2022年计算机控制技术复习资料 .pdf

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1、-1- 第一章 绪论概念：自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。（这个是百度上搜的）没有人参与的控制系统。（老师课件上的）控制器：除了被控制对象之外的各部分的组合；控制对象：指被控制的设备或过程控制系统：受控对象与控制装置构成控制系统。（通过计算机实现生产过程自动控制的系统）自动控制系统：在没有人参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定规律运行的系统。开环控制系统：指无被控量反馈的控制系

2、统，即需要控制的是被控对象的某一量，而测量的只是给定信号，被控量对于控制作用没有任何影响的系统。闭环控制系统：指有被被控量反馈的控制系统，即系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端，构成闭合通道的系统。控制系统应满足的要求：2 计算机控制系统的硬件组成、框图、各组成部分的作用、工作过程由四部分组成。图 1.1 微机控制系统组成框图主机 CPU 是整个控制系统的指挥部，通过接口机软件可以向系统的各个部分发出各种命令，对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、报警处理以及逻辑判断等操作。诸暨是微型计算机控制系统的重要组成部分，主机的选用直接影响到系统的功能及接口电路的设计等。I/O 接口： 这

3、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。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。检测与执行机构a.测量

4、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，其主要功能是将被精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 9 页-2- 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

5、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。微型计算机控制系统的特点是什么？微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：a.控制规律灵活多样，改动方便b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度计算机控制系统的工作原理：实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。实时控制决策：对采集到的

6、被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。3 计算机控制系统的典型形式、特点计算机控制系统的典型型式：（ 1）操作指导控制系统（DAC ） （定义： 计算机测得的信号数据，根据一定的控制算法，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：开环控制。由人操作，实时性差，不能控制多个对象。） （2）直接数字控制(DDC) （定义：计算机通过模拟量输入通道、开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道、开关量输出通

7、道直接控制生产过程。优点：能够实现自动控制、多回路控制，能够灵活的把各种算法施加于生产过程。这种结构是计算机控制的最基本结构！） （3）监督控制系统（SCC） （定义：计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。优点：计算机坏了，模拟仪表可以直接控制；DDC 计算机可以直接控制，SCC 计算机只是采集，优化；这实际上是一种不存在上下级通信的两级控制，只存在传递设定值的关系。提高系统的可靠性。缺点：造价高、效益差，现在已经不用了。） （4）集散控制系统（DCS） （定义：采

8、用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。特点：分散过程控制级：这是最底层，直接和现场控制点打交道；集中操作控制级：集中在控制室通过显示屏等几种监控、操作综合信息管理级：实现整个企业的综合信息、管理，主要执行生产管理和经营管理功能，能够提供管理决策信息。） （5）现场总线控制系统(FCS)（FCS 即新一代分布式控制系统，采用“工作站 -现场总线智能仪表”二层结构， 国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。优点： 降低 DCS 成本，提高可靠性。 ） （6）综合自动化系统（CIMS

9、CIPS ） （由企业资源信息管理系统、生产执行系统和生产过程控制系统构成的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和流程工业的计算机集成过程系统。）操作指导、 DDC 和 SCC 系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？(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。其原理框图如图1.2 所示。精选学习资料 - - - - - - - - -

10、 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 9 页-3- 图 1.2 操作指导控制系统原理框图(2)直接数字控制系统(DDC 系统 )： DDC(Direct Digital Control)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。其原理框图如图1.3 所示。图 1.3 DDC 系统原理框图(3)计算机监督控制系统(SCC 系统 )： SCC(Supervisory Co

11、mputer Control) 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。SCC 系统的原理框图如图1.4 所示。图 1.4 SCC 系统原理框图SCC 是操作指导控制系统和DDC 系统的综合与发展。第二章过程通道传感器及其作用、分类、常用传感器定义：将被测的物理量按一定规律变换成任一种电参量的器件。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 9 页-4- 分类：

12、按输入量分：温度、湿度、压力、流量等；按输出量分：电压、电流、电阻等；按材料分：半导体、导体、陶瓷。常用传感器：1 温度传感器：电参量随温度变化有热电阻(金属 )，热敏电阻 (半导体 )，热电偶，半导体PN 结，集成电路。 2 光敏传感器：光敏电阻（半导体），光电池（半导体） ，光敏晶体管（半导体） 。3 压敏传感器：金属应变片，4 其它：声敏、气敏、色敏等执行器及其作用、分类、常用执行器定义：电能转换成其它能量分类：按输入信号形式分模拟、数字；按输出信号形式分常用：直流电机，步进电机，开关（可控硅、固态继电器，电磁阀、光电耦合隔离器，行程开关和接近开关，光电开关、电 /气转换器、电动执行器）

13、模拟信号、数字信号模拟信号：时间上、幅值上均连续的信号数字信号：时间上、幅值上均离散的信号采样信号：时间上离散、幅值上连续的信号过程通道、功能及其分类过程通道：能够完成计算机与生产过程（或传感器、执行器件）之间信息传送及转换的电路。（网上的：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，它包括AI 、AO 、DI、 DO。 ）1）模拟量输入/输出通道AI/AO 模拟量输入通道：把从系统中检测的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。模拟量输出通道：把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。2）开关量（数字量）输/输出通道 D

14、I/DO 。数字量的分类：按类型分有电平式（高电平或低电平）和触点式（触点闭合或触点断开）两种。数字量输入通道、功能、组成框图、各组成部分的作用，接口电路实例（能看懂）数字量输入通道作用：将现场两态信号转换成计算机能接收的标准数字电平信号。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。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；输入缓冲器：控制数据输入（三态门）；地址译码器：选中缓冲器，使之处于允许状态数字量输出通道

15、、功能、组成框图、各组成部分的作用，接口电路实例（能看懂）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 9 页-5- 数字量输出通道作用：把标准电平信号转换成执行器可工作的两态电平信号。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，驱动器：放大电压、电流或功率，以保证执行器能正常工作；锁存器：保存输出数据；译码器：选中锁存器，使之处于允许状态模拟量输入通道、功能、组成框图、各组成部分的作用模拟量输入通道作用：将检测到的模拟信号转换成计算机能接收的二进制数

16、字信号。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)预处理包括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。 ） 、放大、滤波。(2)多路转换器： 用来切换模拟电压信号的关键元件。可将各输入信号依次地/随机地接到公用A/D 转换器或放大器上。（分为单向 /双向、机械 /半导体。）(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。（S

17、/H）(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) 。多路开关的原理、作用堵路开关的主要用途是把多个模拟量参数分时地接通，常用于多路参数共用一台A/D 转换器的系统，即完成多到一的转换； 或者经计算机处理，且有 A/D 转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换。前者称多路多路开关，后者叫做多路分配器，或叫做反多路开关。采样过程、孔径时间、孔径误差采样过程：把时间上和幅值上连续的模拟信号转换成一连串脉冲

18、输出信号的过程（离散模拟信号）孔径时间：在模拟量输入通道中,完成一次 A/D 转换所需的时间。孔径误差：对于随时间变化的模拟信号,孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转化误差。采样 /保持器的原理、作用在采样 -保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。在保持状态时， 采样 -保持器的输出将保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤销（即再度接到采样命令）时为止。此时，采样保持器的输出重新跟踪输入信号变化，直到下一个保持命令到来为止。作用：（1）保持采样信号不变，以便完成A/D 转换。（2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量。（3）减少 A/D 转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及

19、缩短稳定输出值的建立时间。（4）把一个 A/D 转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。量化、量化单位、量化误差量化：用一组数码（二进码）逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字量。量化单位q：数字量变化一个单位所对应的模拟信号的变化量量化误差：由量化引起的误差A/D 转换器的作用、分类、各类特点作用：把模拟量转换成数字量。按原理：逐次逼近型（快、抗干扰差精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 9 页-6- ） 、双积分型（慢、抗干扰好）、全并行（最快、贵）；按输出信号：串行、并行逐次逼近型A/D 转换器的原理在启动信号

20、控制下，首先置数控制逻辑给逐次逼近寄存器最高位Dn-1 置 1，其它位都清0。寄存器的这个内容，经过 DAC 转换成模拟量Vc，约为满量程电压的一半，与输入的模拟量Vx 进行比较，由电压比较器输出结果。如果Vx Vc，则电压比较器输出0，同时说明寄存器中的数字量偏小，应该保留Dn- 1=1 ；相反，如果Vx1s （2）浪涌： 10mst1s（ 3）尖峰： us 级（ 4）射频： mus 级（ 5）断电干扰的抑制： （）保护电源（一般保护措施，异常保护措施）（）地线设计过程通道的主要干扰干扰： （1）串模干扰：叠加在测量信号上的干扰（2）共模干扰：A/D 两输入端共有的（3）线间耦合：电场/磁场

21、（4）长线中波反射抑制： (1) 滤波、接地、传电流(2) 高共模抑制比的放大器(3) 远离、屏蔽（同轴电缆）正交、双绞（螺距=3cm）(4) 阻抗匹配线间耦合干扰及其抑制措施 静电 /电场耦合含义：电场通过电容C 耦合途径窜入其它线路。例如，两根导线之间会构成电容，电路板上各引线之间构成电容，变压器线匝之间和绕组之间构成电容。抑制：远离、屏蔽（同轴电缆） 磁场耦合含义：空间磁场通过导体间互感M 耦合进来。导体2 上的感应电压Vn 抑制：正交、双绞（螺距=3cm）空间干扰及其抑制措施干扰：电磁波（系统外部：人为/自然系统内部：分布电容、电感/寄生振荡 /元器件产生的噪声。 ）抑制：屏蔽、接地地

22、线及其分类（接地：实/浮空）接地目的：一是抑制干扰，使计算机工作稳定；二是保护计算机、设备和人员的安全。工作接地：保证系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰。保护接地：避免因设备的绝缘损坏或下降时，人员触电和保护设备。接地是抑制干扰的重要方法，如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可以解决大部分干扰问题。分类：接地原则：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 9 页-9- 低频 1 点接地方式种类及其特点（1）串联：简单/有互扰（ 2）并联：繁杂/无互扰实用 1 点接地原则地线分组、组内串联、组间并联。数字滤波、标度变换数字滤波

23、: 利用软件滤波的方法数字滤波有以下几个优点：（1）数字滤波通过程序实现，不需硬件设备，系统的可靠性较高。（2）数字滤波可实现多通道共用。（3）可对低频信号（如0.01Hz）实现滤波。（4）采用不同的算法和参数就可实现对不同信号的滤波，使用起来灵活、方便。第七章控制技术1 PID 控制的含义、用途P: 比例Proportion;I ： 积分Integral;D ：微分Differential D(s) 或 D(z)求不出时，可用2 数字 PID 算法：位置式、增量式表达式及适用情况3 模糊控制器的组成、框图、及各部分作用提出：字符识别模糊：不清楚，界限不分明特点： 1无需精确数学模型2易学习3使用方便4适应性强5速度快 6可靠性高模糊控制器组成模糊化接口：将精确量划属各子集隶属度知识库：数据库（隶属度函数）、规则库推理机：推理清晰化接口：把模糊量变成精确量精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 9 页