计算机控制系统复习资料精简版列出重点知识点

1、第一章 概论，讲述计算机控制系统的发展过程；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；与模拟控 制系统的不同之处；计算机控制系统的设计与实现问题以及计算机控制系统的性能指标。.计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。.计算机系统主要包括：A/D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；D/A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

2、序产生相应的控制指令。.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变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；.实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，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。.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。.自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。.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.现场总线控制系统 集散控制系统工业PC机回路控制器（色片机）可编程逻辑

3、控制器SID一线工控机 单板机1980198519901995现在.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）监督控制（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（PID）3）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.计算机控制系统的结构和组成执行器通用外部10接设备 口电踏计算机主机410搐口多路开关主机及操作台I。接口电踣I o通道A D传感器及 变送器执行机构工业对我信号椅测及交送被控对架.计算机控制系统的组成控制算法软件网络硬件.硬件平台运算处理与存储部分：CPU,存储器

4、（RAM, ROM, EPROM, FLASH-ROM EEPROM以及磁盘等）, 时钟，中断，译码，总线驱动等。输入输出接口部分：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。人机对话部分：包括显示（CRT,数码管，液晶等），键入（键盘，鼠标，触摸屏等），打印记录等。.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成本精度与外观.软件组成测控软件网络软件管理软件.常用的编程工具汇编语言Wj级语百组态语言.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体现。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

5、面宽，参数整定方便。.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发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发展，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。.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指标稳态指标综合指标.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?计算机控制系统的结构设计?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.计算机控制的发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.计算机控制系统优点易实现复杂控制规律计算机运算速度快、精度高

6、、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。适应性强灵活性高控制算法是由软程序实现，通过修改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。系统测量灵敏度高数字式传感器，可以敏感微弱信号，提高测量灵敏度。软件可以对传感器特性进行修正与补偿，提高了精度。控制与管理容易结合实现更高层次的自动化利用网络结构构成计算机控制与管理系统，实现生产过程与经营的管理控

7、制一体化。系统可靠性和容错能力高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。.计算机控制系统一些缺点与不足-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。.计算机控制系统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 调二节器现场总线控制系统（FCS.注意以下几点：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。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。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。计算机控制系统

8、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；差分方程与 换的关系与相互变换；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；时间域特性与频率域特性分析方法。.采样过程采样器就是不同形式的“开关”.采样定理（香农定理）如果一个连续信号不包含高于频率COmax的频率分量（连续信号中所含频率分量的最高频率为丽ax）,那么就完全可以用周期T 2 ,max,那么就可以从采样信号中不失真地恢复原连续信号。.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变换与输入量Z变换之比.离散系统频率特性定义 频率特性

9、：在正弦信号作用下，系统或环节的稳态输出与输入的复数之比随输入正弦信号 频率变化的特性。.由脉冲传递函数建立离散状态方程串行法(又称迭代法)、.丫-0.5z-0.28 - -0.5z + 0.56G( Z) -= 1 +=1 十_U(z) (z + 0.5)(z + 0.28) z + .05 z + 0.8并行法（又称部分分式法）0.10.4丫叫Z)获就直接法皿;10.5z；.28z:U(z) 1 1.3z0.4z.离散系统状态方程的求解迭代法z变换法.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部分、广义被控对象及反馈部分的状态方程, 整理后得到。.系统稳定的充要条件连

10、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:.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.采样周期与系统稳定性? 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。.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得。-稳态误差为无限大并不等于系统不稳定，它只表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

11、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基本原理及步骤；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。.连续域一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)。-一如所取采样频率较高，可略去 ZOH的影响。第3步

12、：选择合适的离散化方法，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，进行下一步；否则，重新设 计。改进设计的途径有：-选择更合适的离散化方法。-提Wj米样频率。-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?保持器等价法?z变换法(脉冲响应不变法).数字PID的增量式算法1)较为安全。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

13、保持前一步的位置，不会给被控对象带来较大的扰动。2)计算时不需进行累加，仅需最近几次误差的采样值。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 权彳t A、B C即可获得不同的控制品质和精度。.数字PID控制算法改进积分分离法遇限削弱积分法饱和停止积分法反馈抑制积分饱和法.微分算法的改进不完全微分的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， 离散系统的可控性与可达性；可观性与可重构性; 采样系统的可控可观性与采样周期的关系； 状态反馈设计；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与输入/输出接口；测试信号处

14、理与实时软件编程；控制器算法的结构编排；控制器算法的程序实现。. 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体现它们在计算机控制领域的优势。.什么是总线式计算机控制系统将各功能部分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。.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结构，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。

15、(2)各生产厂家生产的产品 100对目互兼容，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、 最合适的模板。(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.控制系统总线标准STD总线标准、PC总线标准、VME总线标准等.一种总线标准包含四部分内容电气特性、机械特性、功能特性、规程特性。.数据格式：数据传送的常用格式有两种：二进制码和ASCII码。.数据长度的确定：数据长度确定大致有三种方法：其一，按固定数据长度进行通讯，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

16、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。.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行异或处理，并将异或结果在通讯结束前发送给接收方，接收方将所收到的数据也做异或处理，然后与发送方送来的异或结果比较，确定通讯是否正确。和校验与异或校验相似，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

17、系统和某些危险的化工控制场合中应用.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寄存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，即每次发送寄存器中的数据发送完后，都向CPU发出中断请求，CPU在串行中断服务程序中将下一字节的数据送到发送寄存器。此外，下位机 CPU也可以采用一种查询方式，CPU在进行完一轮控制运算后，查询一下发送寄存器是否空，如空，向发送寄存器送下一字节数据，如不空，则进行下一轮控制运算。这

18、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行，为了降低串行中断服务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.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。.工业PC机的基本结构.工业PC机用于工业控制的优点? 可抗冲击、振动，耐高温。? 软件编程方便。? 控制与管理充分集中。? 成本低廉、维护方便。? 模板种类众多。? 操作简单、易学。? 开放性好。.工业PC机的缺点和问题? 难于构成大型控制系统。? 现

19、场接线不方便。? 扩展性不好。? 可靠性不是很高。? 硬盘和电源易发生故障。? 通常需要系统集成商支持。. 工业PC机与STD工业控制机相比不同之处在于工业PC机用硬盘存放程序，STD工业控制机一般使用EPROM存储器。工业PC机应用时一般都使用彩色显示器，STD工业控制机应用时一般不使用显示器。工业PC机采用最通用的、功能很强的DOS操作系统和 Windows环境，STD工业控制机使用的监控程序随 CPU的不同而不同。.怎样建立一个 PC控制系统？? 确定系统任务? 提出系统的功能描述?在系统的功能描述中，应明确规定目标系统要干些什么，一般应包括如下内容：? (1)信号的处理功能。信号的等级

20、、类别、性质等。? (2)控制功能。各个控制回路的组成、品质、参数。? (3)管理功能。明确采用何种输出方式、格式。? (4)报警功能。信号越限报警(声、光)。? 设备选型及安装设计? 开发用户控制程序? 系统测试? 功能修改和优化.单片机的特点1单片机片内存储器容量较小。一般ROM小于4/8K字节，RAM小于256字节。2由于单片机是按工业标准来设计的，所以具有较高的可靠性。3系统易于扩展。4控制功能强。如转移指令，I/O 口的逻辑操作指令，位处理操作指令等。一般单片机内无监控程序或操作系统，只存放用户调试好的用户程序，但近年来开始 出现了在片内固化有 BASIC解释程序及FORTH臊作系统

21、的单片机。一般单片机不具有自开发的能力，要借助于开发工具进行用户程序开发和系统调试。.单片机在控制领域的应用 ：13应用于智能化仪器、仪表及执行器，这类应用一般比较简单，主要实现信号采集，信 号处理，显示，以及信号输出等功能，充分利用单片机体积小和成本低的优点。开发此类产 品的关键点是如何解决现场供电问题，现场防水、防尘、抗振、抗电磁干扰问题，以及尽可 能缩小体积降低成本的问题。而硬件线路设计与软件编程往往要简单多了。R2应用于中大型控制系统的智能接口板中。有很多集散控制系统，它们的I/O接口模板均通过使用单片机设计成智能I/O板，优点是：降低控制器主CPU的负担。提高系统自检能力和故障报警能

22、力。降低软件开发难度。R3X构成单回路或多回路控制器，此时的单片机从控制的角度来看才算是真正成为了主角。在一个回路控制器中， 必然有输入通道和输出通道，有控制算法，这一切都是由单片机控制完成，最常见的是单回路温度控制器。.PLC的特点：? 可靠性高，抗干扰能力强。?接口模块功能强、品种多。?适应性强，使用面广。?编程方法简单、直观。? 体积小、重量轻、功耗低。.PLC的功能：? 开关量控制 一一替代传统的继电器；?模拟量控制一一可利用各种A/D和D/A转换模块实现；?定时控制与计数控制；?高级控制一一可实现各种运动控制；?数据处理 一一具备整数运算指令，某些 PLC还具备实数运算指令；?自诊断

23、功能 一一PLC能对电源、各模块、程序语法、运行状态等进行自诊断并显示，在发生异常时能自动终止运行；? 通信联网功能一一可将多台PLC连接起来，也可将 PLC与其它计算机构成多级分 布式控制系统；? 其它功能 一一可通过相应模块实现显示和打印功能。.PLC的应用：PLC已经广泛应用于汽车、钢铁、矿山、石油、电力、化工、建材、机械制造、轻纺工业、 交通运输、环境保护等各行各业。随着PLC性能价格比的不断提高，一些使用其他计算机控 制的场合，也渐渐地转向使用PLC PLC的应用范围在不断扩大。. PLC各组成部分的作用.中央处理器模块(简称 CPU或CPU单元) TOC o 1-5 h z 作为整

24、个PLC的核心，起着总指挥的作用。具体功能是：CPU接收从编程器键入的用户程序和数据并送人存储器存储；(2)监视电源、PLC内部电路的工作状态等；(3)诊断编程过程中的语法错误，对用户程序指令进行编译；(4)PLC进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并执行该指令；(5)采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存人指定的寄存器中；(6)按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志值的状态和输出状态或数据寄存器的内容；(7)根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口；(8)响应各种外围设备(如编程器、键盘、显示器、打印机等)的请求。.存储器CMOS-SRAMEPROMEEPRO

25、M.输入/输出模块.网络通信接口模块.电源模块.编程器PLC的技术指标.输入/输出点数是指PLC外接输入/输出的最大端子路数。由于PLC是可装配式结构，因此，同一型号的车入/输出点数可大可小，输入点数与输出点数可以不同。这是最重要的一项技术指标。 2 .扫描速度一般以执行1000步所需时间作为一个单位，记ms/kstep ,有时也以执行一步的时间来计算，记s/step).内存容量这是PLC能存放多少用户程序的一项指标。在PLC中，用户程序是按“步”(一般一条指令会包含若干步)来存放的，一 “步”占用一个地址单元，而一个地址单元为两个字 节。如一个内存容量为 30k步的PLC那么其内存容量为 6

26、0KB。.内部寄存器配置及容量PLC的内部有大量一般的和特殊的寄存器，用以分别存放变量状态、中间结果、定时计数、链接、索引等数据。它可给用户提供许多特殊功能，以简化整个系统的设计。因此, 内部寄存器的配置及容量也是衡量PLC硬件功能的一个指标。.指令种类及条数这是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。PLC具有的指令种类及条数越多，则其软件 功能越强，具体编程越灵活、越方便。PLC的分类PLC一般可按I/O点数和结构形式来分类。按I/O总点数可分为超小型、小型、中型、大型、超大型五类。一般超小型PLC仅含几十个I/O点，小型的含 256点以下，如FX2, FP1, GE-1, S5-100U等，中

27、型的I/O点数 在2562048之间，FP3, GE-m,S5-115U等，大型的I/O点数在20284096之间，如 FP5, GE-VI, S5-135U/150U 等，超大型的I/O点数则在 4096点以上，如 FP10/10SH。按结构形式可分为：整体式模块式第六章集散控制系统（DCS,内容包括集散系统的体系结构，分布式系统的特点与递阶层次。介绍几种典型的集散控制系统产品，TDC-3000, S9000, CENTUM-XL系统以及国产 HS-2000系统。以一种典型系统为例介绍组态软件的功能和使用方法。计算机控制系统集中式控制计算机系统分散式计算机控制系统递阶控制系统分布式计算机控制

28、系统集散控制系统DCS的产生过程1.仪表分散控制2.仪表集中控制3.计算机集中控制4.计算机集散控制控制三要素传感器控制器执行器仪表分散控制特点：分散于生产现场，自成体系，实现自治式的彻底分散控制。优点：危险分散，一台仪表故障只影响一个控制点。缺点：简单的单回路控制；操作工奔跑于生产现场巡回检查，不便于集中操作管理；只适用于几个控制回路的小型系统。仪表类型气动单元组合仪表电动单元组合仪表n型仪表信号： 010mADCm型仪表信号：420mADC组件组装式仪表仪表集中控制的优点：便于集中控制、监视、操作和管理，危险分散，一台仪表故障只影响一个控制回路。缺点：安装成本高，消耗大量的管线和电线，调试

29、麻烦，维护困难，只适用于中、小型系统。计算机集中控制优点：便于集中监视、操作和管理，既可以实现简单控制和复杂控制，也可以实现优化控制，适用于现代化生产过程的控制。缺点：危险集中，一旦计算机发生故障，影响面比较广，轻者波及1台或几台生产设备，重者使全厂瘫痪。如果采用双机冗余，则可提高可靠性，但成本太高，难以推广应用。DCS的产生过程分散型控制的危险分散，安全性好，不便于集中监视、操作和管理；集中型控制的危险集中，安全性差，便于集中监视、操作和管理；模拟仪表仅实现简单控制，各控制回路之间无法协调，难以实现中、大型系统的集中监视、操作和管理；计算机可实现简单及复杂控制，各控制回路之间统一协调，便于集

30、中监视、操作和管理。设计思想分散控制集中管理设计原则分而自治综合协调DCS构成CS :控制站OS :操作员站ES :工程师站CNET控制网络SCS :监控计算机站CG :计算机网关4c技术：计算机(Computer)通信(Communication)屏幕显示(CRT)控制(Control )DCS功能控制站：信号输入输出运算控制实现DDC功能操作员站：供工艺操作员对生产过程进行监视、操作和管理，实现MMI功能。工程师站：供控制工程师进行组态，构成DCS系统，生成控制回路和人机界面，对DCS硬件和软件进行维护和管理。监控计算机站：实现优化控制实现自适应控制实现预测控制等等，先进控制算法完成SCm

31、能。计算机网关：实现DCS网络与其它网络的连接,实现网络互连与开放。.集散控制系统集散控制系统(Total Distributed Control System)是分布控制系统的一种类型，是综合集中 监控、操作管理和分“散”测量控制系统的简称，在体系结构上与分布控制系统类似。1975年Honeywell公司首推的系统TDC-2000,因其集中监视与分散控制相结合的特点而采用集散 控制系统这个名称，因此在多数商品化的分布控制系统也常统称集散控制系统。集散控制系统是专门为大型过程控制系统设计的，功能强、造价高，十分可靠。其主要特征是集中管理和分散控制。.集散控制系统的基本结构控制 网络 管理.集散

32、系统最基本的结构形式操作站操作站网络控制站 控制站控制站.集散系统的特点与递阶层次(1)集散控制系统都是由操作站、控制站和数据通信总线等构成的，用户可依据被控系统的 大小和需要，选用或配置不同规模的集散控制系统。(2)集散控制系统都采用分布式结构形式，控制和故障相对分散，从根本上提高了系统长期 连续运行的能力和抗故障的能力。(3)通过高速数据通信总线或局域网络，把检测、操作、监视、管理等部分，有机地连接成一个整体，可以进行集中显示和操作，从而使系统组态和操作更为方便，并且大大提高了排除系统故障及调整操作的速度。(4)集散控制系统的处理器、内部总线、电源、控制用输入输出插件等多采用双重配置，系统内部有很强的自诊断功能。在集散控制系统的现场接口、人机接口、控制器等环节，采用