计算机控制技术总结.doc

第一章1、 计算机控制系统的工作原理答：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。实时决策控制：对采集到的被控量进行分析处理，并按已定的控制规律，决定控制行为。实时控制输出： 根据控制决策，适时地对控制机构发出控制信号，完成控制任务。2、 计算机控制系统的组成答：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两部分组成。工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。生产过程包括被控对象和测量变送、执行机构、电气开关等装置，。3、 计算机控制系统的典型型式答：操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督控制系统，集散控制系统，现场总线控制系统，综合自动化系统。第二章 什么是总线所谓总线，就是计算机各个模块之间互联和传送信息的一组信号线。 总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。模拟量输入通道：是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。模拟量输入通道的组成一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。信号调理：为了将外部开关量信号输入到计算机,必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机所能接受的逻辑信号，这个过程叫信号调理。采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟量信号、转变成在时刻0、 T、1 T、2 T、K T的一连串脉冲输出信号的过程成为采样过程。 量化：采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信 号的幅值，将其转化为数字信号。 量化过程：将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。 3. 采样保持器（1）孔径时间和孔径误差的消除 孔径时间：A/D转换器将模拟信号转换成数字量所需的时间，称为孔径时间。 孔径误差：对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。对于一定的转换时间，误差的百分数和信号频率成正比。 孔径误差的消除： 采用带有采样保持器，限制信号的频率范围。模拟量输出通道任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、V/I变换等组成 模拟量输出通道的结构形式 1. 一个通路设置一个数/模转换器的形式（数字保持方案） 优点：转换速度快、工作可靠。 缺点：使用较多的D/A转换器。 2. 多个通路共用一个数/模转换器的形式（模拟保持方案） 优点：节省数/模转换器 缺点：分时工作，适用于通路数量多且速度要求不高的场合； 要用多路开关，且要求输出采样保持的保持时间与采样时间之比较大； 可靠性差。2.6 硬件抗干扰技术3种过程通道抗干扰技术 主机抗干扰技术 系统供电与接地技术干扰既可能来源于外部，也有可能来自内部。外部干扰由外界环境因素决定；内部干扰是由系统结构、制造工艺等决定。过程通道抗干扰技术1. 串模干扰及其抑制方法（1）串模干扰定义： 有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。（2）串模干扰的抑制方法 如果串模干扰的频率与被测信号频率不同时，可以采用滤波器来抑制干扰； 当尖峰型串模干扰为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰影响； 对于串模干扰主要来自电磁感应时，信号应仅可能早地前置放大，提高信噪比； 利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰； 采用良好的屏蔽，以减少电磁干扰。 2.共模干扰及其抑制方法（1）共模干扰定义：所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。（2）共模干扰的抑制方法变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽 、采用仪表放大器提高共模抑制比。数字PID控制器的改进积分项的改进（1）积分分离（2）抗积分饱和（3）梯形积分（4）消除积分不灵敏区u 微分项的改进（1）不完全微分PID控制改进原因：在PID控制中，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。改进方法：串联一阶惯性环节，组成不完全微分PID控制器。两种PID控制的阶跃响应：（2）微分先行PID控制算式改进原因：为避免给定值的升降给系统带来冲击，如超调过大，调节阀动作剧烈。改进方法：只对被控量y(t)微分，不对偏差e(t)微分。u 带死区的PID控制算法作用：避免控制动作过于频繁，消除频繁动作所引起的振荡。施密斯预估控制的思想 施密斯预估控制原理是：与D(s)并接一补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后部分。这个补偿环节为预估器，其传递函数为Gp(s)(1-e-ts),t为纯滞后时间。由施密斯预估器和控制器D（s）组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为D(s),经补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，且不影响系统的稳定性。所谓振铃现象，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振荡。振铃现象的消除 第一种方法是先找出D（z）中引起振铃现象的因子（z=-1附近的极点），然后令其中的z=1,根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳定值。第二种方法是从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期T及系统闭环时间常数Tt，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。软件抗干扰技术经常采用的软件抗干扰技术技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱等。先进控制技术：模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术和预测控制技术。模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置和被控对象等5个部分组成。6.6.1数字滤波技术数字滤波是通过一定得的计算或判断程序，减少干扰在有用信号中比重。与模拟滤波器相比，数字滤波器的优点：程序实现，不需硬件，可靠性高，稳定性好。可以对很低频率进行滤波，克服模拟滤波器的缺点，根据信号不同，采用不同的滤波方法，灵活、方便、功能强。1平均值滤波：适用于周期性干扰2中位滤波：使用偶然的脉冲干扰3限幅滤波：使用偶然的脉冲干扰4惯性滤波：适用于高频干扰6.6.2开关量的软件抗干扰技术1.开关量信号输入抗干扰措施干扰特点：多呈毛刺状，作用时间短。解决方法：两次采样、多次采样，完全一致方为有效。2.开关量信号输出抗干扰措施惯性大的输出设备（如各类电磁执行机构），对毛刺干扰有一定的耐受能力。惯性小的设备（如通讯口），耐受能力小，需要输出抗干扰。解决方案：重复输出统一数据，重复中期尽可能短，外设阶受到干扰信号，还来不及做出反应，一个正确的输出信息又来到了。6.6.3 指令冗余技术解决方案：在关键地方插入单字节指令（NOP)，这就是指令冗余。6.6.4 软件陷阱技术什么是软件陷阱：就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。软件陷阱的实现：无条件转移指令软件陷阱的位置（1）未使用的中间向量区（2）未使用的大片ROM区3）表格（4）程序区网络拓扑结构星形、环形、总线型、树形。1.网络拓扑结构（1）星形结构：结构：中心结点是主结点，它接受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有中继交换和数据处理功能。特点：网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；网络延迟时间短，传输错误率较低；网络可靠性较低，一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪；网络资源大部分在外围点上，相互结点必须经过中央结点才能转发信息；通讯电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。（2）环形结构：结构：各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。特点：信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两个结点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制；环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，因此控制软件较简单；环路中，当某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。（3）总线形：；结构：个结点经其接口，通过一条或几条通讯线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被任一结点接收。由于信息传输方向是从发送结点向两端扩散，因此又称为广播式网络。特点：结构简单灵活，扩展方便；可靠性高，网络响应速度快；共享资源能力强，便于广播式工作；设备少，价格低，安装和使用方便；由于所有结点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。（4）树形：结构：分层结构，适用于分级管理和控制系统。特点：通讯线路总长度较短，连网成本低，易于扩展，但结构较星形复杂；网络中除叶结点外，任一结点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。介质访问控制技术什么介质访问控制?各结点通过公共通道传输信息，因此存在如何合理分配信道的问题，访问控制方式的功能是合理解决信道的分配。（1）冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）适用于总线形工作原理当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。确定等待时间的方法当某结点检测到信道被占用后，继续检测，发现空闲，立即发送；当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信道空闲，开始发送。（2）令牌环适用于环网令牌的定义是控制标志，网中只设一张令牌，并依次沿各结点传送。（3）令牌总线适用于总线形式原理：把总线形传输介质的各个结点形成一个逻辑环，即人为地给各个规定一个顺序。控制方式类似于令牌环。.差错控制技术改善信道的点性能，使误码率降低（1）奇偶校验（2）循环冗余校验CRC校验（3）纠错方式3种：重发纠错，自动纠错，混合纠错分布式控制系统答：分布式控制系统就是指综合了计算机技术、控制技术、CRT显示技术、通信技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能，为用户实现过程控制自动化与信息管理想结合的管控一体化的综合集成系统。什么叫现场总线现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场仪表或现场设备互连的通信网络。现场总线的体系结构主要表现以下6个方面：（1） 现场通信网络（2）现场设备互连（3）互操作性（4）分散功能块（50通信线供电（6）开放式互连网络OPC OPC是用于过程控制的对象链接嵌入技术，OPC采用客户/服务层结构想下层提供接口，时信息进入OPC服务器，向上层提供接口，实现向上互联。系统集成：按系统整体性原理，将原来没有联系或联系不紧密的元素组成为具有一定功能的，满足目标、相互联系、彼此协调工作的新系统的过程、技术与科学而引出的系统集成工程。