微型计算机控制技术

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1、第一章第一章 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成1、实时，在线，离线的含义？、实时，在线，离线的含义？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计 算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出 了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直 接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制， 而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，

2、则叫做“脱机”方式或“离线” 方式。2、操作指导、操作指导、DDC、SCC 系统工作原理、区别？系统工作原理、区别？(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

3、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

4、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。3、计算机控制系统的控制过程？、计算机控制系统的控制过程？计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下 一步的控制过程。(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。第三章第三章 I/O 接口技术及接口技术及 I/O 通道通道1、硬件防制动工作原理、硬件防制动工作原理采用积分电路的硬件消抖电路，首先利用积分电路将抖动的

5、高频部分滤出，其次利用施密 特触发器整形。采用 RS 触发器的硬件消抖电路，主要是利用 RS 触发器的保持功能实现消抖。2、光电耦合器工作原理、光电耦合器工作原理光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图 2.1 所示。输入电 流流过二极管时使其发光，照射到光敏三极管上使其导通，完成信号的光电耦合传送，它 在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离。图 2.1 光电耦合器电路图3、程序放大器的原理、程序放大器的原理 使用计算机控制发出指令，使一些模拟开关导通或者闭合，以调节放大器的放大倍数。4、I/U 、U/I变送器输出信号为 0-10mA 或 4-20mA，经过 I/

6、U 变换器后变成电压信号 0-5V 或 1-5V；变送器输出信号为 0-5V 或 1-5V，经过 U/I 变换器后变成电流信号 0-10mA 或 4-20mAP535、采样保持器的作用，是不是所有电器都需要、采样保持器的作用，是不是所有电器都需要 ？ （以上会出画图分析、编程题）（以上会出画图分析、编程题）采样保持器的作用：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。不是，对于输入信号变化很慢，如温度信号；或者 A/D 转换时间较快，使得在 A/D 转换期 间输入

7、信号变化很小，在允许的 A/D 转换精度内，就不必再选用采样保持器。6、A/D 转换形式有哪些？读取转换形式有哪些？读取 A/D 转换结果有哪几种方法？转换结果有哪几种方法？A/D 转换一些指标的概念？转换一些指标的概念？常用 A/D 转换方式有 逐次逼近式和双斜积分式。读取读取 A/D 转换结果方法有转换结果方法有：电压，电流A/D 转换的主要技术指标：转换时间：完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。分辨率：通常用数字量的位数，分辨率为 1/2n.线性误差：用 LSB 的分数表示。量程：所能转换的输入电压范围。对基准电源的要求7、D/A 输出方式输出方式电压和电流输出方式8、接口的程序实现

8、、接口的程序实现P56 输出程序P54 输入程序第四章第四章 数字控制器的模拟化设计数字控制器的模拟化设计1、离散化方法、离散化方法1）差分变换法： 常用的差分近似方法有两种：后向差分和前向差分。为便于编程，离散化只采用后向差分法。下面介绍一阶后向差分法和二阶后向差分法。（1）一阶后向差分 一阶导数采用近似式：（2）二阶后向差分 二阶导数采用近似式：2）零阶保持器法：零阶保持器法，又称阶跃响应不变法，其基本思想是：离散近似后的数字控制器的阶 跃响应序列，必须与模拟调节器的阶跃响应的采样值相等，即3）双线性变换法：双线性变换法又称突斯汀变换法，它是将 s 域函数与 Z 域函数进行转换的一种近似方

9、法。2、PID 控制（四个参数）控制（四个参数）kp、ki、kD 的作用或意义的作用或意义比例控制的作用：比例控制的作用：能迅速反应误差,从而减小误差,但比例控制不能消除稳态误差,Kp 的加大， 会引起系统的不稳定。积分控制的作用：积分控制的作用：只要系统存在误差，积分控制作用就不断的积累，输出控制量以消除误 差，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大， 甚至使系统出现振荡。微分控制的作用：微分控制的作用：可以艰险超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动 态响应速度，减小调整时间，改善系统的动态性能。3、PID 控制器位置式、增量式的表达式控制器

10、位置式、增量式的表达式为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟 PID 算式离散化，变为数字 PID 算式，为此， 在采样周期 T 远小于信号变化周期时，作如下近似(T 足够小时，如下逼近相当准确，被控 过程与连续系统十分接近)：于是有：u(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置(如控制阀门的开度)一一对应，所 以称之为位置型 PID 算法。在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量 u(k)不仅与本次偏 差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得 u(k)产生大幅度变化，这样会引起系统冲击， 甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，

11、可以 采用增量型 PID 算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具 有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型 PID 控制算法。4、PID 控制器的缺陷及其改正措施控制器的缺陷及其改正措施由于主要是积分项的存在，引起了而 PID 运算的“饱和”，因此，这种饱和称为“积分饱和”。 积分饱和增加了系统的调整时间和超调量，称为“饱和效应”，显然，它对控制系统是不利 的。积分项的改进（1）积分分离（2）抗积分饱和（3）梯形积分（4）消除积分不灵敏区；微分项的改进（1）不完全微分 PID 控制算法（作用：消除高频干扰，延长微分作用的时 间）（2）微分先行 PID 控制算

12、法；5、PID 参数整定参数整定（扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、归一整定法、二阶工程设计法二阶工程设计法）二阶系统是工业生产过程中最常见的一种系统，在实际生活中许多高阶系统可以简化为二 阶系统来进行设计处理，二阶系统闭环传递函数的一般形式是：第五章第五章 数字控制系统的直接设计数字控制系统的直接设计1、典型、典型 Z 变换表达式变换表达式P86-882、最少拍有（无）波纹系统的设计、最少拍有（无）波纹系统的设计最少拍快速有纹波系统设计 P93最少拍无纹波系统 P963、达林算法、达林算法P101-1034、长除法、长除法第六章第六章 现代控制技术现代控制技术1、状态反馈设计法（极点配置法）

13、先判断是否可控可观。、状态反馈设计法（极点配置法）先判断是否可控可观。参考2、状态观测器设计法、状态观测器设计法P1123、预测控制的原理、预测控制的原理4、DMC/MAC 所依据的模型及输出表达式所依据的模型及输出表达式P114-119第七章第七章 计算机控制系统的应用软件计算机控制系统的应用软件1、数字滤波的优点及类型、数字滤波的优点及类型(1)节约硬件成本。不需加硬件设备；模拟滤波每个通道都须有硬件，数字滤波可以多个通 道共用。(2)可靠稳定。可靠性高，无需考虑阻抗匹配问题；(3)功能强。可以对频率很低的信号进行滤波，而硬件实现较困难；(4)不会丢失原始数据。(5)灵活方便。根据需要选用

14、不同滤波方法或改变参数容易。类型：（1）程序判断滤波法：是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现得最大偏 差。（2）中值滤波法：它对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的 脉动干扰比较有效。（3）算术平均值滤波法：它适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。它特别适合于信号本 身在某一数值范围附近作上下波动的情况。（4）加权平均值滤波：可以提高滤波效果（5）滑动平均值滤波法：采样时间短，可以提高检测速度（6）惯性滤波法：适用于慢速随机变量的滤波（7）复合数字滤波：比单纯的平均值滤波的效果要好2、标度变换法、标度变换法参数经传感器和 A/D 转换后得到一系列的数码，这些数

15、码值并不一定等于原来带有量纲的 参数值，它仅仅对应于参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显 示或打印输出，这种变换就是标度变换。P1403、PID 程序设计程序设计P142-146第九章第九章 计算机控制系统的可靠性计算机控制系统的可靠性1、干扰的来源、形式、干扰的来源、形式空间感应干扰：电磁场过程通道干扰：串模，共模电源系统干扰：电压，频率波动长线传输干扰：分布电容，波形的畸变地电位波动干扰：地线间电位差2、串模、共模的概念、串模、共模的概念串模干扰:所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。这里的被测信号是指有用的直 流信号或缓慢变化的交变信号，而干扰噪声是指无用的变

16、化较快的杂乱交变信号。共模干扰：也称为共态干扰，所谓共模干扰是指 A/D 转换器两个输入端上共有的干扰电压。 这种干扰可能是直流电压，也可以是交流电压。3、评判可靠性的标准、评判可靠性的标准1）故障前平均时间2）平均故障间隔时间3）平均修复时间4）可靠度第十章第十章 网络集成计算机控制系统网络集成计算机控制系统1、总线的概念、总线的概念总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间(或插件内部芯片间)、各系统之间传 送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自 要去的地方。2、现场总线的概念及类型、现场总线的概念及类型现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器 仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统 之间的信息传递问题。所以现场总线既是通信网络，又是自控网络。目前流行的现场总线技术标准：FF，Profibus,P-NET,CAN,Hart 等3、DCS 系统的组成部分系