㈠ 計算機控制技術復習題綱
第一章 計算機控制系統概述
1 計算機控制系統包括計算機硬體設備、控制軟體和計算機通信網路3部分（或本體和受控對象組成）
2計算機控制系統就是利用計算機來實現生產過程的自動控制系統，它由控制計算機本體（包括硬體、軟體和網路結構）和受控對象兩部分組成。
3 什麼是計算機系統的實時性，實時的性能通常受 哪些因素的影響，為什麼要強調系統的實時性？答1、如果計算機能夠在工藝要求的時間范圍內及時對被控參數進行測量、計算和控制輸出則稱為實時控制 2、實時控制性能通常受儀表的傳輸延遲、控制演算法的復雜程度，微處理器的運算速度和控制量輸出的延遲的影響3、因為實時控制的概念與工藝要求緊密相連，如快速變化的壓力對象控制的實時控制時間要比緩慢變化的溫度對象的實時控制時間快
4 開環系統： 如果系統的輸出端和輸入端之間不存在反饋迴路，輸出量對系統的控製作用沒有影響，這樣的系統成為開環控制系統
聯機(在線)控制：生產設備直接與計算機控制系統連接的方式
聯機(離線)控制：生產設備不直接與計算機控制系統連接
5開環和閉環控制系統的特點？開環控制結構簡單，但性能較差，不能保證輸出。閉環復雜控制性能好，需要控制對象的反饋。
6 計算機控制系統執行控製程序的過程1、實時數據採集 對被控參數在一定的采樣間隔進行檢測，並將采樣結果輸入計算機。2、實時計算 對採集到的被控參數進行處理後按一定的預先規定的控制規律進行控制率的計算或稱決策，決定當前的控制量。3、實時控制
根據實時計算結果，將控制信號作用到控制的執行機構。4、信息管理 隨著網路技術和控制策略的發展，信息共享和管理也介入到控制系統中。
7 實時控制：如果計算機能夠在工藝要求的時間范圍內及時對被控參數進行測量、計算和控制輸出。實時控制的性能通常受儀表的傳輸延遲、控制演算法和復雜程度、微處理器的運算速度和控制量輸出的延遲等影響
8 數據採集和監視系統的特點：計算機在數據採集和處理時，主要是對大量的過程參數進行巡迴檢測、數據記錄、數據計算、數據統計和處理、參數的越限報警及對大量數據進行積累和實時分析。這種應用方式，計算機不直接參與過程式控制制，對生產過程不直接產生影響
9 直接數字控制系統特點：直接數字控制系統中的計算機部分參加閉環控制過程，無需中間環節（調節器）。計算機通過過程輸入通道對一個或者多個物理量進行巡迴檢測，並根據規定的控制規律進行運算，而且不需要改變硬體只需要通過改變軟體就可以有效的實現復雜的控制演算法。而且不需要改變硬體，只需要通過改變軟體就可以有效的實現較復雜的控制演算法
10 計算機在工業控制中的典型應用形式： 數據採集和監視系統、直接數字控制系統、監督控制系統，分布式控制系統，現場匯流排式控制系統
11 典型工業受控對象：從被控過程的性質來看基本上可以分為連續過程（不間斷的生產過程）、離散過程（單件形態產品的生產過程）和以批次為基準的過程（二者兼有）3種
第二章 基本輸入輸出介面技術
1由於計算機的特性不同因此他們與微處理器交換信息時往往出現速度不匹配、電平不匹配或數據格式方面的問題 為了解決解決這些問題設計介於主機和外部設備之間的控制邏輯部件，即介面 介面是一套介於主機和外部設備之間的控制邏輯部件
2常用的介面電路有兩類1、通用介面 有並行I/O介面、串列I/O介面、中斷管理介面、直接存儲器存取DMA管理、定時/計數介面 2、專用介面 主要有A/D轉換介面、D/A轉換介面、多路轉換介面
3所謂並行介面，就是指從介面輸入和向介面輸出數據，都是按一個字或一個位元組所包含的全部位數同時並行的傳送；所謂串列介面，是指面向設備一側的數據輸入和輸出只有一根 通信電線，數據按通信規程約定的編碼格式沿該線一位接一位地串列傳送。
4 8255A 有三種工作方式：方式0是基本輸入方式；方式1是選通輸入輸出方式；方式2 是雙向傳送方式 。其中埠A有方式0、1、2，埠B只有方式0、1而埠C的高四位隨埠A，低四位隨埠B
5最常見的計算機人機設備是鍵盤和顯示器 常用的鍵盤有兩種：編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。 優缺點：編碼式鍵盤軟體工作量小，速度快且可靠，但硬體結構復雜，費用高；非編碼式鍵盤雖然價格低廉，但軟體工作量大，耗時大
微處理器是通過行、列掃描和查詢來識別鍵盤的
顯示器採用非掃描即靜態顯示方式，其優點是亮度大，顯示程序簡單，主程序不必掃描顯示器，可有更多時間用於控制任務，缺點是硬體用的較多。
顯示器採用掃描顯示方法，只需要一個74LS164,但需加欄位與位數兩組驅動器7407和7406。顯示器採用共陰極接法，其字型編碼為共陽極接法的反碼
第三章 過程通道和數據採集系統
在計算機和生產過程之間，必須設置信息的傳遞和變換裝置。這個裝置就稱為過程輸入、輸出通道，他們在微型計算機和生產過程之間起了紐帶和橋梁的作用
過程通道包括:模擬量輸入通道（AI）、模擬量輸出通道（AO）、數字量輸入通道（DI）數字量輸出通道 （DO）
信號轉換中的采樣、量化、和編碼
數字計算機進入控制系統，首先必須解決模擬信號和數字信號之間的轉換問題。計算機內參與算術運算和邏輯運算的信息是二進制數碼的數字信號。
信號的采樣：把時間連續的信號變成一連串時間不連續的脈沖信號的過程為采樣過程
量化：采樣信號不能直接進入數字計算機。采樣信號經整量化後成為數字信號的過程為量化過程。量化單位q是A /D轉換器最低位二進制位所代表的物理量量化誤差+—1/2q
編碼：把量化信號轉換為二進制代碼的過程
模擬量輸入通道一般由信號處理、多路轉換器、放大器 采樣-保持器和A/D 轉換器組成
信號處理可選擇的內容包括小信號放大、信號濾波、信號衰減、阻抗匹配、電平交換、非線性補償、電流/電壓轉換等
為什麼要使用采樣保持器（作用）為了滿足轉換精度的條件下提高信號允許的工作頻率
當輸入的模擬信號變化很緩慢，A/D轉換相對講以足夠快時，可以不用采樣保持器
A/D轉換原理 低、中速的大規模集成A/D轉換晶元常用的轉換方法有計數-比較式、雙斜率積分式和逐次積分式3種
逐次逼近式A/D轉換器的優點是精度較高，轉換速度較快，缺點是抗干擾能力不夠強，而且當信號變化率較高時，會產生較大的線性誤差。
雙斜率積分式 模擬輸入電壓與參考電壓的比值就等於兩個時間值之比（一個是模擬輸入電壓向電容充電的固定時間另一個是在已知參考電壓下放電所需的時間） 優點：消除干擾和電源雜訊的能力強，精度高，缺點是轉換速度慢
解析度定義：能對轉換結果發生影響的最小輸入量。精度：轉換後所得結果相對於實際值的准確度
ADC0809與微處理器兼容的8通路8位A/D轉換器。它主要由逐次逼近式A/D轉換器和8路模擬開關組成。
模擬量輸入通道的任務是把微型 計算機輸出的數字量 轉換成模擬量，對該通道的要求，除了可靠性高、滿足一定的精度要求外，輸出還必須具有保持的功能，以保證被控制對象可靠地工作。
DAC0832是一個具有兩級數據緩沖器的8位D/A晶元（20個引腳）
由於DAC0832具有兩級數據鎖存器，所以，它具有雙緩沖、單緩沖及直通數據輸入三種工作方式。雙緩沖工作方式時，8位輸入寄存器和8位DAC寄存器可分別由LE1和LE2控制，單緩沖工作方式時，只用輸入寄存器鎖存數據，另一級8位DAC寄存器接成直通方式，即把WR2和XFER接地，或者兩級寄存器同時鎖存，直通方式時，應把所有控制信號接成有效形式：CS,WR1 ,WR2, 和XFER接地, ILE接+5V
DAC0832有兩個輸出端LOUT1和LOUT2為電流輸出形式，為使輸出電流線性地轉移成電壓，要在輸出端接上運算放大器， DAC0832工作於單緩沖方式
不管什麼樣的干擾源，對計算機的干擾總是通過傳導和直接輻射兩種途徑進入計算機系統的
按干擾的作用方式不同，可以分為常態和共態干擾兩種，
所謂常態干擾是指疊加在被測信號上的干擾雜訊。常態干擾和被測信號在迴路中所處的地位是相等的，因此常態干擾又稱串模干擾 所謂共態干擾是指A/D轉換器兩個輸入端上公有的干擾電壓。共態干擾常稱共模干擾
被測信號Us的參考接地點和計算機輸入端信號的參考接地點之間往往存在著一定的電位差Ucm，Ucm是轉換器輸入端上公有的干擾電壓，故稱為共態干擾電壓。
什麼是串模干擾及其抑制方法？答①、常態干擾是串模干擾。②1、採用輸入低通濾波器來抑制高頻常態干擾，採用輸入高通濾波器來抑制低頻常態干擾，2當尖峰型常態干擾成為主要干擾源時，用雙斜率積分式A/D轉換器可以削弱常態干擾的影響3、在常態干擾主要來自電磁感應的情況下，對被測信號應盡可能早的進行前置放大，或者盡可能早的完成A/D變換或採取隔離和屏蔽等措施。4、從選擇邏輯器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制常態干擾。5如果常態干擾的變化速度與被測信號相當，則從根本上消除產生常態干擾的原因或利用數字濾波技術對已經進入計算機的帶有常態干擾的數據進行處理，
共模干擾的抑制方法1、利用雙端輸入的運算放大器作為A/D轉換器前面的前置放大器2、利用變壓器或光電耦合器把各種模擬負載與數字信息源隔離開來，也就是把『模擬的』與『數字的』斷開，3採用浮 地輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾4、用儀表放大器提高共模抑制比
第四章 步進電機的控制
步進電機又稱脈沖電機，它接受 脈沖數字信號，每來一個脈沖走一步
分為旋轉式和直線式兩類
改變速度的方式：改變脈沖的速率，改變轉向的方法：改變繞組通電次序
步進電機的工作方式
⑴單相三拍工作方式(簡稱單三拍)其通電次序為A→B→C→A或A→C→B→A⑵雙相三拍（簡稱雙三拍）通電次序為AB→BC→CA→AB或者AB→AC→CB→BA（3）三相六拍工作方式A→AB→BC→C→CA→A或者A→AC→C→CB→B→BA→A
第五章數字pid控制演算法
傳遞函數
模擬PId控制規律
增量式PID演算法與位置式相比的優點：1、位置式演算法每次輸出與整個過去狀態有關,計算式中要用到過去偏差的累加值 ，容易產生較大的累計誤差，而增量式只需計算增量當存在計算機誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小2、控制從手動切換到自動時，必須首先將計算機的輸出值設置為原始閥門開度u0，才能保證無沖擊切換。
為了克服積分飽和作用的方法：1、遇限削弱積分法 基本思想是：一旦控制變數進入飽和區，將只執行削弱積分項的運算而停止進行增大積分項的運算。2、積分分離法 它在開始時不進行積分，直到偏差達到一定閾值後才進行積分累積。這樣一方面防止了一開始有過大的控制量；一方面即使進入飽和後，因積分累積小也能較快退出，減少了超調。3、有效偏差法 是將相應的這一控制量的偏差值作為有效偏差值計入積分累計而不是將實際偏差計入積分累計。
比例和微分飽和對系統的影響其表現形式與積分飽和不同的不是超調，而是減慢動態過程
干擾的抑制方法1、平均值濾波法2、不完全微分法3.、單獨修改微分項
湊試法確定 PID調節參數的步驟
增大比例系數K，一般將加大系統的響應，在有靜差的情況下有利於減小靜差
增大積分時間Ti，有利於較小超調減小震盪，使系統更加穩定，但系統靜差消除將隨之減慢 增大微分時間Td ,有利於加快系統響應，使超調量減小，穩定性增加，但系統對擾動的抑制能力削弱，對擾動 有叫敏感的響應 步驟：1先整定比例環節 將比例系數由小變大，並觀察相應的系統響應，直至得到反應快、超調小的響應曲線。2後加入比例環節 如果在比例調節的基礎上系統的靜差不能滿足設計要求，則需加入積分環節3再加入微分環節 若使用比例積分調節器消除了靜差，但動態過程經反復調整仍不能滿意，則可加入微分環節，構成比例環節調節器。
采樣周期越小，數字模擬越精確，控制效果越接近於連續控制。
實際選擇采樣周期時必須綜合考慮：1、采樣周期要比對象時間常數小的多，否則采樣信號無法反映瞬變過程2、采樣周期應遠小於對象的擾動信號的周期3、考慮執行器的響應速度4、考慮對象所要求的控制質量，精度越高，采樣周期越短以減小系統純滯後5、當系統純滯後佔主導地位時應按純滯後大小選取，並盡可能使純滯後時間接近或等於采樣周期的整數倍
所謂控制器的可實現性，是指在控制演算法中，不允許出現未來時刻的偏差值。因為除了在某些預測演算法中可近似使用偏差預測值外，一般來說，未來的偏差是未知的，不能用來計算現時的控制量。這就要求數字控制器的Z傳遞函數D（z）不能有z的正冪項。
對最少拍控制系統設計的具體要求1、對特定的參考輸入信號，在到達穩態後，系統在采樣點的輸出值准確跟蹤輸入信號，不存在靜差。2、在各種使系統在有限拍內達到 穩態的設計中，系統准確跟蹤輸入信號所需的采樣周期數應為最少3、數字控制器D（z）必須在物理上可以實現4、閉環系統必須是穩定的