计算机控制技术复习题纲

第一章 计算机控制系统概述
1 计算机控制系统包括计算机硬件设备、控制软件和计算机通信网络3部分（或本体和受控对象组成）
2计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程的自动控制系统，它由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和受控对象两部分组成。
3 什么是计算机系统的实时性，实时的性能通常受 哪些因素的影响，为什么要强调系统的实时性？答1、如果计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出则称为实时控制 2、实时控制性能通常受仪表的传输延迟、控制算法的复杂程度，微处理器的运算速度和控制量输出的延迟的影响3、因为实时控制的概念与工艺要求紧密相连，如快速变化的压力对象控制的实时控制时间要比缓慢变化的温度对象的实时控制时间快
4 开环系统： 如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统成为开环控制系统

联机(在线)控制：生产设备直接与计算机控制系统连接的方式
联机(离线)控制：生产设备不直接与计算机控制系统连接
5开环和闭环控制系统的特点？开环控制结构简单，但性能较差，不能保证输出。闭环复杂控制性能好，需要控制对象的反馈。
6 计算机控制系统执行控制程序的过程1、实时数据采集 对被控参数在一定的采样间隔进行检测，并将采样结果输入计算机。2、实时计算 对采集到的被控参数进行处理后按一定的预先规定的控制规律进行控制率的计算或称决策，决定当前的控制量。3、实时控制
根据实时计算结果，将控制信号作用到控制的执行机构。4、信息管理 随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统中。
7 实时控制：如果计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出。实时控制的性能通常受仪表的传输延迟、控制算法和复杂程度、微处理器的运算速度和控制量输出的延迟等影响
8 数据采集和监视系统的特点：计算机在数据采集和处理时，主要是对大量的过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警及对大量数据进行积累和实时分析。这种应用方式，计算机不直接参与过程控制，对生产过程不直接产生影响
9 直接数字控制系统特点：直接数字控制系统中的计算机部分参加闭环控制过程，无需中间环节（调节器）。计算机通过过程输入通道对一个或者多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，而且不需要改变硬件只需要通过改变软件就可以有效的实现复杂的控制算法。而且不需要改变硬件，只需要通过改变软件就可以有效的实现较复杂的控制算法
10 计算机在工业控制中的典型应用形式： 数据采集和监视系统、直接数字控制系统、监督控制系统，分布式控制系统，现场总线式控制系统
11 典型工业受控对象：从被控过程的性质来看基本上可以分为连续过程（不间断的生产过程）、离散过程（单件形态产品的生产过程）和以批次为基准的过程（二者兼有）3种
第二章 基本输入输出接口技术
1由于计算机的特性不同因此他们与微处理器交换信息时往往出现速度不匹配、电平不匹配或数据格式方面的问题 为了解决解决这些问题设计介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件，即接口 接口是一套介于主机和外部设备之间的控制逻辑部件
2常用的接口电路有两类1、通用接口 有并行I/O接口、串行I/O接口、中断管理接口、直接存储器存取DMA管理、定时/计数接口 2、专用接口 主要有A/D转换接口、D/A转换接口、多路转换接口

3所谓并行接口，就是指从接口输入和向接口输出数据，都是按一个字或一个字节所包含的全部位数同时并行的传送；所谓串行接口，是指面向设备一侧的数据输入和输出只有一根 通信电线，数据按通信规程约定的编码格式沿该线一位接一位地串行传送。
4 8255A 有三种工作方式：方式0是基本输入方式；方式1是选通输入输出方式；方式2 是双向传送方式 。其中端口A有方式0、1、2，端口B只有方式0、1而端口C的高四位随端口A，低四位随端口B
5最常见的计算机人机设备是键盘和显示器 常用的键盘有两种：编码式键盘和非编码式键盘。 优缺点：编码式键盘软件工作量小，速度快且可靠，但硬件结构复杂，费用高；非编码式键盘虽然价格低廉，但软件工作量大，耗时大
微处理器是通过行、列扫描和查询来识别键盘的
显示器采用非扫描即静态显示方式，其优点是亮度大，显示程序简单，主程序不必扫描显示器，可有更多时间用于控制任务，缺点是硬件用的较多。
显示器采用扫描显示方法，只需要一个74LS164,但需加字段与位数两组驱动器7407和7406。显示器采用共阴极接法，其字型编码为共阳极接法的反码
第三章 过程通道和数据采集系统
在计算机和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置。这个装置就称为过程输入、输出通道，他们在微型计算机和生产过程之间起了纽带和桥梁的作用
过程通道包括:模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量输入通道（DI）数字量输出通道 （DO）
信号转换中的采样、量化、和编码
数字计算机进入控制系统，首先必须解决模拟信号和数字信号之间的转换问题。计算机内参与算术运算和逻辑运算的信息是二进制数码的数字信号。
信号的采样：把时间连续的信号变成一连串时间不连续的脉冲信号的过程为采样过程
量化：采样信号不能直接进入数字计算机。采样信号经整量化后成为数字信号的过程为量化过程。量化单位q是A /D转换器最低位二进制位所代表的物理量量化误差+—1/2q
编码：把量化信号转换为二进制代码的过程
模拟量输入通道一般由信号处理、多路转换器、放大器 采样-保持器和A/D 转换器组成
信号处理可选择的内容包括小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平交换、非线性补偿、电流/电压转换等
为什么要使用采样保持器（作用）为了满足转换精度的条件下提高信号允许的工作频率
当输入的模拟信号变化很缓慢，A/D转换相对讲以足够快时，可以不用采样保持器
A/D转换原理 低、中速的大规模集成A/D转换芯片常用的转换方法有计数-比较式、双斜率积分式和逐次积分式3种
逐次逼近式A/D转换器的优点是精度较高，转换速度较快，缺点是抗干扰能力不够强，而且当信号变化率较高时，会产生较大的线性误差。
双斜率积分式 模拟输入电压与参考电压的比值就等于两个时间值之比（一个是模拟输入电压向电容充电的固定时间另一个是在已知参考电压下放电所需的时间） 优点：消除干扰和电源噪声的能力强，精度高，缺点是转换速度慢
分辨率定义：能对转换结果发生影响的最小输入量。精度：转换后所得结果相对于实际值的准确度
ADC0809与微处理器兼容的8通路8位A/D转换器。它主要由逐次逼近式A/D转换器和8路模拟开关组成。
模拟量输入通道的任务是把微型 计算机输出的数字量 转换成模拟量，对该通道的要求，除了可靠性高、满足一定的精度要求外，输出还必须具有保持的功能，以保证被控制对象可靠地工作。
DAC0832是一个具有两级数据缓冲器的8位D/A芯片（20个引脚）
由于DAC0832具有两级数据锁存器，所以，它具有双缓冲、单缓冲及直通数据输入三种工作方式。双缓冲工作方式时，8位输入寄存器和8位DAC寄存器可分别由LE1和LE2控制，单缓冲工作方式时，只用输入寄存器锁存数据，另一级8位DAC寄存器接成直通方式，即把WR2和XFER接地，或者两级寄存器同时锁存，直通方式时，应把所有控制信号接成有效形式：CS,WR1 ,WR2, 和XFER接地, ILE接+5V
DAC0832有两个输出端LOUT1和LOUT2为电流输出形式，为使输出电流线性地转移成电压，要在输出端接上运算放大器， DAC0832工作于单缓冲方式
不管什么样的干扰源，对计算机的干扰总是通过传导和直接辐射两种途径进入计算机系统的
按干扰的作用方式不同，可以分为常态和共态干扰两种，
所谓常态干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。常态干扰和被测信号在回路中所处的地位是相等的，因此常态干扰又称串模干扰 所谓共态干扰是指A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压。共态干扰常称共模干扰
被测信号Us的参考接地点和计算机输入端信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm，Ucm是转换器输入端上公有的干扰电压，故称为共态干扰电压。
什么是串模干扰及其抑制方法？答①、常态干扰是串模干扰。②1、采用输入低通滤波器来抑制高频常态干扰，采用输入高通滤波器来抑制低频常态干扰，2当尖峰型常态干扰成为主要干扰源时，用双斜率积分式A/D转换器可以削弱常态干扰的影响3、在常态干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早的进行前置放大，或者尽可能早的完成A/D变换或采取隔离和屏蔽等措施。4、从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制常态干扰。5如果常态干扰的变化速度与被测信号相当，则从根本上消除产生常态干扰的原因或利用数字滤波技术对已经进入计算机的带有常态干扰的数据进行处理，
共模干扰的抑制方法1、利用双端输入的运算放大器作为A/D转换器前面的前置放大器2、利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载与数字信息源隔离开来，也就是把‘模拟的’与‘数字的’断开，3采用浮 地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰4、用仪表放大器提高共模抑制比
第四章 步进电机的控制
步进电机又称脉冲电机，它接受 脉冲数字信号，每来一个脉冲走一步
分为旋转式和直线式两类
改变速度的方式：改变脉冲的速率，改变转向的方法：改变绕组通电次序
步进电机的工作方式
⑴单相三拍工作方式(简称单三拍)其通电次序为A→B→C→A或A→C→B→A⑵双相三拍（简称双三拍）通电次序为AB→BC→CA→AB或者AB→AC→CB→BA（3）三相六拍工作方式A→AB→BC→C→CA→A或者A→AC→C→CB→B→BA→A

第五章数字pid控制算法
传递函数
模拟PId控制规律

增量式PID算法与位置式相比的优点：1、位置式算法每次输出与整个过去状态有关,计算式中要用到过去偏差的累加值 ，容易产生较大的累计误差，而增量式只需计算增量当存在计算机误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小2、控制从手动切换到自动时，必须首先将计算机的输出值设置为原始阀门开度u0，才能保证无冲击切换。
为了克服积分饱和作用的方法：1、遇限削弱积分法 基本思想是：一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。2、积分分离法 它在开始时不进行积分，直到偏差达到一定阈值后才进行积分累积。这样一方面防止了一开始有过大的控制量；一方面即使进入饱和后，因积分累积小也能较快退出，减少了超调。3、有效偏差法 是将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值计入积分累计而不是将实际偏差计入积分累计。
比例和微分饱和对系统的影响其表现形式与积分饱和不同的不是超调，而是减慢动态过程
干扰的抑制方法1、平均值滤波法2、不完全微分法3.、单独修改微分项

凑试法确定 PID调节参数的步骤
增大比例系数K，一般将加大系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差
增大积分时间Ti，有利于较小超调减小震荡，使系统更加稳定，但系统静差消除将随之减慢 增大微分时间Td ,有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力削弱，对扰动 有叫敏感的响应 步骤：1先整定比例环节 将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。2后加入比例环节 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节3再加入微分环节 若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例环节调节器。
采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近于连续控制。
实际选择采样周期时必须综合考虑：1、采样周期要比对象时间常数小的多，否则采样信号无法反映瞬变过程2、采样周期应远小于对象的扰动信号的周期3、考虑执行器的响应速度4、考虑对象所要求的控制质量，精度越高，采样周期越短以减小系统纯滞后5、当系统纯滞后占主导地位时应按纯滞后大小选取，并尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的整数倍
所谓控制器的可实现性，是指在控制算法中，不允许出现未来时刻的偏差值。因为除了在某些预测算法中可近似使用偏差预测值外，一般来说，未来的偏差是未知的，不能用来计算现时的控制量。这就要求数字控制器的Z传递函数D（z）不能有z的正幂项。
对最少拍控制系统设计的具体要求1、对特定的参考输入信号，在到达稳态后，系统在采样点的输出值准确跟踪输入信号，不存在静差。2、在各种使系统在有限拍内达到 稳态的设计中，系统准确跟踪输入信号所需的采样周期数应为最少3、数字控制器D（z）必须在物理上可以实现4、闭环系统必须是稳定的