《计算机控制技术基础》知识点总结

《计算机控制技术基础》知识点总结

1、计算机控制系统五种典型形式

1）操作指导控制系统

2）直接数字控制系统

3）监督控制系统

4）集散控制系统

5）现场总线控制系统

2、软硬件组成部分

工业控制机是应用在国民经济发展和国防建设的各个领域，具有恶劣环境适应能力，能长期稳定工作

的加固型计算机。

硬件组成：

1)主机板

2)内部总线和外部总线

3)人机接口

4)系统支持功能

5)磁盘系统

6)通信接口

7)输入输出通道

软件组成：

1）系统软件

2）支持软件

3)应用软件

3、数字量/模拟量通道结构

2.2.1数字量输入通道与过程通道

2.2.2数字量输出通道与过程通道

1.数字量输入通道的结构

1.数字量输出通道的结构

生

产

生

产

过

过

程

我

地址译码处

模拟量输入通道的任务，1模拟量输出通道的结构型式

把传感器检测并经变送器转换的模拟电信号转换成二进制D.一个通道设置一个数/模转换器的形式

数字信号，经过接口送至计算机。

1模拟量输入通道的组成：器黑

特点：1.一路输出通道使用一个D/A转换器

2.D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器

3.D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保痔作用

4.结构向常，转换速度快，工作可京，精度较高、通道独立

5.缺点是所需D/A转换器芯片较多

2).多个通道共用一个数/模转换器的形式

特点：1.多路输出通道共用一个D/A转换器

2.每一路通道都配有一个采样保持放大器

3.D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用

4.采样保持器实现模拟信号保持功能

5.节省D/A转换器，但电路复杂，精度差，可靠低、占用主机时间

4、大/小功率驱动电路的原理、作用(电路原理，作用20分)

(1)小功率输入调理电路(2)大功率输入调理电路

R-S触发器消除开关两次反跳电路在大功率系统中，需要大功率器件的接点输入信号,由于所带电

压高，所以宜压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。

1一

9+5V

感

♦48VK,R2口——

一"0!0：…。

-(VC：

、.......y

I---------------------1

当§按下时，因为键的机械特性，便按建因抖动而产生瞬间不闭

合，造成R-S触发器输入为双1,状态不改变.

----------------------------------------------------电

(2)大功率交流驱动电路

①固态继电器(solidstaterelay)既有放大作用，又有隔离作

2.输出驱动电路用，很适合于额大功率开关式执行器件。

(1)小功率直流驱动电路

■G是一种四端有源器件,其中的两端为输入需另

①功率晶体管输出驱动继电器电路病矗鼬期内部设有鼬保护电版

功率晶体管：能承受大电流高电压的半导体三极管.

二极管：防止反向击穿电圄&

+2,憔

0——1Q率曲怖OpJ/十

寸嚓缴鳍网K已糯幅

J_1iift?，妗80A)(10720A)

特大3考岗态维电容我件

电相长条囱态维由JR

B500(250〜650A)

(10-120A)

它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回

趺、寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算机控制系

统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势.

SSR作交流开关，相当于有一个触点，左边是TTL电平，

在0~5V之间：当TTL电平为高时，触点用合；当TTL电平为

低时，触点断开.固态缝电器的结构原理

5、无源I/V变换

口

变换电珞中各部分的作用

R1：限流电阻

VD:将电压钳制在5VM.3V

以内

R2：电压采样电阻,其压

择即为输出电压，精密

—

电阻，精度为0.1%.

4=500。C和R1：组成阻容低通滤波

4~20mA4=10001*5V电路

凡=250。

6、采样保持原理

答：

采样保持器

孔径时间：在模拟量输入通道A/D转换器完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。

孔径误差：由于孔径时间的存在，在孔径时间期间输入的变化决定了每一采样时刻的最大转换误差称

为孔径误差。

采样保持原理

采样保持电路的工作方式：采样和保持。

同步系统中，几个并联的参量需取自同一瞬时.，而各参数的A/D转换又共享一个芯片，所得到的几

个量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。

所以要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，乂要求A/D转换器

的渝入信号能够跟随模拟量变化,能够完成上述任务的器件叫做采样一一保持器(Sample/Hold)蔺写为S/H。

7、串/共模干扰与抑制方法

答：

串模干扰及其抑制方法

1）串模干扰

所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声，也称常态干扰

2）串模干扰的抑制方法

①采用低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。

一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低

通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。

当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。

②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转

换器可以削弱串模干扰的影响.

③对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高

回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。

④从选择器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。

采用高抗扰度逻辑器件-----尊叁户整艰电士-----------^来抑制低噪声干扰

采用低速逻辑器件一使得逻辑电路的工作速度较慢一>来抑制高频干扰

采用附加电容器_降低某个部揖电路的工作速度洙抑制高频干扰

⑤采用双绞线减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。

双绞线对外部干扰的抑制

Us为干扰信号源，干扰电流Is在双线的两条导线LI、L2上产生的干扰电流分别是II和12。由于LI

距离干扰源较近，因此，11>12,1=11-12^0,有干扰电流存在，

双线回路在中点位置进行了一次扭绞。在LI上存在干扰电流III和112,在L2上存在干扰电流121

和122,干扰电流1=121+122-111-112,由于两段线路的条件相同，所以，总干扰电流1=0。所以只要设置合

理的绞距，就能达到消除干扰的目的。

r

0

S1

.

共模干扰及其抑制方法

I）共模干扰

共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压,共模干扰也称为共态干扰。

被测信号U,的拳考扶地加

转

点和计算机输入信号的多考

换

接电点之间往往存在者一定器

的电住差必.

为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR（CommonModeRejectionRat⑹来表

（=2<>——

示，即“，，Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串

模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm,所以CMRR=O,说明无共模抑制能力。对于

双端不对地输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强.

2）共模干扰的抑制方法

①变压器隔离②光电隔离③浮地屏蔽④采用仪表放大器提高共模抑制比

8、插补计算、画图（20分）

书上95-104页

9,电机转子齿数、齿距角的计算

书上114-115页I--------

10、步进电机的工作方式以及波形图A」——

I）单三拍工作方式：单三拍就是每次只给一个线组通电，其余的绕组

断开。B-----L=~~；

①浇组的通电顺序：A-*B-*C-*A-*...0

②电压波形

在这里，步进电机是由脉冲控制的。而脉冲的输出受计算机的控制。_

AJLJI_

2）步进电机的双二拍工作方式BJ-------II-------1-------

①绕组的通电顺序：AB—*BC—*CAcIUU-

②电压波形

3）步进电机的三相六拍工作方式

①绕组的通电顺序：A-AB-B-BC，C—CATA

②电压波形

11、比例/积分/微分调节的作用/优势/劣势

4.1控制系统的性能指标

延迟时间td一阶质响应第一次达到终值的50%所需的时间<1>

上升时间tr一阶跃响应从经值的10%上升到终值的90%所需的时间

峰值时间Ip—阶趺响

应越过终值达到第一个峰

值所需的时间

超调量b%—峰值超

出终值的百分比

调节时间tS一阶跃响

应到达并保持在终值5%

误差带内所需的最短时间

PID调节器优点:

①技术成熟，通用性强

②原理简单，易被人们熟悉和掌握

®不需要建立数学模型

④控制效果好

1.才英才以PID测节器

对应妁*莫4以PID洞节器妁传递函数1为

Q(s)=U9

EO)

Kp为比例J增益，T［为积分时间，丁口»微分时间

1）比例调节器

控制规律："（'）=K?e（'）+z，o

其中，Kp为比例系数，U0是控制量的基准，也就是e=0时的控制作用（比如阀门的起始开度、基准的信

号等）。特点：有差调节，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。

比例控制的作用

①对当前时刻的偏差信号e⑴进行放大或衰减后作为控制信号输出.

②比例系数Kp越大,控制作用越强，系统的动态特性也越好，动态性能主要表现为起动快,对阶跃设定跟随得

快.

③Kp过大时会出现较大的超调湛至引起系统振荡，影响系统稳定性

④比例控制虽然能减小偏差，却不能消除静态偏差.

aepResponse

所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用

控制规律：u(t)=sj^(r)^

其中，so为积分速度。

特点：无差调节、稳定性变差

3)微分调节

=A工~dr

①微分控制的作用是由偏差信号。⑴的当前变化率de/dt预

见随后的偏差将是增大还是减小、增减的幅度如何.

②微分控制作用正比于偏差信号e⑴的当前变化率,微分控制作用的特点是只能对偏差e⑴变化的速度起反

应，对于一个固定不变的偏差c⑴不论其数值多大,根本不会有微分作用输出.

所以微分控制规律不能单独使用

③微分控制可以加快系统响应速度,减少调整时间，从而改善系统快速性,并且有助于减小超调，克服振荡，从

而提高系统稳定性，但不能消除静态偏差.

③比例+积分调节

综合了P,I两种训节的优点，利用P调节快逑的孑氐消干扰的影

响，同时利用I调节消除残差。

控制规律：u(t)=Ke(t)+SoCe(t)dt=K[e(t)+31e(t)dt]

Tj为积分时间。*

可以利用积分时间来衡量积分作用所占的比重，积分时间越

大，积分作用所&的比重越小；积分时间越小，积分作用所占

的比重越大。

®上匕倒并只分秘分酒节

de(，)

e(r)+!C<?(7)〃/+TD

*I'

微分控制：成小超

司司里7，丸月艮振荡，侵L

系统妁木恁定，性提高，

［司时力3快系统的动态

口向应逑度，成，J、力周整

时间，从而改善系统

的动态，性令日O

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最D•受干扰

12、位置型、增量型算法的优缺点和适用条件

(1)数字PID位置型控制算法

差分方程形式

e(k)—式k—1)

提供执行机构的位置

⑵数字PID增量型控制算法

〃⑺=Kp

。。)出+TD

差分方程形式

〃(k)=Kpe(左)+干工式7)+心-----------

e(左一1)一e(左一2)

〃("1)=Kpe("l)+丁⑺+7P

A”(左)=ii(k)-u(k-1)

=Kp[e(k)-e(k-1)]+K“(k)+KD\e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

比例增益积分系数微分系数

△〃(k)=%£(左)+纤(左一1)十(4一2)

①如执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征执行机构的位置，此时控制器应

采用数字PID位置式控制算法；

——工(/汇二PID位置算法-调节阀--被控对象一里

②如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的

增加，此时控制器应采用数字PID增量式控制算法；

二s—pm增量算法四步进电机臼被控对象平

D/AI一丽机构I——■

增量式控制算法的优点：

1.计算只与最近的ek有关，不易