计算机控制系统重点1

闭环控制系统的特点。从常规来看，控制系统为了获得控制信号，要将被控量y与给定值r相比较，得到偏差信号e=r-y。然后，利用e直接进行控制，使系统的偏差减小直到消除偏差，被控量接近或等于给定值计算机控制系统有哪几部分组成？计算机控制系统由两大部分组成：一部分为计算机及其输入输出通道，另一部分为工业生产对象（包括被控对象与工业自动化仪表）。直接数字控制系统(DDC)是计算机在工业应用最普遍的种方式。它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型（如PID控制规律）进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数稳定在给定值上。集散控制系统的特点是什么？控制分散、信息集中系统模块化数据通信能力较强友好而丰富的人机接口可靠性高总线定义总线是计算机各模块间进行信息传输的通道。它包括通道控制、仲裁方法和传输方式等内容简述总线的成数据总线：总线宽度表征数据传输能力地址总线：不同的总线对地址的分配不同控制总线：控制信号最能体现总线特色电源：向低压发展功能数据传输功能中断功能多主设备支持功能错误处理功能STD总线有什么特点模块化的总体设计布局，允许系统设计者选取所需的功能模块解决具体问题；开放式的系统结构，使用户可根据需要选用各种功能模板，像搭积木一般任意拼装出自己所需的计算机系统；拥有丰富的I/O功能，使之能广泛地应用于工业控制的各个领域；模板的小尺寸设计，消除了冲击和震动的影响等。RS232和RS485有什么不同？接口为非平衡型，每个信号用一根导线，所有信号共用一根地线。信号速率限于20kbit/s内，电缆长度限于15m内，单线，线间干扰大。电性能用±12V标准脉冲，采用负逻辑。在数据线上：传号Mark=—5~—15V，逻辑“1”;空号Space=+5~+15V，逻辑“0”在控制线上：通On=+5~+15V，逻辑“0”断Off=—5~—15V，逻辑“1”RS-232的逻辑电平与TTL电平不兼容，与TTL器件相连必须进行电平转换。采用电平传输，通信速率为19.2kbit/s时，通信距离只有15m。若要延长通信距离，必须以降低通信速率为代价。传输距离长在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线抑制干扰能力强RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。需要使能信号RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。节约信号线RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485

可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。什么是串摸干扰和共模干扰？如何抑制？串模干扰：串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声。（1）滤波法。(2)对于电磁感应产生的串模干扰，应对被测信号尽可能早的进行信号放大，以提高电路中的信号噪声比；或者尽可能早的完成A/D转换再进行长线传输；或者采用隔离和屏蔽等措施。(3)从选择元器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰，如采用双积分A/D转换器；也可以采用高抗干扰度的逻辑器件，通过提高阈值电平来抑制低频噪声的干扰；此外，也可以人为地附加电容器，以降低某个逻辑器件的工作速度来抑制高频干扰。(4)利用数字滤波技术对已进入计算机的串模干扰进行数据处理，可以有效地滤去难以抑制的串模干扰

共模干扰，A/D转换器两个输入端上共有的干扰电压。(1)利用双端输入的放大器作前置放大器，(2)利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载和数字信号隔离。(3)采用双层屏蔽—浮地输入方式。该方法是将测量装置的模拟部分对机壳浮地，从而达到抑制干扰的目的。计算机控制系统常用信号类型模拟（连续）信号在时间上和幅值上都连续取值的信号，在计算机控制系统中一般为传感器输出的信号或者控制对象需要的信号。离散模拟信号在时间上断续取值，在幅值上连续取值的信号，在计算机控制系统中一般为采样以后，A/D转换之前的信号。数字信号在时间上和幅值上都断续取值的信号，A/D转换之后的信号，用二进制代码形式表示。采样的形式多阶采样周期采样随机采样采样定理由采样信号x*(t)完全无失真的恢复原信号x(t)的条件是采样速度要满足下式ωs=2π/T,为采样角速度T为采样周期ωmax为原信号x(t)频谱中最高角频率τmin为x(t)的各信号分量中最小的时间常数采样/保持器的作用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。D/A输出的信号是幅值上连续而时间上离散的模拟信号，所以时间上还需要连续化处理的保持作用。保持器的就是把离散的模拟信号通过时域中的保持效应变成时间上连续的模拟信号采样是按一定时间间隔T对时间连续的模拟信号X(t)取值，得到X*(t)或X(nt)的过程模拟量输入通道一般由信号处理、模拟开关、放大器、采样-保持器和A/D转换器组成。什么是量化用有限字长的一组数码和二进制数码去整量化或逼近时间离散幅值连续的采样信号。量化过程即A/D转换的过程。量化误差

量化引起的误差双积分式A/D转换原理双积分式A/D转换方法的抗干扰能力比逐次逼近式强。这个方法的基础是测量两个时间：一个是模拟输入电压向电容充电的固定时间；另一个是在已知参考电压下放电所需的时间。模拟输入电压与参考电压的比值就等于上述两个时间值之比ADC0809原理及引脚功能IN0~IN7：8路输入通道的模拟量输入端口。D0~D7：8位数字量输出端口。START为启动控制输入端口，ALE为地址锁存控制信号端口。EOC为转换结束信号脉冲输出端口，OE为输出允许控制端口。VREF（+）、VREF（－）、VCC、GND：VREF（+）和VREF（－）为参考电压输入端CLOCK：时钟输入端。ADDA、ADDB、ADDC：8路模拟开关的3位地址选通输入端硬件设计①数字输出的方式②片选、启动及读写信号的设置③时钟CLK的产生④参考电平程序设计程序查询方式2．定时采样方式3．中断方式掌握一种数字量输出接口电路掌握一种数字量输入接口电路ALEC.B.ASTARTEOCOED7~D0DATAOUT图4-22ADC0808/0809的转换时序DAC0832引脚功能：片选信号（低电平有效）。ILE：输入锁存允许信号（高电平有效）。：写1（低电平有效）。：写2（低电平有效）。传送控制信号（低电平有效）。D7~D0：数字输入量。IOUT1：DAC电流输出1。IOUT2：DAC电流输出2。Rfb：反馈电阻VREF：参考电压输入VCC：数字电路供电电压AGND：模拟地。DGND：数字地。DAC0832的工作方式直通方式单缓冲方式双缓冲方式局域网的拓扑结构有哪几种？（1）星形结构（2）环形结构（3）总线型结构（4）树型PID参数整定数字PID算式参数整定主要是确定KpKiKd和采样周期T掌握一种PID参数的整定方法扩充临界比例度法计算机控制系统的性能指标稳定性能控性和能观性.动态指标超调量，调节时间，峰值时间，衰减比，振荡次数.稳态指标：稳态误差综合指标模拟量输出通道的两种基本结构形式1.一个通道设置一片D/A转换器2．多个通道共用一片D/A转换器现场总线的特点和优点特点1．现场总线的结构特点现场总线打破了传统控制系统的结构形式。现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。2．现场总线的技术特点（1）系统的开放性（2）互可操作性与互用性（3）现场设备的智能化与功能自治性（4）系统结构的高度分散性（5）对现场环境的适应性

优点（1）节省硬件数量与投资（2）节省安装费用（3）节约维护开销（4）用户具有高度的系统集成主动权（5）提高了系统的准确性与可靠性数字控制有哪几种方式，各方式的特点是什么？1．点位控制在一个点位控制系统中，只要求控制刀具行程终点的坐标值，即工件加工点准确定位，至于刀具从一个加工点移到下一个加工点走什么路径、移动的速度、沿哪个方向都无需规定，并在移动过程中不做任何加工，只是在准确到达指定位置后才开始加工。2．直线切削控制这种控制也主要是控制行程的终点坐标值，不过还要求刀具相对于工件平行某一直角坐标轴作直线运动，且在运动过程中进行切削加工。3．轮廓的切削控制这类控制的特点是能够控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动，并在运动过程中将工件加工成某一形状。这种方式是借助于插补器进行的，插补器根据加工的工件轮廓向每一坐标轴分配速度指令，以获得图纸坐标点之间的中间点。逐点比较插补工作过程原理所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。1）偏差判别2）进给3）偏差运算4）终点判别步进电机的工作方式三相步进电机则有单相三拍方式、双相三拍（简称双三拍）方式、三相六拍工作方式什么是现场总线？有哪？它们各自的特点是什么？解决现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备与高级控制系统之间的信息传递问题。几种典型的现场总线

有五种，FF、LONWORKS、PROFIBUS、CAN、HART。采样周期除要满足采样定理外，还要考虑哪些因素？（1）采样周期应比对象的时间常数小得多，否则采样信息无法反映瞬变过程（2）采样周期的选择应注意系统主要干扰的频谱，特别是工业电网的干扰。（3）当系统纯滞后占主导地位时，采样周期应按纯滞后大小选取，并尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的整倍数。振铃现象的消除第一种方法是先找出D(z)中引起振铃现象的因子附近的极点），然后令其中的，根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳态值。第二种方法是从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期T及系统闭环时间常数，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象所谓数字滤波，是通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工，提高其有用信号，消除和减少各种干扰和噪音，以保证计算机系统的可靠性数字滤波与模拟RC滤波器相比其优点是：不需增加任何硬件设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之前，附加一段数字滤波程序即可。由于数字滤波器不需要增加硬件设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。模拟滤波器通常是每个通道都有，而数字滤波器则可多个通道共用，从而降低了成本。可以对频率很低的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的影响，频率不能太低。使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。常用数字滤波方式有哪几种？限幅滤波限速滤波步进电机的工作原理该步进电机是一个三相感应式步进电机，其定子的每相都有一对磁极，每个磁极都只有一个齿，即磁极本身，故三相步进电机有三对磁极共6个齿；其转子有4个齿，分别称为0、1、2、3齿。直流电源V通过开关A、B、C分别对步进电机的A、B、C相绕组轮流通电。初始状态时，开关A接通，则A相磁极和转子的0、2号齿对齐，同时转子的1、3号齿和B、C相磁极形成错齿状态。当开关A断开，B接通，由于B相绕组和转子的1、3号齿之间的磁力线作用，使得转子的1、3号齿和B相磁极对齐，则转子的0、2号齿就和A、C相绕组磁极形成错齿状态。此后，开关B断开，C接通，由于C相绕组和转子0、2号之间的磁力线的作用，使得转子0、2号齿和C相磁极对齐，这时转子的1、3号齿和A、B相绕组磁极产生错齿。当开关C断开，A接通后，由于A相绕组磁极和转子1、3号齿之间的磁力线的作用，使转子1、3号齿和A相绕组磁极对齐，这时转子的0、2号齿和B、C相绕组磁极产生错齿。很明显，这时转子移动了一个齿距角。6.4.3扩充临界比例度法扩充临界比例度法是整定模拟调节器参数的临界比例度法的扩充，其步骤是：1）根据对象反应的快慢，结合表6-3选用足够短的采样周期T。2）用选定的T

，求出临界比例系数Kk及临界振荡周期Tk。具体办法是使计算机测控系统只采用纯比例调节，逐渐增大比例系数，直至出现临界振荡，这时的Kp和振荡周期就是Kk和Tk

。3）选定控制度。控制度是以模拟调节器为基准，将计算机控制效果和模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数Q采用误差平方面积表示，即（6-60）

4）根据选用的控制度按表6-4求取T、Kp、Ti

、Td

的值。表6-4为按扩充临界比例度法整定的值。表6-4

扩充临界比例度法整定的参数值表

Q控制算式T/TkKp/KkTi/TkTd/Tk1.05PI0.030.550.88-PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.91-PID0.0430.470.470.161.50PI0.140.420.99-PID0.090.340.430.202.0PI0.220.361.05-PID0.160.270.400.22模拟调节器PI0.570.85-PID0.700.500.13简化的扩充临界PI0.450.83-比例度法（Z-R）

PID0.10.60.50.1255）按计算参数进行在线运行，观察结果。如果性能欠佳，可适当加大Q值，重新求取各个参数，继续观察控制效果，直至满意为止。Roberts，P.D.在1974年提出简化扩充临界比例度整定法。设PID的增量算式为式中T为采样周期；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。（6-61）

对式（6-61）作Z变换，可得数字PID调节器的Z传递函数为式中U(z)和E(z)分别为数字调节器输出量输入量的Z变换。前面介绍的数字PID调节器参数的整定，就是要确定T、Kp、Ti和Td四个参数，为了减少在线整定参数的数目，根据大量实际经验的总结，人为假设约束的条件，以减少独立变量的个数。例如取（6-62）

（6-63）

式中TK是纯比例控制时的临界振荡周期。将式（6-64）代入式（6-62）、式（6-63）可得到数字调节器的z传递函数相应的差分方程为由式（6-66）可看出，对四个参数的整定简化成了对一个参数的整定，使问题明显地简化了。应用约束条件减少整定参数数目的归一参数整定法是有发（6-64）

（6-65）

（6-66）

步数误差判别坐标进给误差计算终点判别初始化F=0∑=5+4=91F=0+xF=F-yp=-4∑=∑-1=82F<0-yF=F+xp=1∑=∑-1=73F>0+xF=F-yp=-3∑=∑-1=64F<0-yF=F+xp=2∑=∑-1=55F>0+xF=F-yp=-2∑=∑-1=46F<0-yF=F+xp=3∑=∑-1=37F>0+xF=F-yp=-1∑=∑-1=28F<0-yF=F+xp=4∑=∑-1=19F>0+xF=F-yp=0∑=∑-1=0End六、采用逐点比较法插补直线OP，起点坐标O(0，0)，终点坐标P(5，-4)，要求以表格形式给出插补计算过程，并画出插补运动轨迹。（10分）解：插补运算过程如下（图略）【例6-5】如图6-39所示的计算机控制系统中，设被控对象的传递函数，已知：，试针对等速输入函数设计快速有纹波系统，画出数字控制器和系统的输出波形。R(z)G(z)e(kT)u(kT)Φ(z)r(t)－+D(z)GC(s)

y(t)y(z)

+图6-39快速有纹波系统框图解

将G(s)展开得代入可以看出，G(z)的零点为-0.718（单位圆内）、极点为1（单位圆上）、0.368（单位圆内），故零点数u=0,极点数v=1,m=1。

根据稳定性要求，G(z)中z=1的极点应包含在的零点中，由于系统针对等速输入进行设计，q=2。为满足准确性条件，另有，显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是有解得闭环脉冲传递函数这就是计算机要实现的数字控制器的脉冲传递函数。由图6-39可知，，另外，求得系统的输出序列数字控制器的输出序列数字控制器和系统的输出波形如图6-40a和b所示。0.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3a)数字控制器输出波形54321b)系统的输出波形y图6-40输出序列波形图1T2T3T4T5T6