计算机控制技术复习总结中学教育中考_中学教育-中学课件.pdf

计算机控制技术 简答 1、计算机控制系统组成框图：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。2、计算机控制系统的分类（1）直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）系统。原理：用一台计算机对多个被控参数巡回检测，对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。特点：计算机直接参与控制，系统经计算机构成了闭环。优点：一台计算机可以取代多个模拟调节器，它利用了计算机的分时能力。（2）操作指导控制系统（Data Processing System，DPS）。原理：计算机只是对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据。特点：由操作人员（或别的控制装置）根据测量结果来改变设定值或者进行必要的操作。优点：一台计算机可代替大量常规显示和记录仪表，从而对整个生产过程进行集中监视，可得到更精确的结果，对指导生产过程有利。（3）计算机监督控制（Supervisory Computer Control，SCC）系统。原理：计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳给定值后，送给模拟调节器或 DDC计算机，并由模拟调节器或 DDC计算机控制生产过程。特点：SCC+模拟调节器控制系统：收集检测信号及管理命令，按照一定的数学模型进行计算，把给定值输出到模拟调节器中。此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较后，其“偏差值”经模拟调节器计算后输出到执行机构中，以达到调节生产过程的目的。SCC+DDC控制系统：系统为两级计算机控制系统。一级为监督级 SCC，其作用与 SCC+模拟调节器控制系统中的 SCC一样，用来计算最佳给定值；给定值是计算得到的，以保证系统在最优工作状态下运行，其控制规律可以改变，使用起来更加灵活。优点：根据工作状态的变化，改变给定值，以实现最优控制。（4）分布式控制系统。原理：分散过程控制级是 DCS的基础，用于直接控制生产过程。特点：基本上属于 DDC系统的形式，但工作任务由各工作站来完成，局部的故障不会影响整个系统的工作。优点：该系统通用性强、组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、调试方便、运行安全可靠，能够适应工业生产过程的多种需要。（5）计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）。原理：CIMS采用多任务分层体系结构，其基本控制思想是递阶控制。特点：越是处于高层的单元，对系统性能影响范围就越广，决策周期比低层单元长，很难进行定量公式化描述。优点：在递阶结构中，各级分担不同工作，同级中又可并行工作，效率高；级间协调通信比各单元相互通信有效得多。3、工业计算机特点（1）可靠性要求。对于生产控制来说，要求生产的连续性，所以对设备的可靠性要求较高。（2）实时控制。在生产过程中需要应对非正常情况，需要实时对设备进行监测、报警和管理，并根据优先级别尽快地响应。（3）生产过程的连接。工业计算机拥有专用的借口，可以通过远程通信线路与控制机等设备进行交互。（4）环境的适应性。一般情况下，工业计算机的工作现场环境比较恶劣，需要考虑抗高温、抗腐蚀等一系列问题。4、行列式键盘-定时扫描法 如图所示，采用 8255 端口构成的 48 矩阵键盘 定时扫描法的工作过程：（1）定时扫描键盘，判断是否有键按下（2）消除按键抖动（3）求按键键值（4）等待按键释放 5、常用的数字滤波器有哪几种，各自的优缺点 程序判断滤波 优点：这是根据实践经验数据获得。缺点：detE 确定不太灵活，因为不能根据现场的情况不断更换新值，不能反映采样点数大于 3 的各采样值受干扰的情况 中值滤波 优点：对于克服偶然因素引起的波动干扰，或者采样器本身的不稳定所引起的脉动干扰较为有效 缺点：只适用于物理变化相对较缓慢的工作场合 算数平均值滤波 优点：对电压、流量等周期脉动的参数采样值进行平滑加工，所测数据相对稳定。缺点：不适宜用于克服随机（脉冲性）干扰 加权平均值滤波 优点：可以根据需要突出信号的某一部分，抑制信号的另以部分。缺点：滑动平均值滤波 优点：对周期性干扰有良好的抑制作用平滑度高 缺点：灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差，很难消除由于脉冲干扰引起的采样值的误差，因此不适用于脉冲干扰比较严重的场合 低通滤波 优点：可以消除高频干扰对测量精度的影响 缺点：复合数字滤波 优点：可用于既有脉动干扰又有脉冲干扰的环境 缺点：6、什么是输出通道？有哪些部分组成？输出通道：输出通道与输入通道相对应，是计算机控制系统的组成部分，是计算机功能的延伸，计算机控制系统的各种计算结果必须经由其输出执行。组成:输出通道具有模拟信号输出和开关信号输出两种形式，模拟信号输出通道包括计算机控制接口、D/A转换器、驱动电路、执行机构等几个部分；开关信号输出通道包括驱动电路和执行机构两部分。对象等部分组成计算机控制系统的分类直接数字控制系统原理用一台计算机对多个被控参数巡回检测对生产过程进行控制使被控参数稳定在给定值上特点计算机直接参与控制系统经计算机构成了闭环优点一台计算机可以取代多个模出数据特点由操作人员或别的控制装置根据测量结果来改变设定值或者进行必要的操作优点一台计算机可代替大量常规显示和记录仪表从而对整个生产过程进行集中监视可到更精确的结果对指导生产过程有利计算机监督控制系统原制生产过程特点模拟调节器控制系统收集检测信号及管理命令按照一定的数学模型进行计算把给定值输出到模拟调节器中此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较后其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构中以达到调节生产7、PWM 技术：PWM 就是脉冲宽度调制，在频率不变的情况下，通过改变输出脉冲的宽度（就是脉冲的占空比）从而使输出信号的平均值（即直流成分）发生改变，达到控制外部对象的目的。用 8253 输出周期为 1KHZ，占空 比 为70%的 PWM 波：MOV AL，36H OUT 07H,AL MOV AL,72H OUT 07H,AL MOV AL,0D0H OUT 04H,AL MOV AL,07H OUT 04H,AL MOV AL,58H OUT 05H,AL MOV AL,02H OUT 05H,AL 程序中，8253 的控制端口地址、定时器地址分 别为 07H、04H、05H 8、动态 LED显示与静态 LED显示各有什么特点？静态 LED显示 是当显示器件显示某个字符时，相应的显示段（发光二极管）恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止。占用机时少，而且显示稳定可靠。其缺点是使用元器件相对较多，且线路比较复杂，相对而言成本较高。动态 LED显示 就是微处理器定时地对显示器件所显示的内容进行扫描。各显示器件分时工作，任何时刻只有一个显示器件在显示，由于人眼的视觉暂留，当扫描显示每一个器件达到一定速度时，人看到每个器件都在显示。9、三相步进电机有哪几种工作方式？每种工作方式的特点？单三拍工作方式：每次只能一相绕组通电，通电三次完成一个通电循环。双三拍工作方式：每次都是两相通电，控制电流切换 3 次，磁场旋转一周，转子移动一个齿距位置，双三拍工作方式中，要求电源所提供的功率比较大,此种工作方式的特点是不容易失步。六拍工作方式:六拍工作方式就是把单三拍和双三拍结合起来的一种工作方式,比单三拍或双三拍的步进精度高出一倍。10、什么是顺序控制？什么是数字程序控制？数字程序控制的方式？顺序控制：就是以预先规定好的时间或条件为依据，按预先规定好的动作次序顺序地完成工作的自动控制。数字程序控制（数控）：就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械（如各种机床）按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。数字程序控制的方式：逐点比较插补法、数字积分插补法 11、什么是逐点比较插入法？数字积分插补法？比较两者的特点？逐点比较插补法：所谓逐点比较插补法，就是每走一步都要和给定的轨迹上的坐标值进行一次比较，看该点在给定轨迹的上方还是下方，或者在给定轨迹的外面还是里面，从而决定下一步的进给方向。数字积分插补法：是在数字积分器基础上建立的一种插补法。逐点比较插入法特点：运算直观、插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，输出脉冲的速度变化小，调节对象等部分组成计算机控制系统的分类直接数字控制系统原理用一台计算机对多个被控参数巡回检测对生产过程进行控制使被控参数稳定在给定值上特点计算机直接参与控制系统经计算机构成了闭环优点一台计算机可以取代多个模出数据特点由操作人员或别的控制装置根据测量结果来改变设定值或者进行必要的操作优点一台计算机可代替大量常规显示和记录仪表从而对整个生产过程进行集中监视可到更精确的结果对指导生产过程有利计算机监督控制系统原制生产过程特点模拟调节器控制系统收集检测信号及管理命令按照一定的数学模型进行计算把给定值输出到模拟调节器中此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较后其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构中以达到调节生产方便，在两坐标联动的数控机床中运用较为广泛。数字积分器插补法特点：运算速度快、脉冲分配均匀、易于实现坐标联动，运用广泛，缺点是速度调节不够方便，插补精度需要由软件技术来克服。12、RS232 422 485 的优缺点？为什么 RS485传输距离远？RS-232-C 优点：微机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通讯。通讯距离可达 15m，传输数据的速率可任意调整，最大可达 20Kb/s。缺点：传输速率慢。传输距离近。RS-232-C 出现了互不兼容的 25 芯连接器。使用非平衡发送器和接收器，电气性能不佳。接口处各信号间容易产生电干扰。RS-422 优点：规定了差分平衡的电气接口，能够在较长距离时明显提高数据传输速率，由于平衡结构性能得到了改善，这种差分平衡结构能够从地线的干扰中分离出有效信号，事实上，差分接收器可以区分 0.2V 以上的电位差，可以不受参考电平波动及共模电磁干扰的影响。RS-422的另一个优点是允许传送线上连接多个接收器。缺点：RS-485 优点：接口信号电平比 RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 TTL电平兼容，可方便与 TTL 电路连接。RS-485的数据最高传输速率为 10Mbps，RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。缺点：很多情况下，RS-485忽略了信号地的连接，引起共模干扰问题，当网络中的共模电压超出一定的范围时，会严重影响通信的稳定可靠性，甚至损坏接口；RS-485还存在 EMI问题，发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。RS485 传输距离远：RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。13、现场总线技术定义及特点？FCS 与 DCS的差别？现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络。现场总线特点：数字信号完全取代 420mA模拟信号。基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成。使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息及补偿信息等。实现现场管理和控制的统一。真正实现系统的开放性、互操作性。FCS与 DCS 相比，其系统结构大幅度简化，成本显著降低，现场设备自治性加强，系统性能全面提高，信号传输的可靠性和精度提高，真正实现全分散、全数字化的控制网络，用户始终拥有系统集成权。计算题 1、已知广义被控对象为 sTsessesG2)1(11)(其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为 Tc=0.5s,应用达林算法确定数字控制器。解：广义对象脉冲传递函数为 对象等部分组成计算机控制系统的分类直接数字控制系统原理用一台计算机对多个被控参数巡回检测对生产过程进行控制使被控参数稳定在给定值上特点计算机直接参与控制系统经计算机构成了闭环优点一台计算机可以取代多个模出数据特点由操作人员或别的控制装置根据测量结果来改变设定值或者进行必要的操作优点一台计算机可代替大量常规显示和记录仪表从而对整个生产过程进行集中监视可到更精确的结果对指导生产过程有利计算机监督控制系统原制生产过程特点模拟调节器控制系统收集检测信号及管理命令按照一定的数学模型进行计算把给定值输出到模拟调节器中此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较后其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构中以达到调节生产 4514111()()110.632 (1)(1)10.368TsTseG zZ G sZesszzz Zs sz 闭环系统理想脉冲传递函数为 45110.865()0.5110.135TsTseezzZssz 得达林控制器如下 115()10.368()1.3691()()10.1350.865zzD zz G zzz 2、已知广义被控对象为 sTsessesG2111)(其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为 Tc=0.5s,应用史密斯预估器方法确定数字控制器。解：不含纯滞后的广义对象脉冲传递函数为 0011111()()110.632 (1)(1)10.368TseGzZ GsZsszzZs sz 广义对象脉冲传递函数为 54010.632()()10.368zG zGz zz 不考虑纯滞后，闭环系统理想脉冲传递函数为 01()0.51ss，进而101110.865()0.5110.135TsezzZssz 求得100100()10.368()1.3691()()1zzDzz Gzz 于是得史密斯预估器如下 101500()10.368()1.3691(1)()()10.1350.865NDzzD zzDz Gzzz 3 已知)5(1)(sssF 求 )(zF 解：1515-11511111()()(5)5 110.2(1-)=(1)(1)TTTF zZ F sZs szezezzez 4、已知广义被控对象:)1(11)(sssesGTs,给定 T=1s 对象等部分组成计算机控制系统的分类直接数字控制系统原理用一台计算机对多个被控参数巡回检测对生产过程进行控制使被控参数稳定在给定值上特点计算机直接参与控制系统经计算机构成了闭环优点一台计算机可以取代多个模出数据特点由操作人员或别的控制装置根据测量结果来改变设定值或者进行必要的操作优点一台计算机可代替大量常规显示和记录仪表从而对整个生产过程进行集中监视可到更精确的结果对指导生产过程有利计算机监督控制系统原制生产过程特点模拟调节器控制系统收集检测信号及管理命令按照一定的数学模型进行计算把给定值输出到模拟调节器中此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较后其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构中以达到调节生产 针对单位斜坡输入设计最小拍有纹波控制系统。解：由已知条件，被控对象含有一个积分环节，有能力产生单位斜坡响应。求广义对象脉冲传递函数为 )368.01)(1()718.01(368.0 1111)1()1()1(1)1()1(11)()(1111111211121zzzzzezzzzssZzssseZsGZzGTs 可以看出，G(z)的零点为-0.718(单位圆内)、极点为 1(单位圆上)、0.368(单位圆内)，故 u=0,v=0(单位圆上除外),m=1。根据稳定性要求，G(z)中 z=1 的极点应包含在e(z)的零点中，由于系统针对等速输入进行设计，故 p=2。为满足准确性条件另有e(z)=(1-z-1)2F1(z),显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设)()(1101zcczz 02)1(1)1(110cccc 解得 1,210cc。闭环脉冲传递函数为 212111)1()(1)(2)2()(zzzzzzzze 则 )718.01)(1()368.01)(5.01(435.5)()()()(1111zzzzzGzzzDe 1122341 2()()()(2)234(1)zY zR zzzzzzzzL 对象等部分组成计算机控制系统的分类直接数字控制系统原理用一台计算机对多个被控参数巡回检测对生产过程进行控制使被控参数稳定在给定值上特点计算机直接参与控制系统经计算机构成了闭环优点一台计算机可以取代多个模出数据特点由操作人员或别的控制装置根据测量结果来改变设定值或者进行必要的操作优点一台计算机可代替大量常规显示和记录仪表从而对整个生产过程进行集中监视可到更精确的结果对指导生产过程有利计算机监督控制系统原制生产过程特点模拟调节器控制系统收集检测信号及管理命令按照一定的数学模型进行计算把给定值输出到模拟调节器中此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较后其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构中以达到调节生产