计算机控制知识点
一、1、简述计算机控制系统与常规仪表控制系统的基本结构及主要异同点。
答：相同点：1、结构基本相同功能相同。 2、计算机控制系统是在常规仪表控制系统演变而来。
不同点：1、计算机控制系统能够实现复杂的控制规律从而达到较高的控制质量。
2）、由于计算机具有分时操作的功能，所以计算机控制系统具有群控的功能。
3）、由于计算机的软件有恢复功能，所以计算机控制系统灵活性强。
4）、由于计算机控制系统有有效的抗干扰、抗噪声，所以可靠性高。
5）、由于计算机有监控、报警、自诊断功能，所以计算机控制系统的可维护性强。
4、按控制方案来分，计算机控制系统划分为哪几大类？
答：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）、监督计算机控制系统（SCC）、分散控制系统（DCS）、现场总线控制系统(FCS)和计算机集成制造系统(CIMS)。
5、计算机控制装置可以分成哪几种类型？
答：可编程控制器、可编程调节器、总线式工控机、嵌入式计算机系统、分散控制系统和现场总线控制系统。
二、4、结合图2-5分析说明有的DAC0832组成的单缓冲接口电路的工作过程，编写完成一次D/A转换的接口程序。
答：工作过程：0832片选信号有效要求P2口各位为P2.7=P2.6=1，P2.5=P2.4=P2.2=P2.1=P2.0=0，P2.3任意，设未用地址为全取0，则0832访问地址为1100 0000 0000 0000B=0C000H
MOV A,@R0 MOV DPTR,#T000H MOV X @DPTR,A DNC R0
MOV A,@R0 MOV DPTR,#T100H MOV X @DPTR,A
6、简单说明D/A转换输出电路有几种输出方式。
答：（1）、电压输出方式（①单极性输出方式②双极性输出方式）
（2）、电流输出方式（①普通运算放大器V/I变换电路②集成芯片V/I变换电路）（3）、自动/手动切换输出方式（①自动/
手动状态下的V/I变换②自动/手动双向无扰动切换）
三、5、简述逐位逼近式、双积分式的A/D转换原理。
答：1．逐位逼近式 A/D 转换原理:从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。 2．双积分式:将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。①Vin 对电容 C 在规定的时间 T 内进行正向充电，②在控制开关的作用下，将其切换到与 Vin 极性相反的基准电源上，C 放电，同时启动计数器。③当比较器判定电容 C 放电完毕后停止计数，同时发出转换结束信号。
四、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。
答：构成：电平转换、RC滤波、过电压保护、反电压保护、光电隔离等.
作用：(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钳位在安全电平上。（4）、反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。（5）、光电隔离是用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。
五、2、简述何为键盘的抖动干扰及其消除的两种方法。
答：由于机械触点的弹性振动，安键再按下时不会马上稳定的接通而在弹起时也不能一下子完全地断开，因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连串的抖动，这称为按键的抖动干扰。去抖动的方法有硬件方法和软件方法两种。
1、硬件方法：硬件方法是设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路来避开按键的抖动时间。
2、软件方法：软件方法是指编制一段时间大于100ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。同理，在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以消除后延抖动，然后转入对该按键的处理。
六、5、结合图6-5，简述LED静态显示硬件译码电路的工作过程。
答：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（U1~U4）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U1~U4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、结合图6-5，简述LED动态显示硬件译码电路的工作过程。
答：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U=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。
七、3、简述数字滤波及其特点。
答：数字滤波、平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、惯性滤波。
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。数字滤波实际是一种程序滤波。因而可靠性高，稳定性好，修改滤波参数也容易，成本很低，它的不足之处需要占用CPU的机时。
平均值滤波就是对多个采样值进行平均算法，是消除随机误差最常用的方法。
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。
惯性滤波是模拟硬件RC低通滤波器的数字实现。
6、某温度测量系统（假设为线性关系）的测温范围为0℃～150℃，经ADC0809转换后对应的数字量为00H-FFH,试写出它的标度变换算式。
解：Ax=((150-0)*(Nx-0)/(255-0))+0=30Nx/51=10Nx/17
10、结合图7-7，分析说明声光报警接口电路的工作原理。
答：光报警器采用发光二极管LED实现，声报警器采用蜂鸣器实现。CPU的数据线通过驱动器74LS06接发光二级管，数据线D3-D7接5个LED用于5路信号的越限报警，D2与一个驱动蜂鸣器的继电器线圈相连，当某一路需要报警时，只要对该路及D2输出高电平，经74LS06反相后，LED点亮的同时，继电器线圈吸合，蜂鸣器鸣叫，达到声光报警效果。
八、2、串模干扰的成因是什么？如何抑制串模干扰？
答：串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声，即干扰源串联在信号源回路中。对串模干扰的抑制较为困难，因为干扰Un 直接与信号Us串联。目前采用双绞线与滤波器两种措施。
采用双绞线做信号线的原因是外界电磁场会在双绞线相邻的小环路上形成相反方向的感应电势，从而互相抵消减弱干扰作用。
采用滤波器就是根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性。
3、共模干扰的成因是什么？如何抑制共模干扰？
答：共模干扰是指计算机控制系统中不同“地”之间存在着电位差，其差值经输入通道中的信号放大器后，变成了干扰性的电压信号。具体的有变压器隔离、光学隔离与浮地屏蔽等三种措施。
6、在计算机控制系统中，大致有哪几种地？
答：在计算机系统中，大致有以下几种地线：模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。
7、结合图8-30，简述程序运行监视系统的工作原理。
答：CPU可设计成由程序确定的定时器1，看门狗被设计成另一个定时器2，它的设计启动将因CPU的定时访问脉冲P1的到来而重新开始，定时器2的定时到脉冲P2连到CPU的复位端。两个定时周期必须是T1 在正常情况下，CPU每隔T1时间便会定时访问定时器2，从而使定时器2重新开始计时而不会产生溢出脉冲P2；而一旦CPU受到干扰陷入死循环，便不能及时访问定时器2，那么定时器2会在T2时间到达时产生定时溢出脉冲P2，从而引起CPU的复位，自动恢复系统的正常运行程序。 一、]t b 填空题 1.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个组成部分。 2.计算机控制系统中常用的控制器有可编程序控制器、工控机、单片机、DSP、智能调节器等。 3.在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式。 4.ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器。 5.模拟量输入通道的任务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。 6.信号接地方式应采用一点接地方式，而不采用多点接地方式。 7.按极点配置设计的控制器通常有两部分组成，一部分是状态观测器，另一部分是控制规律。 8.模块化程序设计一般包括自顶向下和自底向上两种设计方法。 9.线性表、数组、堆栈和队列的共同特点是要求连续的存储单元来顺序存放数据元素。 10.计算机控制系统的输入变送器和输出执行机构的信号统一为0~10mA DC或4~20mA DC。 二、名词解释 1.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信号，变成在时刻0、T、2T、…kT的一连串脉冲输出信号的过程 2.地线”是信号电流流回信号源的地阻抗路径 3.数字程序控制就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械(如各种加工机床)按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制 4.数据是描述客观事物的数、字符，以及所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的集合 5.积分饱和如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作 三、选择题（合计15分，每题3分） 1.下列不属于数字控制方式的是（C ） A、点位控制 B、直线控制 C、网格控制 D、轮廓控制 2.8位的A/D转换器分辨率为（ C ） A、0.01587 B、0.007874 C、0.003922 D、0.0009775 3.专家控制系统大致可以分为（D ） ①专家自整定控制②专家自适应控制③专家监督控制④混合型专家控制⑤仿人智能控制 A、①②③⑤ B、②④⑤ C、②③④⑤ D、①③④⑤ 4.一个8位的A/D转换器(量化精度0.1%)，孔径时间3.18μm，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为（B ） A、5Hz B、50Hz C、100Hz D、500Hz 5.某热处理炉温度变化范围为0~1350℃，经温度变送器变换为1~5V的电压送至ADC0809，ADC0809的输入范围为0~5V，当t=KT时，ADC0809的转换结果为6A，此时炉温为（C ） A、588.98℃ B、288.98℃ C、361.23℃ D、698.73℃ 四、简答题（合计20分，每题5分） 1.什么是干扰，干扰来源，抗干扰措施。 答：就是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。外部干扰和内部干扰。硬件措施，软件措施，软硬结合的措施 2.逐点比较法插补原理。 答：所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这 微机控制技术的发展概况及趋势 微机控制技术是以微型计算机作为机电一体化的控制器，结合微型计算机的工作原理和接口设计，相应的控制硬件和软件以及它们的配合，实现对控制对象的控制的一门技术。它的发展离不开自动控制理论和计算机技术的发展，随着科学技术的发展，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。 本文从计算机控制系统的发展历史，我国工业控制机及系统的发展应用，计算机控制系统的发展趋势，这几个方面来阐述微机控制技术的发展概况及相关趋势。 计算机控制系统在60年代引入控制领域当时计算机是控制调节器的设定点, 具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称为计算机监控系统。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统,简称集中控制系统。这种控制系统即常说的直接数字控制(DDC)系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。这个控制系统由于只有一台计算机而且没有分层，所以非常有利于集中控制盒运算的集中处理，并且能得到很好的反映，并且，各个控制规律都可以直接实现。但是，如果生产过程复杂，则该系统的可靠性就很难保证了。系统的危险性过于集中, 一旦计算机发生故障, 整个系统就会停顿。[7] 70 年代随着电子技术的飞速发展,随着大规模集成电路的出现和发展, 集散控制系统（DCS）出现，之后在此基础上，随着生产发展的需要而产生了一种更新一代的控制系统，即分布式控制系统。典型的集散控制系统具有两层网络结构下层负责完成各种现场级的控制任务,上层负责完成各种管理、决策和协调任务。 90年代以来，随着各个学科的发展和交叉融合，随着现代大型工业生产自动化的不断兴起, 利用计算机网络作为控制工具的综合性控制系统，计算机集成系统（CIPS）应运而生。它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术，并且终将成为未来控制系统的发展趋势。 我国工业控制发展的道路是比较曲折的，20世纪80年代末到90年代初，我国市场上大都是首先引进了成套设备，在引进成套设备的同时相继引进了各种工控系统，来填充国内在这方面的不足，90年代后，在我国一批科学家的带领下，我国逐渐有了自己设计的控制系统和装置，建立自己的实验室，生产出属于自己版权的产品，然后在原有技术的基础上进行二次开发和应用，从1997年开始，大陆本土的IPC厂商开始进入该市场，IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术。[1] 目前国内的工控机供应渠道主要来源于中国台湾及内地的厂商，国外的产品（例如RADISYS、ROCKWELL、INTEL等）经过几年的市场拼杀后，由于成本高、价格高、服务难，现已完全退出国内市场。目前，国内的IT业研发、加工技术力量不断提升；各类芯片和各类器件、生产设备在国际市场基本可平等选购；软件资源的可移植性可节省大量的人力、物力。在这些有利条件下，国内一些厂商抓住机会快速崛起，利用本土综合竞争优势逐步将国外品牌挤出国内工控市场。某些企业以每年超过100%的资产增长速度，鼎立于国内的工控市场，而且 计算机控制系统习题 及答案 一、填空题（本题共 20 个空，每空 1.5 分，共 30 分） 1.采样频率越高，采样数据描绘的曲线实际曲线。为了提高控制精度，应 尽可能。 2.在三相步进电机系统中，为了提高控制力矩，常常采用方法来实现。 3.在PID调节器中，比例系数KP的确定比微分和积分系数更重要，因为它关系 到______。 4.采样/保持器有两种工作方式。在采样方式中，采样-保持器的输出__________ 在保持状态 时，采样-保持器的输出______。 5.在PID控制系统中， I的作用主要是______，它一般不单独使用的原因是__ _。 6.线性插值法最根本的问题是____________________。 7.CD4051是________路________向多路开关，当其INH端接_____伏时，芯片 被选通。 8.在计算机控制系统中，采样周期T的确定很重要，因为它关系到_______,T太 大_______。 9.步进电机的步距角指 ________,齿距角指______，拍是指________。 10.3相（A、B、C）步进电机有3种通电方式， 是，和。 二、判断题（正确，在括号内划∨，错误，在括号内划╳，并改正（只对错误 部分进行改正即可）（本题共 5 小题，共10分） 1. 在显示系统中，若为动态显示，需将待显示数变成显示码才能输出到显示 器进行显示。若在显示电路中增加一级锁存器，则可直接将待显示数输出到显示器进行显示。（） 2. DAC0832是常用的8位D/A转换器，内部设有两级缓冲器，目的是使转换数椐得到充分缓冲，确保转换精度。（） 3. 由于各种传感器提供的电压信号范围很宽，需要通过可编程增益放大器，对信号进行调整，使A/D转换器满量程信号达到均一化。（） 4. 某系统采用程序判断滤波方式进行数据处理，发现总有一些杂波无法滤掉，原因是采样时间间隔太大（）。 5. 在工业过程控制系统中，由于被控对象所处环境复杂，常使采样值偏离实际值。所以一般要加入滤波环节，且常常将模拟滤波和数字滤波同时使用。 （） 三、简答题（本题共 6 小题，共 35 分） 1.（本题 6 分）简要说明多路开关的主要特点。 2.（本题 6分）PID调节系统中，微分调节起何作用？为什麽在有些系统中采用不完全微分算式，它与常规算式有哪些区别？ 3.（本题 6分）写出数字PID控制算法的位置式和增量式两种标准算法 4.（本题 6分）平均滤波有几种？并说明各自的特点。 5.（本题 6分）根据转换结束信号EOC的不同接法，能构成哪几种A/D工作方式？具体怎样接线？ 6.（本题 5分）手动后援是控制系统中的一个环节，在系统运行时它有何作用？在手动与自动之间进行切换时要求什麽？ 第一章计算机控制系统的特点及其应用领域。 1.计算机控制系统的控制过程是怎样的? 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：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ (1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。 (2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。 (3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。 3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 由四部分组成。 图1.1微机控制系统组成框图 (1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。 (3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果， 第1章绪论 1.什么是计算机控制系统？计算机控制系统由哪几部分组成？ 答：计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统。 计算机控制系统的组成：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两大部分组成。 2.计算机控制系统的典型型式有哪些？ 答：计算机控制系统的典型型式包括：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC）；监督控制系统（SCC，也称设定值控制）；集散控制系统（DCS）；现场总线控制系统（F CS）和综合自动化系统。 3.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ 答：所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 在计算机控制系统中，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；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。 4.讨论计算机控制系统的发展趋势。 答：网络化、扁平化、智能化、综合化。 第2章计算机控制系统的硬件设计技术 5.请分别画出一路有源I/V变换电路和一路无源I/V变换电路图，分别说明各元器件的作用。 6.什么是采样过程、量化、孔径时间？ 答：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信号，转变成在时刻0、T、2T、……、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。 所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。 在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字信号总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间称为孔径时间。 7.采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？ 答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器（为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，因而采用采样保持器来使得信号维持一段时间）。 并不是所有的模拟量输入通道都需要采样保持器的，因为采样保持器是为了防止在A/D 转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，所以只要A/D转换的时间比信号变化的时间短就不需要。 计算机过程控制系统(DCS)课程实验指导书实验一、单容水箱液位PID整定实验 一、实验目的 1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。 3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。 二、实验设备 AE2000A型过程控制实验装置、JX-300X DCS控制系统、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、网线1根、24芯通讯电缆1根。 三、实验原理 图2-15为单回路水箱液位控制系统 单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用SUPCON JX-300X DCS控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。 一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-16中的曲线①、②、③所示。 图2-16 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线 计算机控制技术的发展及趋势 张赟枫 自动化1304 0901130425 一、计算机控制技术的发展 1、第一代工业计算机控制技术 第一代工控机技术起源于20世纪80年代初期，盛行于80 年代末和90年代初期，到90年代末期逐渐淡出工控机市场，其标志性产品是STD总线工控机。STD总线最早是由美国Pro-Log公司和Mostek公司作为工业标准而制定的8位工业I/O总线，随后发展成16位总线，统称为STD80，后被国际标准化组织吸收，成为IEEE961标准。国际上主要的STD总线工控机制造商有Pro- Log、Winsystems、Ziatech等，而国内企业主要有北京康拓公司和北京工业大学等。STD总线工控机是机笼式安装结构，具有标准化、开放式、模块化、组合化、尺寸小、成本低、PC兼容等特点，并且设计、开发、调试简单，得到了当时急需用廉价而可靠的计算机来改造和提升传统产业的中小企业的广泛欢迎和采用，国内的总安装容量接近20万套，在中国工控机发展史上留下了辉煌的一页。 2、第二代工业计算机控制技术 1981年8月12日IBM公司正式推出了IBM PC机，震动了世界，也获得了极大成功。随后PC机借助于规模化的硬件资源、丰富的商业化软件资源和普及化的人才资源，于80年代末期开始进军工业控制机市场。美国著名杂志《CONTROL ENGINERRING》在当时就预测“90年代是工业IPC的时代，全世界近65%的工业计算机将使用IPC，并继续以每年21%的速度增长”。历史的发展已经证明了这个论断的正确性。IPC在中国的发展大致可以分为三个阶段：第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初，这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品。 90年代末期，ISA总线技术逐渐淘汰，PCI总线技术开始在IPC中占主导地位，使IPC工控机得以继续发展。但由于IPC工控机的结构和金手指连接器的 限制，使其难以从根本上解决散热和抗振动等恶劣环境适应性问题，IPC开始逐渐从高可靠性应用的工业过程控制、电力自动化系统以及电信等领域退出，向管理信息化领域转移，取而代之的是以CompactPCI总线工控机为核心的第三代工控机技术。值得一提的是，IPC工控机开创了一个崭新的PC-based时代，对工业自动化和信息化技术的发展产生了深远的影响。 3、迅速发展和普及的第三代工控机技术 PCI总线技术的发展、市场的需求以及IPC工控机的局限性，促进了新技术的诞生。作为新一代主流工控机技术，CompactPCI工控机标准于1997年发布之初就倍受业界瞩目。相对于以往的STD和IPC，它具有开放性、良好的散热性、高稳定性、高可靠性及可热插拔等特点，非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用，被众多业内人士认为是继STD和IPC之后的第三代工控机的技术标准。采用模块化的CompactPCI总线工控机技术开发产品，可以缩短开发时间、降低 浅谈计算机控制系统的发展 摘要：论述了计算机控制系统的发展历史及发展趋势，分析了计算机控制系统的组成部分及其特点。并且对当前计算机系统的发展情况做出评价。 关键词：计算机控制系统发展 1 引言 计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统，并且是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起而应运产生的综合控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术,在计算机参与工业系统控制的历史长河中扮演了重要的角色。 2 计算机控制系统的发展情况 在60 年代,控制领域中就引入了计算机。当时计算机的作用是控制调节器 的设定点，具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称作是计算机监控系统。这种系统的调节器主要是采用了模拟调节器。系统中既有计算机又有调节器，系统复杂，投资又大。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统，简称集中控制系统，集中控制系统在计算机控制系统的发展过程中起到了积极作用。在这种控制系统中, 计算机不但完成操作处理,还可直接根据给定值、过程变量和过程中其它测量值，通过PID运算，实现对执行机构的控制, 以使被控量达到理想的工作状态。这种控制系统即常说的直接数字控制( DDC) 系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。最初发展时希望能够至少可以控制50个回路以上，这在当时对小规模、自动化程度不高的系统，特别是对具有大量顺序控制和逻辑判断操作的控制系统来说收到了良好的效果。 由于整个系统中只有一台计算机, 因而控制集中，便于各种运算的集中处理，各通道或回路间的耦合关系在控制计算中可以得到很好的反映，同时由于系统没有分层, 所有的控制规律均可直接实现。但是，如果生产过程的复杂，在实现对几十、几百个回路的控制时，可靠性难以保证，系统的危险性过于集中，一旦计 目录 第一章计算机过程控制系统的应用与发展 (2) 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 (2) 1.2 计算机过程控制系统的分类 (2) 1.3 计算机过程控制系统国内外应用状况 (6) 1.4 计算机过程控制系统的发展趋势 (7) 第二章国内油田计算机控制系统应用软件现状及发展趋势 (8) 2.1 基于PC总线的控制系统应用软件 (8) 2.2 基于各种PLC控制系统的应用软件 (8) 2.3 中小规模的DCS控制系统组态软件 (9) 2.4 计算机控制系统应用软件的发展趋势 (9) 第一章计算机过程控制系统的应用与发展 在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 世界上第一台电子数字计算机于1946年在美国问世。经历了十多年的研究，1959年世界上第一台过程控制计算机TRW-300在美国德克萨斯的一个炼油厂正式投入运行。这项开创性工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术获得了迅速的发展。 回顾工业过程的计算机控制历史，经历了以下几个8寸期： (1)起步时期(20世纪50年代)。20世纪50年代中期，有人开始研究将计算机用于工业过程控制。 (2)试验时期(20世纪60年代)。1962年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替了原来的模拟控制。 (3)推广时期(20世纪70年代。随着大规模集成电路(LSI)技术的发展，1972年生产出了微型计算机(mi—erocomputer)。其最大优点是运算速度快，可靠性高，价格便宜和体积小。 (4)成熟时期(20世纪80年代)。随着超大规模集成电路(VLSI)技术的飞速发展，使得计算机向着超小型化、软件固定化和控制智能化方向发展。80年代末，又推出了具有计算机辅助设计(CAD)、专家系统、控N*0管理融为一体的新型集散控制系统。(5)进一步发展时期(20世纪90年代)。在计算机控制系统进一步完善应用更加普及，价格不断下降的同时，功能却更加丰富，性能变得更加可靠。 1.2 计算机过程控制系统的分类 计算机控制系统的应用领域非常厂泛，计算机可以控制单个电机、阀门，也可以控制管理整个工厂企业；控制方式可以是单回路控制，也可以是复杂的多变量解耦控制、自适应控制、最优控制乃至智能控制。因而，它的分类方法也是多样的，可以按照被控参数、设定值的形式进行分类，也可以按照控制装置结构类型、被控对象的特点和要求及控制功能的类型进行分类，还可以按照系统功能、控制规律和控制方式进行分类。常用的是按照系统功能分类。 第一章计算机控制系统概述 习题与思考题 1.1什么是计算机控制系统？计算机控制系统较模拟系统有何优点？举例说明。 解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，被称为计算机控制系统。与模拟系统相比，计算机控制系统具有设计和控制灵活，能实现集中监视和操作，能实现综合控制，可靠性高，抗干扰能力强等优点。例如，典型的电阻炉炉温计算机控制系统，如下图所示： 炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号（毫伏级），再经变送器变成标准信号（1-5V或4-20mA）从现场进入控制室；经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的温度给定比较，得到偏差信号，该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压（220V）进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小，从而调节炉温变化，最终达到计算机内部的给定温度。 由于计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。还可以通过软件的标准化和模块化，这些控制软件可以反复、多次调用。又由于计算机具有分时操作功能，可以监视几个或成十上百个的控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时，能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预，这些都是传统模拟控制无法胜任的。在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。另一方面，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。因此，计算机控制系统具有上述优点。 1.2计算机控制系统由哪几部分组成？各部分的作用如何？ 解答：计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成。 被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号（1-5V或4-20mA）；再经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制被控对象的物理量，实现控制要求。 1.3应用逻辑器件设计一个开关信号经计算机数据总线接入计算机的电路图。 解答： 1.4应用逻辑器件设计一个指示灯经过计算机数据总线输出的电路图。 解答： 1.5设计一个模拟信号输入至计算机总线接口的结构框图。 解答： 模拟量输入通道组成与结构图 1.6设计一个计算机总线接口至一个4~20mA模拟信号输出的结构框图。 解答： 第1章习题 B 习题 B1-1 举例说明2-3个你熟悉的计算机控制系统，并说明与常规连续模拟控制系统相比的优点。 B1-2 利用计算机及接口技术的知识，提出一个用同一台计算机控制多个被控参量的分时巡回控制方案。 B1-3 题图B1-3是一典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图。由雷达测出目标的高低角、方位角和斜距，信号经滤波后，由模拟式计算机计算出伺服系统高低角和方位角的控制指令，分别加到炮身的高低角和方位角伺服系统，使炮身跟踪指令信号。为了改善系统的动态和稳态特性，高低角和方位角伺服系统各自采用了有源串联校正网络和测速反馈校正，同时利用逻辑电路实现系统工作状态的控制(如偏差过大时可断开主反馈，实现最大速度控制，当偏差小于一定值后实现精确位置控制)。试将其改造为计算机控制系统，画出系统原理结构图。 题图B1-3典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图 B1-4水位高度控制系统如题图B.1-4所示。水箱水位高度指令由W1 电位计指令电压u r确定，水位实际高度h由浮子测量，并转换为电位计W2 的输出电压u h。用水量Q1 为系统干扰。当指令高度给定后，系统保持给定水位，如打开放水管路后，水位下降，系统将控制电机，打开进水阀门，向水箱供水，最终保持 水箱水位为指令水位。试把该系统改造为计算机控制系统。画出原理示意图及系统结构图。 题图B1-4 水箱水位控制系统原理示意图 B1-5 题图B1-5为一机械手控制系统示意图。将其控制器改造为计算机实现，试画出系统示意图及控制系统结构图。 题图B1-5机械手控制系统示意图 B1-6题图B1-6为仓库大门自动控制系统示意图。试将其改造为计算机控制系统，画出系统示意图。 题图B1-6 仓库大门自动控制系统示意图 2-6某水槽如题图2-1所示。其中A 1为槽的截面积，R 1、R 2均为线性水阻，Q i 为流入量，Q 1和Q 2为流出量要求： (1)写出以水位h 1为输出量，Q i 为输入量的对象动态方程； (2)写出对象的传递函数G(s)并指出其增益K 和时间常数T 的数值。 图2-1 解：1）平衡状态： 02010Q Q Q i += 2）当非平衡时： i i i Q Q Q ?+=0；1011Q Q Q ?+=；2022Q Q Q ?+= 质量守恒：211 Q Q Q dt h d A i ?-?-?=? 对应每个阀门，线性水阻：1 1R h Q ?= ?；2 2R h Q ?= ? 动态方程：i Q R h R h dt h d A ?=?+?+?2 11 3) 传递函数：)()()1 1(2 11s Q s H R R S A i =++ 1 ) 11(1) ()()(21 1+=+ + == Ts K R R S A s Q s H s G i 这里：2 1 1 2 1212 1 11111R R A T R R R R R R K + = += += ； 2Q 1 1 2-7建立三容体系统h 3与控制量u 之间的动态方程和传递数,见题图2-2。 解：如图为三个单链单容对像模型。被控参考△h 3的动态方程： 3233 Q Q dt h d c ?-?=?；22R h Q ?= ?；33R h Q ?=?； 2122Q Q dt h d c ?-?=?；1 1R h Q ?= ? 111 Q Q dt h d c i ?-?=? u K Q i ?=? 得多容体动态方程： u KR h dt h d c R c R c R dt h d c c R R c c R R c c R R dt h d c c c R R R ?=?+?+++ ?+++?3333322112 323131323221213 333 21321) ()( 传递函数：3 22133) ()()(a s a s a s K s U s H s G +++= = ； 这里： 3 213213 3 2132133 213213 3221123 213213 1313232212111; c c c R R R kR K c c c R R R a c c c R R R c R c R c R a c c c R R R c c R R c c R R c c R R a = =++=++= 第一章绪论 1.计算机控制系统工作原理（图：P2 1-1b）A/D装置将模拟量转换为数字量后送入计算机处理，D/A装置将其转换为模拟量，输送到执行机构。采样器与保持器等与A/D、D/A一起构成计算机与生产过程中之间的接口。若被控量不是模拟量而是开关量（数字量），计算机控制系统中也需要用开关量输入输出接口进行信号的传输，而不能将过程与计算机相连。 2.计算机在控制系统中三个基本作用：实时数据处理、实施监督决策、实时控制及输出。 3.计算机控制系统的工作方式：①在线方式与离线方式生产过程和计算机系统直接相连，并接受计算机直接控制称为在线或联机方式；反之，若不相连或虽相连但过程不受计算机控制，而是靠人工进行联系并做相应操作称为离线或脱机方式。②实时性指信号的输入、计算和输出都必须限制在一定时间范围内完成，即计算机对输入信息要以足够快的速度进行处理。 4.计算机控制系统组成功能、作用（图：P3 1-2）①主机由CPU、ROM、RAM组成，是计算机控制系统的核心。②外设常用外部设备按功能分成输入设备、输出设备和外存储器。 ③过程输入/输出接口包括模拟量和开关量两大类，是计算机与生产过程之间信息交换的桥梁。④人机接口设备包括显示器、键盘、专用的操作显示面板或操作显示台等，供操作员与计算机进行信息交换。 ⑤通信设备通过通信设备，不同地理位置、不同功能的计算机之间或计算机与设备之间可以进行信息交换。⑥现场仪表包括检测变送仪表、执行机构等。前者将生产过程中各种物理量转换成电信号，后者完成计算机输出控制的执行任务。 ⑦系统总线分内部总线与外部总线。内部总线在计算机各内部模块之间传送各种控制、地址与数据信号，并为各模块提供统一的电源；外部总线为计算机系统之间或计算机系统与设备之间提供数字通信。 ⑧系统软件它管理计算机的内存、 外设等硬件设备。⑨应用软件是系 统设计人员针对具体生产过程编制 的控制和管理程序，是控制计算机 在特定环境中完成某种控制功能所 必需的软件。 5.计算机控制系统的分类（图：P4~8 1-3~1-7根据框图说原理）①计算 机巡回监测和操作指导系统一种 开环系统。过程参数经测量变送器、 过程输出通道，定时送入计算机， 计算机进行分析和处理后进行综 合，通过显示器或打印机输出操作 指导信息。②计算机直接数字控制 系统DDC 计算机通过过程输入通道 对多个被控生产过程进行巡回检 测，根据给定值、测量值及控制规 律计算出控制指令，经过程输出通 道（AO或DO）直接控制执行机构， 使得各被控参数保持在其给定值附 近。③计算机监督控制系统SCC 通 常采用两级控制形式，分处两层的 计算机分别称为上位机与下位机。 上位机根据原始的生产工艺数据和 现场采集到的工况信息，一方面按 照描述被控过程的数学模型和某种 最优目标函数，计算出被控过程的 最优设定值。输出给下一级的DDC 系统或模拟调节器；另一方面对生 产状况进行分析，作出故障的诊断 与预报。④计算机集散控制系统DCS 有多个相关联可以共同承担工作的 微处理器为核心，一起组成可以运 行多项任务的系统，实现地理上和 功能上的控制，同时通过高速数据 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，实现 复杂的控制和优化。⑤现场总线控 制系统FCS 核心是现场总线，与 Internet网互联构成不同层次的复 杂网络，降低了系统成本，提高了 可靠性，且在统一的国际标准下可 实现真正的开放式互联系统结构。 ⑥工业过程的计算机集成制造系统 （流程CIMS）将需要的函数块放在 图纸上，然后把它们连接起来，以 便处理输入和输出。过程操作员根 据各种动态画面来监视和控制过 程。动态测量值和状态指示则显示 了当前的生产情况。从过程控制器、 信息管理站和外部计算机那里获得 信息后，操作人员可以进行授权范 围内的任意操作。 第二章计算机控制系统基础 1.信号形式（图：P13 2-1）连续模 拟信号、离散模拟信号、连续数字 信号、离散数字信号 2.信号采样（图：P14 2-2）把时间 和量值上均连续的模拟信号按采样 周期T转变位置在瞬时才有脉冲输 出信号的过程。 3.信号的保持（图：P15 2-3）保持 其的原理是根据现在或过去时刻的 采样值，用常数、线性函数和抛物 线函数等去逼近两个采样时刻之间 的原信号。零阶保持器是最常用的 一种信号保持器。 第三章计算机控制系统基础中的 总线技术 1.总线标准分为两类：一类是由国 际权威机构制定的；另一类是由某 厂家设计而广泛流行的。后者得到 业界承认之后，往往也会被权威机 构收为标准。 2.内部总线：又称系统总线，即通 常说的各种不同标准的计算机总 线，用于计算机内部模块（板）之 间的通信。工业过程常用PC总线、 STD总线、VME、MULTIBUS总线等。 外部总线：又称通信总线，完成计 算机系统之间或计算机与设备之间 的通信任务，如IEEE-488总线、 RS-232和RS-485等。 3.并行总线：每个信号都有自己独 立的信号线，一组信号并行输出， 传输快，接口简单，缺点是电缆线 数多。串行总线：所有信号复用一 对信号线，并依次按顺序串行输出， 电缆线数少，便于远距离传送，缺 点是信号传输慢，接口复杂。 4.内部总线通常都是并行总线，外 部总线分为并行总线和串行总线两 种。IEEE-488并行，RS-485串行。 5.总线裁决方式①串行链接式总 线裁决（图：P37 3-6）各部件的请 求信号经一条公共请求线向控制器 发出，总线空闲时控制器发出总线 第11 章计算机控制系统实例 本章的教学目的与要求 掌握各种过程通道的结构、原理、设计及使用方法。 授课主要内容 硫化机计算机群控系统 主要外语词汇 Sulfurate Machine: 硫化机重点、难点及对学生的要求说明：带“ *** ”表示要掌握的重点内容，带“ ** ”表示要求理解的内容，带“ *”表示要求了解的内容，带“☆”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容 硫化机计算机群控系统的软硬件设计*** ☆ 辅助教学情况 多媒体教学课件( POWERPOINT ) 复习思考题 硫化机计算机群控系统的软硬件设计 参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义 硫化机计算机群控系统 内胎硫化是橡胶厂内胎生产的最后一个环节，硫化效果将直接影响内胎的产品质量和使用寿命。目前国内大部分生产厂家都是使用延时继电器来控制硫化时间，由于硫化中所需 的蒸汽压力和温度经常有较大的波动，单纯按时间计算可能会产生过硫或欠硫现象，直接影响了内胎的质量。 因此，设计一种利用先进计算机控制技术的硫化群控及管理系统，不仅能提高企业的自动化水平，也能降低硫化机控制装置的维护成本和硫化操作人员的劳动强度，提高硫化过程中工艺参数的显示和控制精度，同时也避免了个别硫化操作人员为提高产量而出现的“偷时”现象(即操作人员缩短硫化时间，未硫化完毕就开模) ，使内胎的产品质量得到保证。 1. 系统总体方案 内胎硫化过程共包括四个阶段: 合模、硫化、泄压、开模。由于所有硫化机的控制方式相同，所以特别适合群控。在自动模式下，当硫化操作人员装胎合模后，由控制系统根据温度计算内胎的等效硫化时间并控制泄压阀、开模电机的动作。为克服温度波动的影响，经过大量实验，选用阿累尼乌斯(Arrhenius) 经验公式来计算等效硫化时间。 某橡胶制品有限公司硫化车间共有内胎硫化机96 台，为便于整个生产过程的控制和管理拟采用计算机群控及管理系统。根据企业的现场情况，借鉴DCS (Distributed Control System ，集散控制系统) 系统结构，使用PLC 作为直接控制级，完成现场的控制功能; 使用工业控制计算机作为管理和监视级。系统总体方案见图11.8。 PLC 通过温度采集模块采集现场的96 台硫化机温度信号，进行等效计算后，按设定 型号的参数计算硫化机的硫化时间并对泄压阀、开模电机动作进行控制，完成内胎的整个硫 4、化学反应釜串级控制系统，主、副对象的传递函数分别为： 2017()81s G s e s -=+， 2025()31 s G s e s -=+ 主、副测量变送环节的传递函数分别为： 11()21m G s s =+， 21()1 m G s s =+ 主、副扰动通道的传递函数分别为： 1 2.5()41f G s s = +， 21.5()51f G s s =+ 试分别采用串级控制设计温度控制系统，具体要求如下： （1） 进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系 统原理图； （2） 进行仿真实验，分别给出系统的跟踪性能和抗干扰性能（包括一次扰动和二次 扰动）； 1、超前校正控制器设计 设单位反馈系统的开环传递函数为) 1()(0+=s s K s G ，采用模拟设计法设计超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1) 当 t r =时， 稳态误差不大于0.1；(2) 开环系统截止频率6≥c ωrad/s ；(3) 相角裕度o 60≥γ; (4) 幅值裕度10≥h dB 。 2、超前校正控制器设计 设单位反馈系统的开环传递函数为) 15.0()(0+=s s K s G ，采用模拟设计法设计超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1) 速度误差20=Kv ；(2) 相角裕度o 50≥γ; (3) 幅值裕度10≥Kg dB 。 3、滞后校正控制器设计 设单位反馈系统的开环传递函数为) 12.0)(11.0()(0++=s s s K s G ，采用模拟设计法设计滞后校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标： (1) 速度误差系数30=v K ； (2) 开环系统截止频率3.2≥c ω rad/s ； (3) 相位裕度o 40≥γ (4) 幅值裕度10≥Kg dB 。 一、计算机控制系统概述 计算机控制系统的组成计算机控制系统由硬件和软件两大部分组成。而一个完整的计算机控制系统应由下列几部分组成：被控对象、主机、外部设备、外围设备、自动化仪表和软件系统。 1、硬件部分 硬件部分用于一般数值计算和信息处理的计算机称为通用计算机（简韵；通用机）。用于工业生产过程控制的计算机称为工业控制计算机（简称控制机）。通用机由主机和外部设备组成，主机包括运算器、控制器和主存贮器（俗称内存贮器）；外部设备包括输入设备、输出设备和外部存贮器，如键盘、CRT显示器、打印机、磁带和磁盘等，起着人机联系和扩展主机存贮能力的作用。它们是主机正常工作和人们使用主机所必需的设备。‘通用机主要是同使用机器的人交流信息，控制机除了同人交流信息外，要自动地控制生产过程，它还必须与被控制的对象直接交流信息。这是控制机与通用机根本不同的地方。为此，控制机必须具备直接从生产过程获取信息，经过主机加工处理后，把控制信息馈送给生产过程的能力。这种能力表现在主机与被控对象之间直接进行信息的变换和传递上，具有这种能力的设备称为生产过程通道。相对于外部设备，通常把生产过程通道称为主机的外围设备。因此，可以简单地说，通用计算机由主机和外部设备组成；控制计算机由通用计算机与外围设备组成。 2、软件部分 软件系统是控制机不可缺少的重要组成部分。只有在适当的软件系统支持下，控制视才能按设计的要求正常地工作。控制机的软件系统包括系统软件和应用软件两大类。系统软件是用于计算机系统内部的各种资源管理、信息处理相对外进行联系及提供服务的软件。例如操作系统、监控程序、语言加工系统和诊断程序等。应用软件是用来使被控对象正常运行的控制程序、控制策略及其相应的服务程序。例如过程监视程序、过程控制程序和公用服务程序等。应用软件是在系统软件的支持下编制完成的，它随被控对象的特性和控制要求不同而异。通常应用软件由用户根据需要自行开发。随着计算机过程控制技术的日趋成熟，应用软件正向标准化、模块化的方向发展。标准的基本控制模块由制造厂家提供给用户，用户只需根据控制的要求，经过简单的组态过程即可生成满足具体要求的专用应用软件，大大方便了用户，缩短了应用软件的开发周期。提高了应用软件的可靠性。 二、计算机控制系统的特点 由于计算机本身的特点，计算机控制系统与一般常规的调节系统相比，具有以下特点。 精度高：通过多字长的数值运算，可以实现常规调节器难以达到的控制精度，而且不存在零点漂移、热噪声及元件老化对控制精度的影响。 计算机具有分时处理能力。一台计算机（严格说是一个CPU）可以对多个控制回路进行控制。 计算机具有很强的贮存和逻辑判断能力，能够根据生产环境的变化，及时作出判断，选择最合理的控制对策；可以实现复杂的控制规律，以达到理想的控制效果。 使用方便灵活。计算机的控制功能是通过硬件和软件共同实现的。在不增加硬件的情况下，可以通过修改软件来改变控制方案和控制机的功能。 计算机除了能实现控制功能以外，还可以同时实现对生产过程的管理，如生产计划调度，经济核算等。 三、计算机控制系统的设计过程 计算机控制系统的软、硬件结构将根据不同的对象有所不同，但系统设计的步骤大体上相同，一般包括以下几方面。 1、确定控制任务 进行系统设计之前，首先要对控制对象进行深入调查、分析，熟悉工艺流程，了解具体的控制要求，确定系统所要完成的任务，包括系统要实现的功能、控制速度、控制精度、现场环境、完成设计的时间要求等。根据这些任务写好设计任务说明书，作为整个控制系统设计的依据。 2、系统的总体方案设计 根据系统设计任务书进行总体方案设计。选择系统的软、硬件组成方式根据系统的价格和时间要求，选择适当的方式组成系统。在时间要求比较紧的情况下，尽量选购现成的软、硬件系统进行组合；而在经费紧张的情况下可以考虑自己设计电路模块。值得注意的是，软、硬件工作比例的划分也将对系统的价格和实现时间产生重要的影响。 系统的总体方案设计大概包括选择微处理器、确定存储器容量、选择外围接口电路、选择传感器、选择软件开发环境、硬件设计及调试六个基本内容。 3、软件设计 软件设计要根据系统总的设计要求，确定软件所要完成的各种功能及完成这些功能的逻辑和时序关系，并用软件流程图表述出来。按软件流程图中不同的功能，分别设计相应的软件功能模块。如模拟量输入模块、模拟量输出模块、数据处理模块、通讯模块和键盘处理模块等。每一种模块都可以单独进行调试，各种模块分别调试好后，再按流程图逻辑和时序关系将他们正确组合、连接、调试。 4、现场安装调试 首先要按工艺流程图将系统正确安装，然后对系统进行粗调和精确调试，根据实际对象确定各种控制参数，调整显示值或保存数据等。硬件调试和软件调试都可以在实验室环境下用对现场情况进行模拟的方式进行，并进行必要的联合调试工作，半实物仿真是系统调试的虽要基础，而最终的系统级调试要在现场完成。 5、建立完整的技术档案 浅谈计算机控制技术原理及发展趋势 祁立勋 廊坊市疾病预防控制中心，河北廊坊 065000 摘要：随着计算机技术的发展，计算机控制越来越深入地渗透于生产之中。因此，设计一个性能良好的计算机控制系统是非常重要的。计算机控制系统包括硬件、软件和控制算法3个方面，一个完整的设计还需要考虑系统的抗干扰性能，使系统能长期有效地运行。本文的主要目的就是在浅析计算机控制技术原理的同时，对计算机控制系统的发展趋势进行描述。 本文由四个部分组成，在初步介绍计算机控制系统之后，分别介绍计算机控制技术的特点和基本设计过程。在综述部分对计算机控制技术的发展方向进行展望。 关键词：计算机控制技术；原理；发展趋势 中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2010）08-0138-02 (下转第140页)计算机控制技术试卷及答案
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