计算机控制系统考试

9第一章1计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？2分析说明图1-3计算机控制系统的硬件组成及其作用。3计算机控制系统的软件由哪些部分构成？4按控制方案来分，计算机控制系统划分成那几大类？ 5计算机控制装置可以分成哪几种机型？可编程控制器 可编程调节器 总线式工控机 单片微型计算机 1. 计算机控制系统及工程应用-是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。 计算机控制系统是由常规仪表控制系统演变而来的;2.计算机控制系统硬件一般包括：主机-CPU RAMROM系统总线 常规外部设备-输入/输出设备、外存储器等 过程输入输出通道AI、AO、DI、DO 人机接口设备CRT、LED、LCD、打印机 等 通信设备交换机、modem、集线器等3.软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管理计算机本身的程序；应用软件是用户针对生产过程要求而编制的各种应用程序。 4.数据采集系统（DAS） 操作指导控制系统(OGC) 直接数字控制系统（DDC） 计算机监督控制系统（SCC）分散控制系统（DCS 现场总线控制系统（FCS）5.可编程控制器 可编程调节器 总线式工控机 单片微型计算机第二章8、结合图2-3，分析说明DAC0832的内部结构组成及其作用DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。8 位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由LE1加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由LE2加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。第三章 2分析说明8路模拟开关CD4051的结构原理图，结合真值表设计出两个CD4051扩展为一个8路双端模拟开关的示意图。 3什么叫周期采样？采样时间？采样周期？ 4分析图3-8采样保持器的原理电路及工作过程。 5简述逐位逼近式、双积分式、电压/频率式的A/D转换原理。 6结合图3-13与图3-14，分析说明ADC0809的结构组成及其引脚作用。8分析说明图3-19的8路12位A/D转换模板的工作原理。2.CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0S7端与Sm端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0S7中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、A=001时，通道S1通；当C、B、A = 111时，通道S7选通。其真值表如表3-1所示3.周期采样-就是以相同的时间间隔进行采样，即把一周个连续变化的模拟信号y(t)，按一定的时间间隔T 转变为在瞬时0，T，2T，的一连串脉冲序列信号 y*(t)， 采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时间采样周期T-采样开关每次通断的时间间隔4. 零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波形如图3-8(a)、(b)所示。采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。显然，保持电容C H的作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致5. 逐位比较式当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下， 首先使寄存器的最高位D3 = 1，其余为0， 此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即VO = 8，送到比较器输入端与被转换的模拟量VIN = 9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当VIN VO，则保留D3 = 1； 再对下一位D2进行比较，同样先使D2 = 1，与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器，转换为VO = 12再进入比较器，与VIN = 9比较，因VIN VO，则使D2 = 0； 再下一位D1位也是如此，D1 = 1即1010，经D/A转换为VO = 10，再与VIN = 9比较，因VIN VO，则使D1 = 0； 最后一位D0 = 1-即1001经D/A转换为VO = 9，再与VIN = 9比较，因VIN VO，保留D0 = 1。比较完毕，寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出 双积分式双积分式A/D转换原理如图3-11所示，在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压VIN 在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。放电时间T1或T2又正比于输入电压VIN，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。因此，计数器计数值的大小反映了输入电压VIN在固定积分时间T内的平均值。电压、频率式 A1是积分输入放大器，A2为零电压比较器，恒流源IR和开关S构成A1的反充电回路，开关S由单稳态定时器触发控制。当积分放大器A1的输出电压VO下降到零伏时，零电压比较器A2输出跳变，则触发单稳态定时器，即产生暂态时间为T1的定时脉冲，并使开关S闭合；同时又使晶体管T截止，频率输出端VfO输出高电平. 在开关S闭合期间，恒流源IR被接入积分器的输入端。由于电路是按 IRVimax/Ri设计的，故此时电容C被反向充电，充电电流为IR-Vi /Ri，则积分器A1输出电压VO从零伏起线性上升。当定时T1时间结束，定时器恢复稳态，使开关S断开，反向充电停止，同时使晶体管T导通，VfO端输出低电平， 开关S断开后，正输入电压Vi开始对电容C正向充电，其充电电流为Vi /Ri，则积分器A1输出电压VO开始线性下降。当VO=0时，比较器A2输出再次跳变，又使单稳态定时器产生T1时间的定时脉冲而控制开关S再次闭合，A1再次反向充电，同时VfO端又输出高电平。如此反复下去，就会在积分器A1输出端VO、单稳态定时器脉冲输出端和频率输出端VfO端产生如图3-12（b）所示的波形，其波形的周期为T6.各引脚功能如下： IN0IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。 A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择见表3-2 。 START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。 EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。 OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。 D0D7：8位数字量输出。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。 CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100ms。 VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VR+ = +5V DC，VR- = 0V DC。 Vcc：工作电源， +5VDC。 GND：电源地。 其转换过程表述如下：首先ALE的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路，使该路模拟量进入到A/D转换器中。同时START 的上升沿将转换器内部清零，下降沿起动A/D转换，即在时钟的作用下，逐位逼近过程开始，转换结束信号EOC即变为低电平。当转换结束后，EOC恢复高电平，此时，如果对输出允许OE输入一高电平命令，则可读出数据。8. 该模板采集数据的过程如下： (1) 通道选择 将模拟量输入通道号写入8255A的端口C低4位（PC3 PC0），可以依次选通8路通道。 (2)采样保持控制 把AD574A的信号通过反相器连到LF398的信号采样保持端，当AD574A未转换期间或转换结束时0，使LF398处于采样状态，当AD574A转换期间1，使LF398处于保持状态。 (3)启动AD574A进行A/D转换 通过8255A的端口PC6PC4输出控制信号启动AD574A （4）查询AD574A是否转换结束 读8255A的端口A，查询是否已由高电平变为低电平。 （5）读取转换结果 若已由高电平变为低电平，则读8255A端口A、B，便可得到12位转换结果。 设8255A的A、B、C端口与控制寄存器的地址为2C0H-2C3H，主过程已对8255A初始化，且已装填DS、ES(两者段基值相同)，采样值存入数据段中的采样值缓冲区BUF，另定义一个8位内存单元BUF1。该过程的数据采集程序框图如图3-20所示，数据采集程序如下第四章3. 结合图 4-4，简述信号调理电路的构成及其各元器件的作用。5. 简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。3. 信号调理电路-虽然都是数字信号，不需进行A/D 转换，但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施，即在外部信号与单片机之间要设置输入信号调理电路 凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，其端子引出均统称为开关信号。在开关输入电路中，主要是考虑信号调理技术，如电平转换，RC滤波，过电压保护，反电压保护，光电隔离等。 （1）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号。 （2）RC滤波是用 RC 滤波器滤出高频干扰。 （3）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。 （4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。 （5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。 典型的开关量输入信号调理电路如图 4-4 所示。点划线右边是由开关S 与电源组成的外部电路，（a）是直流输入电路，（b）是交流输入电路。交流输入电路比直流输入电路多一个降压电容和整流桥块，可把高压交流(如380VAC)变换为低压直流(如5VDC)。开关 S 的状态经 RC 滤波、稳压管 D1 箝位保护、电阻 R2 限流、二极管 D2 防止反极性电压输入以及光耦隔离等措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入指令便可读取开关 S 的状态。比如,当开关 S 闭合时，输入回路有电流流过，光耦中的发光管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入信号为“0”对应外电路开关 S 的闭合；反之，开关 S 断开，光耦中的发光管无电流流过，光敏管截止，数据线上为高电平，即输入信号为“1”对应外电路开关 S 的断开。5. 数字量输出通道简称 DO 通道，它的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。第五章n 4结合图5-6，分析说明矩阵式键盘电路的逐行零扫描法的工作过程。n 5分析说明图5-8二进制编码键盘接口电路的工作原理。n 4. 当键盘中无任何键按下时，所有的行线和列线被断开且相互独立，输入线Y0Y7列都为高电平；当有任意一键按下时，则该键所在的行线与列线接通，因此，该列线的电平取决于该键所在的行线。基于此，产生了“行扫描法”与“线反转法”两种识别方法。n 行扫描法又称逐行零扫描查询法，即逐行输出行扫描信号“0”，使各行依次为低电平，然后分别读入列数据，检查此（低电平）行中是否有键按下。如果读得某列线为低电平，则表示此（低电平）行线与此列线的交叉处有键按下，再对该键进行译码计算出键值，然后转入该键的功能子程序入口地址；如果没有任何一根列线为低电平，则说明此(低电平)行没有键按下。接着进行下一行的“0”行扫描与列读入，直到8行全部查完为止，若无键按下则返回。n 有时为了快速判断键盘中是否有键按下，也可先将全部行线同时置为低电平，然后检测列线的电平状态，若所有列线均为高电平，则说明键盘中无键按下，立即返回；若要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被控下，然后再如上那样进行逐行扫描。 5. 图5-8是一种采用两片CD4532B构成的16个按键的二进制编码接口电路。其中由于U1的Eo作为U2的Ei，所以按键S0的优先级最高，S15的优先级最低。U1和U2的输出O2 O0经或门A3 A1输出，以形成低3位编码D2 D0。而最高位D3则由U2的GS产生。当按键S8 S15中有一个闭合时，其输出为“1”。从而S0 S15中任意一个键被按下，由编码位D3 D0均可输出相应的4位二进制码。 为了消除键盘按下时产生的抖动干扰，该接口电路还设置了由与非门B1、B2、电阻R2、电容C2组成的单稳电路和由或门A4、电阻R1、电容C1组成的延时电路，电路中E、F、G、H和I这五点的波形如图5-9所示。由于U1和U2的GS接或门A4的输入端，所以当按下某键时，A4 为高电平，其输出经R1和C1 延时后使G点也为高电位，作为与非门B3 的输入之一。同时，U2的输出信号Eo 触发单稳(B1和B2)，在暂稳态持续时间T内，其输出F点为低电位，也作为与非门B3的输入之一。 第六章5结合图6-5，简述LED静态显示硬件译码电路的工作过程。6结合图6-6，简述LED动态显示软件译码电路的工作过程。5. 静态显示方式的关键是多个LED需与多个I/O并行口相连，一般的并行I/O口如8255A或锁存器只具备锁存功能，还要有硬件驱动电路，再配以软件译码程序6-5中有CD4511B的引脚分配，它的真值表见表6-2。 （BLanking）为空白（全灭）信号，低电平有效；(Lamp Test )为全亮试验信号，低电平有效；这两个引脚只用来测试与之连接的LED，在LED正常工作时，要把、均接接成高电平。锁存允许信号(Latch Enable)为低电平有效，作为允许BCD码输入的片选信号，片选端一般是与接口地址译码信号相连。一旦片选有效即0,则数据输入端A、B、C、D所接收的4位BCD码就会被内部逻辑电路自动译为输出端ag的段选信号，从而驱动点亮7段LED显示出相应的字符。 图6-5为4个LED组成的静态显示硬件译码接口电路，是在图6-3 LED静态显示方式的基础上，增加4片集BCD码锁存、译码和驱动为一体的CD4511B（U1U4）与1片译码器74LS138，它能够直接显示出4位十进制数。 图中，4片CD4511B分别对应连接4片7段共阴极LED显示器，74LS138译码器译出片选信号PORT0、PORT1，分别作为U1、U2和U3、U4的锁存允许信号。CPU通过输出指令把要显示字符的BCD码数据通过数据总线D7 D0输出到U1U4的数据输入端D、C、B、A，其中每2片（U1和U2，U3和U4）共用一个字节及一个片选信号。若要显示带小数点的十进制数，则只要在LED显示器的dp端另加驱动控制即可。6. 动态显示接口电路的关键是由两个I/O 并行端口分别进行段选码与位选码的锁存，除了需要配置驱动电路以外，译码扫描功能则完全由软件编程来完成。图6-6给出4个LED组成的动态显示软件译码接口电路，4个共阴极LED显示器的段选线对应并接，由一片8D触发器74LS374（U1）进行段选控制，其间串有8个三极管以正向驱动LED的阳极，此可称为段选通道。4个LED的COM端由另一片 74LS374（U2）进行位选控制，其间接有达林顿阵列驱动器MC1413（内含7对复合三极管）以对LED的阴极进行反向驱动，此构成了位选通道。 段码锁存器U1和位码锁存器U2均连在数据总线D7 D0上，CPU通过数据总线送出的数据是到U1还是U2，这要由74LS138对地址译码后的输出信号和决定。当0时，U1端口地址PORT0被选中，U1选通并锁存住CPU输出的段选码；当0时,U2端口地址PORT7被选中，U2锁存住CPU输出的位选码。设该接口电路从左到右（即从LED1到LED4）进行动态扫描，其显示过程如下：首先CPU把LED1要显示的字符段码送入段码锁存器U1，接着就往位码锁存器U2送入点亮LED1的位选码，即仅使LED1的COM端为低电平。 虽然段选码通过驱动电路同时送到各位LED，但这时只有LED1的相应段被导通点亮，而其余LED并不显示。然后CPU把LED2要显示的字符段码再送入段码锁存器U1，接着往位码锁存器U2送入点亮LED2的位选码。如此依次分别送出扫描代码，一一分别点亮各个LED。 只要刷新时间不太长，就会给人以同时显示的稳定的视觉效果。 第七章3简述数字滤波及其特点。4简述各种数字滤波方法的原理或算法及适用场合3.数字滤波，就是计算机系统对输入信号采样多次，然后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声造成的随机误差，从而获得一个真实信号的过程。这种滤波方法只是根据预定的滤波算法编制相应的程序，实质上是一种程序滤波。因而可靠性高，稳定性好，修改滤波参数也容易，而且一种滤波子程序可以被多个通道所共用，因而成本很低。另外，数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。它的不足之处是需要占用CPU的机时4.平均值滤波、中值滤波、限幅滤波和惯性滤波等。7.2.1平均值滤波术平均滤波 算术平均滤波是在采样周期T内，对测量信号y 进行m次采样， 把m个采样值相加后的算术平均值作为本次的有效采样值，这种算法适用于对周期性干扰的信号滤波 去极值平均滤波 算术平均滤波不能将明显的偶然的脉冲干扰消除，只是把其平均到采样结果中，从而降低了测量精度。去极值平均滤波是对连续采样的 m 个数据进行比较，去掉其中的最大值与最小值，然后计算余下的m-2个数据的算术平均值. 这种算法适用于工业场合经常遇到的尖脉冲干扰的信号滤波。加权平均滤波 算术平均滤波和去极值平均滤波都存在平滑性和灵敏度的矛盾。采样次数太少则平滑效果差，次数太多则灵敏度下降，对测量参数的变化趋势不敏感。为协调两者关系，可采用加权平均滤波。 加权平均滤波是对每次采样值不以相同的权系数而以增加新鲜采样值的权重相加。滑动平均滤波 前三种的平均滤波算法有一个共同点：即每取得一个有效采样值必须连续进行若干次采样。 当系统的采样速度较慢或采样信号变化较快时，系统的实时性就无法得到保证。滑动平均滤波是在每个采样周期只采样一次，将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，所得结果即为有效采样值。而滑动平均滤波算法的最大优势就是实时性好，提高了系统的响应速度。7.2.2 中值滤波 中值滤波是将信号y 的连续m次采样值按大小进行排序，取其中间值作为本次的有效采样值。本算法为取中值，故采样次数m应为奇数，一般35次即可。 编制中值滤波的算法程序，首先把m个采样值从小到大（或从大到小）进行排队，这可采用几种常规的排序算法如冒泡算法，然后再取中间值。 中值滤波对缓变过程中的偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，而对快速变化过程(如流量)的信号采样则不适用7.2.3 限幅滤波 经验说明，生产过程中许多物理量的变化需要一定的时间，因此相邻两次采样值之间的变化幅度应在一定的限度之内。限幅滤波就是把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最大差值DY进行比较，如果小于或等于DY，表示本次采样值 y(k)是真实的，则取y(k)为有效采样值；反之，y(k)是不真实的， 则取上次采样值 y(k-1)作为本次有效采样值。 限幅滤波对随机干扰或采样器不稳定引起的失真有良好的滤波效果。7.2.4 惯性滤波 惯性滤波是模拟硬件RC低通滤波器的数字实现。常用的RC滤波器的传递函数是 其中，Tf=RC是滤波器的滤波时间常数，其大小直接关系到滤波效果。一般说来， Tf 越大，则滤波器的截止频率（滤出的干扰频率）越低，滤出的电压纹波较小,但输出滞后较大。由于大的时间常数及高精度的RC电路不易制作，所以硬件RC 滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。为此可以模仿式(7-5)中硬件RC滤波器的特性参数，用软件做成低通数字滤波器，从而实现一阶惯性的数字滤波。这对于变化缓慢的采样信号(如大型贮水池的水位信号)，其滤波效果是很好的第八章n 4结合图8-11，分析说明利用光耦隔离器的开关特性也可以应用在模拟量输入或输出通道中。利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离。数字量输入输出通道中的电路实例，如图4-4开关量输入信号调理电路中，光耦隔离器不仅把开关状态送至主机数据口，而且实现了外部与计算机的完全电隔离；又如图 4-11继电器输出驱动电路中，光耦隔离器不仅把CPU的控制数据信号输出到外部的继电器，而且实现了计算机与外部的完全电隔离其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数字信号通道的隔离方法，即在A/D转换器与CPU或CPU与D/A转换器的数字信号之间插入光耦隔离器，以进行数据信号和控制信号的耦合传送，如图8-11所示。（a）是在A/D转换器与CPU接口之间8根数据线之间都各插接一个光耦隔离器(图中只画出了一个)，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了A/D转换器及其模拟量输入通道与计算机的完全电隔离；（b）是在CPU与D/A转换器接口之间8根数据线之间都各插接一个光耦隔离器(图中也只画出了一个)，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了计算机与D/A转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。利用光耦隔离器的线性放大区，也可传送模拟信号而隔离电磁干扰，即在模拟信号通道中进行隔离。例如在现场传感器与A/D转换器或D/A转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送第九章1. 什么是数字PID位置式控制算法和增量式控制算法？试比较它们的优缺点。1.位置式PID算法：模拟仪表调节器的调节动作是连续的，任何瞬间的输出控制量u都对应于执行机构的位置，故称上式为位置式PID算法缺点：需累加e(k)，占存储空间，且不便于编程2.增量式PID算法：根据上式不难得出u(k-1)的表达式将（9-6）减（9-7）得：式中 Kp称为比例增益 KI=Kp T/Ti称为积分系数 KD=KpTD /T称为微分系数位置式与增量式PID控制算法的比较增量式PID算法只需保持当前时刻以前三个时刻的误差即可。它与位置式PID相比，有下列优点：（1）位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，因此，容易产生较大 的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小。（2）控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须先将计算机的输出值置为原始阀门开时，才能保证无冲击切换。若采用增量算法，与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。9