 能正确地读取按键状态，必须在按键闭合或断开时，消除产生的前沿或后沿抖动。去抖动的方法有硬件方法和软件方法两种。硬件方法是设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路来避开按键的抖动时间。软件方法是指编制一段时间大于100ms 的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下， 从而消除了抖动的影响。6、LED 显示器的显示方法有几种？各有什么特点？简述其工作原理。答：LED 显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。1）静态显示方式。所谓静态显示方式，是由单片机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次新的显示字型码为止。LED 工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或接+5v） ；每位的段选线分别于一个8 位的锁存输出相连。静态显示方式中， 由于显示器中的各位相互独立， 故在同一时间里，每一位显示的字符可以各不相同。这种显示方式的优点是显示器的亮度都较高，占用机时少，显示可靠，编程容易，管理也简单，因而在工业过程控制中得到名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 了广泛的应用。 这种显示方式的缺点是使用元件多，且线路比较复杂，因而成本比较高。2）动态显示方式。 所谓动态显示，就是单片机定时地对显示器件扫描。在这种方法中， 显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示，而其他各位熄灭，但由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，则可造成多为同时亮的假象，达到显示的目的。动态显示方式的优点是使用硬件少，因而价格低。但它占用时机长，只要单片机不执行显示程序，就立刻停止显示。 由此可见， 这种显示方式将使计算机的开销增大。故在以工程控制为主的控制系统中应用较少。1、某梯度炉温度变化范围为01600，经温度变送器输出电压为1 5V，再经ADC0809转换， ADC0809的输入范围为05V。试计算当采样值为9BH时，所对应的梯度炉温度是多少？答： A0=0， Am=1600 ， Nx=9BH=(155)D，Nm=0FFH= （255）D，K=5-0/5-1=5/4。Ax=K（Nx/Nm（Am-A0 ）+A0）=5/4(155/255)*1600)=1215.69. 第五章 PID1、在 PID 调节器中，比例、积分和微分环节对调节品质有什么影响？答：比例环节 能提高系统的动态响应速度，迅速反应误差，从而减小误差， 但比例控制不能消除稳态误差。积分环节 的作用是消除稳态误差，因为只要系统存在误差，积分作用就不断地积累， 输出控制量以消除误差，直到偏差为零，积分作用才停止，但积分作用太强会使系统超调量加大，甚至使系统出现振荡。微分环节 与偏差的变化率有关，它可以减小超调量，克服震荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。4、 试比较普通PID、积分分离PID 和变速积分PID 三种算法有什么区别和联系？答：普遍算法在过程的启动，结束大幅度增减设定值或出现较大的扰动时短时间内系统的输出会出现较大的偏差，而用积分分离PID，既可以保持积分的作用，又减少了超调量，使得控制性能有较大的改善。在普通PID 算法中，积分增益是不变的，而系统对积分项的要求是系统偏差大时积分作用减弱以至全无，而在偏差较小时则加强积分作用；变速积分PID改善积分项的累加速度，使其与偏差的大小相对应，实现了按比例作用消除偏差，用积分作用消除大偏差，用积分作用消除小偏差的理想调节特性，从而完全消除了积分饱和现象。8. 简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID 参数的步骤。扩充临界比例度法整定PID 参数的步骤：(1) 选择一个足够短的采样周期T ，例如被控过程有纯滞后时，采样周期T 取滞后时间的1/10 以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r 作阶跃输入。(2) 逐渐加大比例系数Kp ， 使控制系统出现临界振荡。 由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts ， 并记下此时的比例系数Kp ， 将其记作临界振荡增益Ks 。此时的比例度为临界比例度，记作=1/k 。 (3) 选择控制度，所谓控制度是数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比。(4) 根据控制度， 查表求出T 、 Kp 、 Ti 和Td 值。 (5) 按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。扩充响应曲线法整定PID 参数的步骤：(1) 断开数字调节器，让系统处于手动操作状态。将被调量调节到给定值附近并稳定后，然后突然改变给定值，即给对象输入一个阶跃信号。(2) 用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，(3) 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间 、被控对象的时间常数 Tc ，以及它们的比值Tc/ 。 (4) 由 、 Tc 、 Tc/ 值，查表，求出数字控制器的T 、 Kp 、 Ti 和 Td 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 第七章可靠性与抗干扰技术一、填空1、 干扰窜入计算机系统的主要途径（空间感应的干扰、过程通道的干扰、电源系统的干扰、地电位的干扰、反射波的干扰）2、 干扰的耦合方式（直接耦合方式、公共阻抗、电容 、电磁感应 、辐射 、漏电 ）3、 常用的 软件抗干扰 技术有 （指令冗余技术、软件陷阱技术、 软件自动恢复处理程序、 “看门狗”技术）4、 计算机控制系统中5 种接地（交流地、系统地、安全地、数字地、模拟地）5、 抑制过程通道干扰的措施主要有（光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、采用双绞线作为信号线）二、简答题1、常有的硬件抗干扰措施过程通道干扰的抑制、反射波干扰的抑制、空间干扰的抑制、RAM 数据掉电保护2、常有的软件抗干扰措施指令冗余技术、软件陷阱技术、自动软件自动恢复处理程序、“看门狗”技术4、什么叫软件陷阱？软件陷阱的程序一般在程序的什么地方？软件陷阱是在非程序区设立拦截措施，使程序进入陷阱。即通过一条引导程序，强行将跑飞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。软件陷阱安排在以下四个地方：未使用的中断向量区、未使用的大片ROM 区、程序中的数据表格区以及程序中一些指令串中间的断裂点处。软件陷阱由以下指令组成：NOP NOP JMP ERROR /注： ERROR 为出错处理程序6、 什么是软件冗余技术，包括哪些方法？在程序中人为地插入一些空操作指令或将有效的单字节指令重复书写。两种技术： NOP 指令的使用和重要指令的冗余名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -