计算机控制系统知识点

09自动化1班出品一基本概念第一章1什么是计算机控制系统与传统的控制系统相比计算机控制系统的优点是什么答计算机控制系统用计算机代替常规控制系统中的模拟控制器对系统进行控制的系统优点具有精度高速度快存储容量大和逻辑判断功能看完实现高级复杂的控制方法获得快速静谧的控制效果2简述计算机控制系统的硬件组成和各自的功能答计算机控制系统的硬件一般由主机接口和输入输出通道通用外部设备执行机构检测元件仪表操作台等部分组成主机采用一台或多台计算机通过接口和IO口通道接收检测设备传来的信息并向控制系统的各个部件发出命令同时计算机对系统的各个参数进行巡回检测数据处理控制计算分析报警逻辑判断等接口与IO通道主机与被控对象之间进行信息交换的纽带通用外部设备扩大计算机的功能是计算机系统与操作人员的交互界面用来完成信息的记录存储显示打印传送检测元件仪表执行机构检测元件和仪表用来测量生产对象的某些参数并将非电量的被测参数转换为电量表示执行机构接受CPU的命令使被控对象完成规定的控制动作操作台用来实现人机之间的交互功能3计算机控制系统应当有哪些主要特征答1实时性2良好的输入输出能力3标准化和系列化4模块化的系统结构5可靠性平均无故障时间抗干扰能力强具有定时自动启动功能和硬件自检功能4计算机控制系统大致可分为哪几类简述各类计算机控制系统的结构和特点答计算机控制系统大致可分为以下五类1数据采集系统DASDataAcquisionSystem2直接数字控制系统DDCDirectDigitalControl3计算机监督系统SCCSupervisoryComputerControl4分布式控制系统DCSDistributedControlSystem5现场总线控制系统FCSFieldbusControlSystem1数据采集系统简称DAS计算机只对控制系统的参数进行采集加工和分析处理并将处理后的数据输出操作人员根据输出的数据对生产过程出现的问题进行处理计算机不直接参与生产过程的控制该系统结构简单安全可靠09自动化1班出品2直接数字控制系统简称DDC直接数字控制系统中计算机经输入AI或DI对生产过程进行数据采集采集的数据进入计算机后与预先设定的值进行比较或按照要求进行处理计算机根据比较和分析的结果按照控制规律如PID经输出AO或DO对生产过程进行直接控制3计算机监督系统简称SCC计算机监督系统实际是两级计算机控制系统上一级为SCC下一级为DDC生产过程采集数据经AIDI送DDC的同时也送SCCSCC根据采集的数据经过计算后获得最佳设定值传送给DDCDDC对设定值和测量值进行比较比较后的结果经AODO送出对生产过程进行控制对计算机监督系统要求SCC级具有强大的数据处理能力存储容量大DCC则需要实时性好可靠性高和环境适应性好4分布式计算机控制系统DCS又称集散式控制系统分布式计算机控制系统的特点是控制分散管理集中5现场总线控制系统FCSFCS是建立在网络基础的计算机控制系统现场总线是一种通信协议是连接设备和系统的数字式网络现场总线使控制系统实现了现场网络通信设备互连与互操作全数字通信等09自动化1班出品现场总线的组成由监控设备服务器和网桥执行器变送器辅助设备等部分FCS与DCS系统相比有以下特点全数字信息传输系统结构更合理方便的互操作性第二章5什么是PID控制算法其优点是什么答控制系统中控制器的输出是其输入的比例积分微分ProportionalIntegralDifferential的函数简称PID控制优点1PID控制技术成熟2不需要求出系统的数学模型3控制效果好6试述PID算法的表达式中各项的作用答比例系数Kp决定控制作用的强弱Kp加大时可减少系统的稳态误差提高系统的动态响应速度但Kp过大会引起振荡或导致系统不稳定积分项KiS用于消除系统的稳态误差但积分项会使动态过程变慢增大系统的超调量使系统的稳定性变坏微分KdS的控制作用与偏差的变化速度有关微分能产生超前的校正作用有助于减少超调和振荡并能减少调整时间从而改善系统的动态性能7写出位置式PID和增量式PID的表达式增量式PID与位置式PID相比有什么优点答数字PID控制的位置式对上式作Z变换Z传递函数式中Kp为比例系数KiKpTTi为积分系数KdKpTdT为微分系数增量式数字PID的控制算式09自动化1班出品将上式中同一时刻的输入值合并则增量式PID控制算式可写为增量式数字PID控制算法有下列优点1位置式算法需要计算偏差的累加值容易产生累计误差而增量式算法只与三个采样值有关误差可减少2位置式的积分项可能产生积分饱和与超调增量式克服了上述缺点使系统的过渡过程时间缩短系统的动态性能得到提高3当过程控制系统中需要手动自动切换时增量式易于实现无冲击切换在实际工程中大量使用增量式算法8什么是不完全微分积分分离的PID算式答不完全微分算法在PID算式中当有阶跃信号输入时微分项的输出急剧增加引起高频干扰为了抑制高频干扰可在数字调节器中串接一个低通滤波器积分分离算法在PID控制中积分项用于消除系统的稳定误差但过大的积分会导致系统的稳定性变坏出现饱和和较大的超调量可采用积分分离算法在误差比较大超过某一规定值时取消积分用PD控制改善系统的动态特性在误差比较小时采用PID控制保持稳态特性9在数字PID中采样周期如何确定采样周期的大小对调节品质有何影响答采样周期T的确定由采样定理采样频率的上限fs2fmax时系统可真实恢复原有的信号实际控制中采样频率取值都取得较高一般要根据被测参数的情况进行变化影响采样周期的因素有以下几个方面1扰动频率当扰动频率高时采样频率应相对提高2被控对象的动态特性被控对象的滞后和时间常数应作为考虑的因素采样周期T应与滞后时间基本相符3控制的回路数当回路多时采样周期应加大4其它如采用的算法和执行器的类型控制的精度等因素10PID控制中为何需要参数整定简述临界比例法试凑法的的操作过程答工业生产过程中对于生产装置的温度压力流量液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上或按一定的规律变化以满足生产工艺的要求PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致不同的控制规律适用于不同的生产过程必须合理选择相应的控制规律否则PID控制器将达不到预期的控制效果试凑法此方法是通过仿真或实际运行观察系统对典型输入作用的响应曲线根据PID各参数对系统的控制作用反复调节试凑得到满意的结果为止试凑时按先比例后积分再微分的次序进行1调整比例系数KP由小变大观察响应曲线的变化达到满意为止09自动化1班出品2当KP不能达到控制效果时须加入积分环节将积分时间常数由大逐渐减小并适当调整KP观察系统特性使其保持在良好的动态特性下消除稳定误差Ess3若动态特性不能满意则再加入微分环节调整时将微分时间常数由小到大观察系统特性4按步骤反复试凑直到满意为止3临界比例法该方法是一种简易的工程整定方法临界比例法是基于模拟调节器使用的一种PID参数整定方法操作的步骤如下1选择一个足够短的采样周期2将输入到计算机控制系统只取比例控制逐步缩小比例度直到系统产生等幅振荡此时的比例度u称临界比例度相应的振荡周期Tu称为临界振荡周期3选择控制度控制度指DDC的控制效果与模拟调节器控制效果之比评价函数用误差平方积分表示控制度对于模拟系统其误差平方积分可按记录纸上的图形面积计算而DDC系统可用计算机计算通常当控制度为105时表示DDC系统和模拟系统的控制效果相当4根据控制度查表可求出TKPKI和KD值5按照上方法求得的参数通过实际运行观察控制效果必要时可适当调整参数直到获得满意的效果为止第四章11工业控制领域中常用的微型计算机有哪几种答控制系统中常用的微型计算机主要有以下几种1单片微型计算机和嵌入式系统2可编程逻辑控制器3STD总线工控机4工业PC机12用单片机对系统进行控制时通常需要扩充存储器简述扩充中需注意的事项答1地址和编码方式1统一式编码方式单片机一般采用2隔离式编码方式PC机采用2M的片选控制方式1线选控制方式2局部译码法3全译码法3M芯片的选择1RAMSRAMDRAMIRAM2ROM掩膜ROMPROMEPROME2PROM闪速存储器4与CPU的连接1负载能力较小系统CPU可与M芯片直接连接较大系统时增加驱动器2时序的配合尽量选与CPU速度相近的M芯片3M的地址分配09自动化1班出品确定扩充M的容量选择合适的芯片画出地址分配图选出译码器等其它器件画出硬件连接图4搭出硬件电路并进行调试制作集成电路板13微机控制系统中常用的显示器件有哪几种各自的特点是什么什么是动态显示和静态显示比较两者的优缺点答控制系统常用显示器1显示和记录仪表2LED和LCD3CRT显示器4大屏幕1LED显示器1分为七段和米字型2有共阴和共阳两种接法3有红黄蓝紫多种颜色4已经有将46位集成在一起的多位LED数码管LED数码管的显示方法1软件实现方法动态显示单片机定时对显示器件扫描显示器件分时工作优点使用硬件少线路简单价格便宜缺点占用机时长静态显示单片机一次输出显示后一直保持显示结果直到下一次送新的显示内容优点占用机时少显示可靠缺点使用硬件多线路比较复杂价格较高2硬件实现方法采用硬件译码器代替软件获得显示代码其优点是节省CPU的机时程序设计简单同样分为动态和静态两种2LCDLCD显示器是在两片玻璃间配置1012um的薄层流体液晶构成和LED相比较LCD的特点是不仅能显示数字还能显示图像LCD显示器的显示方式笔段式类似7段LED显示器为长条状显示像素组成的显示器点阵字符式和点阵图形式显示像素连续排列可以显示字符和各种图形曲线显示时需加驱动器控制14试述可编程控制器PLCSTD工控机和工业PC机的主要特点和应用它们分别使用于何种控制系统答1PLC可编程控制器的特点可靠性高抗干扰能力强编程简单使用方便组合灵活适用面广丰富的IO接口模块功能齐全扩充方便体积小体重轻价格低应用顺序控制定时控制过程控制数据处理数据处理其他实现的功能顺序控制过程控制计数定时控制模数和数模转换数据处理通信和联网冗余控制监控功能其他功能2STD工控机特点采用165114mm的小板结构机械强度好抗冲击抗震动抗老化和抗干扰能力强小板上元件少因此散热性能好提高了系统的可靠性和可维护性此外元器件都经过09自动化1班出品严格筛选和老化处理使其产品的平均无故障间隔时间MTBF达60年提供大量功能模块近千种模块设计标准化用户可根据实际需要选择各种模块和软件构成工业控制系统既提高了设计的效率又降低了系统的成本兼容开放式的总线结构使STD总线可支持多种8位CPU包括Z80M68系列和PC系列的多种产品采用周期窃取和分时复用技术可灵活地扩充升级16位和32位的CPU配套性和兼容性好总线模板上各接口之间呈直线连接信号最短距离传送运行速度高减少了干扰对软件系统软件采用固化措施提高了可靠性应用场合由于以上特点STD总线可适应工业现场的震动灰尘高温有害气体电磁干扰等恶劣环境成为工业现场首选的控制机3工业PC机IPC特点可靠性高实时性好环境适应能力强小板结构模块化设计完善的IO通道系统开放性好性能价格比高第五章15什么是传感器传感器有哪些主要的技术指标选用传感器应当遵循哪些规则答传感器是一种能感知某一被测量并将被测量变换为相应的其它量的器件或装置传感器的技术指标1输入特性l量程测量上限与下限的差l过载超出传感器测量范围的最大允许输入值2静态响应特性l精度测量结果与真值的靠近程度l分辨率对被测量相对变化的最高反应能力l灵敏性输出量变化值与相应输入量变化值之比l稳定性在一个较长时间内保持性能参数的能力3动态特性动态特性是指被测量在变化时传感器的输出量是否能追随输入量的变化分为阶跃响应和频率响应两类可根据其特性曲线的特征值来判定主要的指标是时间常数上升时间Tr建立时间Ts过冲量衰减比等选用传感器的一般规则1与测量条件有关的事项测量的目的被测量的类型测量的范围测量所需的时间2与传感器性能有关的事项静态响应特性和动态响应特性3与使用条件有的事项场所温度湿度是否与其它设备相连外界干扰功率容量外形尺寸重量等4其它传感器的性能价格比生产厂家的服务交货时间保修时间零配件的供应等09自动化1班出品16在模拟量输入通道中信号调理包括哪几部分答放大器信号转换设备滤波器17画出模拟量输入输出通道的结构图说明各部分的作用答模拟量输入通道原理框图多路开关将待测控的多路参数分时接通送入通道进行转换将计算机处理后的数据分时的经转换成模拟信号控制执行器的执行两种用途可采用同一种多路开关但具体任务不同常将前者称为多路开关后者称为多路分配器18解释下列名词采样量化编码答采样将模拟信号变为一串脉冲信号采样的输出跟随模拟量输入的变化保持保持采样时的信号不变直到保持命令撤消为止以便完成AD转换量化将采样时刻的信号按最小量化单位取整编码将量化后的信号转换为二进制码形式即数字量属于无误差的等效转化编码后的数字量可由计算机识别并处理解码将数字信号转化为模拟脉冲信号19什么是孔径时间TAP和捕捉时间TAC答孔径时间指保持命令发出后到逻辑输入控制的开关完全断开所需时间TAP的存在影响AD转换的精度捕捉时间是采样命令发出后输出值从保持值到达当前输入信号值所需时间TAC影响采样频率的提高20AD转换器按转换方式如何分类叙述各种转换方式的优缺点答AD转换器按转换方式分类逐次逼近型双积分型VF型变换器09自动化1班出品21DA输出中解释1什么是单极性和双极性输出2什么是左对齐和右对齐答1单极性输出指输入的数字量为最小到最大时输出电压全为正或全为负在电压输出型的DA转换器中因其片内含有一级运算放大器已经将模拟电流量转换为模拟电压量输出因而属于单极性输出类型而电流输出型的DA转换器中为了保证梯形电阻网路各支路及各臂压降稳定不变必须将OUT1端接虚地因此常常将电流输出型的DA转换器的电流输出端与一电压放大器相连接而构成单极性的电压输出方式双极性输出指输入的数字量为最小到最大时输出电压部分为正部分为负在随动系统中例如伺服电机控制系统由偏差产生的控制量不仅与其大小有关而且还与控制量的极性有关因而要求DA转换器为负载提供双极性电压的输出方式2D11D10D9D8D11D10D9D8D7D6D5D4D7D6D5D4D3D2D1D0D3D2D1D0a向右对齐数据格式b向左对齐数据格式向右对齐数据时将单片机的D0D7与DA转换器的D0D7连接再将单片微机的数据总线中D3D0与DA转换器的D11D8对应连接起来向左对齐数据时将单片机的D0D7与DA转换器的D11D4连接再将单片微机的数据总线中D7D4与DA转换器的数字输入端D3D0对应连接起来22在控制系统中执行器按所需能量分分成哪三类各自的优缺点是什么答A电动执行器分为电机式和电磁式两类电机式包括伺服电动机步进电机等电磁式包括继电器接触器电磁阀电磁离合器等电动执行器具有响应速度快与计算机接口容易等优点成为计算机控制系统的主要执行机构其中步进电机由于可以直接接受数字量并且执行速度快精度高在计算机控制系统中得到了广泛的应用B气动执行器气动执行器分为薄膜式和活塞式两种气动执行器由接收器喷嘴挡板结构气马达或作动筒等部分组成接收器接受计算机发来的控制命令将电量信号转变为气压信号驱动气马达或作动筒运转开启或关闭阀门完成执行功能气动执行器的优点是结构简单输出推力大价格低廉防火防爆常用于石油化工冶金电力等部门C液压执行器09自动化1班出品液压执行器由控制部分节流阀射流喷管可调泵和执行部分液压马达动力作动简组成可将油液压力转变成机械能驱动负载直线或回转运动液压执行器的优点是能进行无级变速输出功率大结构简单维修方便常用于传送大扭矩和推力的场所23在开关量输入输出系统中为何要采取隔离措施常用的隔离措施有哪几种开关量输入输出电路中常采用哪几种保护方法答开关量继电器的合上和断开按钮的按下和松开等对于开关量控制的器件在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号如不处理可能造成计算机控制系统的损坏和误动作因此在开关量输入输出通道和接口设计中必须考虑信号的调理和隔离常用隔离措施a光电隔离b继电器隔离c变压器隔离开关量输入输出电路中常采用保护方法24说明继电器的工作原理选用继电器应考虑哪些因素答继电器是电器控制中最常用的一种控制器继电器由通电线圈和触点常开或常闭触点构成工作原理当线圈通电时由于磁场的作用使开关触点闭合或打开接通或断开执行器完成控制功能通电线圈用直流低电压控制如9V12V24V触点输出部分可以直接与220V或380V市电和工业用电相连选用继电器时应当考虑下面因素a继电器的额定工作电压或电流b接点的数量种类和负荷吸合和释放的时间c继电器的体积和封装形式d继电器的工作环境25SSR与继电器相比有何优点答继电器触点吸合时容易产生火花引起干扰影响系统可靠性SSR用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关并将光电隔离器融为一体是一种带光电隔离的无触点通断型大型功率电子开关它比电磁继电器工作可靠并有寿命长对外干扰小抗干扰能力强开关速度快使用方便输入与TTL和CMOS电平兼容等特点故在工业控制中应用广泛26在计算器控制中采用哪几种大功率器件驱动执行器的工作答a门电路b大功率管c继电器和固态继电器d可控硅27试述步进电机的结构特点和工作原理09自动化1班出品答步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行器件广泛应用于工业过程控制和仪表中结构特点与工作原理步进电机由定子转子组成转子由多个矩形小齿均匀分布在园周上定子嵌装有多相不同连接的控制绕组定子的绕组线圈由专用的电源供给电脉冲信号使定子的磁极产生磁场并与转子形成磁路使转子转动一定的角度步进电机转子的角位移与控制脉冲间精确同步可以通过改变脉冲频率来调速具有精度高能快速启停等优点28在三相步进电机中说明1三相的含义2三相单三拍三相双三拍三相六拍的通电顺序答1三相电机的定子上有6个等分磁极AABBCC相邻两个磁极间夹角600相对两个磁极组成一相构成AABBCC三相2a三相单三拍通电顺序为ABCAb三相双三拍通电顺序为BBCCABc三相六拍通电顺序为ABBBCCCA第六章29计算机控制系统的软件的分类软件应具有哪些主要特点什么是顺序查表法计算查表法和对分查表法答计算机控制系统的软件的分类系统软件和应用软件计算机控制系统的软件应当具有以下特点a实时性对系统的一组特定的输入在未发生变化前系统能作出适当的反应b并发性能支持多任务并行操作具有资源共享保护功能并能有效地进行联网通信d随机性能及时响应偶发性事件并能对这些事件做出正确的判断和处理e良好的界面软件应当有友好的界面以利于参数的调整和操作人员的操作顺序查表法对无顺序排列的表格一般采用顺序查表法顺序查表的步骤如下1表的起始位置送PC和DPTR2表格的长度存放在某个寄存器中3要查找的关键字放在某一内存单元4用CJNEAdirectrel指令进行查找计算查表法根据所给元素通过一定规律的计算求出元素所对应的数值的地址将该地址单元的内容取出计算查表法要求表格有序各个元素在表中排列与占用的地址空间一致对分查表法09自动化1班出品当实际应用中表格较长又难以用计算法时可用对分查表法对分查表法要求表格从大小或从小大的顺序排列对分查表法比顺序查表法快很多倍l设一个线性表字节长度为n采用顺序法平均查表次数N2采用对分查表法最多查找2N1次l具体方法设表格中数据从小大的顺序排列先取中间值Dn2与要搜索的X值进行比较若Xn2则下次取n2n中间值即34n进行比较若Xn2取14n比较一直到找到30数字滤波与RC滤波器相比有那些优点答数字滤波与RC滤波相比有以下优点a无需增加硬件只需编写一段数字滤波程序b可多通道共享不存在阻抗匹配问题可靠性高c滤波的频率范围宽如可对001HZ的信号进行滤波d可改变参数或选择不同的方法进行修改使用方便灵活31常用的数字滤波有哪些分别应用在哪些场合答常用的有程序判断滤波中值滤波算术平均值滤波加权平均值滤波等适用场合a程序判断滤波当采样信号由于随机干扰误检测和传感器不稳定等因素造成尖峰干扰或检测严重失真时可采用此方法b中值滤波对脉冲引起的不稳定较有效但只使用于变化缓慢的量c算术平均值滤波可对压力流量等周期性脉动的采样值进行平滑加工对脉冲干扰则不理想当采样值N增大时平滑度提高但系统的灵敏度下降d加权平均值滤波可根据需要改变采样值的权的轻重从而突出采样信号的某些部分抑制另一部分运用得当可获得较好的滤波效果第二章32大林算法的设计准则和振铃现象的消除方法答具有纯滞后环节的被控对象可以用一阶或二阶惯性系统来近似P3133解释下列名词可靠性错误和故障噪声和干扰可靠性的概念有两方面含义一是系统在规定的时间内尽可能减少故障和错误的发生二是如果发生故障和错误能迅速进行维修使系统尽快恢复正常工作重新投入使用错误瞬时性的功能上出现偏差的异常状态称为错误故障固定性的功能部件必要操作能力消失的异常称为故障噪声是一种明显不传送信息的信号它与信号叠加或组合使有用信号发生畸变干扰当噪声引起设备或系统性能下降甚至不能正常工作时称为干扰34计算机控制系统系统设计的步骤