1、1第一章 计算机控制系统概述1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?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。2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(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
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，则叫做“脱机” 方式或“离线”方式。3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？由四部分组成。图 1.1 微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种
3、控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。(2)输入输出通道：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。(3)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)
4、。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。(4)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；2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 420mA) 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
5、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。4.微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用。软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。(1)系统软件：它是由计算机设计者提供的
6、专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。系统软件包括：a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；b.诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序；c.开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统( 系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等；d.信息处理：指文字翻译、企业管理等。(2)应用软件：它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。应用软件包括：a.过程监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字
7、滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等；b.过程控制计算程序：指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等；c.公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。(3)数据库：数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检索，相应软件设计指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据等。5.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
8、d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度6.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。3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，
9、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
10、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。7.计算机控制系统的发展趋势是什么？大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。a.普及应用可编程序控制器b.采用集散控制系统c.研究和发展智能控制系统4第二章 输入输出过程通道1.什么是过程通道？过程通道有哪些分类？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。按信息传递的方向来分，过程通道可分为
11、输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。2.数字量过程通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？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。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：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。3.简述两种硬件消抖电路的工作原理。采用积分电
12、路的硬件消抖电路，首先利用积分电路将抖动的高频部分滤出，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。4.简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。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5.模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？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
13、。(1)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。(2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。(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。(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)。6.对理想多路开关的要求是什么？理想的多路开
14、关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。7.采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。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5采样保持器。保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的跟随特性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差
15、。8.在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什么？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。9.A/D 转换器的结束信号有什么作用？根据该信号在 I/O 控制中的连接方式，A/D 转换有几种控制方式？它们在接口电路和程序设计上有什么特点？A/D 转换器的结束信号的作用是用以判断本次 AD 转换是否完成。常见的 A/D 转换有以下几种控制方式，各自特点如下延时等待法： EOC 可不和 I/O 口连接，程序设计时，延时大于 ADC 转换时间后，取数据。保持
16、等待法： EOC 与 READY 相连，EOC 无效时，自动插入等待状态。直至 EOC 有效时，取数据。查询法： EOC 可以和任意 I/O 口连接，程序设计时，反复判断 EOC 是否有效，直至 EOC有效时，取数据。中断响应法： EOC 与外部中断相连，AD 转换结束后，发中断申请，在中断服务程序中取数据。10.设被测温度变化范围为 0oC1200oC，如果要求误差不超过 0.4oC，应选用分辨率为多少位的 A/D 转换器？选择依据： 124.2lgn11.设计出 8 路模拟量采集系统。请画出接口电路原理图，并编写相应的 8 路模拟量数据采集程序。本例给出用 8031、DAC0809 设计的
17、数据采集系统实例。把采样转换所得的数字量按序存于片内 RAM 的 30H37H 单元中。采样完一遍后停止采集。其数据采集的初始化程序和中断服务程序如下：初始化程序：MOV R0，#30H ；设立数据存储区指针MOV R2，#08H ；设置 8 路采样计数值SETB IT0 ；设置外部中断 0 为边沿触发方式 SETB EA ；CPU 开放中断 SETB EX0 ；允许外部中断 0 中断MOV DPTR，#FEF8H ；送入口地址并指向 IN0LOOP： MOVX DPTR，A ；启动 A/D 转换，A 的值无意义HERE： SJMP HERE ；等待中断中断服务程序：MOVX A，DPTR ；
18、读取转换后的数字量MOV R0，A ；存入片内 RAM 单元INC DPTR ；指向下一模拟通道INC R0 ；指向下一个数据存储单元DJNZ R2，INT0 ；8 路未转换完，则继续CLR EA ；已转换完，则关中断CLR EX0 ；禁止外部中断 0 中断6RETI ；中断返回INT0： MOVX DPTR，A ；再次启动 A/D 转换RETI ；中断返回 12.模拟量输出通道由哪几部分组成？各部分的作用是什么？模拟量输出通道一般由接口电路、D/A 转换器、功率放大和 V/I 变换等信号调理电路组成。(1)D/A 转换器：模拟量输出通道的核心是数/模转换器(Digital/Analog Co
19、nverter，简称 D/A转换器或 DAC)。它是指将数字量转换成模拟量的元件或装置。(2)V/I 变换：一般情况下，D/A 转换电路的输出是电压信号。在计算机控制系统中，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减少由于传输带来的干扰和衰减，需要采用电流方式输出模拟信号。许多标准化的工业仪表或执行机构，一般是采用 010mA 或 420mA的电流信号驱动的。因此，需要将模拟电压信号通过电压/电流(V/I) 变换技术，转化为电流信号。7第四章 微型计算机控制系统的控制算法1. 数字控制器的模拟化设计步骤是什么？模拟化设计步骤：（1）设计假想的模拟控制器 D(S)（2）正确地选择采样周期 T
20、（3）将 D(S)离散化为 D(Z)（4）求出与 D(S)对应的差分方程（5）根据差分方程编制相应程序。2.某系统的连续控制器设计为sTsEUD21)(试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器 D(Z)。解： 双线形变换法：把 代入，则1z22112112 TzT-z|zDTs 前向差分法：把 代入，则- 22112121 TzTs|sDzTz 后向差分法：把 代入，则z 221121211 TzTs|sDzTz 3 什么是数字 PID 位置型控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。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
21、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)： Tkedtjtkj)1()00于是有：8)1()()()(0keTjekeKukjdipu(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，可以采用增量型 PID 算法。当控制
22、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。 )2()1(2)()1()( kekeTkeKkudip与位置算法相比，增量型 PID 算法有如下优点：(1)位置型算式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，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。(2)为实现手动自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度u0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中
23、不出现 u0 项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。(3)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。4 .已知模拟调节器的传递函数为s.sD08517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。s.sEU1则 sSE.S. 70085dte.tedtu.tu1Tke.kTk.k 1170085 把 T=0.2S 代入得5341421 -e.ku.位置型 1298.016.2579.3kuke增量型 1708.467ku5. 什么叫积分饱和？它是怎么引起的？如何消除？9解：（1）如果执行机
24、构已经到极限位置，仍然不能消除静差时，由于积分作用，尽管 PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就叫积分饱和。（2）1、当偏差产生跃变时，位置型 PID 算式的输出将急剧增大或减小，有可能超过执行机构的上（下）限，而此时执行机构只能工作在上限。2、系统输出需要很长时间才达到给定值，在这段时间内算式的积分项将产生一个很大的积累值。3、当系统输出超过给定值后，偏差反向，但由于大的积分积累值，控制量需要相当一段时间脱离饱和区。因此引起系统产生大幅度超调，系统不稳定。（3）常用的改进方法：积分分离法和抗积分饱和6. 采样周期的选择需要考虑那些因素？(1)从调节品质上
25、看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在 95%的系统的过渡过程时间内，采样 6 次15 次即可。(2)从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。(3)从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期 T 应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间；当被控对象的纯滞后时间 较大时，常选 T=（1/41/8 ） 。(4)从计算精度方面考虑，采样周期 T 不应过短，当主机字长较小时，若 T 过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。另外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控
26、制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因此 T必须大于执行机构的调节时间。7. 简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定 PID 参数的步骤。扩充临界比例度法整定 PID 参数的步骤：(1)选择一个足够短的采样周期 T，例如被控过程有纯滞后时，采样周期 T 取滞后时间的1/10 以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值 r 作阶跃输入。(2)逐渐加大比例系数 Kp，使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期 Ts，并记下此时的比例系数 Kp，将其记作临界振荡增益 Ks。此时的比例度为临界比例度，记作 。sK1(3)选择控制度，所谓控制度是数字调节器和
27、模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比。(4)根据控制度，查表求出 T、Kp、Ti 和 Td 值。(5)按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。扩充响应曲线法整定 PID 参数的步骤：(1)断开数字调节器，让系统处于手动操作状态。将被调量调节到给定值附近并稳定后，然后突然改变给定值，即给对象输入一个阶跃信号。(2)用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图所示。10(3)在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间 、被控对象的时间常数 Tc，以及它们的比值Tc/。(4)由 、Tc、Tc/ 值，查表，求出数字控制器的 T、Kp、T
28、i 和 Td。8. 数字控制器的离散化设计步骤是什么？计算机控制系统框图如图 41 所示。图 41 计算机控制系统框图由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数 D(z)。数字控制器的直接设计步骤如下：(1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数 (z)。(2)求广义对象的脉冲传递函数 G(z)。(3)求取数字控制器的脉冲传递函数 D(z)。(4)根据 D(z)求取控制算法的递推计算公式。9 已知被控对象的传递函数为 )1.0ssGc（采样周期 T=0.1s，采用零阶保持器。要求（1）针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波系统的 ，并计算输出响应 、控制信zD)(ky号 和误差 序列，画出它们对时间变化的波形。)(ku)(ke（2）针对单位阶跃输入信号设计最少拍有纹波系统的 ，并计算输出响应 、控制信z)(ky号 和误差 序列，画出它们对时间变化的波形。)(k)(ke解：广义脉冲传递函数为 )368.01)(7. )(1)10(.01()1021 21 zzzeTz sZssZGTT
