计算机控制技术重要

1、第一章计算机控制系统的作用及功能作用：实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出。功能：在初期，实现模拟系统的一种近似，获得与模拟控制系统相同的效果；随着各种新技术（如新控制策略、现场总线、网络技术等）的出现，可完成常规控制无法完成的任务。实时、在线及其相互关系实时是指信号的输入、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，超出这个时间就失去控制的时机，控制也就失去了意义。在线是指在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接相联，并受计算机控制的方式。二者之间的关系为：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gb线系统。IPC: Indus

2、trial Personal Computer 工业控制计算机，工控机DDC:Direct Digital Control 直接数字控制SCC:Supervisory Computer Control 监督计算机控制DCS:Distributed Control System 集散控制系统，分布式控制系统FCS:Fieldbus Control System 现场总线控制系统ERP:Enterprise Resources Planning 企业资源信息管理系统CIMS: Computer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造系统CIPS: Compu

3、ter Integrated Process System 计算机集成过程系统计算机控制系统的典型形式，组成框图及其特点典型形式有：操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督控制系统，集散控制系统，现场总线控制系统及综合自动化系统。工业控制机的硬件组成 主机板、内部总线和外部总线、磁盘系统、通信接口、人机接口、输入输出通道工业控制机的软件组成系统软件：多任务操作系统，引导系统，调度执行程序应用软件：过程输入程序，过程控制程序，过程输出程序，人机接口程序，打印显示程序和公共子程序等工业控制机的总线结构分为内部总线和外部总线。内部总线是工控机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，是一组信号线的集合；

4、外部总线是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。RS-232C的特点最大通信距离为15米，波特率不大于20kbps，传送一种信号只用一根信号线，对于多根信号线，它们的地线是公共的。IPC和PC的差别1)将大母板变成通用底板总线插座；2)将母板分成几块PC插件（CPU板、存储器板等）；3)将普通电源变成工业电源；4)密封机箱，内部正压送风；5)工业应用软件。工业控制机的特点可靠性高、可维修性好、环境适应性强、控制实时性强、输入输出通道完善、软件丰富。 第二章总线的定义、层次结构和种类所谓总线，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。以微处理器为核心，总

5、线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。 片级总线包括数据总线、地址总线、控制总线、 I2CC总线、 SPI总线、SCI总线等； 系统总线包括ISA总线、EISA总线、 VESA总线、PCI总线等； 外部总线包括RS-232C、RS-485、IEEE-488、USB等总线。在工业控制中还定义了其他总线，如VME、STD、PC-104、Compact PCI等。PCI（Peripheral Component Interconnect）是美国SIG(Special Interest Group of Association for Cmputer Machinery)

6、集团推出的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80MB/s(峰值为133MB/s)。RS-232/RS-422/RS-485串行通信总线原理图、特点 RS-422的特点是能在较长距离内明显提高数据速率，采用平衡驱动，差分接受方式；RS-485是RS-422的变型，与RS-422A都采用平衡差分电路，为半双工工作方式。I/O端口地址译码技术线选法、全译码法、部分译码小功率输入调理电路及其工作原理它将接点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号与计算机相连。大功率输入调理电路及其工作原理在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率的接点输入信号。为了使接点工作可靠，接点两端至少要加2

7、4V以上的直流电压。但是这种电路由于所带电压高，因此高压与低压之间需要用光耦合器进行隔离。小功率直流驱动电路及其工作原理 功率晶体管输出驱动继电器电路 达林顿阵列输出驱动继电器电路 大功率交流驱动电路及其工作原理使用固态继电器（SSR），输入输出之间采用光耦合器进行隔离。零交叉电路可使交流电压变化到零伏附近让电路接通，从而减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出晶闸管器件的触发信号。无缘I/V变换电路及其工作原理无缘I/V变换主要是利用无源器件电阻，对变送器输出的统一电流信号变换成电压信号，并加滤波和输出限幅等保护措施。量化及量化单位公式所谓量化就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的

8、幅值，将其转换为数字信号。执行量化动作的装置是A/D转换器。字长为n的A/D转换器把YminYmax范围内变化的采样信号，变换为数字02n-1,其最低有效位所对应的模拟量q称为量化单位。 孔径时间在模拟量输入通道中完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。误差的百分数与信号的频率之间的关系 误差的百分数：为了提高模拟量输入信号的频率范围，可采用什么方法采用带有保持电路的采样器，即采样保持器。采样保持原理图及其工作原理A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转化误差，所以一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，还需要加保持器作信号保持，保持器把t=kT时刻的采样值保持到A/D转换结

9、束。T为采样周期，k=0,1,2,3为采样序号。单极性和双极性电压输出电路的输出电压公式推导 VREF为基准参考电压， D/A转换器字长为n位，D为输入数字量基于RS-485的分布式测控系统结构图、特点特点：抗干扰性好、传输距离远、有较大级联能力等。干扰的来源干扰分为外部干扰和内部干扰。内部干扰指那些与系统结构无关而是由外界环境因素决定的干扰，内部干扰是由系统结构、制造工艺决定的干扰。外部干扰：空间电磁影响，环境温度和湿度等；内部干扰：分布电容、分布电感引起的耦合感应、电磁场辐射感应、长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，元器件的噪声等。串模干扰及其抑制方法串模干扰是指叠加在被测信

10、号上的干扰噪声。抑制方法有：1）若串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制；若比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制；若干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则采用带通滤波器。2）对尖峰型串模干扰采用双积分A/D转换器来抑制。3）对来自电磁感应的串模干扰，对被测信号尽可能的进行前置放大，从而提高回路中的信噪比；或者尽可能早得完成A/D转换或采取隔离和屏蔽等措施。4）利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。5）采用双绞线做信号引线。共模干扰及其抑制方法所谓共模干扰是指A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压。其抑制方法有：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比。信号在长

11、线传输中遇到的问题长线传输容易受到外界干扰；具有信号延时；高速度变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象。计算机控制系统的CPU抗干扰措施Watchdog、电源监控（掉电检测及保护）、复位等。MAX1232的主要功能MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能，增强电路的可靠性。在计算机控制系统中，一般有哪几种地线模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地按接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应该就近多点接地。单点接地的目的单点接地是为了避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。一点接地方式有哪些？原理图和各自的优缺点是什么？ 串联接地（共同接

12、地）和并联接地（分别接地）。串联接地抑制噪声的能力很差，但是结构简单，使用广泛；并联接地在低频时非常适用，缺点是需要连很多根地线，比较麻烦。第三章数字程序控制系统的组成数控装置、驱动装置、可编程控制器和检测装置等。第一象限直线插补 书P81-P84第一象限逆圆弧插补 书P84-P85 第四章数字控制器的连续化设计步骤1)设计假想的连续控制器D(s);2)选择采样周期T；3)将D（s）离散化为D（z）;4)设计由计算机实现的控制算法；5)校验。数字PID位置型控制算法、数字PID增量型控制算法；增量型算法的优点数字PID位置型控制算法数字PID增量型控制算法增量型算法的优点（与位置型算法相比）：

13、1）增量型算法不需要做累加，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。而位置型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）增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。3）采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。积分的作用是什么？积分项的改进措施和微分项的改进措施积分的作用是消除残差。积分项的改进：积分分离，抗积分饱和，梯形积分，消除积分不灵敏区。微分项的改进：不完全微分P

14、ID控制算法微分先行PID控制算式数字PID控制器的采样周期的选择要考虑的因素首先利用香农采样定理确定采样周期的上限，采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出所耗费的时间。其次要考虑：给定值的变化频率，被控对象的特性，执行机构的类型，控制算法的类型，控制的回路数。扩充临界比例度法的步骤1）选择一个足够短的采样周期；2）用选定的采样周期使系统工作；3）选择控制度；4）根据选定的控制度，查表求得T、Kp、Ti、TD的值。扩充响应曲线法的步骤1）数字控制器不接入控制系统，让系统处于手动操作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号；2）用记录仪表

15、记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线；3）在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间，被控对象时间常数T以及它们的比值T/,查表得到数字控制器的T、Kp、Ti、TD。最少数字拍控制器的设计 见书P117-P125斯密斯预估控制原理及其纯滞后补偿控制算法步骤 见书P127-P129达林算法的被控对象是什么？其设计目标是什么？被控对象GC(s)是带有纯滞后环节的一阶或者二阶惯性环节，即达林算法的设计目标是使整个闭环控制系统所期望的传递函数（s）相当于一个惯性环节串联一个延迟环节：什么是前馈控制和反馈控制？反馈控制：对偏差进行控制，以抵消干扰的影响。前馈控制：按扰动量进行控制，在控制算法和参数选择合适

16、的情况下，可达到很高的精度。前馈和反馈控制相结合，既可对扰动进行补偿，也可对偏差进行控制。解耦的主要目标是什么？解耦控制的主要目标是通过设计解耦补偿装置，使各控制器只对各自相应的被控量施加控制作用，从而消除回路间的相互影响。模块化程序设计的方法有哪几种？自底向上模块化设计、自顶向下模块化设计 第七章什么是HMI？HMI系统应有的基本功能？HMI（Human Machine Interface）广义的解释是“使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口”。其应有的基本功能为：实时资料趋势显示，历史资料趋势显示，自动记录资料，警报的产生与记录，报表的产生与打印，图形接口监控。组态软件主要包括哪些内

17、容？控制组态、图形生成系统、显示组态、I/O通道登记、单位名称登记、趋势曲线登记、报警系统登记、报表生成系统共8个方面。测量数据预处理的基本方法有哪些？线性化处理、标度变换和系统误差的自动校准。无平衡无扰动切换及其实现方法所谓无平衡无扰动切换是指在进行手动到自动或自动到手动的切换之前，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。为实现从手动到自动的无平衡无扰动切换，在手动状态下，应使给定值（CSV）跟踪被控量（CPV），同时把历史数据清零。这样一旦切向自动而u(k-1)又等于切换瞬间的手动控制量，这就保证了PID控制量的

18、连续性。当从自动切向软手动时，只要计算机应用程序工作正常，就可以自动保证无扰动切换；当从自动切向硬手动时，通过手动操作器电路来保证无扰动切换。量化误差来源有哪些？A/D转换的量化效应、控制规律计算中的量化效应、控制参数的量化效应。A/D转换器的字长选择输入信号的动态范围为转换当量D/A转换器的字长选择什么是数字滤波？与模拟滤波器相比，数字滤波有什么优点?所谓数字滤波就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中得比重。数字滤波的优点是：1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，可靠性高，稳定性好；2）数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷；3）数字滤波器可以根据信

19、号的不同，采用不同的滤波方法或者滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。主要数字滤波算法的实现方法、特点、适用情况、例题主要数字滤波算法：算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法 详见书P229-P231开关量（数字量）信号输入、输出抗干扰措施对于开关量输入信号，可多次重复采集，直到连续两次或者两次以上结果完全一致方位有效。对于开关量输出信号，输出设备是电位控制型有良好的抗毛刺状干扰的能力；输出设备是同步锁存器则不耐干扰。在软件上最为有效的方法就是重复输出同一个数据，只要有可能使其重复周期尽可能短些，使得外设设备在接到一个被干扰的错误信息后，还来不及做出有效的反应，正确的输出信息又到

20、达。什么是软件陷阱？其构成是什么？软件陷阱安排在什么地方？软件陷阱是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。软件陷阱的构成：NOP NOP JMP ERR软件陷阱安排在：未使用的中断向量区，未使用的大片ROM空间,表格，程序区。 第八章局部网络通常有四种拓扑结构：星形、环形、总线形和树形。其结构和特点是什么？ a)星形拓扑结构 结构：中心结点是主结点，它接受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有中继交换和数据处理功能。 特点： 网络结构简单，便于控制和管理，建网容易； 网络延迟时间短，传输错误率较低； 网络可靠性较低，一旦中央结点出现故障将导

21、致全网瘫痪； 网络资源大部分在外围点上，相互结点必须经过中央结点才 能转发信息； 通讯电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。b)环形拓扑结构 结构：各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。 特点： 信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两个结点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制； 环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，控制软件较简单； 环路中，当某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性； 环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。c)总线形拓扑结构 结构：各个结点经其接口，通过一条

22、或几条通讯线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被任一结点接收。 特点： 结构简单灵活，扩展方便； 可靠性高，网络响应速度快； 共享资源能力强，便于广播式工作； 设备少，价格低，安装和使用方便； 由于所有结点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。4）树形拓扑结构 结构：分层结构，适用于分级管理和控制系统。 特点： 通讯线路总长度较短，连网成本低，易于扩展，但结构较星形复杂； 网络中除叶结点外，任一结点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。微机局部网络常用的传输访问控制方式有哪几种？冲突检测的载波侦听多路访问(CSMAC

23、D)；令牌环(Token Ring)；令牌总线(Token Bus)。在计算机网络中，通信的基本交换方式分为两类：线路交换和存储转发交换存储转发交换中，包括报文存储转发交换和报文分组存储转发交换。报文分组交换技术在实际应用中又分为两类：数据报（DG,Data- gram）方式和虚电路（VC,Virtual Circuit）方式。线路交换的工作原理、交换过程交换原理：通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，传送结束再“拆除”线路。交换过程：建立线路，传送数据，拆除线路。详见书P238差错控制技术包括检验错误和纠正错误。两种检验方法(奇偶校验和循环冗余校验)和三种纠错方式(

24、重发纠错、自动纠错和混合纠错)。ISO: International Standard Organized 国际标准化组织OSI:Open System Interconnection/Reference Model 开放系统互联参考模型 DCS: Distributed Control System 分布式控制系统MIS: Management Information System 管理信息系统FCS: Fieldbus Control System 现场总线控制系统OSI层次结构物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层物理层、应用层的详细介绍物理层：物理层并不是物理媒体本身，它只是对通讯双方的机械、电气、连接规程进行规定。 功能：在信道上传输未经处理的信息。连接两个物理设备，为链路层提供透明位流传输所必须遵循的规则，有时也被称为物理接口。物理层的协议主要提供在DTE(数据终端设备)和DCE(数据通信设备)之间的接口。 协议：RS-232C、RS-422A、 RS-423A、 RS-485等应用层：这一层负责与其它高级功能的通信，如分布式数据库和文件传输。这一层解决了数据传输完整性的问题或与发送接收设备的速度不匹配的问题。其功能是规定在