计算机控制技术课程辅导教案

计算机控制技术课程教案系统状态：单回路控制的内给定状态，利用给定值键改变给定值。（2）外给定状态SCC控制开关位置：SCC给定值选择：接收上位计算机的给定值SVS系统状态：二级计算机控制。串级控制开关位置：CAS给定值选择：来自主调节模块的给定值SVC系统状态：串级控制。（3）给定值变化率限制作用：减小给定值突变对控制系统的扰动。2.被控量处理报警PH：上限值PL：下限值HY：报警死区限制变化率：实现平稳控制PR：被控量变化率6.4.2偏差处理计算偏差D/R=0，DV=CPV-CSVD/R=1，DV=CSV-CPV偏差报警DLA：偏差报警输出输入补偿ICM=0，无补偿ICM=1，加补偿ICM=2，减补偿ICM=3，置换补偿非线性特性K=0，带死区的PID控制0<K<1，非线性PID控制K=1，正常的PID控制6.4.3控制算法的实现DV：偏差微分方式PV：被控量微分方式MH、ML：控制量的上下限值6.4.4控制量处理1.输出补偿OCM=0，无补偿OCM=1，加补偿OCM=2，减补偿OCM=3，置换补偿2.变化率限制MR：控质量变化率3.输出保持NH：u(k)=u(k-1)FH：U(k)安全输出NS：CMV=MSFS：CMV=UH6.4.5自动手动切换1.软开关/软手动SA：软自动，正常自动状态SM：软手动，控制量来自键盘或上位计算机2.控制量限幅MH：控制量上限值ML：控制量下限值3.自动/手动HA：自动状态，正常计算机控制方式HM：手动状态，通过手动操作器输出信号，对执行机构进行远方操作。4.无平衡无扰动切换定义：是指在进行手动到自动的切换之前、无须由人工进行手工输出信号与自动输出信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。实现：从手动到自动：不进行PID运算，但应使给定值跟踪被控量，历史数据清零，要使u(k-1)跟踪手动控制量从自动到手动：要保证无扰动切换难点解析：软手动与手动的区别在软手动方式，控制量来自键盘或上位计算机；手动方式，则是通过手动操作器输出信号，对执行机构进行远方操作。

第十二周内容及其辅导讲授内容：6.6软件抗干扰技术重点掌握：数字滤波技术内容辅导：6.6软件抗干扰技术6.6.1数字滤波技术什么是数字滤波通过一定得的计算或判断程序，减少干扰在有用信号中比重。与模拟滤波器相比，数字滤波器的优点：程序实现，不需硬件，可靠性高，稳定性好。可以对很低频率进行滤波，克服模拟滤波器的缺点，根据信号不同，采用不同的滤波方法，灵活、方便、功能强。1.算术平均滤波算法N个测量数据取算术平均功能信噪比提高N开方倍适用范围对一般的具有随机干扰信号的滤波。适用于信号本身在某一数值范围附近上下波动的情况。2.中位值滤波法算法：取中间值作为本次采样的有效数据。3.限幅滤波法上下限限幅y(n)>yH，y(n)=yHy(n)<yL，y(n)=yLyL<y(n)<yH，y(n)限速y(n)-y(n-1)Δy0，y(n)y(n)-y(n-1)〉Δy0，y(n-1)4.惯性滤波法公式推导滤波系数a(0<a<1）a越大，带宽越窄，滤波频率越低。四种滤波方法比较平均值滤波适用于周期性干扰中位滤波使用偶然的脉冲干扰限幅滤波使用偶然的脉冲干扰惯性滤波适用于高频干扰6.6.2开关量的软件抗干扰技术1.开关量信号输入抗干扰措施干扰特点：多呈毛刺状，作用时间短。解决方法：两次采样、多次采样，完全一致方为有效。2.开关量信号输出抗干扰措施惯性大的输出设备（如各类电磁执行机构），对毛刺干扰有一定的耐受能力。惯性小的设备（如通讯口），耐受能力小，需要输出抗干扰。解决方案：重复输出统一数据，重复中期尽可能短，外设阶受到干扰信号，还来不及做出反应，一个正确的输出信息又来到了。6.6.3指令冗余技术问题提出：CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令来执行，引起程序混乱。当程序弹飞到某一单字节指令上时，便自动纳入正轨。当程序弹飞到某双字节指令上时，继续出错。当程序弹飞到三字节指令上时，出错的机会更大。解决方案：在关键地方插入单字节指令（NOP)，这就是指令冗余。6.6.4软件陷阱技术什么是软件陷阱就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。软件陷阱的实现无条件转移指令软件陷阱的位置（1）未使用的中间向量区（2）未使用的大片ROM区（3）表格（4）程序区难点解析：惯性滤波法中滤波系数a用硬件方法实现低通滤波时，其采样周期、滤波时间常数决定其滤波器性能。在数字滤波器中，a则是根据实际情况适当选取。

第十三周内容及其辅导讲授内容：7.1数据通讯技术重点掌握：两种通讯方式四种数字编码方式内容辅导：7.1数据通讯技术基本概念两种通讯方式：①并行通讯：数据的各位同时传送，可以字并行、字节并行。特点：传送速度高，传送距离短，小于10米。②串行通讯：数据一位一位顺序传送，只需很少几条信号即可完成数据交换。特点：传送速度低，传送距离长，几十至几千米。串行通讯分为两种传送方式：①异步传送：字符与字符之间不同步，一次只传送一个字节。②同步传送：字符与字符之间同步，一次传送大量字节。四种数字编码方式：①不归零码：难以判定一位的结束与另一位的开始，需要有某种方法来使发送和接收端同步。②归零码：每一位中间有一个跳变，为中间的跳变既作为同步时钟，也作为数据。又称自同步编码。③曼彻斯特编码：同上，不同之处在于只有两个电平状态。④差动曼彻斯特编码：每位开始有无跳变来表示0或1，电压有变化表示0，无变化表示1。7.1.1异步传送与同步传送1.异步传送异步通讯格式四部分：起始位、数据位、奇偶位、停止位。异步通讯的特点适于低速通讯，如终端操作、主机与显示器、键盘、打印机。2.同步传送实现方法数据与时钟通过各自的信号线传送（图7.3（a））通过将数据与时钟编码实现（图7.3（b））同步格式单同步格式：每一帧的开始需要一个同步字符。双同步格式：每一帧的开始需要两个同步字符。IBM双同步格式：由专门的字符定义帧头（SOH）、正文的头（STX）和正文的尾（ETX）。7.1.2面向字符和面向位的传送1.面向字符的传送使用16倍频局部时钟的接收器工作原理：（1）检测到起始位开始：（2）当计数值达到8时，已经达到起始位的中间；（3）当计数值达到16时，采样传送数位波形；（4）停止位正确采样，结束。正确传送条件接收端和发送端的时钟频率之偏差在一个字符传送周期内，其累计不超过8个局部时钟周期。2.面向位的传送目前普遍使用的两个面向位传送协议：同步数据链路协议（SDLC）：用于IBM系统网络体系高级同步数据链路协议（HDLC）：国际标准化组织颁布，包含SDLC。SDLC帧格式（见图7.7）标志字段：序列01111110，标志一帧的开始。地址字段：信息到达的目的地址。控制字段：表示帧的类型，借以传送命令和设备类型。信息帧：以0开头；管理帧：以01开头；代码具体内容代表该帧的具体管理功能。非顺序帧：以11开头；代码具体内容代表该帧的具体功能。数据字段校验字段：CRC校验结束字段：序列01111110，标志一帧的结束。7.1.3平衡与不平衡传输数据传输线路的两种方式不平衡方式：用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单线输入信号的。平衡方式：用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器是在双端差动方式输入信号的。不平衡传输方式——RS-232C标准介绍RS-232C接口电路（见图7.8）RS-232C的传输特性数据的传输速率局限于20Kbps；传输距离局限于15米；该标准没有规定连接器，产生25插针、9插针等设计方案；每个信号只有一根导线，两个传输方向只有一个信号地线；接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号间产生干扰。平衡传输方式——RS-422A标准介绍RS-422A接口电路（见图7.8）RS-422A的传输特性支持较高的数据传输速率；支持较远的传输距离；制定连接器的技术规范；通过提供平衡电路改进接口电器特性。7.1.4RS-422/RS-485接口及应用两点通讯连接方式422：两对平衡差分电路，全双工传输电路485：422的变形，一对平衡差分电路，半双工通讯，发送电路必须由使能信号控制。组成互连系统485组成多点互连系统：见图7.11422/485互连组成环形数据链路系统：见图7.12RS-232C/422A接口转换采用转换装置，见图7.13、7.14。习题辅导：7.1异步传送和同步传送的信息格式是怎样的？面向字符和面向位的传送信息的格式是怎样的？在搞清不同的格式的基础上，充分理解不同格式对其相应功能的作用。

第十四周内容及其辅导讲授内容：7.2工业网络技术重点掌握：网络协议及其层次结构工业网络的性能评价与选型内容辅导：7.2工业网络技术邮电通讯网络：以传输信息为目的；局域网络：以资源共享和处理信息为目的；工业网络技术：目的是导致物质或能量的运动。7.2.1工业网络概述1.网络拓扑结构（1）星形结构结构：中心结点是主结点，它接受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有中继交换和数据处理功能。特点：①网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；②网络延迟时间短，传输错误率较低；③网络可靠性较低，一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪；④网络资源大部分在外围点上，相互结点必须经过中央结点才能转发信息；⑤通讯电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。（2）环形结构结构：各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。特点①信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两个结点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制；②环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，因此控制软件较简单；③环路中，当某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；④环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。（3）总线形结构：个结点经其接口，通过一条或几条通讯线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被任一结点接收。由于信息传输方向是从发送结点向两端扩散，因此又称为广播式网络。特点：①结构简单灵活，扩展方便；②可靠性高，网络响应速度快；③共享资源能力强，便于广播式工作；④设备少，价格低，安装和使用方便；⑤由于所有结点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。（4）树形结构：分层结构，适用于分级管理和控制系统。特点：①通讯线路总长度较短，连网成本低，易于扩展，但结构较星形复杂；②网络中除叶结点外，任一结点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。2.介质访问控制技术什么介质访问控制?各结点通过公共通道传输信息，因此存在如何合理分配信道的问题，访问控制方式的功能是合理解决信道的分配。（1）冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）——适用于总线形工作原理当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。确定等待时间的方法①当某结点检测到信道被占用后，继续检测，发现空闲，立即发送；②当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信到空闲，开始发送。冲突的解决方法当结点开始发送信息时，该结点继续对网络检测一段时间，且把收到的信息和自己发送的信息进行比较，若相同，则发送正常进行；若不同，说明由其它结点发送信息，引起混乱，应立即停止，等待一个随机时间，在重复上述过程。（2）令牌环——适用于环网令牌的定义是控制标志，网中只设一张力令牌，并依次沿各结点传送。令牌的两个状态“空”状态：表示令牌没有被占用，当其传至正待发送信息的结点时，该结点立即发送，并置令牌为“忙”状态。“忙”状态：表示令牌被占用，即令牌正在携带信息发送，当所发信息环绕一周，由发送结点将“忙”令牌置为“空”令牌。令牌环的特点能提供可调整的访问控制方法；能提供优先权服务；有较强的实时性；需对令牌进行维护，令牌丢失降低环路利用率；控制电路复杂。（3）令牌总线——适用于总线形式原理把总线形传输介质的各个结点形成一个逻辑环，即人为地给各个规定一个顺序。控制方式类似于令牌环。特点①吞吐能力法，吞吐量随数据传输速率的提高而增加；②控制功能不随电缆长度的增加而减弱；③不需冲突检测；④具有一定的实时性。3.信息交换技术（1）线路交换交换原理：通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，传送结束再“拆除”线路。交换过程建立线路传送数据拆除线路特点专用线路，传送实时性好，延时小；线路利用率低。（2）报文交换工作原理（存储转发）报文交换不需要在两个站之间建立专用线路，而是把目的站名附加在报文上，然后交给下一结点。该结点接收整个报文，存储下来，根据目的选择下一转发结点，直到目的站。特点线路利用率高，多个报文分时共享一条结点到结点的线路。报文要在结点排队等待，延长报文到达目的时间。（3）分组交换工作原理（存储转发）将报文分成若干分组，并在每个分组上附加控制信息，这些报文经不同的路径分别传送到目的站后，再组成一个完整报文。数据报分组交换类似于报文交换，各个分组独立传送，选择路径，到目的站后在组装。虚电路分组交换在发送分组织之前，要在源、目的之间建立一条逻辑线路，不同于电路交换，分组仍要存储转发，即建立一条虚电路。虚电路中的每个结点都有虚线路表，以便记录下一个结点。各个分组沿虚电路传送到目的站，因此在传送之前只需做一次路径选择。特点数据报适用于发送一个或几个报文分组。虚电路方法适用于两个站点希望在一段连续的时间内交换数据。4.差错控制技术（1）奇偶校验校验原理：一个字符校验一次，在每个字符的最高位附加一个奇偶校验位。适用范围：每帧只传送一个字节数据的异步通讯方式。（2）循环冗余校验——CRC校验校验原理：发送端首先发送信息位，与此同时，CRC校验位生成器用信息位除以多项式G(x)，信息违发完后，CRC校验位就生成，并紧接其后发送校验位。接收端在接收信息位同时，校验器用接收的信息位除以同一个生成多项式，当信息位接收完后，对接收的CRC校验位也进行计算，当两个字节的校验位接收完，如果除法的余数为0，则认为传输正确；否则，传输错误。适用范围：每帧由多个字节组成的同步方式。（3）纠错方式重发纠错方式：发送端发送能够检错的信息码，接收端根据该码的编码规则，判断有无错误，并把错误结果反馈给发送端。如果发送错，则再次发送，直到接收端认为正确为止。自动纠错方式：发送端发送能够纠错的信息码，而不仅仅时检错的信息码。接收端收到该码后，通过译码不仅能自动发现错误，而且能自动地纠错。传输效率低，译码设备复杂。混合纠错方式：上述两种混合。发送端发送的信息码不仅能发现错误，而且还由一定的纠错能力。接收端收到该码后，如果错误位数在纠错能力以内，则自动纠错，如果错误过多，则要求重发。7.2.2网络协议及其层次结构1.物理层功能：在信道上传输未经处理的信息。具体内容：对通讯双方的机械、电气、连接规程进行规定。协议：RS-232C、RS-422A、RS-423A、RS-485等均为物理层协议。2.数据链路层功能：将有差错的物理链路改造成对于网络层来说是无差错的传输链路。具体内容：将数据组成数据帧，并在接收端检验传输的正确性。协议：SDLC、HDLC等。3.网络层功能：也称分组层，任务是网络中传输分组。具体内容：控制信息交换、路由选择。协议：X.25协议、IP协议。4.传送（传输）层功能：从会话层接收数据，把它们传到网络层并保证这些数据正确到达另一端。具体内容：控制端到端的数据完整性。协议：TCP协议5.会话层功能：控制建立或结束一个通信会话的进程。具体内容：检查并决定一个正常的通信是否正在发生。如果没有发生，这一层在不丢失数据的情况下恢复会话，或根据规定，在会话不能正常发生的情况下终止会话。6.表示层功能：实现不同信息格式和编码之间的转换。具体内容：正文压缩、提供加密、解密；文件格式的转换；输入输出格式的转换。7.应用层功能：规定在不同应用情况下所允许的报文集合和对每个报文所采取的动作。具体内容：数据传输完整性问题或发送/接收设备的速度不匹配的问题。7.2.3IEEE802标准IEEE802标准与OSI模型的关系局域网标准，因此包含下三层。IEEE802标准的内容IEEE802.1、IEEE802.2、IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5、IEEE802.6、IEEE802.7、IEEE802.8、IEEE802.9IEEE802标准规定各层的功能物理层：数据的封装/拆封、数据的发送/接收，并通过介质存取部件收发数据信号。介质存取控制层支持介质存取，支持CSMA/CD、TokenBus、TokenRing。逻辑链路控制层寻址、排序、差错控制等功能。7.2.4工业网络的性能评价与选型1.工业网络的性能评价工业网络的主流拓扑结构：总线形和环形。令牌环与令牌总线的性能比较：传输速率：环形是点到点连接，传输效率高；总线形是多点连接，在总线上形成逻辑环，逻辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。吞吐能力：令牌环数据吞吐能力高于令牌总线，原因在于控制结构上的差异。令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介质；令牌是顺序循环访问，一定条件下有并行工作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递。稳定性：在负载变化的环境中，令牌环的稳定性较令牌总线好。确定性：两种控制结构的通讯方式一样，确定性相同。灵活性：总线是无源连接，信息传输又不需转发，增减结点都无须断开原系统，可靠形和灵活性强于令牌环。2.工业网络的选型（1）大型系统的工业网络选型——分散型控制模式，分三级：分散过程控制级功能：主要完成自动调节和程序控制，可靠性、实时性要求较高。系统特征：各单元之间横向联系少；该级数据量不大，数据包较短，地理分布区域也较小。令牌总线、主从总线或星形结构集中操作监控级系统特征：该级数据处理量大，数据包较长且规整，实时性、可靠性、灵活性也较高；系统按设备和功能混合分布，横向联系较多；适合选型：令牌总线较好。综合信息管理级系统特征：该级数据多且传输量大，系统按功能横向分布，地域范围广，灵活性要求较低，工作站容量大。适合选型：令牌环结构。（2）中小型系统的工业网络选型对只有集中操作监控级和分散过程控制级的中小型系统：两极同时使用令牌总线对传输量大、结点少且分散的场合：监控级直接选用令牌环较好。老企业技术改造：星形结构。习题辅导：7.4工业局部网络通常有哪四种拓扑结构？各有什么特点？7.5工业局部网络常用的传输访问控制方式有哪三种？各有什么特点？

第十五周内容及其辅导讲授内容：7.3分散型控制系统（DCS）重点掌握：分散过程控制级集中操作监控级综合信息管理级内容辅导：7.3分散型控制系统（DCS）7.3.1DCS概述分散型控制系统（DistributedControlSystem）：综合4C技术：计算机技术（Computer）控制技术（Control）通讯技术（Communication）显示技术（CRT）发展趋势：将以计算机集成制造系统（CIMS）为目标，以新的控制方法、现场总线智能化仪表、专家系统、局域网络等新技术，为用户实现过程控制自动化与信息管理自动化相结合的管控一体化综合集成系统。1.DCS的体系结构（1）分散过程控制级功能面向生产过程，是DCS的基础，直接完成生产过程的数据采集、调节控制等功能，其输入是面向传感器的信号，输出是驱动执行机构。主要装置现场控制站（工业控制机）可编程序控制器（PLC）智能调节器其它测控装置（2）集中操作监控级功能：以操作监视位主要任务，兼有部分管理功能。面向操作人员和控制系统系统工程师，配备计算机及外设，以及相应软件，对生产过程实行高机控制策略、故障诊断、质量评估。组成：监控计算机工程师显示操作站操作员显示操作站（3）综合信息管理级功能：由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，实现整个企业的综合信息管理。（4）通讯网络系统功能：DCS各级之间的信息传输。分类：低速、中速、高速网络。应用：低速面向过程控制级；中速面向操作监控级；高速面向综合管理级。2.DCS的特点硬件积木化软件模块化控制系统组态通讯网络的应用可靠性高7.3.2DCS的分散过程控制级分散过程