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1s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 NOPAJMP 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 NOPAJMP WW生成三角波的程序 DAC0832 EQU 0F200H ORG 0000H AJMP START ORG 0100HSTART: MOV SP,#60H MOV DPTR,#DAC0832 MOV R0,#00HLOOP1: 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 LOOP1DELAY: MOV R7,#10 DJNZ R7,$ RETD/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-DABAEQUP1.3BBEQUP1.2BCEQUP1.1BDEQUP1.0ORG0000HLJMPMAINORG0100HMAIN:MOVSP,#60HACALLDELAYSMRUN:MOVP1,#08H;AACALLDELAYMOVP1,#0CH;ABACALLDELAYMOVP1,#04H;BACALLDELAYMOVP1,#06H;BCACALLDELAYMOVP1,#02H;CACALLDELAYMOVP1,#03H;CDACALLDELAYMOVP1,#01H;DACALLDELAYMOVP1,#09H;DAACALLDELAYSJMPSMRUN ;循环转动DELAY: MOVR4,#10 ;单步延时程序DELAY1:MOVR5,#250DJNZR5,$DJNZR4,DELAY1RET (作用？)END8.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）。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 转换器其他智能装置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。.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（）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 互操作性 分散功能块 通信供电 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 bps3.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: 2500pFRS-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/sA/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32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32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=0x0=6,y0=0Nxy=121F0=0-XF1=0-12+1=-11x1=5,y1=0Nxy=112F10+YF2=-11+0+1=-10x2=5,y2=1Nxy=103F20+YF3=-10+2+1=-7x3=5,y3=2Nxy=94F30+YF4=-7+4+1=-2x4=5,y4=3Nxy=85F40-XF6=5-10+1=-4x6=4,y6=4Nxy=67F60-XF8=5-8+1=-2x8=3,y8=5Nxy=49F80-XF10=9-6+1=4x10=2,y10=6Nxy=211F100-XF11=4-4+1=1x11=1,y11=6Nxy=112F110-XF12=1-2+1=0x12=0,y12=6Nxy=0OSI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。