计算机控制系统大作业 - 副本

计算机控制系统大作业

农电2013级

（答题纸作答，附图粘在答题纸上，答案要求全部手写）1、简述开环控制系统、闭环控制系统的定义。（6分）

如果系统的输出端与输入端之间不存在反馈，也就是控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这样的系统称开环控制系统。

由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，称为闭环控制系统。

二者相比，开环控制系统的结构要简单的多，同时也比较经济。闭环系统也具有一系列优点，由于闭环控制系统拥有反馈通路，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

2、简述计算机控制系统的组成与基本工作原理。（10分）

计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。应用软件是为实现特定控制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等。它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控制系统的专业人员自行编制。

计算机控制系统的工作原理：

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

实施控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理并按已定的控制规律决定将要采取的控制行为。

实时控制输入：根据控制决策，实时的对执行机构发出控制信号，完成控制任务

3、列举计算机控制系统的典型型式。（6分）

（1）操作指导控制系统优点：结构简单，控制灵活，安全。缺点：由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。

（2）直接数字控制系统（DDS）优点：实时性好，可靠性高，适应性强。

（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最优工况。

（4）分散控制系统（DCS）优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。

（5）现场总线控制系统（FCS）优点：与DCS相比，降低了成本，提高了可靠性。

国际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构。

4、什么是串模干扰，有哪些抑制方法（12分）

所谓串模干扰就是干扰源Vc串联于信号源Vs之中。或者简单地认为它是与被测信号迭加在一起的干扰。在输入回路中它与被测信号所处的地位完全相同。串模干扰也称横向干扰或差模干扰。

抑制方法：

信号导线的扭绞。由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路包围的面积大为减少，而且是两根信号导线到干扰源的距离能大致相等，分布电容也能大致相同，所以能使由磁场和电场通过感应耦合进入回路的串模干扰大为减小。

屏蔽。为了防止电场的干扰，可以把信号导线用金属包起来。通常的做法是在导线外包一层金属网（或者铁磁材料），外套绝缘层。屏蔽的目的就是隔断“场”的耦合，抑制各种“场”的干扰。屏蔽层需要接地，才能够防止干扰。

滤波。对于变化速度很慢的直流信号，可以在仪表的输入端加入滤波电路，以使混杂于信号的干扰衰减到最小。但是在实际的工程设计中，这种方法一般很少用，通常，这一点在仪表的电路设计过程中就已经考虑了。

5、简述PID控制的三个环节及其作用（8分）

（1）比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造系统的不稳定。（2）积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强，反之积分作用就弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与其他两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。（3）微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。

6、简述计算机控制系统设计的原则与步骤（6分）

设计原则：

安全可靠实时性强操作维护方便通用性好、便于扩充系统具有开放性经济效益高设计步骤：

工程项目与控制任务的确定阶段工程项目的设计阶段离线仿真和调试阶段在线调试和运行阶段

7、用C(z)表示下列图形的输出，写出C(z)的表达式，能写

出传递函数的写出传递函数的表达式。（12分）

（a ）)()z (z GR C =不能

（b ）)()()(z R z G z C =)

()

()z (z C z R G =（c ）)()

(1)()(z R z GH z G z C +=)(1)

()(z GH z G z G +=（d ）)()(1)

()(z H z G z GR z C +=

不能

（e ）)()

()(1)()(z R z H z G z G z C +=)()(1)()(z H z G z G z G +=（f ）)()(1)

()()(2112z H G z G z R G z G z C +=

不能8、举例论述计算机控制系统在农业领域的应用（16分）

我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，20世纪80年代中期开始应用于温室控制与管理领域。温室环境控制是所有室内环控中最困难的。一般建筑物的环控几乎可以完全不受阳光的影响，温室环控则不然，温室外的环境状况对温室环控有着决定性的影响。一般的环控多只针对温度及湿度，温室环控则还需兼顾光照量、光质、光照时间、气流、植物保护、CO2浓度、水量、水温、EC 值、PH 值、溶氧等。而且温室环控的对象种类繁多，同一地生长的生物，不同种类、不同品种对环境状况的要求大不一样，即使是同一品种，在不同生长阶段对环境的要求也有所不同。而且，受能源、资金、劳动力、生产资料等资源的限制加之市场与天气的变换的影响，温室环控必须在极有效率的状态下进行。这一切使得建立一个好的温室计算机环控系统被视为一个无止境的挑战。

总体而言，温室计算机控制和管理技术的关键集中在以下几个方面：

1温室传感器技术

温室控制的依据是温室传感器检测到的信号，如果这个信号本身是不可靠的，那么整个控制系统的可靠程度就无从谈起，因此温室传感器技术是温室控制中首要的，也是最为关键的技术之一。温室传感器所要求的精度固然不高，但它的特殊性却给设计人员带来了挑战。首先是温室内长期高温高湿，由于施肥的原因，土壤及空气还会具有较高的酸碱性，这就要求温室传感器具有长久耐热、耐湿、和耐腐蚀的特性。其次是测试现场与控制器距离通常都较远，这样又出现了信号的长距离传输问题。另外由于农产品价贱，这就要求温室传感器的成本又要低。国外的传感器技术比较成熟，不仅能实现对温室内温、光、气、湿、热、营养液养分状况及温度、植物根部环境温湿度等因子的检测，而且用于检测叶面积指数、叶温、蒸腾量和长势等信息的传感器也已开始使用，这使得国外的温控系统自动化程度和控制的精度都很高。而目前我国的温室传感器技术相对落后这也正是我国温室控制技术发展的主要障碍所在。我国在温室内二氧化碳检测方面的研究十分薄弱，这是我国二氧化碳施肥技术落后的主要原因；另外我国的土壤水分传感器多数还是开关量传感器，这使得我国灌溉的自动化程度相对较低。

2温室控制器及控制软件

控制器是温室控制系统的心脏，控制软件是温室控制系统的血液。因此这两项技术在温室控制与管理技术中当然尤为关键。随着半导体工业的飞速发展，控制器处理数据的容量和速度都在呈指数增长，这才使得对温室环境的控制更为精确化，从而使温室作物的精确化生产成为可能。采用所为的服务器—客户模式(Server—CEent Mode)的分布式系统及CAN现场总线技术使得温室控制的区域更大、精确度更高、实时性更好。近年来出现的Phsh闪存技术又使得温室控制参数要经常修改这一特殊要求得到了很好的满足，可以方便地升级控制软件，甚至可以做到在线编程。温室环境系统是一个多变量的大惯性非线性系统，并且有藕合、延迟等现象，很难对这类系统建立数学模型及用经典控制方法和现代控制方法实现控制。近年来，随着神经网络、遗传算法、模糊推理等新的控制理论不断出现并逐渐应用于温室控制领域，这一问题得到很好的解决。温室控制软件也越来越多，越来越方便与成熟，专家系统也不断发展和完善，并成为当前温室控制技术研究的重要方向。

3环境控制设施

一套现代化温室可以包括下列环境控制设施：加热系统、通风系统、遮荫／保温内帘幕系统、外遮荫系统、C02施肥系统、空气循环系统、植物保护系统、高压喷雾降温系统、湿帘—风机系统、屋顶喷淋系统、补充光照系统、灌溉施肥系统、废液回收—消毒系统、电气与计算机控制系统等。这些系统都需要大量的执行机构，它们同温室传感器、控制器一样，也是温室环控的关键技术。以色列节水灌溉技术的关键便是在微米级的滴头和雾嘴上，滴头间距的合理选择决定系统灌水均匀程度，滴头的工作压力及喷嘴的设计不仅影响系统流量及喷撤距离，还影响雾化程度，最终决定节水程度。执行机构材料、可靠性、寿命都将对整个控制系统的工作状况产生重大的影响。我国进口的许多环控设备连看似简单的维修都要请外国专家也正说明了环控设施同样是环控技术的关键所在。

潮汐式灌溉系统是基于潮水涨落原理而设计的一种高效节水灌溉系统，它适用于各类盆栽植物的种植和管理，可有效提高水资源和营养液的利用效率。潮汐式灌溉主要分为两类，地面式和植床式。地面式潮汐灌溉系统是在地表砌一个可蓄水的苗盘装水池，在其中分布若干出水孔和回水孔；植床式潮汐灌溉系统则是在苗床上搭建出一层大面积的蓄水苗盘，在苗盘上预留了出水和回水孔。在应用时，灌溉水或配比好的营养液由出水孔漫出，使整个苗床中的水位缓慢上升并达到合适的液位高度（称为涨潮），将栽培床淹没约2-3公分的深度；在保持一定时间（作物根系充分吸收）后，约10-15分钟后，营养液因毛细作用而上升至盆中介质的表面，此时，打开回水口，将营养液排出，回营养液池（称为落潮），待另一栽培床需水时再将营养液送出。潮汐灌溉系统具有调整营养液pH值和各种养分浓度的设备，为免营养液过度污浊增加介质的过滤系统和消毒系统。植床潮汐灌溉系统都须使用架高的特制栽培床，所以，相对应的设备费用也较高。

潮汐灌溉是一项成熟的农业灌溉技术,在发达国家得到了广泛的利用,很好的解决了灌溉与供氧的矛盾,且灌溉基本不破坏基质的”三相”构成，是一项高效高能的农业技术。灌溉计划可由在每个植床上的基质张力仪传给温室内环境控制计算机，计算机通过控制器来控制水泵进行工作。当计算机接收到低于所设定的张力值时程序就启动水泵工作，工作时间为一定值。基质湿度张力仪由一个高流动的陶瓷尖端附加一个计算机环境控制的灵敏的压力传感器组成，张力仪将在顷刻间对基质中的湿度张力变化做出反应。

自动灌溉施肥机组是由控制器控制的，它是专门为温室园艺行业研发的，是经验证稳定、可靠的控制器。将控制面板安装在灌溉机组上，便可实现对灌溉机组的控制。可以通过预先设定的启动条件来控制电磁阀的开启和关闭从而控制灌溉施肥的进行。可以结合时间，光照

强度，累计光照和外部控制条件设定启动条件。机器可以准确地控制EC和pH值，因此每株作物都将获得严格定量的肥料。在长期的实践中，种植者可以很容易、更多地掌握针对这一作物关于水肥用量方面的信息，从而能够培育出更加优质的产品。

自动灌溉施肥系统所采用部件都是经检测的高质量原件以确保其能够运行良好。它可单独使用来实现温室内灌溉施肥的控制，也可与温室内其它自动化控制设备结合使用从而实现温室内整体的自动化控制。

9、PID控制程序的测试结果（附MATLAB测试图、测试参

数）（15分）

10、二阶控制程序的测试结果（附MATLAB的测试图、测试

参数）（15分）