计算机控制系统知识点

(-)基本概念

第一章

1,什么是计算机限制系统？及传统的限制系统相比，计算机限制系统的优点是什么？

答：计算机限制系统：用计算机代替常规限制系统中的模拟限制器对系统进行限制的系统。

优点：具有精度高速度快，存储容量大和逻辑推断功能，看完实现高级困难的限制方

法，获得快速静谧的限制效果.

2,简述计算机限制系统的硬件组成和各自的功能。

答：计算机限制系统的硬件一般由主机.接口和输入检出通道，通用外部设备，执行机

构，检测元件，仪表，操作台等部分组成。

主机：采纳一台或多台计算机，通过接口和I/O口通道，接收检测设备传来的信息并向

限制系统的各个部件发出命令，同时计算机对系统的各个参数进行巡回检测，数据处理,

限制计算，分析报警，逻辑推断等。

接口及I/O通道：主机及被控对象之间进行信息交换的纽带。

通用外部设备：扩大计算机的功能，是计算机系统及操作人员的交互界面，用来完成信

息的记录，存储，显示，打印，传送。

检测元件，仪表，执行机构：检测元件和仪表用来测量生产对象的某些参数，并将非

电量的被测参数转换为电量表示；执行机构接受CPU的命令使被控对象完成规定的限制动

作。

操作台：用来实现人机之间的交互功能。

3,计算机限制系统应当有哪些主要特征？

答：1.实时性2.良好的输入/输出实力3.标准化和系列化4.模块化的系统结构5.牢靠

性(平均无故障时间，抗干扰实力强，具有定时自动启动功能和硬件自检功能)

4,计算机限制系统大致可分为哪几类？简述各类计算机限制系统的结构和特点。

答：计算机限制系统大致可分为以下五类：

1)数据采集系统(DAS,DataAcquisionSystem)

2)直接数字限制系统(DDC,DirectDigitalControl)

3)计算机监督系统(SCC,SupervisoryComputerControl)

4)分布式限制系统(DCS,DistributedControlSystem)

5)现场总线限制系统(FCS,FieldbusControlSystem)

1)数据采集系统简称：DAS

计算机只对限制系统的参数进行采集，加工和分析处理，并将处理后的数据输出。操作人

员依据输出的数据，对生产过程出现的问题进行处理，计算机不直接参及生产过程的限制，

该系统结构简单，平安牢靠。

图1-4数据采集系统

2）直接数字限制系统简称：DDC

直接数字限制系统中，计算机经输入（AI或DI）对生产过程进行数据采集。采集的数

据进入计算机后及预先设定的值进行比较，或依据要求进行处理。计算机依据比较和分析的

结果，依据限制规律（如PID）经输出（A0或DO）对生产过程进行直接限制。

图1-5直接数字控制系统

3）计算机监督系统简称：SCC

计算机监督系统实际是两级计算机限制系统，上一级为SCC,下一级为DDC。生产过程

采集数据经AI,DI送DDC的同时也送SCCoSCC依据采集的数据，经过计算后获得最佳

设定值传送给DDC。DDC对设定值和测量值进行比较，比较后的结果经AO,DO送出，

对生产过程进行限制。对计算机监督系统，要求SCC级具有强大的数据处理实力，存储容

量大；DCC则须要实时性好，牢靠性高和环境适应性好。

4）分布式计算机限制系统（DCS）又称集散式限制系统。

分布式计算机限制系统的特点是“限制分散，管理集中”

5）现场总线限制系统（FCS）

FCS是建立在网络基础的计算机限制系统。现场总线是一种通信协议，是连接设备和系统的

数字式网络。现场总线使限制系统实现了现场网络通信，设备互连及互操作，全数字通信

等。现场总线的组成由监控设备，服务器和网桥，执行器，变送器，协助设备等部分。

FCS及DCS系统相比有以下特点：全数字信息传输系统结构更合理便利的互操作

性

第二章

5,什么是PID限制算法？其优点是什么？

答：限制系统中，限制器的输出是其输入的比例，积分，微分(Proportional,Integral,

Differential)的函数，简称PID限制

优点：(1)PID限制技术成熟(2)不须要求出系统的数学模型(3)限制效果好

6,试述PID算法的表达式中各项的作用。E(S)U(S)

答：比例系数Kp确定限制e(t)

作用的强弱，Kp加大时可

削减系统的稳态误差，提高系统的动态响应速度，但Kp过大会引起振荡或导致系统不稳定。

积分项Ki/S用于消退系统的稳态误差，但积分项会使动态过程变慢，增大系统的超调量，

使系统的稳定性变坏。

微分KdS的限制作用及偏差的变化速度有关。微分能产生超前的校正作用，有助于削减超

调和振荡，并能削减调整时间，从而改善系统的动态性能。

比例

积分

Pd(t)

微分

7,写出位置式PID和增量式PID的表达式，增量式PID及位置式PID相比有什么优点？

答：数字PID限制的位置式：

u(kT)=kp\e(kT)+崇2e(〃)+与[e(S-e(kT-T)]>

对上式作Z变换u(z)=3[E(Z)+与罟+华(1—Z-I)£(z)]

Z传递函数D(Z)=^=Kp+Ki^+Kd(.\-Z-')

式中：Kp为比例系数

Ki=Kp*T/Ti为积分系数

Kd=Kp*Td/T为微分系数。

增量式数字PID的限制算式

△u(kT)=u(kT)—u(kT-T)

=kp[e(kT)-e(ZT—T)]+k^kT)

+kd\e{kT)-2e(kT—T)+e(kT—2T)]

将上式中同一时刻的输入值合并，则增量式PID限制算式可写为：

△u(kT)=(kp+ki+kd)e(kT)+(kp+2k，d)e(kT-T)

+k，de(kT—2T)

增量式数字PID限制算法有下列优点：

(1)位置式算法须要计算偏差的累加值，简单产生累计误差，而增量式算法只及三个采样

值有关，误差可削减。

(2)位置式的积分项可能产生积分饱和及超调，增量式克服了上述缺点，使系统的过渡过

程时间缩短，系统的动态性能得到提高。

(3)当过程限制系统中须要手动一自动切换时，增量式易于实现无冲击切换。

在实际工程中，大量运用增量式算法。

8,什么是不完全微分，积分分别的PID算式？

答：不完全微分算法：

在PID算式中，当有阶跃信号输入时，微分项的输出急剧增加，引起高频干扰。为了抑制

高频干扰，可在数字调整器中串接一个低通滤波器。

积分分别算法：

在PID限制中积分项用于消退系统的稳定误差，但过大的积分会导致系统的稳定性变坏，

出现饱和和较大的超调量。可采纳积分分别算法，在误差比较大，超过某一规定值时，取

消积分，用PD限制，改善系统的动态特性；在误差比较小时，采纳PID限制，保持稳态特

性。

9,在数字PID中，采样周期如何确定？采样周期的大小对调整品质有何影响？

答：采样周期T的确定：由采样定理，采样频率的上限fs22fmax时，系统可真实复原原有

的信号。实际限制中，采样频率取值都取得较高，一般要依据被测参数的状况进行变化

影响采样周期的因素有以下几个方面：

(1)扰动频率：当扰动频率高时，采样频率应相对提高。

(2)被控对象的动态特性：被控对象的滞后和时间常数应作为考虑的因素，采样周期T应

及滞后时间基本相符。

(3)限制的回路数：当回路多时，采样周期应加大

(4)其它如采纳的算法和执行器的类型，限制的精度等因素。

10,PID限制中，为何须要参数整定？简述临界比例法，试凑法的的操作过程。

答：工业生产过程中，对于生产装置的温度，压力，流量，液位等工艺变量经常要求维持

在肯定的数值上，或按肯定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID限制器是依据PID

限制原理对整个限制系统进行偏差调整，从而使被控变量的实际值及工艺要求的预定值一

样。不同的限制规律适用于不同的生产过程，必需合理选择相应的限制规律，否则PID限

制器将达不到预期的限制效果。

试凑法

此方法是通过仿真或实际运行，视察系统对典型输入作用的响应曲线，依据PID各参数对

系统的限制作用，反复调整试凑得到满足的结果为止。

试凑时按先比例，后积分，再微分的次序进行。

(1)调整比例系数KP,由小变大视察响应曲线的变化，达到满足为止。

（2）当KP不能达到限制效果时，须加入积分环节。将积分时间常数，由大渐渐减小，并

适当调整KP,视察系统特性，使其保持在良好的动态特性下消退稳定误差Ess。

（3）若动态特性不能满足，则再加入微分环节，调整时，将微分时间常数由小到大，视察

系统特性。（4）按步骤⑴，⑵反复试凑，直到满足为止。

3,临界比例法

该方法是一种简易的工程整定方法。临界比例法是基于模拟调整器运用的一种PID参数整

定方法，操作的步骤如下：

（1）选择一个足够短的采样周期

（2）将输入到计算机限制系统，只取比例限制，逐步缩小比例度，直到系统产生等幅

振荡，此时的比例度6u称临界比例度，相应的振荡周期Tu称为临界振荡周期。

3）选择限制度：限制度指DDC的限制效果及模拟调整器限制效果之比，评价函数用误差

平方积分「炉⑺力

表示。*0

限制度=

对于模拟系统，其误差平方积分可按记录纸上的图形面积计算，而DDC系统可用计算机计

算。通常当限制度为1.05时，表示DDC系统和模拟系统的限制效果相当。

（4）依据限制度，查表可求出T,KP,KI和KD值。

（5）依据上方法求得的参数，通过实际运行视察限制效果，必要时可适当调整参数，直到

获得满足的效果为止.

第四章

11,工业限制领域中常用的微型计算机有哪几种？

答：限制系统中常用的微型计算机主要有以下几种：

（1）单片微型计算机和嵌入式系统

（2）可编程逻辑限制器（3）STD总线工控机（4）工业PC机

12,用单片机对系统进行限制时，通常须要扩充存储器，简述扩充中需留意的事项。

答：1）地址和编码方式

（1）统一式编码方式单片机一般采纳

（2）隔离式编码方式PC机采纳

2）M的片选限制方式

（1）线选限制方式（2）局部译码法（3）全译码法

3）M芯片的选择

（1）RAMSRAM,DRAM,IRAM

（2）ROM掩膜ROM,PROM,EPROM,E2PROM,闪速

存储器

4）及CPU的连接

（1）负载实力

较小系统CPU可及M芯片直接连接，较大系统时增加驱动器。

（2）时序的协作

尽量选及CPU速度相近的M芯片。

（3）M的地址安排

确定扩充M的容量，选择合适的芯片，画出地址安排图，选出译码器等其它器件，画出

硬件连接图。

(4)搭出硬件电路并进行调试，制作集成电路板。

13,微机限制系统中，常用的显示器件有哪几种？各自的特点是什么？什么是动态显示和

静态显示？比较两者的优缺点。

答：限制系统常用显示器：1)显示和记录仪表2)LED和LCD3)CRT显示器4)

大屏幕

1,LED显示器

(1)分为七段和米字型(2)有共阴和共阳两种接法

(3)有红，黄，蓝，紫多种颜色

(4)已经有将4-6位集成在一起的多位LED数码管

•LED数码管的显示方法

(1)软件实现方法

①动态显示：单片机定时对显示器件扫描，显示器件分时工作。

优点：运用硬件少，线路简单，价格便宜

缺点：占用机时长

②静态显示单片机一次输出显示后，始终保持显示结果，直到下一次送新的显示内容。

优点：占用机时少，显示牢靠

缺点：运用硬件多，线路比较困难，价格较高

(2)硬件实现方法

采纳硬件译码器代替软件获得显示代码，其优点是节约CPU的机时，程序设计简单。同样

分为动态和静态两种。

2,LCD

LCD显示器是在两片玻璃间配置IO-12um的薄层流体液晶构成。和LED相比较LCD的特

点是不仅能显示数字，还能显示图像。

LCD显示器的显示方式：

①笔段式：类似7段LED显示器，为长条状显示像素组成的显示器。

②点阵字符式和点阵图形式：显示像素连续排列，可以显示字符和各种图形曲线。显示

时需加驱动器限制。

14,试述可编程限制器PLC,STD工控机和工业PC机的主要特点和应用。它们分别运

用于何种限制系统？

答：(1)PLC可编程限制器的

特点:①牢靠性高，抗干扰实力强②编程简单，运用便利③组合敏捷，适用面广④丰富

的I/O接口模块，功能齐全，扩充便利⑤体积小，体重轻，价格低。

应用：①依次限制②定时限制③过程限制④数据处理⑤数据处理⑥其他

实现的功能：①依次限制②过程限制③计数定时限制④模/数和数/模转换⑤数据

处理⑥通信和联网⑦冗余限制⑧监控功能⑨其他功能

(2)STD工控机

特点：①采纳165XI14mm的小板结构，机械强度好，抗冲击，抗振动，抗老化和抗干扰

实力强；

小板上元件少，因此散热性能好，提高了系统的牢靠性和可维护性。此外，元器件都经过

严格筛选和老化处理，使其产品的平均无故障间隔时间(MTBF)达60年。

②供应大量功能模块(近千种)，模块设计标准化，用户可依据实际须要选择各种模块和软

件构成工业限制系统。既提高了设计的效率又降低了系统的成本。

③兼容开放式的总线结构，使STD总线可支持多种8位CPU,包括Z80,M68系列和PC

系列的多种产品。采纳周期窃取和分时复用技术，可敏捷地扩充升级16位和32位的CPU,

配套性和兼容性好。

④总线模板上各接口之间呈直线连接，信号最短距离传送，运行速度高，削减了干扰，对

软件(系统软件)采纳固化措施，提高了牢靠性。

应用场合：由于以上特点，STD总线可适应工业现场的振动，灰尘，高温，有害气体，电

磁干扰等恶劣环境，成为工业现场首选的限制机。

(3)工业PC机IPC

特点：①牢靠性高②实时性好③环境适应实力强④小板结构，模块化设计，完善的

I/O通道⑤系统开放性好⑥性能价格比高

第五章

15,什么是传感器？传感器有哪些主要的技术指标？选用传感器应当遵循哪些规则？

答：传感器是一种能感知某一被测量，并将被测量变换为相应的其它量的器件或装置。

传感器的技术指标：

(1)输入特性

1量程测量上限及下限的差

1过载超出传感器测量范围的最大允许输入值

(2)静态响应特性

I精度测量结果及“真值”的靠近程度

1辨别率对被测量相对变化的最高反应实力

1灵敏性输出量变化值及相应输入量变化值之比

1稳定性在一个较长时间内保持性能参数的实力

(3)动态特性

动态特性是指被测量在变化时传感器的输出量是否能追随输入量的变化，分为阶跃响应和频

率响应两类，可依据其特性曲线的特征值来判定。主要的指标是时间常数T,上升时间Tr,

建立时间Ts,过冲量a,衰减比5等。

选用传感器的一般规则：

(1)及测量条件有关的事项

测量的目的，被测量的类型，测量的范围，测量所需的时间

(2)及传感器性能有关的事项

静态响应特性和动态响应特性。

(3)及运用条件有的事项

场所，温度，湿度，是否及其它设备相连，外界干扰，功率容量，外形尺寸，重量等。

(4)其它

传感器的性能价格比，生产厂家的服务，交货时间，保修时间，零配件的供应等。

16,在模拟量输入通道中，信号调理包括哪几部分?

答：放大器，信号转换设备，滤波器

17,画出模拟量输入（输出）通道的结构图，说明各部分的作用。

答：模拟量输入通道原理框图

多路开关：1,将待测控的多路参数分时接通，送入通道进行A/D转换；

2,将计算机处理后的数据分时的经D/A转换成模拟信号，限制执行器的执行。

两种用途可采纳同一种多路开关，但详细任务不同，常将前者称为多路开关,

后者称为多路安排器。

18,说明下列名词：采样，量化，编码。

答：采样：将模拟信号变为一串脉冲信号，采样的输出跟随模拟量输入的变化。

保持：保持采样时的信号不变，直到保持命令撤消为止，以便完成A/D转换。

量化：将采样时刻的信号按最小量化单位取整。

编码：将量化后的信号转换为二进制码形式，即数字量，属于无误差的等效转化，编码后的

数字量可由计算机识别并处理。

解码：将数字信号转化为模拟脉冲信号。

19,什么是孔径时间（TAP）和捕获时间（TAC）?

答：孔径时间指保持命令发出后到逻辑输入限制的开关完全断开所需时间。TAP的存在影

响A/D转换的精度。

捕获时间是采样命令发出后，输出值从保持值到达当前输入信号值所需时间.TAC影响采

样频率的提高。

20,A/D转换器按转换方式如何分类？叙述各种转换方式的优缺点。

答：A/D转换器按转换方式分类：逐次靠近型，双积分型，V/F,型变换器

各种A/D转换方法比较

转换方法分辨率速度特点应用场合

逐次逼近AD较•高离性能较好温度、压力、流量

抗干扰较差电量等大部分场合

积积分ADC高低抗干扰强数字电压表、温度

精度高测量等低速场合

E—△ADC商较高精度高低频、小信号高

精度测量

VFC校高较高抗干扰强速度不高的采集

可以送传系统

21,D/A输出中，说明（1）什么是单极性和双极性输出？（2）什么是左对齐和右对齐

答：（1）单极性输出：指输入的数字量为最小到最大时输出电压全为正或全为负。

在电压输出型的D/A转换器中，因其片内含有一级运算放大器，已经将模拟电流量转

换为模拟电压量输出，因而属于单极性输出类型；而电流输出型的D/A转换器中，为了保

证梯形电阻网路各支路及各臂压降稳定不变，必需将OUT1端接“虚地”。因此，经常将电流

输出型的D/A转换器的电流输出端及一电压放大器相连接，而构成单极性的电压输出方式。

双极性输出：指输入的数字量为最小到最大时输出电压部分为正部分为负。

在随动系统中，例如伺服电机限制系统，由偏差产生的限制量，不仅及其大小有关，而

且还及限制量的极性有关，因而要求D/A转换器为负载供应双极性电压的输出方式。

（2）XXXXDllDIOD9D8DllD101）9D8D7D6D5D4

1）71）6D5D4D3D2DIDOD3D2DIDOXXXX

（a）向右对齐数据格式（b）向左对齐数据格式

“向右对齐数据”时，将单片机的D0-D7及D/A转换器的D0-D7连接，再将单片微机的

数据总线中D3~D0及D/A转换器的DI1~D8对应连接起来。

“向左对齐数据”时，将单片机的D0-D7及D/A转换器的D11-D4连接，再将单片微机的数

据总线中D7-D4及D/A转换器的数字输入端D3-D0对应连接起来.

22,在限制系统中，执行器按所需能量分，分成哪三类？各自的优缺点是什么？

答：A.电动执行器。

•分为电机式和电磁式两类。

电机式包括伺服电动机，步进电机等。电磁式包括继电器，接触器，电磁阀，电磁离合器

等。

・电动执行器具有响应速度快，及计算机接口简单等优点，成为计算机限制系统的主要执行

机构。

・其中步进电机由于可以直接接受数字量，并且执行速度快，精度高，在计算机限制系统

中得到了广泛的应用。

B.气动执行器。

・气动执行器分为薄膜式和活塞式两种。

・气动执行器由接收器，喷嘴挡板结构，气马达或作动筒等部分组成。接收器接受计算机

发来的限制命令，将电量信号转变为气压信号，驱动气马达或作动筒运转，开启或关闭阀门，

完成执行功能。

・气动执行器的优点是结构简单，输出推力大，价格低廉，防火防爆,常用于石油，化工,

冶金，电力等部门。

C.液压执行器。

•液压执行器由限制部分（节流阀，射流喷管，可调泵）和执行部分（液压马达，动力作

动简）组成，可将油液压力转变成机械能，驱动负载直线或回转运动。

•液压执行器的优点是能进行无级变速，输出功率大，结构简单，修理便利，常用于

传送大扭矩和推力的场所。

种类构造体积配管线推力”动作滞后维护场合价格

气动

执行器简单中复杂大大简单防火防爆好低

，电动

执行器复杂小简单小小复杂防火防爆差高

液压

执行器简单大复杂大,小简单防火差高

23,在开关量输入检出系统中，为何要实行隔离措施，常用的隔离措施有哪几种？开关量

输入输出电路中常采纳哪几种爱护方法？

答：开关量：继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。对于开关量限制的器件，在开

关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如不处理可能造成计算机限制系统的损坏和误动作。

因此在开关量输入/输出通道和接口设计中，必需考虑信号的调理和隔离。

常用隔离措施：a,光电隔离b,继电器隔离c,变压器隔离

开关量输入检出电路中常采纳爱护方法：

24,说明继电器的工作原理，选用继电器应考虑哪些因素？

答：继电器是电器限制中最常用的一种限制器。继电器由通电线圈和触点（常开或常闭触点）

构成。

工作原理：当线圈通电时，由于磁场的作用，使开关触点闭合或打开，接通或断开执行器,

完成限制功能。通电线圈用直流低电压限制（如9V,12V,24V）,触点输出部分可以直接

及220V或380V市电和工业用电相连。

选用继电器时应当考虑下面因素：

a继电器的额定工作电压（或电流）。

b接点的数量，种类和负荷，吸合和释放的时间。

c继电器的体积和封装形式。

d继电器的工作环境。

25,SSR及继电器相比有何优点？

答：继电器触点吸合时简单产生火花，引起干扰，影响系统牢靠性。SSR用晶体管或可控

硅代替常规继电器的触点开关，并将光电隔离器融为一体（是一种带光电隔离的无触点通

断型大型功率电子开关）。它比电磁继电器工作牢靠，并有寿命长，对外干扰小，抗干扰实

力强，开关速度快，运用便利，输入及TTL和CMOS电平兼容等特点，故在工业限制中

应用广泛。

26,在计算器限制中，采纳哪几种大功率器件驱动执行器的工作？

答：a门电路b大功率管c继电器和固态继电器d可控硅

27,试述步进电机的结构特点和工作原理。

答：步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行器件，广泛应用于工业过程限

制和仪表中。

结构特点及工作原理：步进电机由定子转子组成，转子由多个矩形小齿匀称分布在园周上;

定子嵌装有多相不同连接的限制绕组，定子的绕组线圈，由专用的电源供应电脉冲信号，使

定子的磁极产生磁场，并及转子形成磁路，使转子转动肯定的角度。

步进电机转子的角位移及表5T4几种步进电机种类结构优缺点

小门目WAIT少，P小哦闲式

通过改变脉冲频率来调速，”“工定、转子沿电机轴分为m段，制造简单，起动

每定子铁心上绕有一组控制运行频率高，

具有精度高，能快速启停线图消耗功率大

等优点。永磁式定子为凸极，极上无小齿，步距角大，起动

绕有m相绕组运行频率低，消耗功

率小

永磁感定子与感应式相同，转子步距角小，较高

应子式由环形磁铁和两端的起动运行频率，结

28,在三相步进电机中，说铁心组成构复杂

明：(1)三相的含义(2)三相单三并1,三相双三拍，三相六拍於J通电依次

答：(1)三相：电机的定子上有6个专孽分磁极，A,A',B,B',C,C',相邻两个磁

极间夹角600,相对两个磁极组成一本目，构成A-A',B-B',C-Cy三相。

(2)a三相单三拍，通电依次为A13CA

b三相双三拍，通电依次为ABBCCAAB

c三相六拍，通电依次为AABBBCCCAA

第六章

29,计算机限制系统的软件的分类，软件应具有哪些主要特点？什么是依次查表法，计

算查表法和对分查表法？

答：计算机限制系统的软件的分类：系统软件和应用软件

计算机限制系统的软件应当具有以下特点：

a,实时性对系统的一