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计算机控制技术复习

计算机控制技术

第1章绪论

1.计算机控制系统

计算机控制系统就是利用计算机（常称为工业控制计算机，简称工业控制机IPC）来实现生产过程自动控制的系统。

2.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：

对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入

（2）实时决策：

对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取的控制策略。

（3）实时控制：

根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

3．在线方式

生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式，反之称为离线方式。

4．实时的含义

实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。

2个要素：

①根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间

②该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应

一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。

5．计算机控制系统的典型形式

（1）操作指导控制系统（OperationalInformationSystem简称OIS）

操作指导控制系统依赖数据采集信息，由计算机根据数学模型计算出生产过程工况，给出操作指导信息，计算机的输出不直接用来控制被控对象。

（2）直接数字控制系统（DirectDigitalControl简称DDC）

DDC系统中的计算机直接承担控制任务，属于闭环控制系统。

DDC系统：

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，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。

（3）监督控制系统

SCC（SupervisoryComputerControl）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。

（4）集散控制系统（DistributedContro1System简称DCS）

DCS由多个相关联可以共同承担工作的微处理器为核心，一起组成可以并行运行多项任务的系统，实现不同地域和不同功能的控制。

通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现复杂的控制和优化。

（5）现场总线控制系统（FieldbusControlSystem简称FCS）

FCS的结构模式为：

“工作站—现场总线智能仪表”二层结构。

（6）PLC+上位机系统

PLC与计算机实现集成，以组成大型的PLC控制系统。

第2章工业计算机简介

1.工业控制计算机

传统意义上,将用于工业生产过程的数据采集、控制和管理的计算机称为工业控制计算机。

工业控制计算机是“应用在国民经济发展和国防建设的各个领域、具有恶劣环境适应能力、能长期稳定工作的“加固型计算机”，简称“工控机”“IPC”。

2．总线的定义

总线（BUS）：

是功能部件之间实现互连的一组公共信号线，用作相互间信息交换的公共信道。

3．总线分类

（1）根据总线的功能和应用场合分类：

1）内部总线（InternalBus）：

用于计算机内部模块（板）之间通信。

2）外部总线（ExternalBus）：

又称通讯总线，用于计算机之间或计算机与设备之间通信。

（2）根据总线传送数据的方式分类

1）并行总线；

2）串行总线

（3）计算机中的总线分为：

内部总线和外部总线。

1）内总线：

计算机内部功能模板之间进行通信的总线。

按功能分为：

数据、地址、控制、电源总线

2）外总线：

通信总线

4．工业控制机分类

按照所采用的总线标准类型可将工业控制机分成下列四类：

1）PC总线工控机

PC总线工控机有ISA总线、VESA局部总线（VL—BUS）、PCI总线、CPCI总线、PC104总线等几种类型工控机，主机CPU类型有x86、Pentium、双核等

2）STD总线工控机

STD总线工控机采用STD总线，主机CPU类型有80386、80486、Pentium等，另外与STD总线相类似的尚有STE总线工控机

3）VME总线工控机

VME总线工控机它采用VME总线，主机CPU类型以Motoro1a公司的M68000、M68020和M68030为主。

4）多总线工控机

多总线工控机它采用MultiBus总线，以INTEL工控机为代表，主机CPU类型有80386、80486、Pentium等。

第3章计算机控制系统输入输出接口技术

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。

（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/DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC）。

3．常用的A／D转换方式

常用的A／D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。

4．D转换器的主要技术指标

（1）转换时间

指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间

（2）分辨率

表示A／D转换器输出数字量最低位变化所需输入模拟电压的变化量。

用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。

（3）线性误差

在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。

（4）量程

即所能转换的输入电压范围，如:

-5V～+5V，0～10V，0～5V等。

5．设被测温度变化范围为0oC~1200oC,如果要求误差不超过0.4oC,应选用分辨为多少位的A/D转换器？

选择依据：

6.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。

7.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。

8．A／D转换器与CPU信息传递的方式

A／D与CPU信息传递常用的方式有：

（1）程序查询方式

CPU先向A／D转换器发出启动转换信号，然后读入“转换结束”信号，当状态满足时即读入数据，否则继续查询。

这种方法程序设计比较简单，可靠性高，但实时性差。

（2）延时采样方式

CPU先向A／D发出启动转换信号，然后软件延时，延时时间取决于A／D转换速度。

这种方式硬件设计简单，但信息传递较前述方式慢，该方式中CPU延时等待时间必须大于或等于A／D转换时间。

（3）中断方式

CPU发出A／D转换信号启动转换后即去做其它工作，一旦A／D转换结束，即由“转换结束”信号向CPU申请中断，CPU一旦响应中断即读入数据。

在A/D转换过程中，CPU与A/D是并行工作的，从而提高了系统的工作效率

（4）DMA方式

数据从A／D转换器接口直接送到存储区，不经CPU中转，使传输速率大大提高。

但还需要作一些DMA传送开始前的准备，如选定传送通道及工作模式、开放DMA请求以及设定传送总字节数和存储器地址等。

传送完毕，屏蔽DMA请求，撤销DMA回答，释放总线，并交回CPU。

9.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。

本例用8031、DAC0809设计的数据采集系统实例。

把采样转换所得的数字量按序存于片内RAM的30H~37H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：

MOVR0，#30H；设立数据存储区指针

MOVR2，#08H；设置8路采样计数值

SETBIT0；设置外部中断0为边沿触发方式

SETBEA；CPU开放中断

SETBEX0；允许外部中断0中断

MOVDPTR，#0FEF8H；送入口地址并指向IN0

LOOP：

MOVX@DPTR，A；启动A/D转换，A的值无意义

HERE：

SJMPHERE；等待中断

中断服务程序：

MOVXA，@DPTR；读取转换后的数字量

MOV@R0，A；存入片内RAM单元

INCDPTR；指向下一模拟通道

INCR0；指向下一个数据存储单元

DJNZR2，INT0；8路未转换完，则继续

CLREA；已转换完，则关中断

CLREX0；禁止外部中断0中断

RETI；中断返回

INT0：

MOVX@DPTR，A；再次启动A/D转换

RETI；中断返回

10.对理想多路模拟开关的要求是什么？

理想的多路开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。

（实际情况是：

多路模拟开关的开路电阻不可能无穷大；其接通时的导通电阻不可能为零。

）

11．模拟量输入通道的隔离

模拟量输入通道的隔离主要有：

模拟隔离、数字隔离

（1）模拟量输入通道的模拟隔离

两项隔离措施：

①对多路模拟开关（CD4051）的控制信号和地址信号（A、B、C）进行光电隔离，

②采用变压器耦合隔离或光电隔离放大器。

（2）模拟量输入通道的数字隔离

采用光电耦合器件将模拟量输入通道的控制信号、地址信号以及A/D转换后得到的结果信号从电气连接上隔离开。

12.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3.1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3.1光电耦合器电路图

13.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/AnalogConverter,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0～10mA或4～20mA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。

14.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。

15.简述两种硬件消抖电路的工作原理。

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。

16．开关量输出驱动电路

小功率驱动电路：

驱动发光二极管、LED、小功率继电器等，电路的驱动能力10～40mA，用小功率的三极管或集成电路驱动。

画出电路

第4章计算机控制系统的控制算法

1．数字滤波

就是在计算机中用某种计算方法对输入的信号进行数学处理。

减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。

数字滤波有：

（1）程序判断法（限幅滤波）

基本方法是比较n和n-1时刻的两个采样值yn和yn-1，如果它们超过了参数的最大变化范围，则认为发生了随机干扰，并视后一次采样值yn为非法值，剔除yn，可以用第n-1次采样值经滤波后的输出n-1替代

（2）中位值滤波法

对某一被测参数连续采样n次（一般n取奇数），然后把n次采样值按大小排队，取中间值为本次采样值。

中位值滤波能有效地克服脉冲干扰,对缓慢变化的过程有良好的效果。

（3）算术平均滤波法

对采样数据yi连续的N个测量值进行算术平均。

其数学表达式为：

适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。

（4）递推平均滤波法

把N个采样数据看成一个队列，长度固定为N，每次采样，把采样结果放入队尾，扔掉队首的数据，把队列中的N个数据进行算术平均其数学表达式为:

递推平均滤波法对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；不易消除脉冲干扰，而适用于高频振荡的系统。

（5）加权递推平均滤波法

算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数,即1/N。

加权递推平均滤波算法对不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近现时刻的数据权取得越大，提高系统对当前采样值的灵敏度，N项加权递推平均滤波算法为:

式中，C0,C1,……，CN-1为常数，且满足如下条件C0十C1+……+CN-1＝1并C0＞C1＞……＞CN-1＞0

常系数C0，C1，……，CN-1选取有多种方法，其中最常用的是加权系数法。

2．标度变换

（1）线性参数的标度变换

线性参数：

一次仪表测量值与A／D转换结果具有线性关系

标度变换公式为：

式中：

A0—一次测量仪表的下限

N0—仪表下限对应的数字量

Am—一次测量仪表的上限

Nm—仪表上限对应的数字量

Ax—实际测量值（工程量）

Nx—测量值所对应的数字量

其中A0，Am，N0，Nm对于某一个固定的被测参数来说是常数。

3．某热处理炉温度测量仪表的量程为200～800℃,在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0CDH.求此时温度值为多少？

（设仪表量程为线性,A/D转换为8位）

解：

已知A0＝200℃，Am＝800℃，Nx＝0CDH＝205，Nm＝0FFH＝255，根据式（4.10），此时温度为:

=X（800-200）+200=682（度）

第5章计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术

1．干扰形成的必要条件（干扰三要素）

干扰源、传播路径、敏感器件

2．干扰信号的耦合方式

干扰信号进入到计算机测控系统中的主要耦合方式分为四种：

（1）静电耦合方式

（2）电磁耦合方式

（3）共阻抗耦合方式

（4）电磁场辐射耦合方式

3．过程通道干扰的作用方式

过程通道干扰的作用方式，一般可分为串模干扰和共模干扰。

4．串模干扰的抑制措施

（1）采用输入滤波器

可根据干扰的频率与被测信号频率的分布特性，分别采用具有低通、高通、带通等传递特性的滤波器。

简述选择方法。

（2）进行电磁屏蔽和良好的接地

从根本上切断引起干扰的干扰源。

例如选择带屏蔽层的双绞线或同轴电缆连接一次仪表，并配以良好的接地措施来解决。

（3）选择合适的A/D转换器

串模干扰一般为对称性的交变干扰电压，采用积分式A/D转换器，可使对称的交变干扰电压相互抵消。

（4）提高回路中的信噪比

对被测信号应尽可能早地进行前置放大，可能早地完成A/D变换，以缩短I/O通道中的模拟信号传输线路，或采用隔离和屏蔽等措施。

（5）使用电流信号传输

由于电流信号不易受电磁感应信号的干扰，可以使用4～20mA的电流信号代替电压信号进行传输。

5．共模干扰及其抑制

在两地之间往往存在着一个电位差uc，这个uc对放大器产生的干扰，称为共模干扰，也称纵向干扰或共态干扰。

抑制共模干扰的措施有：

（1）采用差分放大器做信号前置放大

采用差分放大器可以有效抑制共模干扰。

（2）采用隔离技术将地电位隔开

（3）利用浮地屏蔽

6．单点接地与多点接地

（1）低频电路应单点接地

（2）高频电路应就近多点接地

7．采用监控定时器Watchdog的抗干扰措施

当侵入的尖峰脉冲干扰使程序编码的某一位（或数位）发生改变时，程序可能“飞掉”，Watchdog技术可帮助系统恢复正常运行。

监控定时器Watchdog（看门狗）可用来检测系统出错并自动恢复运行。

简述工作过程

8．双机冗余系统

双机工作策略是一台主机工作，另一台机器备用，同时一个故障检测机构不停地进行故障检测。

当检测到主机发生故障时，马上切换备用机接替主机工作，此时程序参数必须要进行转交。

第7章集散控制系统的构成

1．DCS系统可分三种类型

（1）仪表厂家生产的DCS系统如FOXBORO公司（美国）的I／A系列，Honeywell公司生产的TDC-3000和Honeywell900，横河公司的Centum和μXL等，这类系统的主要问题在于系统结构的封闭性。

（2）IPC-DCS系统该类系统建立在工业PC的基础上，采用标准的通信网络，构成开放性的DCS体系结构。

（3）PLC-DCS系统该类系统建立在PLC的基础上，将PC通信网络与PLC结合起来。

这种方式实用，可靠性高。