计算机控制系统复习资料精简版 列出重点知识点.docx
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1、第一章 概论,讲述计算机控制系统的开展过程;计算机控制系统在日常生活和科学研究中的意义;计算机控制系统的组成及工作原理;计算机控制的特点、优点和问题;及模拟控制系统的不同之处;计算机控制系统的设计及实现问题以及计算机控制系统的性能指标。1.计算机控制系统及连续模拟系统类似,主要的差异是用计算机系统取代了模拟控制器。2.计算机系统主要包括:AD转换器,将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号,送入计算机;DA转换器,将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件;数字计算机(包括硬件及相应软件),实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理,按给定的算法程序产生相应
2、的控制指令。3.计算机控制系统的控制过程可以归结为:实时数据采集,即A/D变换器对反应信号及指令信号的瞬时值进展检测和输入;实时决策,即计算机按给定算法,依采集的信息进展控制行为的决策,生成控制指令;实时控制,即D/A变换器根据决策结果,适时地向被控对象输出控制信号。4.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。5.自动控制,是在没有人直接参及的情况下,通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。 6.计算机控制系统的特性系统规模有大有小系统类型多种多样系统造价有高有低计算机控制系统不断推陈出新7. 8.计算机控制系统的分类按功能分类1) 数据处理系统2) 直接数字控制DDC
3、3) 监视控制SCC4) 分散型控制5) 现场总线控制系统按控制规律分类1) 程序和顺序控制2) 比例积分微分控制PID3) 有限拍控制4) 复杂控制5) 智能控制按控制方式分类1) 开环控制2) 闭环控制9.计算机控制系统的构造和组成10.计算机控制系统的组成控制算法软件网络硬件11.硬件平台运算处理及存储局部:CPU,存储器RAM,ROM,EPROM,FLASH-ROM,EEPROM以及磁盘等,时钟,中断,译码,总线驱动等。输入输出接口局部:各种信号模拟量,开关量,脉冲量等的锁存、转换、滤波,调理和接线,以及串行通讯等。人机对话局部:包括显示CRT,数码管,液晶等,键入键盘,鼠标,触摸屏等
4、,打印记录等。12.硬件平台的设计、开发或应用选型应着重考虑的几个方面可靠性可维护性本钱精度及外观13.软件组成测控软件网络软件管理软件14.常用的编程工具汇编语言高级语言组态语言15.控制算法控制算法是闭环控制的核心,是各种控制理论最后应用到工业现场的具体表达。不同的算法往往适应不同的控制对象,好的算法稳定性好,适用面宽,参数整定方便。16.网络大型控制系统必然是计算机网络组成的,而计算机网络的高速开展又为大型控制系统的构成提供了更好的支持。由于现场总线技术的开展,小型控制系统也逐步网络化,其优点是系统更可靠、更经济、维护跟方便。17.计算机控制系统的性能指标系统的稳定性能控性和能观测性动态
5、指标稳态指标综合指标18.计算机控制研究的课题 数学描述和分析方法 离散系统的性能分析 计算机控制系统的构造设计 计算机控制系统的算法设计 控制系统的计算机辅助计算和设计19.计算机控制的开展方向最优控制自适应、自学习和自组织系统系统辨识分级控制集散型控制现场总线型控制20.计算机控制系统优点易实现复杂控制规律l 计算机运算速度快、精度高、丰富的逻辑判断和存储能力,容易实现复杂的控制规律,如各种智能控制等,可以极大地提高系统性能。计算机控制系统的性价比高l 一台计算机可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路,因此,它的功能/价格比值较高。适应性强灵活性高l 控制算法是由软程序实现,通过修改
6、或执行不同的软件可使系统具有不同性能,适应性强,灵活性高。计算机是一种可编程的智能元件 。一套硬件设计用于不同产品生产过程和对象的控制。系统测量灵敏度高l 数字式传感器,可以敏感微弱信号,提高测量灵敏度。l 软件可以对传感器特性进展修正及补偿,提高了精度。控制及管理容易结合实现更高层次的自动化l 利用网络构造构成计算机控制及管理系统,实现生产过程及经营的管理控制一体化。系统可靠性和容错能力高l 计算机控制系统实现自动检测和故障诊断较方便,提高了系统的可靠性和容错及维修能力。21.计算机控制系统一些缺点及缺乏 -抗干扰能力较低; -插入数字部件,信号复杂,设计实现有一定困难。22.计算机控制系统
7、的国外市场概况可编程序控制器PLC分布式控制系统DCS工业PC机PID调节器现场总线控制系统FCS23.注意以下几点:l 计算机控制系统中的控制器是用数字计算机和A/D及D/A转换器来实现的。l 计算机控制系统重要的特点.注意计算机控制系统是一个混合信号系统。l 计算机控制系统具有许多优点是一种柔性和智能化的系统 。广泛用于国防、国民经济各个领域中不可替代的各种系统。 l 计算机控制系统的理论分析和设计具有许多不同的特点 。第二章 计算机控制系统的数学描述和分析方法,信号的采样及采样定理;差分方程及z变换的关系及相互变换;脉冲传递函数及其应用;频率域描述;计算机控制系统的状态空间描述;时间域特
8、性及频率域特性分析方法。1.采样过程l 采样器就是不同形式的“开关 2.采样定理香农定理如果一个连续信号不包含高于频率wmax的频率分量连续信号中所含频率分量的最高频率为wmax),那么就完全可以用周期T 2wmax,那么就可以从采样信号中不失真地恢复原连续信号。 3.离散系统脉冲传递函数(z传递函数)定义为:在初始条件为零时,系统输出量z变换及输入量z变换之比4.离散系统频率特性定义频率特性:在正弦信号作用下,系统或环节的稳态输出及输入的复数之比随输入正弦信号频率变化的特性。 5.由脉冲传递函数建立离散状态方程串行法又称迭代法并行法又称局部分式法直接法6.离散系统状态方程的求解迭代法z变换法
9、7.计算机控制系统闭环状态方程闭环系统的状态方程,可通过求取系统数字局部、广义被控对象及反应局部的状态方程,整理后得到。8.系统稳定的充要条件连续系统-特征根全在s左半平面,如有特征根在虚轴上,称作临界稳定,由于响应不会依据需要收敛,因此,系统也是不稳定的。 离散系统-特征根全部位于z平面单位圆内,即每一特征根的模值应小于1:9.离散系统稳定性检测直接求取特征方程根朱利代数稳定判据10.采样周期及系统稳定性 离散系统的稳定性比连续系统差 。 采样周期也是影响稳定性的重要参数,一般来说,减小采样周期,稳定性增强。 11. 关于稳态误差,应注意以下几个概念:-系统的稳态误差只能在系统稳定的前提下求
10、得。 -稳态误差为无限大并不等于系统不稳定,它只说明该系统不能跟踪所输入的信号,或者说,跟踪该信号时将产生无限大的跟踪误差。 -上述稳态误差是由系统的构造如放大系数和积分环节等及外界输入作用所决定的原理误差。 -系统元部件精度仍可能引入稳态误差,计算机控制系统,由于A/D及D/A字长有限,会带来附加的稳态误差。 第三章 计算机控制系统的经典设计,连续域-离散化的数字化设计根本原理及步骤;连续控制器的离散化方法:一阶前向、后向差分近似法、Tustin变换法、匹配z变换法;数字PID控制、时滞补偿控制等。1.连续域离散化设计的步骤如下:第1步:根据系统的性能选择采样频率,设计抗混叠前置滤波器。第2
11、步:考虑ZOH的相位滞后,根据性能指标和连续域设计方法,设计数字控制算法的等效传递函数Ddc(s) 。 -如所取采样频率较高,可略去ZOH的影响。第3步:选择适宜的离散化方法,将Ddc(s)离散化,获得脉冲传递函数D(z),使两者性能尽量等效。第4步:检验计算机控制系统的闭环性能。如满足指标要求,进展下一步;否那么,重新设计。改良设计的途径有: -选择更适宜的离散化方法。 -提高采样频率。 -修正连续域设计,如增加稳定裕度指标等。第5步:将D(z)变为数字算法,在计算机上编程实现。2.离散化方法很多 数值积分法置换法 -一阶向后差法-一阶向前差法-双线性变换法 -修正双线性变换法 零极点匹配法
12、 保持器等价法 z变换法(脉冲响应不变法) 3.数字PID的增量式算法1)较为平安。一旦计算机出现故障,输出控制指令为零,执行机构的位置如阀门的开度仍可保持前一步的位置,不会给被控对象带来较大的扰动。2)计算时不需进展累加,仅需最近几次误差的采样值。l 增量式算法的实质,就是根据误差三个时刻采样值,适当加权计算求得的,调整加权值A、B、C即可获得不同的控制品质和精度。 4.数字PID控制算法改良积分别离法 遇限削弱积分法 饱和停顿积分法 反应抑制积分饱和法5.微分算法的改良不完全微分的PID算式微分先行PID第四章 计算机控制系统的状态空间设计,离散系统的可控性及可达性;可观性及可重构性;采样
13、系统的可控可观性及采样周期的关系;状态反应设计;状态观测器设计;调节器设计。第五章 计算机控制系统的构建,计算机控制系统的硬件组成及输入/输出接口;测试信号处理及实时软件编程;控制器算法的构造编排;控制器算法的程序实现。 1. 单板机、单片机、STD工控机、PC工控机和PLC构成的计算机控制系统,称它们为单机控制系统并不表示它们不能连成网络,而是因为它们最初的应用都是以单机方式对生产过程实施控制,并且作为单机控制系统更能表达它们在计算机控制领域的优势。2.什么是总线式计算机控制系统将各功能局部分别制做成独立的模板,通过总线完成CPU对各模板的控制,这就是现今计算机控制系统广泛采用的总线方案。3
14、.计算机控制系统使用标准总线后有如下好处1使用标准总线的计算机控制系统必然是模板构造,系统构成灵活,可以根据工艺要求方便地组成所需的控制系统。且维护十分方便。2各生产厂家生产的产品100%相互兼容,这样在一个系统中可以将同一总线标准的不同厂家的模板安装在一个机箱中一个母槽中,同样可以在众多厂家的产品中选择最经济的、最适宜的模板。3基于某种标准总线的模板总是类型繁多,用户的选择余地很大4.控制系统总线标准STD总线标准、PC总线标准、VME总线标准等5.一种总线标准包含四局部内容电气特性、机械特性、功能特性、规程特性。6.STD工控机系统的构成7.数据格式:数据传送的常用格式有两种:二进制码和A
15、SCII码。8.数据长度确实定:数据长度确定大致有三种方法:其一,按固定数据长度进展通讯,通讯时接收方和发送方各自独立计数,此方法最简单,但灵活性太差。其二,发送方在数据发送的结尾处发送特定字符,接收方受到该字符后,得知数据已发送完毕。其三,发送方在数据发送前先发送数据长度给接收方,接收方根据这一长度接收相应长度的数据。9. 数据校验:尽管几乎所有的串行通讯通道都有奇偶校验功能,但仅靠字节的奇偶校验通讯的可靠性是不能保证的,一般还加上异或校验或和校验,异或校验就是发送方在发送数据的同时将所有数据进展异或处理,并将异或结果在通讯完毕前发送给接收方,接收方将所收到的数据也做异或处理,然后及发送方送
16、来的异或结果比拟,确定通讯是否正确。和校验及异或校验相似,只是数据做累加处理。这两种校验方式的好处就是编程简单,如果要追求更可靠的校验方式,可选择CRC ,一般在电厂控制系统和某些危险的化工控制场合中应用10. 通讯中断处理:由于串行通讯的速度较慢,如果在通讯过程中每向发送存放器发送一个字节的数据,CPU都循环等待该字节数据发送完毕,再发送下一字节,直到全部数据发送完毕,那么串行通讯就会占用大量的CPU时间,CPU将无法完成实时控制的工作。因此,通常下位机向上位机的定时通讯采用中断方式,即每次发送存放器中的数据发送完后,都向CPU发出中断请求,CPU在串行中断效劳程序中将下一字节的数据送到发送
17、存放器。此外,下位机CPU也可以采用一种查询方式,CPU在进展完一轮控制运算后,查询一下发送存放器是否空,如空,向发送存放器送下一字节数据,如不空,那么进展下一轮控制运算。这种查询方式的缺点是上位机将花费大量的等待时间,或者上位机使用硬中断,加大上位机的编程难度。由于上位机向下位机的随机通讯不是经常进展,为了降低串行中断效劳程序设计的复杂程度,在工艺要求允许的情况下,此类通讯通常采用查询方式11.通讯缓冲区一定要建立专门的接收缓冲区和发送缓冲区,不要把接收的数据直接送到目标单元。再内存允许的情况下,缓冲区尽量大一些。12.工业PC机的根本构造13.工业PC机用于工业控制的优点 可抗冲击、振动,
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