计算机控制技术复习2.0讲解

1、计算机控制技术复习任课教师：陈昌忠鲁方剑1、考试题型名词解释 3 个判断题10 个填空题简答题计算题 数字 PID 设计、标度转换（即作业题的计算题）分析题 I/O 接口与过程通道2、推荐复习顺序a. 数字 PID 设计、标度转换（先将这两章弄懂）b. I/O 接口与过程通道c. 最后复习其他概念章节3、逐章复习计算机控制系统概述1、自动控制 是在 非人工直接参与 的前提下，应用 自动控制装置 自动地、有目的 地控制设备和生产过程， 使他们具有一定的状态和性能， 完成相应功能， 实现预 定目标2、自动控制系统 一般可以分为： 开环控制系统 和 闭环控制系统 两大类。3、开环控制系统：指控制器按

2、照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被 控制对象或系统能按照约定来运动或变化。4、闭环控制系统：闭环控制系统较开环控制系统增加了一个 比较环节 和一个来 自被控参数的 反馈信号 。5、计算机控制系统的工作原理 （工作过程 ）（1）实时数据采集：对测量变送装置输出的信号经 A/D 转换后进行处理。（2）实时控制决策：对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。（3）实时控制输出：实时地输出运算后的控制信号，经 D/A 转换后驱动执行机构，完成控制任务。（4）上述过程依次不断循环进行，使被控变量稳定在设定值上6、计算机控制系统的工作原理与模拟控制系统工作原理的区别（1）

3、计算机控制系统的上述过程依次循环进行。（2）模拟控制系统的三个过程是同时进行，循环进行。7、计算机控制系统工作的方式（1）在线方式和离线方式 生产过程和计算机 直接连接， 并受计算机控制的方式 称为在线方式或联机方 式，反之称为离线方式。 （直接相连是指信息相连）生产过程 不和计算机相连，且不受计算机控制 ，而是靠人进行联系并作相应 操作的方式称为离线方式或脱机方式。（2）实时方式 实时 ：指信号的输入、计算和输出都要在 一定的时间 范围内完成，亦即计 算机对输入信息，以 足够快的速度 进行控制 。8、判断： 一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定 是在线系统。（正确）9、

4、计算机控制系统的组成包括 硬件和软件 两大部分。硬件是由计算机 主机、接 口电路、外部设备 组成，是计算机控制系统的基础。10、软件通常分为两大类：一类是 系统软件，另一类是 应用软件。11、I/O 接口存在的原因：速度不匹配，时序不匹配，信息格式不匹配。12、集散控制系统（ DCS：Distributed Control System）又称为分布控制系统 该系统采用 分散控制、集中管理、分而自治、综合协调 形成具有层次化体系结构 每一级都有自己的功能， 基本上是独立的， 但级与级之间或同级之间又有信息交 互。13、现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的 全数字式、开放的、双向的 通 信网络

5、。14、计算机控制系统的发展趋势：综合化、虚拟化、智能化、绿色化。15、计算机控制系统的结构特征（1）执行控制核心部件是计算机，是模数混合系统；（2）控制规律利用软件实现，便于实现复杂的控制规律和在线修改控制方案；（3）可同时控制多个回路；（4）存在开环控制系统、闭环控制系统等不同类型的控制系统。工业控制计算机1、什么是工业控制计算机？答、工控机 （Industrial Personal ComputerIPC） ：亦即工业控制计算机、工业计算机， 是以计算机为核心的测量和控制系统， 处理来自工业系统的输入信 息，再根据控制要求将处理结果输出到执行机构， 去控制生产过程， 同时对生产 进行监督

6、和管理。2、什么是总线、内部总线和外部总线？描述总线的分类情况。 （1）总线的定义：是一组传送规定信息的信号线的集合。（2）内部总线：工控机内部各组成部分之间进行信息传送的公共通道。是一组 信号线的集合。（3）外部总线：工控机与其他计算机和智能设备进行信息传送的公共通道。（4）总线的分类情况a. 按功能或信号类型划分：数据总线、地址总线、控制总线b. 根据总线传送信号的形式划分：并行总线 、串行总线c. 根据总线的用途和应用环境划分：内部总线、外部总线3、信号调理模块的主要功能是完成信号的 放大、滤波、隔离及电平的移位功能， 以及信号的多码转化功能。输入通道处理以滤波、补偿、放大隔离、保护为主

7、要 特征，输出通道以驱动、隔离和保护为主要特征。4、PLC的软件分为 系统软件和用户程序 两大部分。计算机控制系统抗干扰技术1、什么是干扰、外部干扰、内部干扰？（1）干扰：就是有用信号以外的噪声或造成计算机或设备不能正常工作的破坏 因素。（2）外部干扰：指与系统结构无关，由外界环境决定的影响系统正常运行的因 素，如空间或磁的影响，环境温度、湿度等的影响等 。（ 3）内部干扰指由系统结构、 制造工艺等决定的影响系统正常运行的因素， 如分布电容、 分布电感引起的耦合、 多点接地引起的电位差、 寄生振荡引起的干 扰等。2、计算机控制接地的目的是什么？ （1）抑制干扰；（2）使计算机工作稳定； （2）

8、保护计算机、电器设备和操作人员的安全。3、干扰传播的途径主要有三种，即静电耦合，磁场耦合与公共阻抗耦合。4、按照干扰的作用方式不同，过程通道的干扰主要有串模干扰（ 常态干扰 ） 和共模干扰 （共态干扰 ） 。串模干扰 （ 常态干扰 ） ：串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声。 共模干扰（共态干扰） ：共模干扰是指模 /数转换器两个输入端上公有的干扰 电压。5、接地分为：安全接地、工作接地、屏蔽接地。数字程序控制技术1、什么是数字程序控制？数控系统有哪几种分类方式？ （1）数字程序控制就是能够根据数据和预先编制好的程序，控制生产机械按规 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

9、完成工作的自动控 制。（2）数字控制系统的分类A、按控制对象的运动轨迹分类分为点位控制、直线切削控制和轮廓切削控制。B、根据有无检测反馈元件分类分为开环数字程序控制和闭环数字程序控制两大 类。2、数字程序控制技术是综合应用计算机、自动控制、自动检测、精密机械等高 新技术的产物。3、数控系统一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈系统等部分组成。4、数字程序控制的基本原理：曲线分割，插补计算，脉冲分配 5、伺服控制系统原理及组成。 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作， 从而获得精确的位 置、速度及动力输出的控制系统，又称随动控制系统。伺服控制系统的基本要求：稳定性好；精度高；快

10、速响应并无超调。6、伺服驱动电动机 伺服驱动电动机又称为执行元件，它具有根据控制信号的要求而动作的功能。 常用的伺服电动机主要有直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机以 及直线电动机等。7、什么是插补？逐点比较法插补原理。（ 1）插补： 根据给定的各曲线的起点、终点坐标，确定各坐标值之间的中间值 的数值计算方法称为插补或插值。（ 2）逐点比较法插补原理： 每当画笔或刀具向某一方向每移动一步，就进行一 次偏差计算和偏差判别， 也就是判别到达新点的位置坐标和给定轨迹上对应点的 位置坐标之间的偏离程度， 然后根据偏差的大小确定下一步的移动方向， 使画笔 或刀具始终紧靠给定轨迹运动， 起到步步逼近

11、的效果。 由于采用的是 “一点一比 较，一步步逼近”方法，因此称为逐点比较法。8、直线插补过程分为哪几个步骤？有哪几种终点判别方法？ （1）直线插补过程：A、偏差判别B、坐标进给C、偏差计算D、终点判别（2）终点判别方法A、分别设置 x 轴和 y 轴的计数器 Nx 和 Ny,每走一步，相应计数器减 1，当 这两个计数器的数都减到 0 时，即达到终点；B、用一个计数器 Nxy 存放总步数，与走一步计数器减 1. 当 Nxy=0，即达到 终点。9、步进电机是一种能将电脉冲信号直接转变成与脉冲数成正比的角位移或直线 位移量的执行元件。其速度与脉冲频率成正比，可通过改变脉冲频率在较宽范 围内调速。10

12、、对于转子有 4 个齿三相步进电机，若采用三拍方式，则它的步距角是：0360 3003* 4对于转子有 40 个齿且采用三拍方式的步进电机而言，其步距角是36003* 4011、一相绕组通电的操作称为一拍， 那么对 A、B、C 三相绕组轮流通电需要三拍。 对 A、B、C 三相绕组轮流通电一次称为一个周期， 同时三相步进电机转子转动一 个齿轮。12、对于三相步进电机则有单相三拍（简称单三拍）方式、双相三拍（简称双 三拍）方式、三相六拍方式。（1）单三拍工作方式，通电顺序为 A B C A（2）双三拍工作方式，通电顺序为 AB BC CA AB（3）三相六拍工作方式，通电顺序为 A ABBBCCC

13、AA 假定步进电机的 A、B、C 分别连接数据总线的 D0、D1、D2信号端。 正转： 01H 03H 02H 06H 04H 05H 反转： 05H 04H 06H 02H 03H 01H 13、直流伺服电机具有良好的启动、 制动和调速特性， 可实现宽范围的平滑无极 调速，故多用在调速性能要求较高的生产设备中。直流伺服电机的控制及驱动方法： 晶体管脉宽调制 （PWM）控制和晶闸管 （可 控硅）放大器驱动控制。控制系统软件设计技术1、模块化程序设计是把一个较长的复杂的程序分成若干个功能模块或子程序， 每个功能模块执行单一的功能； 每个模块单独设计、 编程、 调试后最终组合在一 起，联结成整个系

14、统的程序。模块化程序设计方法的两种设计思路： “自底向上”设计法、 “自顶向下”设 计法。2、数据预处理技术主要包括：系统误差的自动校准，线性化处理，数字滤波、 标度变换、插值算法和越限报警处理等。测量数据预处理的作用：去除数据中的噪声，以及经过数字调零或一些必要的变换等处理，得到参与控制决策运算或显示等数据3、什么是标度变换？在什么情况下使用标度变换？说明热电偶测量、显示温度 时，实现标度变换过程。（1）标度变换：也称工程量转换，将 A/D转换后的数字量转换成与实际被测量相 同量纲的过程。（ 2）生产中各个参数有不同的数值和量纲 , 如、Pa等, 这些参数经传感器或变 送器以及相应的信号调理

15、转换成 A/D 转换器能接收的统一电压信号 05V，由 A/D（ 以八位为例 ）转换成 00FFH的数字量，不带量纲，仅代表参数值相对大 小。为方便操作及运算， 显示和打印的要求， 须把数字量转换成带有量纲的数值。（3）热电偶的电压输出与温度之间的关系表示为 u1 f （T） ，温度与电压值存在一 一对应的关系；经过放大倍数为 K1的线性放大处理后， u2 K1u1 K1f （T），再 经过 A/D 转换后输出为数字量 D1，D1 数字量与模拟量成正比，其系数为 K2，则D1 K1K2f （T ） 。这就是计算机接收到的数据，该数据只是被测温度有一定函数 关系的数字量， 并不是被测温度， 所以

16、不能相识该数值， 要显示的被测温度值需 要利用计算机对其进行标度变换，即需推导出 T与 D1的关系，在经过计算得到 实际温度值。4、 线性参数标度变换： Ax Amax Amin （Nx N min） AminN max N min5、什么是软件抗干扰技术？软件抗干扰技术研究的主要内容 软件抗干扰技术是当系统受干扰后 使系统恢复正常运行 或输入信号受干扰 后去伪求真 的一种辅助方法。软件抗干扰是被动措施，硬件抗干扰是主动措施。 软件抗干扰技术研究的内容： 采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上噪声的影响，如数字滤波技 术； 由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取 使程序

17、纳入正规的措施，如软件冗余、软件陷阱技术等。6、数字滤波包括：平均值滤波，中值滤波，程序判断滤波，RC低通数字滤波，复合数字滤波等。7、输入数字量的软件抗干扰技术（1）重复采集数据。干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，通过重复采集的方法， 将随机干扰引起的虚假输入状态信号滤除掉。（2）经多次数据采集，信号总是变化不定，则停止数据采集并报警；或者在一 定采集时间内计算出现高电平、 低电平的次数， 将出现次数高的电平做为实际采 集数据。8、输出数字量的软件抗干扰技术（1）定期重写控制宇、输出状态字；（ 2）建立反馈检测通道。9、在一些对程序流向起决定作用的指令和某些对工作状态起重要作用的指令的 后面

18、重复书写这些指令 ，以确保这些指令的正确执行；该技术使程序纳入正常轨道的条件是：跑飞的程序必须在程序运行区，并且必须能执行到冗余指令。10、软件陷阱技术： 就是一段软件引导指令， 强行将捕获的程序引向一个指定的 地址，在那里专门有一段专门对程序出错进行处理的程序， 使程序运行恢复正常。 软件陷阱一般安排在以下五种地方：未使用的中断向量区、未使用的大片 ROM 区、表格、运行程序区、中断服务程序区。11、判断：由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不影响程序执 行效率，在 EPROM容量允许的情况下，多多益善（或越多越好） 。（正确）12、某压力测量仪表的量程为 400 1200Pa.采

19、用 8位 A/D转换器，设某采样 周期计算机中经采样及数字滤波后的数字量为 ABH，求此时的压力值。解： Amin=400Nmax=0FFH=255Amax=1200Nx=0ABH=171Ax Amax AminN max N min(Nx N min) Amin1200 400 （171 0） 400 936.5255 0所以当采样值为 ABH时，电阻炉压力值为 936.5Pa13、某电阻炉温度变化范围为 0 1600摄氏度，经温度变送器输出电压为 15V， 再经 AD574转换， AD574输入电压范围为 05V，计算当采样值为 3D5H时，电 阻炉的温度是多少？解：Amin=0, Ama

20、x=1600Nmax=0FFFH=4095, Nx=3D5H=981因为 0 摄氏度经温度变送器输出电压为 1V，所以 Nmin 的值对应电压 1V 的值，即：Nmin=4095/5=819Ax Amax AminN max N min(Nx N min) Amin1600 04095 819(981 819) 0 79.1所以计算当采样值为 3D5H，电阻炉的温度为 79.1 摄氏度常规及复杂控制技术1、计算机控制系统设计：通常是指在反馈控制系统结构和对象特性确定的情况 下，按照给定的系统性能指标， 设计出数字控制器的控制规律和相应的数字算法， 使控制系统满足性能指标的要求。2、根据设计方法

21、采用的理论和系统模型的形式可分为：模拟化设计方法（连续离散化设计法）、离散化设计方法 （直接设计法、离散域直接设计法或 z 域设计方法)和串级、前馈、纯延迟补偿及解耦控制等复杂控制技术。3、什么是数字控制器的模拟化设计方法？数字控制器的模拟化设计步骤。 (1)数字控制器的模拟化设计方法：地看成模拟系统， 忽略控制回路中所有的采样开关和保持器， 统进行初步设计， 求出模拟控制器， 数字控制器，并由计算机实现。是指在一定条件下把计算机控制系统近似在 s 域中按连续系 然后通过某种近似， 将模拟控制器离散化为2)3)数字控制器的模拟化设计步骤： 设计假想的连续控制器 D(s) 选择采样周期 T ：必

22、要条件(最低标准) 将 D(s) 离散化为 D(z) 校验A、B、C、D、：香农定理4、连续信号离散化( 1)后向差分法 :利用级数展开可将 z esT ，写成以下形式sT ze11e sT 1 sT为了由 D(s)求取 D(z) ，由上式可得z 1 1 z 1s zTz1 1 Tz 且有 D(z) D(s)2)双线性变换法 :z esT 利用级数展开可得sTsT e 2z esTsTe2sT sT11221 s2T1 s2T2(z 1)T(z 1)21 z 1T 1 z1为了由 D(s)求解 D(z) ，由上式得且有D(z) D(s) 2(1 z 1)s1T(1 z 1)5、由 D(Z) 得

23、差分方程D(z) u(z) b0 b1z 1bmz mD(z) 1 nE(z) 1 a1z 1anz nu(k)a1u(k1)a2u(k2)anu(kn)b0e(k)b1e(k1)bme(km) 利用上式即可实现计算机编程， 因此上式称为数字控制器 D（z） 的控制算法6、数字 PID 控制器：( 1)数字 PID 位置型控制算法：u(k) u(k 1) Kpe(k) e(k 1) Kie(k) Kd e(k) 2e(k 1) e(k 2)(2) 数字 PID 增量型控制算法：u(k) u(k) u(k 1)Kpe(k) e(k 1) Kie(k) Kd e(k) 2e(k 1) e(k 2)

24、7、位置式 PID算法中要用到过去误差的累加值， 易产生较大的累积计算误差 （即 积分饱和 ）; 增量式 PID 在微分时，对于给定值的变化以及开始时刻微分会产生 很强的微分作用（ 易产生微分饱和 ）。8、数字 PID 控制器的改进（1）基本 PID 的缺陷：积分饱和，微分饱和 - 产生饱和效应。（2）积分分离数字 PID 控制算法，针对积分饱和（3）带死区的数字 PID 控制算法（4）不完全微分数字 PID 控制算法，针对微分饱和（5）微分先行 PID 控制算法，特别适用于给定值频繁变化的场合9、数字 PID 控制器参数整定的任务是确定 T、Kp、 Ti 和 Td。10、判断：在满足系统性能

25、指标的前提下 ，选择尽量大的采样周期。 （正确）11、选择采样周期的总原则： 在满足系统性能指标的前提下，选择尽量大的采 样周期；其本要求：香农定理； 实际应用情况：考虑系统的综合因素。根据实际情况选择合适的采样周期通常考虑下列一些因素： 作用于系统的扰动信号频率 fn 。通常 fn 越高，要求采样频率 fs 也要相应 提高，即采样周期 （T 2/fs ） 缩短。12、数字 PID 参数的工程整定方法：扩充临界比例度法，扩充响应曲线法，归 一参数整定法，变参数寻优法。13、离散化设计方法：是在 Z 平面上设计的方法，对象可以用离散模型表示。或 者用离散化模型的连续对象，以采样控制理论为基础，以

26、 Z 变换为工具，在 Z 域中直接设计出数字控制器 D（Z） 。这种设计法也称直接设计法或 Z域设计法。- 10 -14、数字控制器的离散化设计步骤： 由 H0(s) 和 G(s) 求取广义对象的脉冲传递函数 HG(z) ； 根据控制系统的性能指标及实现的约束条件构造闭环脉冲传递函数Gc(z) ； 根据 D(z) 式确定数字控制器的脉冲传递函数 D(z) ； 由 D(z) 确定控制算法并编制程序。15、数字随动系统的要求：系统输出能够尽快地、准确地跟踪给定值变化。 在数字控制系统中，通常把一个采样周期称为一拍。所谓最少拍控制， 就是要求设计的数字调节器能使闭环系统在 典型输入作用 下，经过 最

27、少拍数 达到输出 无静差。最少拍控制系统性能要求是 快速性和准确性 。 实质上最少拍控制是时间最优控制，系统的性能指标是调节时间最短(或尽 可能地短)。由此看出：(三要素)典型输入、无静差、最少拍。离散化设计步骤和最少拍控制器设计，全是重点，自己看书看课件。另外，第六章作业题中的计算题自己弄。16、最少拍控制器的限制条件：1)稳定性。2)准确性。3)快速性。4)物理可实现性- 11 -17、最少拍无波纹控制器设计：（1）纹波产生的原因：控制器输出波动大。 控制量在一拍后并未进入稳态，而是在不停地波动，从而使连续部分的输出 在多样点之间存在纹波 存在左半平面单位院内的极点。（2）消除纹波的附加条

28、件： 使 Gc（z） 包含 HG（z）圆内的零点，就是消除消除纹波 的附加条件，也是有纹波和无纹波设计的唯一区别。18、大林算法设计目标：设计合适的数字控制器 D（z） ，使整个计算机控制系统 等效的闭环传递函数期望为 一个纯滞后环节和一阶惯性环节相串联 ，并期望闭环 系统的纯滞后时间 等于 被控对象的纯滞后时间。19、大林算法是用来解决含纯滞后对象的控制问题，其适用于被控对象具有带 纯滞后的一阶或二街惯性环节。20、（1）振铃（Ringing ）现象：数字控制器的输出 u（kT）以1/2 采样频率的大幅度 衰减的振荡。（ 2）振铃现象的缺点： 振铃现象中的震荡会增加执行机构的磨损； 在存在耦

29、合的 多回路控制系统中，还有可能影响到系统的稳定性。（ 3）振铃幅度 RA（Ringing Amplitude ）（4）振铃幅度 RA是用来衡量振铃强烈的程度。数字控制器在单位阶跃输入作用 下，第 0 拍输出与第 1 拍输出之差，即其中式中 RA0，则无振铃现象； RA>0，则存在振铃现象，且 RA值越大， 振铃现象越严重。21、产生振铃的原因：数字控制器中含有左半平面上的极点。 消除振铃的方法：消除 D（z） 中的左半平面的极点。 具体方法： 先找出引起振铃现象的极点，然后令这些极点 z=1，于是消除了产生振 铃的极点。 从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期 T 及系统闭环时间

30、常 数 T，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。I/O 接口与过程通道1、什么是接口，接口技术，过程通道？（1）I/O 接口：是一电子电路 （以IC芯片或接口板形式出现 ） ，其内有若干专 用寄存器和相应的控制逻辑电路构成， 它是 CPU和 I/O 设备之间交换信息的媒介 和桥梁 。（2）过程通道：在计算机与生产过程之间设置的信息传送和交换的连接通道。（3）接口技术：是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。2、模拟量输入通道：功能：是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字- 12 - 信号，经接口送往计算机。3、CPU与外部设备之间信息交换的种类： （ 1）数据信息（ 2）控制信息（ 3）状 态信息： Ready,Busy 4、接口的控制方式 （CPU与外设之间的数据传送方式）（1）程序控制方式（2）中断处理方式（ 3） DMA（直接存储器存取）传送方式 （用一个专门的控制器来实现： DMA