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-计算机控制系统复习资料-第 7 页第一章 绪论计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工业控制IPC）来实现生产过程自动控制系统。模拟控制系统（连续系统）由控制器或控制装置来调节或控制被控对象输出行为的模拟系统。图1 计算机控制系统原理图工作原理：1.实时数据采集：对被控参数在一定采样时间间隔进行测量，并将采样结果输入计算机。2.实时控制决策：对采集到的被控参数进行处理后按预先规定的控制规律决定将要采取的控制策略。3.实时控制输出：根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。4.信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理介入到控制系统之中。上述过程不断重复，以此实现计算机对工业生产过程的自动控制。计算机控制系统组成：硬件（计算机本身及其外部设备）：主机（计算机），系统总线，外部设备（包括操作台），过程通道，通信接口，检测与执行机构，实时时钟。软件（计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和）系统软件（管理计算机的内存，外设等硬件设备）：操作系统，语言加工系统，数据库系统等应用软件（根据用户要解决的控制问题而编写的各种控制和管理程序，其优劣直接影响系统的控制品质和管理水平）过程控制程序，人机接口程序，数据采集及处理程序，报警程序等计算机控制系统大致可以分为：操作指导控制系统，直接数字控制器（DDC）计算机监督控制（SCC）集散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）课后习题：1.计算机控制系统与模拟控制系统（连续系统）的区别？答：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用计算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制。计算机采用的信号是数字信号，因此为了信号匹配，在计算机与被控对象之间采用模数转换器(AD)和数模转换器(DA)，以实现两种信号之间的相互转换。2.计算机控制系统的实时性，在线方式和离线方式的含义是什么？答：1.实时性是指计算机能够在工艺要求允许的时间范围内及时对被控参数进行测量，计算和控制输出，超过控制时限就失去了控制的时机，控制也就失去了意义；2.在计算机控制系统中，生产设备和计算机系统直接连接，并接受计算机直接控制的方式称为在线或联机方式；3.若生产设备不和计算机系统相连，其工作不直接受计算机控制，而是靠人工进行联系并作相应操作的方式称为离线方式。3.计算机控制系统按功能分为操作指导控制，CCS，DDC，DCS。4.操作指导控制，DDC和SCC系统的工作原理是什么？他们之间有何区别和联系？答：1.操作指导控制系统：在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。 计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。2. 直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(DirectDigitalControl)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。3. 计算机监督控制系统(SCC系统)：SCC(SupervisoryComputerControl)系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。联系：SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展4.DCS的特点是什么？答: 1. 分散性和集中性2. 自治性和协调性3. 灵活性和扩展性4. 先进性和继承性5. 可靠性和适应性6. 友好性和新颖性5.FCS的定义及特点？答：现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场仪表或现场设备互连的通信网络，把通信线一直延伸到生产现场或生产设备，在生产现场直接构成现场通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。特点： 1.系统的分散性 2.系统的开放性 3.产品的互操作性4.环境的适应性 5.使用的经济性 6.维护的简易性 7.系统的可靠性 6.未来计算机控制系统的发展趋势主要表现在：1.大力推广应用成熟的先进技术2.发展开放化，数字化和网络化的控制结构3.智能控制系统的应用日益广泛4.单片机的应用将更加深入第二章 计算机过程通道设计1.根据信号形式不同，可以将过程通道分为数字量过程通道和模拟量过程通道；根据信号方向不同，可分为输入过程通道和输出过程通道。2.数字量输入常见形态包括外部的开关信号及逻辑电平信号，数字脉冲信号和系统设置开关。3.计算机控制中过程通道由哪些部分构成？各部分作用有哪些？答:数字量输入通道主要由信号调理电路、输入调理电路、系统设置开关等组成。作用将生产过程中的数字信号转换成计算机能接受的形式。数字量输出通道主要由输出接口电路、驱动电路等组成。作用将计算机输出的数字量信号传递给开关型或脉冲型执行机构，达到能够驱动被控对象动作的目的。模拟量输入通道由信号调理电路，多路开关，放大器，采样保持器，A/D转换器及其接口电路组成。作用把检测机构送入的模拟量转化为合适的数字量送入计算机，再由计算机进行下一步处理。模拟量输出通道由D/A转换器及其接口构成。作用数字量转换为模拟量。4.数字量输出电路主要有：锁存器输出和OC门输出，晶体管驱动输出，继电器输出，固态继电器接口，晶闸管组成的数字量输出接口。5.传感器或变送器可以转换为的模拟量标准型号为4-20mA。第三章 数字程序控制系统直线插补的进给方向及插补公式直线所在象限进给方向进给方向第一象限+第二象限-+第三象限-第四象限+-偏差计算公式例：对于第一象限直线OA，终点坐标Xe=6,Ye=4，插补从直线起点O开始，故F0=0。终点判别是判断进给总步数N=6+4=10，将其存入终点判别计数器中，每进给一步减1，若N=0，则停止插补。1数字控制有开环数字控制和闭环数字控制。2.简述逐点比较插补的基本思想。答：逐点比较法插补运算，就是在某个坐标方向上每走一步（即输出一个进给脉冲），就作一次计算，将实际进给位置的坐标与给定的轨迹进行比较，判断其偏差情况，根据偏差，再决定下一步的走向（沿X轴进给，还是沿Y轴进给）。逐点比较法插补的实质是以阶梯折线来逼近给定直线或圆弧曲线，最大逼近误差不超过数控系统的一个脉冲当量（每走一步的距离，即步长）。直线插补计算过程的步骤如下：(1) 偏差判别：即判别上一次进给后的偏差值Fm是最大于等于零，还是小于零；(2)坐标进给：即根据偏差判断的结果决定进给方向，并在该方向上进给一步；(3)偏差计算：即计算进给后的新偏差值Fm+1，作为下一步偏差判别的依据；(4)终点判别：即若已到达终点，则停止插补；若未到达终点，则重复上述步骤3.数字程序控制系统由输入装置，输出装置，控制器和插补器组成。第四章 控制算法1.离散化方法有：双线性变换法，前向差分法，后向差分法，冲激不变法，零极点匹配法等。2.PID调节器，各参数的作用及对调节品质的影响？答：Kp为比例系数，提高系数Kp可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境地提高系数pk最终将导致系统不稳定。比例调节可以保证系统的快速性。 Ki为积分常数，Ki越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间加长。积分调节可以消除静差，提高控制精度。 Kd为微分常数，Kd越大微分作用越强。微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响。3.PID位置型控制算式为增量型PID控制算式为4.两种PID控制器的调节方法各有什么优缺点？答：位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u(k)不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。增量型控制算法中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。为实现手动自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度u0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现u0项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。5. 采样周期的选择需要考虑那些因素？答： 1. 从调节品质上看，采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度2. 从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间。当被控对象的纯滞后时间较大时，常选T=（1/41/8）。3. 希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。4. T必须大于执行机构的调节时间。故选择A,D。6.PID参数整定有哪些方法？具体整定步骤？答：扩充临界比例度法，扩充响应曲线法，归一参数法，阻尼振荡法，极限环自整定法，凑试法。凑试法步骤：首先整定比例部分。加入积分环节，加入微分环节。7.PID控制中积分项的改进？答：1.积分分离2.变速积分的PID算式3.抗积分饱和4.梯形积分5.消除积分不灵敏区微分项的改进：1.不完全微分PID控制算法2.微分先行PID控制算法3.平滑滤波8.最少拍设计是什么？具体要求是什么？答：在数字随动控制系统中，要求系统的输出尽快地跟踪给定值的变化，最少拍控制就是满足这一要求的一种离散化设计方法。要求是准确性要求对典型的参考输入信号，在到达稳态后，系统的采样点的输出值能准确跟踪输入信号且无静差、快速性要求在各种系统在有限拍内到达稳态的设计中系统准确跟踪输入信号所需要的采样周期应为最少、稳定性要求数字控制器D(Z)必须在物理上可实现且闭环系统须是稳定的。第五章 现代控制技术1.离散状态方程，能控性矩阵若系统完全能控，则其能控性矩阵为满秩。若F为对角型矩阵，则G中没有一行元素全为0，系统状态完全能控。能观性矩阵为满秩，系统能观。矩阵满秩。例1：,， 故系统状态完全能控。2.按极点配置设计控制器离散状态方程预报观测器方程状态反馈控制规律连续状态方程离散化：首先求出连续系统的状态转移矩阵可得离散方程。见书P174.第七章 抗干扰技术1.干扰的作用途径？答：(1) 传导耦合(2) 静电耦合(3) 电磁耦合(4) 公共阻抗耦合2.干扰作用形式包括串模干扰和共模干扰。3. 什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？答：共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成得。消除共模干扰的方法有以下几种:变压器隔离；光电隔离；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的仪表放大器作为输入放大器。串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。消除串模干扰的方法有以下几种：在输入回路中接入模拟滤波器；使用双积分式A/D转换器；采用双绞线作为信号线；电流传送，4.阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。5. 数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点：(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。故选择ABCD6. 常用的数字滤波方法有几种？它们各自有什么特点？答：数字滤波的定义：通过一定的计算活判断程序减少干扰在有用信号中的比例，实质上一种程序滤波。（1）限幅滤波法：是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现得最大偏差。（2）中值滤波法：它对于去掉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。变化慢的场合（3）算术平均值滤波法：它适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。它特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。变化慢的场合（4）递推平均值滤波：抑制周期性干扰，高速（5）中位值平均滤波法：消除偶然产生的脉冲干扰所带来的采样值偏差。高速（6）限幅平均滤波法：消除偶然产生的脉冲干扰所带来的采样值偏差。高速（7）一阶滞后滤波法：抑制周期性干扰。慢速（8）加权递推平均滤波法，适用于有较大纯滞后时间常数的对象。高速（9）消抖滤波法，对变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果。慢速（10）限幅消抖滤波法，结合限幅与消抖的优点，慢速7.计算机控制系统的常用接地方法是什么？答：（1）一点接地（减少地回路之间的相互干扰）（2）多点接地（防止共阻抗耦合引入的干扰）（3）混合接地目的：确保设备与操作人员的安全，安全接地；保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的接地，工作接地。8.嵌入式系统定义：控制，监视或者辅助设备，机器和车间运行的装置。嵌入式系统特点：1.复杂性2.处理的实时性3.与关键系统的控制相关4.购买产品与技术开发相结合的实现方式