計算機控制系統(tǒng)復習資料

第一章緒論計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機（通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制IPC）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)（連續(xù)系統(tǒng)）由控制器或控制裝置來調(diào)節(jié)或控制被控對象輸出行為的模擬系統(tǒng)計井機生產(chǎn)過程檢測■.叫地宇調(diào)模擬控制系統(tǒng)（連續(xù)系統(tǒng)）由控制器或控制裝置來調(diào)節(jié)或控制被控對象輸出行為的模擬系統(tǒng)計井機生產(chǎn)過程檢測■.叫地宇調(diào)節(jié)器圖1計算機控制系統(tǒng)原理圖工作原理：1.實時數(shù)據(jù)采集：對被控參數(shù)在一定采樣時間間隔進行測量，并將采樣結(jié)果輸入計算機。2.實時控制決策：對采集到的被控參數(shù)進行處理后按預先規(guī)定的控制規(guī)律決定將要采取的控制策略。3.實時控制輸出：根據(jù)控制決策，實時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。4.信息管理：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理介入到控制系統(tǒng)之中。上述過程不斷重復，以此實現(xiàn)計算機對工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制。計算機控制系統(tǒng)組成：硬件（計算機本身及其外部設(shè)備）：主機（計算機），系統(tǒng)總線，外部設(shè)備（包括操作臺），過程通道，通信接口，檢測與執(zhí)行機構(gòu)，實時時鐘。軟件（計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機程序的總和）系統(tǒng)軟件（管理計算機的內(nèi)存，外設(shè)等硬件設(shè)備）：操作系統(tǒng)，語言加工系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等應用軟件（根據(jù)用戶要解決的控制問題而編寫的各種控制和管理程序，其優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)和管理水平）過程控制程序，人機接口程序，數(shù)據(jù)采集及處理程序，報警程序等計算機控制系統(tǒng)大致可以分為：操作指導控制系統(tǒng)，直接數(shù)字控制器DDC）計算機監(jiān)督控制（SCC）集散控制系統(tǒng)（DCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）課后習題：1.計算機控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)（連續(xù)系統(tǒng)）的區(qū)別？答：計算機控制系統(tǒng)又稱數(shù)字控制系統(tǒng),是指計算機參與控制的自動控制系統(tǒng),既:用計算機代替模擬控制裝置,對被控對象進行調(diào)節(jié)和控制。計算機采用的信號是數(shù)字信號，因此為了信號匹配，在計算機與被控對象之間采用模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A），以實現(xiàn)兩種信號之間的相互轉(zhuǎn)換。計算機控制系統(tǒng)的實時性，在線方式和離線方式的含義是什么？答：1.實時性是指計算機能夠在工藝要求允許的時間范圍內(nèi)及時對被控參數(shù)進行測量，計算和控制輸出，超過控制時限就失去了控制的時機，控制也就失去了意義；2.在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)設(shè)備和計算機系統(tǒng)直接連接，并接受計算機直接控制的方式稱為在線或聯(lián)機方式；3.若生產(chǎn)設(shè)備不和計算機系統(tǒng)相連，其工作不直接受計算機控制，而是靠人工進行聯(lián)系并作相應操作的方式稱為離線方式。3?計算機控制系統(tǒng)按功能分為操作指導控制，CCS,DDC,DCS。操作指導控制，DDC和SCC系統(tǒng)的工作原理是什么？他們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？答：1.操作指導控制系統(tǒng)：在操作指導控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計算機根據(jù)數(shù)學模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進行處理，計算出各控制量應有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時計算機就起到了操作指導的作用。2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng)):DDC(DirectDigitalControl)系統(tǒng)就是通過檢測元件對一個或多個被控參數(shù)進行巡回檢測，經(jīng)輸入通道送給微機，微機將檢測結(jié)果與設(shè)定值進行比較，再進行控制運算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構(gòu)，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達到預定的要求ODDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應用形式。3.計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))：SCC(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實際情況，因為在DDC系統(tǒng)中計算機只是代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，系統(tǒng)不能運行在最佳狀態(tài)，而SCC系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制，并且還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應控制等。聯(lián)系:SCC是操作指導控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展DCS的特點是什么？答:1.分散性和集中性自治性和協(xié)調(diào)性靈活性和擴展性先進性和繼承性可靠性和適應性友好性和新穎性FCS的定義及特點？答：現(xiàn)場總線是用于過程自動化和制造自動化最底層的現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò)，把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備，在生產(chǎn)現(xiàn)場直接構(gòu)成現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。特點：系統(tǒng)的分散性系統(tǒng)的開放性產(chǎn)品的互操作性環(huán)境的適應性使用的經(jīng)濟性維護的簡易性系統(tǒng)的可靠性未來計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：1.大力推廣應用成熟的先進技術(shù)2.發(fā)展開放化，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)3.智能控制系統(tǒng)的應用日益廣泛4.單片機的應用將更加深入第二章計算機過程通道設(shè)計1.根據(jù)信號形式不同，可以將過程通道分為數(shù)字量過程通道和模擬量過程通道；根據(jù)信號方向不同，可分為輸入過程通道和輸出過程通道。2.數(shù)字量輸入常見形態(tài)包括外部的開關(guān)信號及邏輯電平信號，數(shù)字脈沖信號和系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)。計算機控制中過程通道由哪些部分構(gòu)成？各部分作用有哪些？答:數(shù)字量輸入通道主要由信號調(diào)理電路、輸入調(diào)理電路、系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)等組成。作用將生產(chǎn)過程中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成計算機能接受的形式。數(shù)字量輸出通道主要由輸出接口電路、驅(qū)動電路等組成。作用將計算機輸出的數(shù)字量信號傳遞給開關(guān)型或脈沖型執(zhí)行機構(gòu)，達到能夠驅(qū)動被控對象動作的目的。模擬量輸入通道由信號調(diào)理電路，多路開關(guān)，放大器，采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路組成。作用把檢測機構(gòu)送入的模擬量轉(zhuǎn)化為合適的數(shù)字量送入計算機，再由計算機進行下一步處理。模擬量輸出通道由D/A轉(zhuǎn)換器及其接口構(gòu)成。作用數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。數(shù)字量輸出電路主要有：鎖存器輸出和OC門輸出，晶體管驅(qū)動輸出，繼電器輸出，固態(tài)繼電器接口，晶閘管組成的數(shù)字量輸出接口。5?傳感器或變送器可以轉(zhuǎn)換為的模擬量標準型號為4-20mA。第三章數(shù)字程序控制系統(tǒng)直線插補的進給方向及插補公式直線所在象限 F>0進給方向 F<0進給方向第一象限+iy+第二象限-+第三象限--第四象限+-偏差計算公式F'=F-yeF'=F-xe例：對于第一象限直線OA，終點坐標Xe=6，丫e=4,插補從直線起點O開始，故F0=O。終點判別是判斷進給總步數(shù)N二6+4二10,將其存入終點判別計數(shù)器中，每進給一步減1,若N=0,則停止插補。

判址冬戊判月！判址冬戊判月！0陀c工1：1F=0F)F C-4-i工LZ-：92F<0+Yl',:1-'.i：p1-5z；?]i：3+1K.-F.t.-24-2S1-74P<0+Y1、l[i=嚴T1z■■]ti5+1p叮€.i-o工乍1-E69=0+X峠弋yF-<：1-1Xf]-<7+Y片F(xiàn);+=lT-S>'i-1：<:汕―比yF-z.1->-i1-za+YF,：F：+ic-2-5i工2-11i<：弋)J：片亡L-d)E=i-i=o1數(shù)字控制有開環(huán)數(shù)字控制和閉環(huán)數(shù)字控制2?簡述逐點比較插補的基本思想。答：逐點比較法插補運算，就是在某個坐標方向上每走一步(即輸出一^進給脈沖)，就作一次計算，將實際進給位置的坐標與給定的軌跡進行比較，判斷其偏差情況，根據(jù)偏差，再決定下一步的走向(泳軸進給，還是沿丫軸進給)。逐點比較法插補的實質(zhì)是以階梯折線來逼近給定直線或圓弧曲線，最大逼近誤差不超過數(shù)控系統(tǒng)的—個脈沖當量(每走一步的距離，即步長)。直線插補計算過程的步驟如下：偏差判別：即判別上一次進給后的偏差值Fm是最大于等于零，還是小于零；坐標進給：即根據(jù)偏差判斷的結(jié)果決定進給方向，并在該方向上進給一步；偏差計算：即計算進給后的新偏差值Fm+1，作為下一步偏差判別的依據(jù)；終點判別：即若已到達終點，則停止插補；若未到達終點，則重復上述步驟3?數(shù)字程序控制系統(tǒng)由輸入裝置，輸出裝置，控制器和插補器組成。第四章控制算法離散化方法有：雙線性變換法，前向差分法，后向差分法，沖激不變法，零極點匹配法等。PID調(diào)節(jié)器，各參數(shù)的作用及對調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響？答:K為比例系數(shù)，提高系數(shù)K可以減小偏差，但永遠不會使偏差減小到零，而且無止境地提高系數(shù)pk最終將pp導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速性。K為積分常數(shù)，K越大積分作用越弱，積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨ii時間不斷加強，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點，輸出將停留在新的位置而不回復原位，因而能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點，其動作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間加長。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，提高控制精度。Kd為微分常數(shù)，Kd越大微分作用越強。微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的相應速度，減小超調(diào)，克服振蕩，消除系統(tǒng)dd慣性的影響。PID位置型控制算式為u(k)=K{e(k)+—丈e(j)+d[e(k)一e(k一1)]}pTTij=0增量型PID控制算式為

Au(k)二K{[e(k)-e(k-1)]+Te(k)+L[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}p TTi4.兩種PID控制器的調(diào)節(jié)方法各有什么優(yōu)缺點？答：位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量u(k)不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得u(k)產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。增量型控制算法中由于消去了積分項，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。為實現(xiàn)手動一一自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設(shè)置為原始閥門開度u°,若采用增量型算法，其輸出對應于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)u0項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。5.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？答：1.從調(diào)節(jié)品質(zhì)上看，采樣周期短，以減小系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度從計算機的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應長些，尤其是多回路控制時，應使每個回路都有足夠的計算時間。當被控對象的純滯后時間T較大時，常選T=(1/4?1/8)t。希望采樣周期盡量短，這樣給定值的改變可以迅速地通過采樣得到反映，而不致產(chǎn)生過大的延時。T必須大于執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)時間。故選擇A,D。PID參數(shù)整定有哪些方法？具體整定步驟？答：擴充臨界比例度法，擴充響應曲線法，歸一參數(shù)法，阻尼振蕩法，極限環(huán)自整定法，湊試法。湊試法步驟：首先整定比例部分。加入積分環(huán)節(jié)，加入微分環(huán)節(jié)。PID控制中積分項的改進？答：1?積分分離2?變速積分的PID算式3?抗積分飽和4?梯形積分5?消除積分不靈敏區(qū)微分項的改進：1?不完全微分PID控制算法2?微分先行PID控制算法3?平滑濾波最少拍設(shè)計是什么？具體要求是什么？答：在數(shù)字隨動控制系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)的輸出盡快地跟蹤給定值的變化，最少拍控制就是滿足這一要求的一種離散化設(shè)計方法。要求是準確性要求對典型的參考輸入信號，在到達穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的采樣點的輸出值能準確跟蹤輸入信號且無靜差、快速性要求在各種系統(tǒng)在有限拍內(nèi)到達穩(wěn)態(tài)的設(shè)計中系統(tǒng)準確跟蹤輸入信號所需要的采樣周期應為最少、穩(wěn)定性要求數(shù)字控制器D(Z)必須在物理上可實現(xiàn)且閉環(huán)系統(tǒng)須是穩(wěn)定的。第五章現(xiàn)代控制技術(shù)1?離散狀態(tài)方程{X(kJ FX(k)*GU(k)，能控性矩陣「GFGLFn-iG~\若系統(tǒng)完全能控，則其能控性矩陣為y(k)=Cx(k) L 」—C—CF滿秩。若F為對角型矩陣，則G中沒有一行元素全為0,系統(tǒng)狀態(tài)完全能控。能觀性矩陣 M為滿秩，系統(tǒng)CFn-1能觀。園豐0矩陣滿秩。0.1)(0.005)0.1丿0.1)(0.005)0.1丿[GFG]=(0.0050.015)、0.10.1丿0.0050.0150.1 0.0050.0150.1 0.1豐0故系統(tǒng)狀態(tài)完全能控2.按極點配置設(shè)計控制器離散狀態(tài)方程｛x(k+1)=Fx(k)+Gu(k)y(k)=Cx(k)離散狀態(tài)方程｛預報觀測器方程X(k+1)=FX(k)+Gu(k)+K[y(k)-CX(k)]狀態(tài)反饋控制規(guī)律u(k)=-Lx(k)l r S門「1連續(xù)狀態(tài)方程離散化：首先求出連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣F=eAT=L-1(sI-A)-1=L-1n-[A]L 」 0sG=G=fTeATdtB=fTL-1000[-[A]FdtB可得離散方程。s」丿見書P174.第七章抗干擾技術(shù)干擾的作用途徑？答：(1)傳導耦合(2)靜電耦合(3)電磁耦合(4)公共阻抗耦合干擾作用形式包括串模干擾和共模干擾。什么是共模干擾和串模干擾？如何抑制？答：共模干擾是在電路輸入端相對公共接地點同時出現(xiàn)的干擾，也稱為共態(tài)干擾、對地干擾、縱向干擾、同向干擾等。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號源的地之間的傳輸線上電壓降造成得。消除共模干擾的方法有以下幾種:變壓器隔離；光電隔離；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的儀表放大器作為輸入放大器串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號上的干擾，也稱之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等。消除串模干擾的方法有以下幾種：在輸入回路中接入模擬濾波器；使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器；采用雙絞線作為信號線；電流傳送，阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比，有以下幾個優(yōu)點：數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好；數(shù)字濾波可以對頻率很低(如0.01Hz)的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷；數(shù)字濾波器可根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強的特點。故選擇