计算机控制系统知识点

（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I/O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I/O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（DAS，DataAcquisionSystem）2）直接数字控制系统（DDC，DirectDigitalControl）3）计算机监督系统（SCC，SupervisoryComputerControl）4）分布式控制系统（DCS，DistributedControlSystem）5）现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）1）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。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AI、DI送DDC的同时也送SCC。SCC根据采集的数据，经过计算后获得最佳设定值传送给DDC。DDC对设定值和测量值进行比较，比较后的结果经AO、DO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（FCS）FCS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。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（Proportional、Integral、Differential）的函数，简称PID控制优点：（1）PID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Ki/S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Ki=Kp*T/Ti为积分系数Kd=Kp*Td/T为微分系数。增量式数字PID的控制算式)()()()()(1TkTekTejTekTekkTuTTkiTTpdi)()1()()(11)(1zEZzEkpzUTTdzzETiT)1()(111)()(1ZKKKZDdZipZEZU)()()(TkTukTukTu)2()(2)()()()(TkTeTkTekTekkTekTkTekTekdip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fs≥2fmax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。10、PID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。)2()()2()()()(TkTekTkTekkkTekkkkTuddpdip（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Ess。（3）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⑴，⑵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δu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1.05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T、KP、KI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（3）STD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2）M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3）M芯片的选择（1）RAMSRAM、DRAM、IRAM（2）ROM掩膜ROM、PROM、EPROM、E2PROM、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。（3）M的地址分配dttE)(20模拟dttEDDCdttE)()(2020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2）LED和LCD3）CRT显示器4）大屏幕1、LED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4-6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①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②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。2、LCDLCD显示器是在两片玻璃间配置10-12um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：①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。②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PLC、STD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：（1）PLC可编程控制器的特点:①可靠性高、抗干扰能力强②编程简单，使用方便③组合灵活，适用面广④丰富的I/O接口模块，功能齐全，扩充方便⑤体积小，体重轻，价格低。应用：①顺序控制②定时控制③过程控制④数据处理⑤数据处理⑥其他实现的功能：①顺序控制②过程控制③计数定时控制④模/数和数/模转换⑤数据处理⑥通信和联网⑦冗余控制⑧监控功能⑨其他功能（2）STD工控机特点：①采用165×114mm的小板结构，机械强度好，抗冲击、抗震动、抗老化和抗干扰能