安徽工程大学期末考试《计算机控制技术》范围总结2.doc

1. 什么是计算机控制系统？它的工作原理是什么?

计算机控制系统的定义：利用计算机来实现生产过程自动控制的系统.
工作原理：1.实时数据采集 2.实时控制决策 3.实时控制输出

2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？

在线方式：生产过程和计算机直接连接,并受计算机控制的方式.
离线方式：生产过程不和计算机相连,且不受计算机控制,而是靠人进行联系并作相应操作的方式.
实时（Realtime control）：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成， 实时控制系统必定是在线系统

3.RS-485为半双工,只需一对平衡差分信号线，RS-485电路结构是在平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器,且在电缆两端各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰。

4.总线
总线是一组信号线的集合,它定义了各引线的信号特性、电气特性和机械特性,使计算机箱内各模板之间以及主机与外部设备之间建立起信号联系,进行信息传送和通信.
内部总线
内部总线是指IPC内部各个功能模板之间的信息通路,它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽， 分为数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB和电源总线PB四大部分.
‚外部总线
外部总线是指计算机与计算机之间、计算机与远程终端之间、计算机与外部设备以及测量仪器仪表之间的信息通路,常称为通信总线. 数据传输方式可以是并行的,也可以是串行的,可分别称为并行通信总线和串行通信总线.

5. PC104总线
Pc104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，pc104实质上就是一种紧凑的IEEE-966，其信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。

6.计算机控制系统的模拟量输出通道(后向通道)
1）.模拟量输出通道的任务-----把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号,去驱动相应的执行器,从而达到控制的目的;
2.）模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成----- 一般是由接口电路.数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等;
3）.模拟量输出通道基本构成--多D/A结构和共享D/A结构。
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.信号保持作用
4.结构简单,转换速度快,工作可靠,精度较高,通道独立
5.缺点是所需D/A转换器芯片较多

7.A/D，D/A波形发生器
A/D转换器
A/D (Analog/Digital)转换器是将模拟量转换为数字量的器件,这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量,但在一般情况下,模拟量是指电压而言的.
作用：将模拟量转换为数字量,以便计算机接收处理。

D/A转换器性能指标有：
(1)分辨率(2)转换精度(3)偏移量误差(4)稳定时间

典型芯片-DAC0832(掌握)
性能 ：
一个8位D/A转换器
电流输出方式
稳定时间为1μs
采用DIP-20封装
同系列芯片还有 DAC0830,DAC0831

上升锯齿波
源程序清单如下：
ORG 0200H
MOV DPTR,#0E000H ;指向输入寄存器地址
MOV A,#00H ;转换初值
WW: MOVX @DPTR,A ;WR1有效,启动D/A转换
INC A
NOP ;延时
NOP
AJMP WW

下降锯齿波
ORG 0200
MOV DPTR,#0E000H ;指向输入寄存器地址
MOV A,#0FFH ;转换初值
WW: MOVX @DPTR,A ;WR1有效,启动D/A转换
A
NOP ;延时
NOP
AJMP WW

生成三角波的程序
DAC0832 EQU 0F200H
ORG 0000H
AJMP START
ORG 0100H
START: MOV SP,#60H
MOV DPTR,#DAC0832
MOV R0,#00H
LOOP1: MOV A,R0
MOVX @DPTR,A
INC R0
ACALL DELAY
CJNE R0,#0FFh,LOOP1
LOOP2: DEC R0
MOV A,R0
MOVX @DPTR,A
ACALL DELAY
CJNE R0,#00H,LOOP2
AJMP LOOP1
DELAY: MOV R7,#10
DJNZ R7,$
RET

D/A转换模板设计主要考虑以下几点：
(1)安全可靠:尽量选用性能好的元器件,并采用光电隔离技术.
(2)性能/价格比高:既在性能上达到预定技术指标,又在技术路线/芯片元件上降低成本.
(3)通用性:D/A转换模板应符合总线标准,其接口地址及输出方式应具备可选性.
D/A转换模板的设计步骤：
确定性能指标
设计电路原理图SCH
设计和制造印制线路板PCB
最后焊接和调试电路板

电机控制方式为四相八拍
A-AB-B-BC-C-CD-D-DA

BA EQU P1.3
BB EQU P1.2
BC EQU P1.1
BD EQU P1.0
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0100H
MAIN: MOV SP,#60H
ACALL DELAY
SMRUN:MOV P1,#08H ;A
ACALL DELAY
MOV P1,#0CH ;AB
ACALL DELAY
MOV P1,#04H ;B
ACALL DELAY
MOV P1,#06H ;BC
ACALL DELAY
MOV P1,#02H ;C
ACALL DELAY
MOV P1,#03H ;CD
ACALL DELAY
MOV P1,#01H ;D
ACALL DELAY
MOV P1,#09H ;DA
ACALL DELAY
SJMP SMRUN ;循环转动

DELAY: MOV R4,#10 ;单步延时程序
DELAY1:MOV R5,#250
DJNZ R5,$
DJNZ R4,DELAY1
RET (作用？)
END

8.采样保持器的原理和作用是什么？是否所有的模拟输入通道中都需要采样保持器？为什么？
采样/保持器：
模拟信号进行A/D转换时,从启动转换到转换结束输出数字量,需要一定的转换时间.在这个转换时间内,模拟信号要基本保持不变.如果输入信号变化较快(频率较高),就会引起较大的转换误差.要防止这种误差的产生,必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住,而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化.能完成这种功能的器件叫采样/保持器.
‚作用：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器（为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，因而采用采样保持器来使得信号维持一段时间）。
ƒ不是所有的模拟输入通道中都需要采样保持器，因为采样保持器是为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，所以只要A/D转换的时间比信号变化的时间短就不需要。

9.基于RS-485串行总线的主从分布式测控系统的结构形式是怎样的?
答：基于RS-485总线可构成下图所示的主从分布式测控系统，其中可编程控制器（PLC）、智能调节器、智能远程I/O模块的等装置大都具有RS-485总线，可作为测控系统的从站，实现控制功能；PC或IPC作为系主站，并配有RS-232/485转换器，实现对系统定的监控与管理。

计算机

ＲＳ－２３２
转换器

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＲＳ－４８５

　　　　　ＲＳ－４８５　　　　　ＲＳ－４８５　　　　　ＲＳ－４８５　　ＲＳ－４８５

其他智能装置
PLC
智能I/O模块
智能调节器

10.什么是串模干扰和共模干扰？如何抑制？
答：串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。
抑制方法：滤波器、双积分式A/D转换器、前置放大或者隔离屏蔽等、利用元器件的特性来抑制、选择带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线（具体见书64页）。
共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。
抑制方法：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。
１１.讨论多轴步进驱动控制技术和多轴伺服驱动控制技术各有何特点？并分别列举设计
或应用实例。
多轴步进驱动控制技术：步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模（Ｄ／Ａ）转换器。在开环数字程序控制系统中，输出控制部分常采用步进电动机作为驱动元件，步进电动机控制线路接受计算机发来的指令脉冲，控制步进电机作相应的转动，步进电动机驱动数控系统的工作台或刀具。特点：步进电机的转动是一步一步进行，每输入一个脉冲电信号，步进电机就转动一个角度。通过改变脉冲频率和数量，即可实现调速和控制转动的角位移大小，具有较高的定位精度，其最小步距角可达0.75°，转动、停止、反转反应灵敏、可靠。应用举例：三轴步进电动机控制
‚多轴伺服驱动控制技术：在自动控制系统中，输出量能够以一定精确度跟随输入量的系统。
伺服系统的作用在于接受来自上位控制装置的指令信号，驱动被控制对象跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。
基本要求：（1）稳定性好（2）精度高（3）快速相应性好
特点：精确地检测装置；有多种反馈原理和方法；高性能的伺服电动机；宽调速范围的速度调节系统
12. 某系统的连续控制器设计为试用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(z)，并分别给出三种方法对应的递推控制算法。
解： 双线形变换法：把代入，则

前向差分法：把代入，则

后向差分法：把代入，则

13.已知模拟调节器的传递函数为

试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式，设采样周期T=0.2s。
解：
则

把T=0.2S代入得

位置型
增量型

14. 组态的基本概念？
答：组态即，利用软件工具将计算机的软硬件及各种资源进行配置，使其按照预定的功能实现待定的目的。
组态的设计步骤为：
一、 组态的软件的安装，按照要求正确安装组态软件，并将外围设备的驱动程序、通信协议等安装就绪。
二、 工程项目系统分析，首先要了解控制系统的工程和工艺流程，弄清被控制对象的特征，明确技术要求，然后再进行工程的整体规划，包括系统应实现哪些功能、需要怎样的用户界面窗口和哪些动态数据显示、数据库中如何定义及定义哪些数据变量等
三、 设计用户操作菜单，为便于控制和监视系统的运行，通常应根据实际需要建立用户自己打的菜单以便操作，例如设立一按钮来控制电动机的起停
四、 画面设计与编辑，画面实际分为画面建立、画面编辑和动画编辑与链接几个步骤，画面由用户根据实际工艺流程编辑制作，然后需要将画面与已定义的变量关联起来，以便使画面上的内容随生产过程的运行而实时变化
五、 编写程序进行调试，程序由用户编写好之后需进行调试，调试前一般要借助一些模拟手段进行初调，检查工艺流程、动态数据、动画效果等是否正确。
六、 综合调试，对系统进行全面的调试后，经验收方可投入试运行，在运行过程中及时完善系统的设计。
15. 关于线性变换的方法？

16. 数字滤波
数字滤波: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. 常用的数字滤波方法有：平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、惯性滤波等.
优点：1.数字滤波用程序实现,不需要增加任何硬件设备,可多通道共享,且不存在阻抗匹配问题,所以成本低,可靠性高,稳定性好.
2.数字滤波可以对频率很低(如0.01Hz)的信号实现滤波,克服了模拟滤波器频率受电容容量限制的缺陷.
3.数字滤波器可以根据信号的不同,选择不同的滤波方法或滤波参数,使用方便、灵活.

17.看门狗基本原理：看门狗是工业控制机普遍采用的抗干扰措
施，主要用于因干扰引起的系统“飞程序”等出错的检测和自动恢复

18. DCS架构？
集散型控制系统DCS（分布式控制系统）：
基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自治、综合协调的原则,将测控系统分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级,构成一分级分布式控制系统.
设计原则：采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的设计原则
典型的DCS体系结构分为三层,如图6-1所示:
第一层为分散过程控制级;
第二层为集中操作监控级;
第三层为综合信息管理级.
层间由高速数据通路HW和局域网络LAN两级通信线路相连,级内各装置之间由本级的通信网络进行通信联系.
特点：1.硬件积木化2.软件模块化3.通信网络的应用4.可靠性高

19. 现场总线控制系统（FCS）
结构模式为“工作站——现场总线智能仪表”二层结构,成本低,可靠性高,可实现真正的开放式互连系统结构
现场总线：是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，与控制系统和现场仪表联用，组成现场总线控制系统。
5种典型的现场总线：CAN、Lonworks、ProfiBUS、HART、FF。
现场总线的体系结构主要表现在以下六个方面：
现场通信网络 ‚现场设备互连 ƒ互操作性 ④分散功能块 ⑤通信供电 ⑥开放式互联网

RS232C标准是:
1.设备之间通信的距离不大于15米
2.最大传输速率20k bps
3.在TxD和RxD上,采用负逻辑：
“1”(MARK) —— -5V～-15V
“0”(SPACE)—— +5V～+15V
在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：
信号有效(接通,ON状态, 正电压)= +5V～+15V
信号无效(断开,OFF状态,负电压)= -5V～-15V
不带负载时输出电平：-25V～+25V
输出短路电流：< 0.5A
最大负载电容: 2500pF
RS-422为全双工,采用两对差分平衡信号线；
RS-485为半双工,只需一对平衡差分信号线，RS-485电路结构是在平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器,且在电缆两端各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰。
12m----10Mbit/s 120m----1Mbit/s 1200m----100Kbit/s

A/D转换器
A/D (Analog/Digital)转换器是将模拟量转换为数字量的器件,这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量,但在一般情况下,模拟量是指电压而言的.
作用：将模拟量转换为数字量,以便计算机接收处理。

比例控制的作用 ：
1.对当前时刻的偏差信号e(t)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.
3.但对于有惯性的系统,Kp过大时会出现较大的超调,甚至引起系统振荡,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.

积分控制的作用 ：
1.积分控制的作用是累积系统从零时刻(系统启动时刻)起到当前的偏差信号e(t)的历史过程.
2.积分控制的输出与偏差e(t)存在全部时段有关,只要有足够的时间,积分控制将能够消除静态偏差.
3.积分控制不能及时地克服扰动的影响.

微分控制的作用 ：
1.微分控制的作用是由偏差信号e(t)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e(t)的当前变化率,微分控制作用的特点是只能对偏差e(t)变化的速度起反应,对于一个固定不变的偏差e(t),不论其数值多大,根本不会有微分作用输出.
3.由于只能在偏差刚刚出现时产生很大的控制作用,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.

最少拍设计
是系统在典型的输入作用下,设计出数字调节器,使系统的调节时间最短或者系统在有限个采样周期内结束过渡时期.
最少拍控制实质上是系统以最快速度达到稳态,系统的性能指标是调节时间最短(最优时间控制)

串级控制系统
基本原理及结构:在多回路控制系统中,有两个被控过程、两套测量变送装置、两台控制器和一个控制阀构成的系统称为串级控制系统
特点:在系统特性上,串级控制系统由于副回路的引入,改善了对象特征,使控制过程加快,具有超前控制的作用.

前馈控制系统
当被测的干扰进入控制对象时,前馈控制预先调整控制作用,使被控变量保持在给定值上.
前馈补偿的作用是:使扰动引起的被控变化量=0,

前馈-反馈控制系统
特点:吸收前馈与反馈控制的优点,即前馈控制作用及时的优点,反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行反馈检测的长处.

前馈控制系统与反馈控制比较：
(1)前馈控制比反馈控制及时有效
(2)前馈控制属于开环控制系统,反馈控制是闭环控制系统
(3)前馈控制使用的是针对实施对象特性而定的专用控制器,反馈控制采用通用PID控制器
(4)一种前馈作用之能克服一种干扰,反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰
信号调理：
将传感器或者变送器所输出的电信号进行放大、隔离、滤波,以便数据采集板实现数据的采集.
变送器：
用于将传感器信号进行初步处理.包括:1. 信号滤波 2. 小信号放大 3. I/V变换 4.非线性补偿

某加热炉温度测量仪表的量程为200 ~ 800℃，在某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值是多少？(设该仪表的量程是线性）
解：根据式(6-10)已知，A0 = 200℃, Am = 800℃，Nx= CDH = (205)D，Nm= FFH = (255)D。所以此时的温度为
℃
分析下图工作原理，输入为4--20mA的电流，（指出R5，R4和C16，二极管D7，LM258起什么作用）
6.设加工第一象限的圆弧AB，起点A（6，0），终点B（0，6）。要求：
(1)按逐点比较法插补进行列表计算；
(2)作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。
解：插补计算过程如表3—2所示。终点判别仍采用第二种方法，设一个总的计数器Nxy，每走一步便减1操作，当Nxy=0时，加工到终点，插补运算结束。下图为插补过程中的走步轨迹。

表3—2
步数
偏差判别
坐标进给
偏差计算
坐标计算
终点判别
起点

F0=0
x0=6,y0=0
Nxy=12
1
F0=0
-X
F1=0-12+1=-11
x1=5,y1=0
Nxy=11
2
F1<0
+Y
F2=-11+0+1=-10
x2=5,y2=1
Nxy=10
3
F2<0
+Y
F3=-10+2+1=-7
x3=5,y3=2
Nxy=9
4
F3<0
+Y
F4=-7+4+1=-2
x4=5,y4=3
Nxy=8
5
F4<0
+Y
F5=-2+6+1=5
x5=5,y5=4
Nxy=7
6
F5>0
-X
F6=5-10+1=-4
x6=4,y6=4
Nxy=6
7
F6<0
+Y
F7=-4+8+1=5
x7=4,y7=5
Nxy=5
8
F7>0
-X
F8=5-8+1=-2
x8=3,y8=5
Nxy=4
9
F8<0
+Y
F9=-2+10+1=9
x9=3,y9=6
Nxy=3
10
F9>0
-X
F10=9-6+1=4
x10=2,y10=6
Nxy=2
11
F10>0
-X
F11=4-4+1=1
x11=1,y11=6
Nxy=1
12
F11>0
-X
F12=1-2+1=0
x12=0,y12=6
Nxy=0
OSI模型：应用层 计算机控制系统典型形式：操作指导控制系统
表示层 直接数字控制系统DDC
会话层 监督控制系统SCC
传输层 集散控制系统DCS
网络层 现场总线控制系统FCS
链路层 综合自动化系统
物理层
智能I/O模块是传感器和执行机构到计算机的多功能I/O单元，转为恶劣环境
下的可靠操作而设计，具有内置的微处理器，可以独立提供智能信号调理，
I/O隔离，模拟量I/O，数字量I/O，数字显示和串行数字通信接口。