计算机控制技术及工程应用复习资料

JREb=—JOUT第一章1）计算机控制系统的监控过程步骤a・实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入；b・实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策;c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务；2）按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？数据采集系统（DAS）操作指导控制系统（OGC）直接数字控制系统（DDC）监督计算机控制系统（SCC）分散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）4）计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？同：1）计控系统是由常系统演变而来的；2）两者的结构基本相同异：1）计控系统中处理的信号有两种：模拟信号和数字信号。而常系统处理的只有模拟信号2）计控系统具有智能化3）计控系统有软件也有硬件，而常系统只有硬件第二章1）4位D/A转换器为例说明其工作原理^REF,d2位切换i1开关！&运算放大器2R\R-2R电阻网察基准I电压」数字星憧入.DiBSsA°i2R2R^REF,d2位切换i1开关！&运算放大器2R\R-2R电阻网察基准I电压」数字星憧入.DiBSsA°i2R2R假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、BS0全部与“1”端相连。根据电流定律，有:冬成x军j金=尸乂军L=211-^=2^tR可以得到通2R2官224A122^R2由于开关BS3〜BS0的状态是受要转换的二进制数D3、D2、D1、D0控制的，并不一定全是“1”。因此1|-|j|Y=(2-Jz；XXtR可以得到通1|-|j|Y=(2-Jz；XX2"+X2'+L--^X2.)7施F

24/?7out=以x&+以x&+月x+玦x%考虑到放大器反相端为虚地，故：1=—7outKlbOUT^out==-（0x2‘+均x2‘+4x2‘+4x2°）x胃选取Rfb=R，可以得到：对于n位D/A转换器，它的输出电压VOUT与输入二进制数B（Dn-1〜D0）的关系式可写成：ZE结论：可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻Rfb以及基准电压VREF有关。2）D/A转换器性能指标是（1）分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量。其分辨率与二进制位数n呈下列关系:（2）转换精度分辨率=满刻度值/（2n-1）=Vref/（2）转换精度是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分辨率是两个不同的概念（3）偏移量误差是指输入数字量时，输出模拟量对于零的偏移值。（4）稳定时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差1/2LSB时所需的时间。3）DAC双极性输出方式DDDDDDDDDAC08322RVr0UT2V--Rx'沔

0UT1256^OUTlA1和A2为运算放大器，A点为虚地，故可得:I3R^0UT2^0UT2=[/REF解上述方程可得双极性输出表达式：图中运放A2的作用是将运放A1的单向输出变为双向输出。当输入数字量小于DDDDDDDDDAC08322RVr0UT2V--Rx'沔

0UT1256^OUTlA1和A2为运算放大器，A点为虚地，故可得:I3R^0UT2^0UT2=[/REF解上述方程可得双极性输出表达式：图中运放A2的作用是将运放A1的单向输出变为双向输出。当输入数字量小于80H即128时，输出模拟电压为负;当输入数字量大于80H即128时，输出模拟电压为正。其它〃位D/A转换器的输出电路与DAC0832相同，计算表达式中只要把28-1改为2-1即可。6)结合图2-14分析说明基址与片址的译码过程。IDW-基址A?-A6-Af-Al：'8位量值比较器片址VoAo——LAYiArLB74LS%A2LC138V3书Gi也Ge%£Ga%V?译码器片选信号kw5■元_防丽过程参数传感变送器PC总线周期采样：II采样时间或采样宽度T:采样周期T1信号调理多路膜枇开美前置放大器依口逻S电路过程参数传感变送器PC总线周期采样：II采样时间或采样宽度T:采样周期T1信号调理多路膜枇开美前置放大器依口逻S电路2)什采样开相同的时间的时间间隔关每次闭合y(t)，间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号冲序列信号y*(t)T转变为在瞬时0，T，2T，…的一连串脉的时间3）简述逐位逼近式、双积分式、电压/频率式的A/D转换原理。逐位逼近式A/D转换原理双积分式电压/频率式4）分析说明图3-19的8路12位A/D转换模板的工作原理。:壮方A+5VoD?STSDllREFINREFOUT10LIQ1拓VlolscBIFOFF1LILIQ1UUKQ-ADJ74ADoCEcs_R/C:壮方A+5VoD?STSDllREFINREFOUT10LIQ1拓VlolscBIFOFF1LILIQ1UUKQ-ADJ74ADoCEcs_R/C10Vn-TAGND+15V100KQ,-127+15V-15VVDDVJEC口涌1S1：lINHDGND7FAnVss图3-19&路口位丽转换模板电路该模板采集数据的过程如下：（1）通道选择：将模拟量输入通道号写入8255A的端口C低4位（PC3〜PC0），可以依次选通8路通道。（2）采样保持控制：把AD574A的信号通过反相器连到LF398的信号采样保持端，当AD574A未转换期间或转换结束时=0,使LF398处于采样状态，当AD574A转换期间=1,使LF398处于保持状态。（3）启动AD574A进行A/D转换：通过8255A的端口PC6-PC4输出控制信号启动AD574A。（4）查询AD574A是否转换结束：读8255A的端口A,查询是否已由高电平变为低电平。（5）读取转换结果：若已由高电平变为低电平，则读8255A端口A、B,便可得到12位转换结果。第四章1）三极管型光电耦合隔离器2）简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。数字量输出通道（DO通道）：它的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。3）对比分析说明三极管输出驱动与继电器输出驱动电路的异同点。同：任务相同（把计算机输出的微弱信号转换成外接电路实际需要的控制信号）异：1：结构不同：2：驱动对象不同：

第七章惯性滤波器的设计惯性滤波是模拟硬件RC低通滤波器的数字实现。常用的RC滤波器的传递函数是其中，Tf=RC是滤波器的滤波时间常数，其大小直接关系到滤波效果。一般说来，Tf越大，则滤波器的截止频率(滤出的干扰频率)越低，滤出的电压纹波较小，但输出滞后较大。由于大的时间常数及高精度的RC电路不易制作，所以硬件RC滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。为此可以模仿角7-5)中硬件RC滤波器的特性参数，用软件做成低通数字滤波器，从而实现一阶惯性的数字滤波。Tf——-+讹)=")将式(7-5)写成差分方程T(书本P106推导过程)册)=——顺+-―讹T)=技©+(i-a)y(k-l)整理后得七+''了+'式中：j(k)—第三次采样的滤波输出值；x(k)口——第k次采样的滤波输入值，_即第□k□次采样值y(k-1)——第(k-1)次采样的滤波输出值；aU——口滤波系数a=T/(Tf+T)TD——口采样周期Tf口——口滤波环节的时间常数一般T口远小于Tf，即远小于口1，表明本次有效采样值(滤波输出值)主要取决于上次有效采样值(滤波输出值)，而本次采样值仅起到一点修正作用。心1二a通常，采样周期T足够小，则aF/Tf，滤波算法的截止频率为2成C当采样周期T一定时，滤波系数a越小，数字滤波器的截止频率f就越低。例如当T=0.5秒(即每秒采样2次)，a=1/32时:f=(1/32)/(2X3.14X0.5)^0.01Hz这对于变化缓慢的采样信号(如大型贮水池的水位信号)，其滤波效果是很好的。何为数字调零？何为系统校准？零点偏移是造成系统误差的主要原因之一，因此零点的自动调整在实际应用中最多，常把这种用软件程序进行零点调整的方法称为数字调零。上述数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。系统校准的原理与数字调零差不多，只是把测量电路扩展到包括现场的传感器，而且不是在每次采集数据时都进行校准，而是在需要时人工接入标准参数进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后实际测量使用。简述数字滤波及其特点数字滤波，就是计算机系统对输入信号采样多次，然后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声造成的随机误差，从而获得一个真实信号的过程。这种滤波方法只是根据预定的滤波算法编制相应的程序，实质上是一种程序滤波。因而可靠性高，稳定性好，修改滤波参数也容易，而且一种滤波子程序可以被多个通道所共用，因而成本很低。另外，数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。它的不足之处是需要占用CPU的机时。在计算机控制系统中，可以考虑哪些越限报警方式?在计算机测控系统中常采用声、光及语言进行报警。1.普通声光报警2.模拟声光报警3.语音报警第八章1)串模干扰的成因是什么？如何抑制串模干扰？串模干扰是指迭加在被测信号上的干扰噪声，即干扰源串联在信号源回路中。

对串模干扰的抑制较为困难，因为干扰Un直接与信号Us串联。目前常采用双绞线与滤波器两种措施。电动机等电器设备的附近。如果有条件，将信号线单独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直流电源电缆、交流低压电缆、交流高压电缆。表8-3号线和交流电力线之间的最少间距，供布线时参考。共模干扰的成因是什么？如何抑制共模干扰？共模干扰是指计算机控制系统中不同“地”之间存在着电位差，其差值经输入通道中的信号放大器后，变成了干扰性的电压信号。具体的有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。在计算机控制系统中，敷设信号线时应注意哪些问题？模拟信号线与数字信号线不能合用同一根电缆，要绝对避免信号线与电源线合用同一根电缆。共模干扰的成因是什么？如何抑制共模干扰？共模干扰是指计算机控制系统中不同“地”之间存在着电位差，其差值经输入通道中的信号放大器后，变成了干扰性的电压信号。具体的有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。在计算机控制系统中，敷设信号线时应注意哪些问题？模拟信号线与数字信号线不能合用同一根电缆，要绝对避免信号线与电源线合用同一根电缆。屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变压器、隔板电源电缆\信号电貌\0001OOPK信号电缆yjOOQQQQ电祺电境屏藤墨电缆沟内要设置隔板，且使隔板与大地连接，如图8-17(a)所示。电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，信号电缆与电源电缆间距一般应在15cm以上，如图8-17(b)(c)所示；如果电源电缆无屏蔽，且为交流电压220VAC、电流10A时，两者间距应在60cm以上。电源电缆使用屏蔽罩，如图8-17(d)所示。第九章1)数字控制器的离散化设计步骤该系统的闭环脉冲传递函数为①⑵=祟=■,切)、、R(z)1+L\zy.J{z)误差脉冲传递函数为Q(z)=的=1=1-①⑵R(z)1+该系统的闭环脉冲传递函数为①⑵=祟=■,切)、、R(z)1+L\zy.J{z)误差脉冲传递函数为Q(z)=的=1=1-①⑵R(z)1+D(z)G(z)①⑵①⑵最重要的就是要研究如何根据性能要求，构造一个理想的闭环脉冲传递函数。由误差表达式昨)=中，⑵氏@)=%+疽T+%厂2+可知，要实现无静差、最少拍工⑵应在最短时间内趋近于零，即应⑵应为有限项多项式。因此，在输入应⑵一定的情况下，必须对兑⑵提出要求。典型的输入信号常用的主要有以下几种形式：单位阶跃输入，单位速度输入，单位加速度输入输入信号〔勺一般表达式HE_且Z()■(1一广严误差的一般表达式E⑵=色⑵月⑵=北翠海8,3等种典火输入卜一的最少拍系统输入信号〔勺一般表达式典型输入■传递函数5团环传递函最少拍拔甘器D(z)诋甘时in]1(f)1-Z1厂1—(1土沦)Tt0-2-1)22Z-1-z~22厂1_z-2(1一/)七(丁)2T-I22(1-我3z-1-3z~2+z-33T例9.1

被控对象。传)=工_采样周期丁二廉输入：单位速度求：最少拍数字控制器求解步骤：1.求等效脉冲传递函数2.设计误差传递函数3.计算求取最少拍控制器4.输出和误差的验证例9.1解I0.7iSz-1)m”化崩Xi、]I化：[如七.|~~~ii—'(I—Z(I-LHl-u.扑左七H.54N1I0.7iSz-1)m”化崩Xi、]I化：[如七.|~~~ii—'(I—Z(I-LHl-u.扑左七H.54N1{L5i七1-HK&Sc'}([-z-1Hl}此时输Wr(=)=1)比由"=[i-mq)]Rz).r-]-2\*Ir-2r-3x=(2z—zi["=q+3zI4z+……11-z-1F误片：E(z)=--}-(I-z'JV.—^—r=r1单位速度输入下输出和误差变化波形5433T5T7T从图中可以看出，系统经过了两个采样周期以后，输出完全跟踪了输入，稳态误差为零。例9.2被控对象§•=而湍尽而采样周期2'-0.2y输入:单位阶跃求：最少拍数字控制器例9.2解解：被控对象与零阶保持器的等效脉冲传递函数为1Q解：被控对象与零阶保持器的等效脉冲传递函数为1Q4Ifl}式T,有一个零点(z=-1.065)在萱位圆外桓一个滞|,；1<Jz\根据设计最少拍系统的限制条件，可假设■8-39)巾{羊=妃、1根据设计最少拍系统的限制条件，可假设■8-39)巾{羊=妃、1I1.W5L}■：8-40)由W=l*){2「i「知，0)q)、W应、'i是同阶次多项式-「尽侦；站简单,立!'{Z}=(\\妃T)'：8-41)代：8-40)^11A(8-41)中的】和力为肯定系数,将式(8-39).式(