计算机控制技术复习资料09电气.doc

2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作计算机控制技术复习资料1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？由四部分组成。图1.1微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。(4)检测与执行机构a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(05V或420mA)后，再送入微机。b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。1.什么是过程通道？过程通道有哪些分类？过程通道是在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。按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。2.数字量过程通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。其中：输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量，进行电平转换，将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题。4.简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图2.1所示。输入电流流过二极管时使其发光，照射到光敏三极管上使其导通，完成信号的光电耦合传送，它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离。图2.1光电耦合器电路图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)。7.采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。采样保持器的作用：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。保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的跟随特性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差。8.在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什么？不是，对于输入信号变化很慢，如温度信号；或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，就不必再选用采样保持器。11.设计出8路模拟量采集系统。请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模拟量数据采集程序。本例给出用8031、DAC0809设计的数据采集系统实例。把采样转换所得的数字量按序存于片内RAM的30H37H单元中。采样完一遍后停止采集。其数据采集的初始化程序和中断服务程序如下：初始化程序：MOV R0，#30H ；设立数据存储区指针 MOV R2，#08H ；设置8路采样计数值 SETB IT0 ；设置外部中断0为边沿触发方式 SETB EA ；CPU开放中断SETB EX0 ；允许外部中断0中断 MOV DPTR，#FEF8H ；送入口地址并指向IN0LOOP： MOVX DPTR，A ；启动A/D转换，A的值无意义HERE： SJMP HERE ；等待中断中断服务程序： MOVX A，DPTR ；读取转换后的数字量 MOV R0，A ；存入片内RAM单元 INC DPTR ；指向下一模拟通道 INC R0 ；指向下一个数据存储单元 DJNZ R2，INT0 ；8路未转换完，则继续 CLR EA ；已转换完，则关中断 CLR EX0 ；禁止外部中断0中断 RETI ；中断返回 INT0： MOVX DPTR，A ；再次启动A/D转换 RETI ；中断返回 3.2.什么是逐点比较插补法？直线插补计算过程和圆弧插补计算过程各有哪几个步骤？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。圆弧插补计算过程的步骤如下：(1)偏差判别(2)坐标进给(3)偏差计算(4)坐标计算(5)终点判别3.5.设加工第一象限的圆弧AB，起点A（6，0），终点B（0，6）。要求：(1)按逐点比较法插补进行列表计算；(2)作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。解：插补计算过程如表32所示。终点判别仍采用第二种方法，设一个总的计数器Nxy，每走一步便减1操作，当Nxy=0时，加工到终点，插补运算结束。下图为插补过程中的走步轨迹。表32步数偏差判别坐标进给偏差计算坐标计算终点判别起点F0=0x0=6,y0=0Nxy=121F0=0-XF1=0-12+1=-11x1=5,y1=0Nxy=112F1<0+YF2=-11+0+1=-10x2=5,y2=1Nxy=103F2<0+YF3=-10+2+1=-7x3=5,y3=2Nxy=94F3<0+YF4=-7+4+1=-2x4=5,y4=3Nxy=85F4<0+YF5=-2+6+1=5x5=5,y5=4Nxy=76F5>0-XF6=5-10+1=-4x6=4,y6=4Nxy=67F6<0+YF7=-4+8+1=5x7=4,y7=5Nxy=58F7>0-XF8=5-8+1=-2x8=3,y8=5Nxy=49F8<0+YF9=-2+10+1=9x9=3,y9=6Nxy=310F9>0-XF10=9-6+1=4x10=2,y10=6Nxy=211F10>0-XF11=4-4+1=1x11=1,y11=6Nxy=112F11>0-XF12=1-2+1=0x12=0,y12=6Nxy=01、加工第一象限直线OA，起点为O(0，0)，终点坐标为A(6，4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。（10分）要求：（1）按逐点比较插补法进行列表计算； （2）做出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。解坐标进给的总步数Nxy=|6-0|+|4-0|=10, xe=6,ye=4, F0=0, xoy=1. （5分）步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判断起点F0=0Nxy=101F0=0+xF1=F0-ye=-4Nxy=92F1<0+yF2=F1+xe=2Nxy=83F2>0+xF3=F2-ye=-2Nxy=74F3<0+yF4=F3+xe=4Nxy=65F4>0+xF5=F4-ye=0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=-4Nxy=47F6<0+yF7=F6+xe=2Nxy=38F7>0+xF8=F7-ye=-2Nxy=29F8<0+yF9=F8+xe=4Nxy=110F9>0+xF10=F9-ye=0Nxy=0根轨迹图： （5分）2、加工第一象限直线OA，起点O（0，0），终点A（4，3）。解：4.1. 数字控制器的模拟化设计步骤是什么？模拟化设计步骤：（1）设计假想的模拟控制器D(S)（2）正确地选择采样周期T（3）将D(S)离散化为D(Z)（4）求出与D(S)对应的差分方程（5）根据差分方程编制相应程序。4.4 .已知模拟调节器的传递函数为试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式，设采样周期T=0.2s。则 把T=0.2S代入得位置型增量型4.6. 采样周期的选择需要考虑那些因素？(1)从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在95%的系统的过渡过程时间内，采样6次15次即可。(2)从快速性和抗扰性方面考虑，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。(3)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）。(4)从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，当主机字长较小时，若T过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。另外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因此T必须大于执行机构的调节时间。4.8. 数字控制器的离散化设计步骤是什么？计算机控制系统框图如图41所示。图41计算机控制系统框图由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数D(z)。数字控制器的直接设计步骤如下：(1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数(z)。(2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。(3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。(4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。4.9 已知被控对象的传递函数为采样周期T=0.1s，采用零阶保持器。要求针对单位阶跃输入信号设计最少拍有纹波系统的。解：广义脉冲传递函数为最少拍有纹波设计步骤：1）根据广义对象的传递函数确定参数N（分母多项式的幂次）M （分子多项式的幂次）d=N-M延时u在z平面的单位圆上或圆外零点的个数v在z平面的单位圆上或圆外极点的个数j在z平面的单位圆上极点的个数q(输入类型)已知N=2，M=2所以d=0u=0(即分子多项式中的)v=1，j=1；q=1(单位速度输入)2）确定F1(z)和F2(z)的幂次m和n所以：3）确定e(z)4）确定(z)5）根据关系使等式两边同幂次的系数相等，解出F1和F2中的系数。解得：所以：6）求控制器D(z)14.与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制的优点：（1）模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统。（2）模糊控制不用建立对象精确的数学模型。（3）模糊控制系统的鲁棒性好。（4）模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。3.数字PID位置式和增量式算法的各自特点是什么？ 增量算法不需要做累加,位置算法要用到过去的误差的累加值,容易产生大的累加误差 增量算法得出的是控制量的增量,而位置算法的输出是控制量的全量输出,误动作影响大. 采用增量算法,易于实现手动到自动的无冲击切换.4.数字PID控制算法中，Kp、Ti、Td的物理调节作用分别是什么？ Kp为比例增益,能减小误差,但不能消除稳态误差,但Kp加大会引起系统不稳定. Ti为积分时间常数 只要有足够的时间,积分控制将能完全消除误差 但积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡.Td为微分时间常数 可以减小调整时间, 从而改变系统的动态性能. 5、计算机控制系统的工作步骤分为哪几步？答:计算机的工作步骤分为3步:实时数据采集,实时数据决策和实时数据处理.1.什么是计算机的总线？ 答:所谓总线,就是计算机各模块之间互联和传送信息(指令,地址和数据)的一组信号线.分为内部总线和外部总线.2.计算机的外部总线有哪几种？答:计算机的外部总线有RS-232C,RS-485,IEEE-488,USB等等.3.RS-232C串行通信总线采用什么传输方式？为什么RS-232C的传输距离不远？ 答:RS-232C串行通信总线采用的是不平衡传输方式.由于发送器和接收器之间有公共的信号地线,共模信号不可避免地要进入信号传送系统中.当传输距离过远时,发送器与接收器各自会形成不同的对地电位.4.RS-485串行通信总线采用什么传输方式？它与RS-422A串行通信总线的区别是什么？ 答:RS-485串行通信总线采用的是不平衡传输方式.区别在于RS-485为半双工工作方式,而RS-422A为全双工工作方式.且RS-422A适用于两点之间进行高速,远距离通信,而RS-485适用于多点之间进行高速,远距离通信.8.什么是香农采样定理？ 香农采样定理:如果模拟信号(包括噪声干扰在内)频谱的最高频率为fmax,只要按照采样频率f>=2fmax进行采样,那么采样信号就能惟一地复观.9.什么是量化误差？ 量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程,由于量化过程是一个小数归整过程,因而存在量化误差,量化误差为(+_1/2)q.10.什么是孔径时间和孔径误差？ 完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间.孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差,即为孔径误差.6.最少拍控制算法本质上是什么算法，为什么？ 最少拍控制算法本质上是时间最优控制算法,因为最少拍控制算法是以系统的快速性为主要性能指标.7.最少拍控制算法的三种典型输入信号分别是什么？ 三种典型输入信号分别是单位阶跃信号,单位速度信号,单位加速度信号8.最少拍控制算法的局限性是什么？最少拍控制器对典型输入信号的适应性较差1、计算机控制控制系统：由计算机完成部分或全部功能的控制系统，称为计算机控制系统（要求画出图）2、一般的计算机控制系统由计算机、I/O接口电路、通用外部设备和工业生产对象等部分组成。1、 计算机控制系统分为：DDC（直接数字控制）、DPS（操作指导控制系统）、SCC（计算机监督控制）、DCS（分布式控制系统）、CIMS（计算机集成制造系统）。2、 DCS（分布式控制系统）：DCS由DDC、SCC、和MIC（综合信息管理）组成，它的下一代技术是集计算机、通信、控制三种技术为一体的现场总线控制系统（FCS）。1、 阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出2、 稳态误差稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差3、 PID控制 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节，其数学表达式为 4、 数字PID控制数字PID有二种形式，分别是位置式和增量式（1）位置式：其表达式为位置式控制算法提供执行机构的位置Uk，需要用到过去的累计误差，一般用于以可控硅或伺服电机作执行器件的控制系统中（2）增量式：其表达式为增量式控制算法提供执行机构的增量uk ，只需要保持现时以前3个时刻的偏差值即可，一般用在步进电机或多圈电位器作执行器件的控制系统中5、 香农采样定理：系统采样频率的下限为fs=2fmax，此时系统可真实地恢复到原来的连续信号。6、PID算法数字控制器的参数整定的方法（1）扩充临界比例度法 (弄懂KK和TK的概念)(2) 扩充响应曲线法适用对象：对象具有滞后自平衡特性（即滞后环节加一阶惯性环节），传递函数形式：(3) PID参数归一法(4) PID参数试凑法(适用对象：对象特性参数完全不知或已知对象传递函数做仿真)1、设采样控制系统的特征方程为：A(z)=45z3-117z2+119z-39=0试用双线性变换判断系统稳定性？（书P39）2、讨论该系统，试求为保证闭环系统稳定，放大倍数K的取值范围。（书P40）3、数字PID增量式控制算法与位置式算法比较，其优点是什么？答：1）增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置式算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。2）增量式算法得出的是控制量的增量，误动作影响小。而位置式算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。3）采用增量式算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。4）采用增量式算法不需要累加，只需要记住4个历史数据，占用内存小，计算方便。4、设计算机控制系统结构图如图示其中 已知：采样周期T=0.025s，输入为斜坡信号。试设计最少拍控制系统D(Z)。（书P61）5、CPU对数据通道的常用控制方式有 程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取（DMA）方式。6、根据下图编写的ADC0809转换程序。ADC0809的地址是8000H8007H，通道号在R2中，采样后的结果存放在30H37H中。在程序中启动ADC0809的同时将通道号写到ADC0809中。ORG 00H AJMP MAIN ORG 03H AJMP ADC0809 ORG 1000HMAIN: SETB EA SETB EX0 SETB IT0 MOV R2，#0 MOV R0，#30H MOV DPTR，#8000H MOVX DPTR，A AJMP $ADC0809: MOVX A，DPTR MOV R0，A INC R0 INC R2 MOV A，R2 ORL A，DPL MOV DPL，A MOVX DPTR，A CJNE R2，#07H，ADC0809RET MOV R2，#0 MOV R0，#30H RETIADC0809RET： RETI7、设内部RAM的20H和21H单元内存放一个12位数字量（20H单元中为低4位，21H单元中为高8位），试根据下图编写出将它们进行D/A转换的程序。解：D/A转换的程序为：ORG0000HMOVR0，#0FFH；8位输入寄存器地址MOVR1，#21H MOVA，R1；高8位数字量送AMOVXR0，A；高8位数字量送8位输入寄存器DECR0DECR1MOVA，R1；低4位数字量送ASWAPA；A中高低4位互换MOVXR0，A；低4位数字量送4位输入寄存器DECR0MOVXR0，A；启动D/A转换END8、如图所示，试用查询和中断两种方式编写程序，对IN5通道上的数据进行采集，并将转换结果送入内部RAM20H单元。解：中断方式程序清单：ORG0000HMOVDPTR，#7FF5HMOVXDPTR，A；启动A/D转换SETBEASETBEX1；开外中断1SETBIT1；外中断请求信号为下跳沿触发方式LOOP：SJMPLOOP；等待中断END中断服务程序：ORG0013H；外中断1的入口地址LJMP1000H；转中断服务程序的入口地址ORG1000HMOVXA，DPTR；读取A/D转换数据MOV20H，A；存储数据RETI；中断返回查询方式程序清单：ORG0000HMOVDPTR，#7FF5HMOVXDPTR，A；启动A/D转换LOOP：JBP3.3，LOOP；等待转换结束MOVXA，DPTR；读取A/D转换数据MOV20H，A；存储数据END9、如图所示，试编程对8个模拟通道上的模拟电压进行一遍数字采集，并将采集结果送入内部RAM以30H单元为始地址的输入缓冲区。解：从图中可以看出，接线方式为中断方式。ADDA、ADDB和ADDC三端接8031的P0.0 、P0.1 和P0.2，故通道号是通过数据线来选择。程序清单：ORG0000HMOVR0，#30H；数据区始地址送R0MOVR7，#08H；通道数送R7MOVR6，#00H；IN0地址送R6MOVIE，#84H；开中断SETBIT1；外中断请求信号为下跳沿触发方式MOVR1，#0F0H；送端口地址到R1MOVA，R6；IN0地址送AMOVXR1，A；启动A/D转换LOOP：SJMPLOOP；等待中断END中断服务程序：ORG0013H；外中断1的入口地址AJMP1000H；转中断服务程序的入口地址ORG1000HMOVXA，R1；读入A/D转换数据MOVR0，A；将转换后的数据存入数据区INCR0；数据区指针加1INCR6；模拟通道号加1MOVA，R6；新的模拟通道号送AMOVXR1，A；启动下一通道的A/D转换DJNZR7，LOOP1；8路采样未结束，则转向LOOP1CLREX1；8路采样结束，关中断LOOP1：RETI；中断返回