计算机控制技术-复习资料.doc

第一章 绪论
概念：
自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。（这个是百度上搜的）
没有人参与的控制系统。（老师课件上的）
控制器：除了被控制对象之外的各部分的组合；
控制对象：指被控制的设备或过程
控制系统：受控对象与控制装置构成控制系统。（通过计算机实现生产过程自动控制的系统）
自动控制系统：在没有人参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定规律运行的系统。
开环控制系统指无被控量反馈的控制系统，即需要控制的是被控对象的某一量，而测量的只是给定信号，被控量对于控制作用没有任何影响的系统。
闭环控制系统：指有被被控量反馈的控制系统，即系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端，构成闭合通道的系统。
控制系统应满足的要求：
2 计算机控制系统的硬件组成、框图、各组成部分的作用、工作过程
由四部分组成。

图1.1微机控制系统组成框图
主机CPU 是整个控制系统的指挥部，通过接口机软件可以向系统的各个部分发出各种命令，对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、报警处理以及逻辑判断等操作。诸暨是微型计算机控制系统的重要组成部分，主机的选用直接影响到系统的功能及接口电路的设计等。
I/O接口：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
检测与执行机构
a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。
b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。
微型计算机控制系统的特点是什么？
微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：
a.控制规律灵活多样，改动方便
b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制
c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高
d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度
计算机控制系统的工作原理：①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 ②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
3 计算机控制系统的典型形式、特点
计算机控制系统的典型型式：（1）操作指导控制系统（DAC）（定义：计算机测得的信号数据，根据一定的控制算法，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：开环控制。由人操作，实时性差，不能控制多个对象。）（2）直接数字控制(DDC) （定义：计算机通过模拟量输入通道、开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道、开关量输出通道直接控制生产过程。优点：能够实现自动控制、多回路控制，能够灵活的把各种算法施加于生产过程。这种结构是计算机控制的最基本结构！）（3）监督控制系统（SCC）（定义：计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。优点：计算机坏了，模拟仪表可以直接控制；DDC计算机可以直接控制，SCC计算机只是采集，优化；这实际上是一种不存在上下级通信的两级控制，只存在传递设定值的关系。提高系统的可靠性。缺点：造价高、效益差，现在已经不用了。）（4）集散控制系统（DCS）（定义：采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。特点：①分散过程控制级：这是最底层，直接和现场控制点打交道；②集中操作控制级：集中在控制室通过显示屏等几种监控、操作③综合信息管理级：实现整个企业的综合信息、管理，主要执行生产管理和经营管理功能，能够提供管理决策信息。）（5）现场总线控制系统(FCS)（FCS即新一代分布式控制系统，采用“工作站---现场总线智能仪表”二层结构，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。优点：降低DCS成本，提高可靠性。）（6）综合自动化系统（CIMS\CIPS）（由企业资源信息管理系统、生产执行系统和生产过程控制系统构成的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和流程工业的计算机集成过程系统。）

操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？
(1)操作指导控制系统：在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。其原理框图如图1.2所示。

图1.2操作指导控制系统原理框图
(2)直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(Direct Digital Control)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。其原理框图如图1.3所示。

图1.3 DDC系统原理框图
(3)计算机监督控制系统(SCC系统)：SCC(Supervisory Computer Control)系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。SCC系统的原理框图如图1.4所示。

图1.4 SCC系统原理框图
SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。
第二章 过程通道
传感器及其作用、分类、常用传感器
定义：将被测的物理量按一定规律变换成任一种电参量的器件。
分类：按输入量分：温度、湿度、压力、流量等 ；按输出量分：电压、电流、电阻等；按材料分：半导体、导体、陶瓷。
常用传感器：1温度传感器：电参量随温度变化有热电阻(金属)，热敏电阻(半导体)，热电偶，半导体PN结，集成电路。2光敏传感器：光敏电阻（半导体），光电池（半导体），光敏晶体管（半导体3压敏传感器：金属应变片，4其它：
声敏、气敏、色敏等
执行器及其作用、分类、常用执行器
定义：电能转换成其它能量
分类：按输入信号形式分——模拟、数字；按输出信号形式分——……
常用：直流电机，步进电机，开关（可控硅、固态继电器，电磁阀、光电耦合隔离器，行程开关和接近开关，光电开关、电/气转换器、电动执行器）
模拟信号、数字信号
模拟信号：时间上、幅值上均连续的信号
数字信号：时间上、幅值上均离散的信号
采样信号 ：时间上离散、幅值上连续的信号
过程通道、功能及其分类
过程通道： 能够完成计算机与生产过程（或传感器、执行器件）之间信息传送及转换的电路。（网上的过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括AI、AO、DI、DO。）
1）模拟量输入/输出通道AI/AO
模拟量输入通道：把从系统中检测的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。
模拟量输出通道：把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。
2）开关量（数字量）输/输出通道DI/DO。
数字量的分类：按类型分有电平式（高电平或低电平）和触点式（触点闭合或触点断开）两种。
数字量输入通道、功能、组成框图、各组成部分的作用，接口电路实例（能看懂）

数字量输入通道作用：将现场两态信号转换成计算机能接收的标准数字电平信号。数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量，进行电平转换，将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题；输入缓冲器：控制数据输入（三态门）；地址译码器 ：选中缓冲器，使之处于允许状态
数字量输出通道、功能、组成框图、各组成部分的作用，接口电路实例（能看懂）

数字量输出通道作用：把标准电平信号转换成执行器可工作的两态电平信号。
数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。
数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。其中，驱动器：
放大——电压、电流或功率，以保证执行器能正常工作；锁存器：保存输出数据；译码器：选中锁存器，使之处于允许状态
模拟量输入通道、功能、组成框图、各组成部分的作用

模拟量输入通道作用：将检测到的模拟信号转换成计算机能接收的二进制数字信号。
模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。
(1)预处理包括I/V变换（提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。）、放大、滤波。
(2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。可将各输入信号依次地/随机地接到公用A/D转换器或放大器上。（分为单向/双向、机械/半导体。）
(3)采样保持器：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。（S/H）
(4)A/D转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模/数转换器(Analog/Digital Converter，简称A/D转换器或ADC)。
多路开关的原理、作用
堵路开关的主要用途是把多个模拟量参数分时地接通，常用于多路参数共用一台A/D转换器的系统，即完成多到一的转换；或者经计算机处理，且有A/D转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换。前者称多路多路开关，后者叫做多路分配器，或叫做反多路开关。
采样过程、孔径时间、孔径误差
采样过程：把时间上和幅值上连续的模拟信号转换成一连串脉冲输出信号的过程（离散模拟信号）
孔径时间：在模拟量输入通道中,完成一次A/D转换所需的时间。
孔径误差：对于随时间变化的模拟信号,孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转化误差。
采样/保持器的原理、作用
在采样-保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。在保持状态时，采样-保持器的输出将保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤销（即再度接到采样命令）时为止。此时，采样保持器的输出重新跟踪输入信号变化，直到下一个保持命令到来为止。
作用：（1）保持采样信号不变，以便完成A/D转换。（2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量。（3）减少A/D转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间。（4）把一个A/D转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。
量化、量化单位、量化误差
量化：用一组数码（二进码）逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字量。
量化单位 q：数字量变化一个单位所对应的模拟信号的变化量
量化误差：由量化引起的误差
A/D转换器的作用、分类、各类特点
作用：把模拟量转换成数字量。按原理：逐次逼近型（快、抗干扰差
）、双积分型（慢、抗干扰好） 、全并行（最快、贵） ；按输出信号：串行、并行
逐次逼近型A/D转换器的原理
在启动信号控制下，首先置数控制逻辑给逐次逼近寄存器最高位Dn-1置1，其它位都清0。寄存器的这个内容，经过DAC转换成模拟量Vc，约为满量程电压 的一半，与输入的模拟量Vx进行比较，由电压比较器输出结果。如果Vx≥Vc，则电压比较器输出0，同时说明寄存器中的数字量偏小，应该保留Dn- 1=1；相反，如果Vx置数控制逻辑把逐次逼近 寄存器的下一位置1，进行同样的转换和比较，并且根据比较结果决定这一位的保留与否。这样的转换和比较过程供进行n次，一直到最低位D0确定是1或是0。 最终，逐次逼近寄存器的所有位均以确定，转换过程就算完成了。这时，转换完成(DONE)信号和锁存允许(LE)信号同时送出有效电平，LE信号将转换结 果锁存到输出锁存器；DONE信号用于向CPU声明，锁存器中已经准备好了转换后的数字量结果，供CPU读取。CPU可以送来一个输出使能(OE)脉冲， 将数字量从输出锁存器中取走。
A/D转换结束信号的处理方式：中断、查询、延时；
（看课件）
A/D转换器与计算机的接口（能看懂）：ADC0809、ADC574
模拟量输出通道、功能、组成框图、各组成部分的作用
定义：把计算机输出的数字量转换成模拟电压/电流，以便驱动相应的执行器工作。

D/A转换器的功能、分类、组成
作用：把数字量转换为模拟量。
分类：1）按解码网络：T型（R-2R resistor ladder）权电阻型（weighted adder）
按输入信号：串行/并行
组成

D/A转换器与计算机的接口（能看懂）：DAC0832、DAC1210
（这个要看课件）
第三章 人机接口技术
人机接口及其功能
定义：指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备的接口.
输入设备: 键盘、鼠标、光笔、
触屏输出设备: 显示器、打印机
键盘、功能及其分类；键盘接口电路（能看懂）
定义：是若干按键的集合
作用：是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备.
分类：
1）.编码键盘：能自动识别按下的键并产生相应代码,以并行或串行的方式发送给CPU.
特点:使用方便,接口简单,响应速度快,需专用电路支持.
2）非编码键盘 ：通过软件确定按键并计算键值.
特点:响应速度稍慢,不需专用电路支持
（键盘这部分要仔细看看，电路在课件上）
七段LED显示器、结构分类、工作原理、显示方式、译码方式；接口电路（能看懂）（这个挺重要的）
组成结构：
LED显示器件是通过发光二极管显示字段的器件。常用的是由7个发光二极管组成字符“8”，1个发光二极管构成小数点，因此称7段LED数码管为8段显示器。
原理：
共阴极LED数码管的发光二极管的阴极共地，当某个发光二极管的阳极电压为高电平时，二极管发光；
共阳极LED数码管是发光二极管的阳极共地，当某个二极管的阴极电压为低电平时，二极管发光。
LED显示方式：在微机控制系统中，一般利用N块LED显示器件构成N位LED显示器。
译码方式，要能在电路上区分出动态显示还是静态现实，软件译码还是硬件译码。（这个周二我在给你讲有关电路的东西，你先背定义什么的）
第五章 总线
1 总线、作用及分类
总线：一组传送规定信息的信号线集合
总线标准是指芯片之间、插板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规范，包括硬件和软件两个方面。
（1）物理特性：指总线物理连接的方式。
（2）功能特性：描述总线中每一根线的功能。
（3）电气特性：定义每一根线上信号的传送方向、有效电平范围。
（4）时间特性：定义了每根线在什么时间有效，也就是每根线的时序。
分类：按作用：（1）微处理器总线。主要由微处理器芯片引脚信号组成的总线，用来连接CPU和控制芯片。
（2）局部总线。是介乎CPU总线和系统总线之间的一级总线。
（3）系统总线。它是微机系统内部各部件（插板）之间进行连接和传输信息的一组信号线。
（4）外部总线。是系统之间或微机系统与外部设备之间进行通信的一组信号线，也称为通信总线。 按传送方式：串行/并行
按传送信号：DB/AB/CB/PB
2 了解常用总线
这个看课件大概知道他们是做什么的就行了，定义什么的不用背，应该是选择题我觉得
第六章 抗干扰技术
1 干扰及其研究干扰的目的、
干扰：造成计算机设备不能正常工作的破坏因素
目的：研究干扰的目的是采取措施抑制干扰进入计算机
2 计控系统中干扰的主要来源及抑制原则
来源：（1）供电系统（2）过程通道（3）空 间
抑制原则：（1）破坏干扰源（2）提高系统自身的抗干扰能力（3）采取保护措施
供电系统的主要干扰
供电系统的要求：计算机的供电(220VAC，50Hz)， 不允许中断；计算机的供电(220VAC，50Hz)， 不允许变化。
供电系统的干扰：（1）过、欠压、停电：t>1s （2）浪涌：10ms同轴电缆）正交、双绞（螺距<=3cm）(4) 阻抗匹配
线间耦合干扰及其抑制措施
① 静电/电场耦合含义：电场通过电容C耦合途径窜入其它线路。例如，两根导线之间会构成电容，电路板上各引线之间构成电容，变压器线匝之间和绕组之间构成电容。
抑制：远离、屏蔽（同轴电缆）
② 磁场耦合
含义：空间磁场通过导体间互感M耦合进来。导体2上的感应电压Vn
抑制：正交、双绞（螺距<=3cm）
空间干扰及其抑制措施
干扰 ：电磁波（系统外部：人为/自然系统内部：分布电容、电感/寄生振荡/元器件产生的噪声。）
抑制：屏蔽、接地
地线及其分类（接地：实/浮空）
接地目的：一是抑制干扰，使计算机工作稳定；二是保护计算机、设备和人员的安全。
工作接地：保证系统稳定可靠地运行， 防止地环路引起的干扰。
保护接地：避免因设备的绝缘损坏或下降时，人员触电和保护设备。
接地是抑制干扰的重要方法，如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可以解决大部分干扰问题。
分类：

接地原则：

低频1点接地方式种类及其特点
（1）串联：简单/有互扰（2）并联：繁杂/无互扰
实用1点接地原则
地线分组、组内串联、组间并联 。
数字滤波、标度变换
数字滤波: 利用软件滤波的方法
数字滤波有以下几个优点：
（1）数字滤波通过程序实现，不需硬件设备，系统的可靠性较高。
（2）数字滤波可实现多通道共用。
（3）可对低频信号（如0.01Hz）实现滤波。
（4）采用不同的算法和参数就可实现对不同信号的滤波，使用起来灵活、方便。
第七章 控制技术
1 PID控制的含义、用途
P: 比例 Proportion;I： 积分 Integral;D：微分 Differential
D(s) 或D(z)求不出时，可用

2 数字PID算法：位置式、增量式——表达式及适用情况
3 模糊控制器的组成、框图、及各部分作用
提出：字符识别
模糊：不清楚，界限不分明
特点：1．无需精确数学模型2．易学习3．使用方便4．适应性强5．速度快6．可靠性高
模糊控制器组成
模糊化接口：将精确量划属各子集隶属度
知识库：数据库（隶属度函数）、规则库
推理机：推理
清晰化接口：把模糊量变成精确量

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