關於計算機控制技術的考試重點

計算機控制技術考試重點

第一章重點

1.計算機控制系統的控制過程是怎樣的?

計算機控制系統的控制過程可歸納爲以下三個步驟：

(1)實時數據採集：對被控量的瞬時值進行檢測，並輸入給計算機。

(2)實時決策：對採集到的表徵被控參數的狀態量進行分析，並按已定的控制規律，決定下一步的控制過程。

(3)實時控制：根據決策，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。

2.實時、在線方式和離線方式的含義是什麼？

(1)實時：是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間範圍內完成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理，並在一定的時間內作出反應並進行控制。

(2)“在線”方式：在計算機控制系統中，如果生產過程設備直接與計算機連接，生產過程直接受計算機的控制，就叫做 “在線”方式。

(3)“離線”方式：若生產過程設備不直接與計算機相連接，其工作不直接受計算機的控制，而是通過中間記錄介質，靠人進行聯繫並作相應操作的方式，則叫做 “離線”方式。

3.微型計算機控制系統的硬件由哪幾部分組成？各部分的作用是什麼？

答：由四部分組成。

(1)主機：這是微型計算機控制系統的核心，通過接口它可以向系統的各個部分發出各種命令，同時對被控對象的被控參數進行實時檢測及處理。主機的主要功能是控制整個生產過程。

(2)輸入輸出通道：這是微機和生產對象之間進行信息交換的橋樑和紐帶。過程輸入通道把生產對象的被控參數轉換成微機可以接收的數字代碼。過程輸出通道把微機輸出的控制命令和數據，轉換成可以對生產對象進行控制的信號。

(3)外部設備：這是實現微機和外界進行信息交換的設備。

(4)檢測與執行機構

a.測量變送單元：其主要功能是將被檢測參數的非電量轉換成電量。

b.執行機構：其功能是根據微機輸出的控制信號，改變輸出的角位移或直線位移，並通過調節機構改變被調介質的流量或能量，使生產過程符合預定的要求。

4.微型計算機控制系統軟件有什麼作用？說出各部分軟件的作用。

軟件是指能夠完成各種功能的計算機程序的總和。整個計算機系統的動作，都是在軟件的指揮下協調進行的。軟件可分爲系統軟件、應用軟件及數據庫。

(1) 系統軟件：它是由計算機設計者提供的專門用來使用和管理計算機的程序。

系統軟件包括：

a.操作系統：即爲管理程序、磁盤操作系統程序、監控程序等；

b.診斷系統：指的是調節程序及故障診斷程序；

c.開發系統：包括各種程序設計語言、語言處理程序(編譯程序)、服務程序(裝配程序和編輯程序)、模擬主系統(系統模擬、仿真、移植軟件)、數據管理系統等；

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d.信息處理：指文字翻譯、企業管理等。

(2)應用軟件:它是面向用戶本身的程序，即指由用戶根據要解決的實際問題而編寫的各種程序。

應用軟件包括：

a.過程監視程序：指巡迴檢測程序、數據處理程序、上下限檢查及報警程序、操作面板服務程序、數字濾波及標度變換程序、判斷程序、過程分析程序等；

b.過程控制計算程序：指的是控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成調度、文件管理及輸出、打印、顯示程序等；

c.公共服務程序：包括基本運算程序、函數運算程序、數碼轉換程序、格式編碼程序。

(3)數據庫：數據庫及數據庫管理系統主要用於資料管理、存檔和檢索，相應軟件設計指如何建立數據庫以及如何查詢、顯示、調用和修改數據等。

5.微型計算機控制系統的特點是什麼？

a.控制規律靈活多樣，改動方便

b.控制精度高，抑制擾動能力強，能實現最優控制

c.能夠實現數據統計和工況顯示，控制效率高

d.控制與管理一體化，進一步提高自動化程度

6.操作指導、DDC和SCC系統工作原理如何？它們之間有何區別和聯繫？

(1)操作指導控制系統：開環控制結構。計算機根據數學模型、控制算法對檢測到的生產過程參數進行處理，計算出各控制量應有的較合適或最優的數值，供操作員參考

(2)直接數字控制系統(DDC系統)：就是通過檢測元件對一個或多個被控參數進行巡迴檢測，經輸入通道送給微機，微機將檢測結果與設定值進行比較，再進行控制運算，然後通過輸出通道控制執行機構，使系統的被控參數達到預定的要求。DDC系統是閉環系統，是微機在工業生產過程中最普遍的一種應用形式。

(3)計算機監督控制系統(SCC系統)：比DDC系統更接近生產變化的實際情況，因爲在DDC系統中計算機只是代替模擬調節器進行控制，系統不能運行在最佳狀態，而SCC系統不僅可以進行給定值控制，並且還可以進行順序控制、最優控制以及自適應控制等。

SCC是操作指導控制系統和DDC系統的綜合與發展。

7.計算機控制系統的發展趨勢是什麼？

a.普及應用可編程序控制器

b.採用集散控制系統

c.研究和發展智能控制系統

8.簡述幾類常見的計算機控制系統的特點及其應用領域。

1）、操作指導控制系統：結構簡單，控制靈活和安全；

2）直接數字控制系統：實時性好，可靠性高和適應性強，但要求計算機控制迴路較多，應用軟件設計複雜；

3）監督控制系統：自動改變給定值，使生產過程始終處於最優工況，但結構複雜；

4）集散控制系統：分散控制、集中管理、分而自治和綜合協調，但成本高並且各廠商的DCS標準不一不能互聯；

5）現場總線控制系統：用二層結構完成了DCS的三層結構功能，降低了成本，提高了可靠性，但統一現場總線標準十分困難，形成多總線並存的局面

第二章重點

1.什麼是過程通道？過程通道有哪些分類？

過程通道是在計算機和生產過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。

按信息傳遞的方向來分，過程通道可分爲輸入過程通道和輸出過程通道；按所傳遞和交換的`信息來分，過程通道又可 2

分爲數字量過程通道和模擬量過程通道。

2.數字量過程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什麼？

數字量過程通道包括數字量輸入通道和數字量輸出通道。

數字量輸入通道主要由輸入緩衝器、輸入調理電路、輸入地址譯碼電路、並行接口電路和定時計數電路等組成。數字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：輸入調理電路將來自控制裝置或生產過程的各種開關量，進行電平轉換，將其通斷狀態轉換成相應的高、低電平，同時還要考慮對信號進行濾波、保護、消除觸點抖動，以及進行信號隔離等問題。

3.簡述光電耦合器的工作原理及在過程通道中的作用。

光電耦合器由封裝在一個管殼內的發光二極管和光敏三極管組成，輸入電流流過二極管時使其發光，照射到光敏三極管上使其導通，完成信號的光電耦合傳送，它在過程通道中實現了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。不管是信號輸入端還是輸出端，都要注意電源電壓及限流。不要直接接電源而無負載電阻

4.模擬量輸入通道由哪些部分組成？各部分的作用是什麼？

模擬量輸入通道一般由I/V變換、多路轉換器、採樣保持器、A/D轉換器、接口及控制邏輯電路組成。

(1)I/V變換：提高了信號遠距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減，爲與標準化儀表和執行機構匹配提供了方便。

(2)多路轉換器：用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。

(3)採樣保持器：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間內，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉換器之前加入採樣保持器。

(4)A/D轉換器：模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉換成數字量

5.採樣保持器有什麼作用？試說明保持電容的大小對數據採集系統的影響。

採樣保持器的作用：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間內，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉換器之前加入採樣保持器。

保持電容對數據採集系統採樣保持的精度有很大影響。保持電容值小，則採樣狀態時充電時間常數小，即保持電容充電快，輸出對輸入信號的跟隨特性好，但在保持狀態時放電時間常數也小，即保持電容放電快，故保持性能差；反之，保持電容值大，保持性能好，但跟隨特性差。

6.模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什麼？

模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A轉換器、功率放大和V/I變換等信號調理電路組成。

(1)D/A轉換器：將數字量轉換成模擬量的元件或裝置。

(2)V/I變換：一般情況下，D/A轉換電路的輸出是電壓信號。在計算機控制系統中，當計算機遠離現場，爲了便於信號的遠距離傳輸，減少由於傳輸帶來的干擾和衰減，需要採用電流方式輸出模擬信號。因此，需要將模擬電壓信號通過電壓/電流(V/I)變換技術，轉化爲電流信號。

第四章重點

1.數字控制器的模擬化設計步驟是什麼？

（1）設計假想的模擬控制器D(S)

（2）正確地選擇採樣週期T

（3）將D(S)離散化爲D(Z)

（4）求出與D(S)對應的差分方程

（5）根據差分方程編制相應程序。

2.在PID調節器中係數kp、ki、kd各有什麼作用？它們對調節品質有什麼影響？

係數kp爲比例係數，提高係數kp可以減小偏差，但永遠不會使偏差減小到零，而且無止境地提高係數kp最終將導致系統不穩定。比例調節可以保證系統的快速性。

係數ki爲積分常數，ki越大積分作用越弱，積分調節器的突出優點是，只要被調量存在偏差，其輸出的調節作用便隨時間不斷加強，直到偏差爲零。在被調量的偏差消除後，由於積分規律的特點，輸出將停留在新的位置而不回覆原位，因而能保持靜差爲零。但單純的積分也有弱點，其動作過於遲緩，因而在改善靜態品質的同時，往往使調節的動態品質變壞，過渡過程時間加長。積分調節可以消除靜差，提高控制精度。

係數kd爲微分常數，kd越大微分作用越強。微分調節主要用來加快系統的相應速度，減小超調，克服振盪，消除系統慣性的影響。

3.什麼是數字PID位置型控制算法和增量型控制算法？試比較它們的優缺點。

爲了實現微機控制生產過程變量，必須將模擬PID算式離散化，變爲數字PID算式，爲此，在採樣週期T遠小於信號變化週期時，作如下近似(T足夠小時，如下逼近相當準確，被控過程與連續系統十分接近)：

k?edt?T?e(j)0j?0t

dee(k)?e(k?1)?dtT

於是有：

Tu(k)?Kp{e(k)?Ti?e(j)?j?0kTde(k)?e(k?1)]}T

u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執行機構的位置(如控制閥門的開度)一一對應，所以稱之爲位置型PID算法。 在這種位置型控制算法中，由於算式中存在累加項，因此輸出的控制量u(k)不僅與本次偏差有關，還與過去歷次採樣偏差有關，使得u(k)產生大幅度變化，這樣會引起系統衝擊，甚至造成事故。所以實際中當執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可以採用增量型PID算法。當控制系統中的執行器爲步進電機、電動調節閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一般均採用增量型PID控制算法。

?u(k)?Kp{[e(k)?e(k?1)]?TTe(k)?d[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]}TiT

與位置算法相比，增量型PID算法有如下優點：

(1)位置型算式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，容易產生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由於消去了積分項，從而可消除調節器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。

(2)爲實現手動——自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設置爲原始閥門開度u0，若採用增量型算法，其輸出對應於閥門位置的變化部分，即算式中不出現u0項，所以易於實現從手動到自動的無擾動切換。

(3)採用增量型算法時所用的執行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發生故障，執行器仍能保持在原位，不會對生產造成惡劣影響。

4.已知模擬調節器的傳遞函數爲

D?s?? 試寫出相應數字控制器的位置型和增量型控制算式，設採樣週期T=0.2s。

D?s??

則U

U?s?1?0.17s ?Es1?0.085s4 ?s??0.085SU?s??E?s??0.17SE?s?

?u?t???de?t? ?e?t??0.17u?k??u?k?1?e?k??e?k?1? ?e?k??0.17?u?k??0.085

把T=0.2S代入得

1.425u?k??0.425u?k?1??4.5e?k??3.5e?k-1?

位置型

u?k??3.1579e?k??2.4561e?k?1??0.2982u?k?1?

增量型

?u?k??u?k??u?k?1??3.1579e?k??2.4561e?k?1??0.7018u?k?1?

5.有哪幾種改進的數字PID控制器？

（1）積分分離PID控制算法

（2）不完全微分PID控制算法

（3）帶死區的PID控制算法

（4）消除積分不靈敏區的PID控制

6.採樣週期的選擇需要考慮那些因素？

(1)從調節品質上看，希望採樣週期短，以減小系統純滯後的影響，提高控制精度。

(2)從快速性和抗擾性方面考慮，希望採樣週期儘量短，這樣給定值的改變可以迅速地通過採樣得到反映，而不致產生過大的延時。

(3)從計算機的工作量和迴路成本考慮，採樣週期T應長些，尤其是多回路控制時，應使每個迴路都有足夠的計算時間；當被控對象的純滯後時間τ較大時，常選T=（1/4~1/8）τ。

(4)從計算精度方面考慮，採樣週期T不應過短，當主機字長較小時，若T過短，將使前後兩次採樣值差別小，調節作用因此會減弱。另外，若執行機構的速度較低，會出現這種情況，即新的控制量已輸出，而前一次控制卻還沒完成，這樣採樣週期再短也將毫無意義，因此T必須大於執行機構的調節時間。

7.數字PID爲何會出現積分飽和，如何防止積分飽和

如果執行機構已經到極限位置，仍然不能消除靜差時，由於積分作用，儘管PID差分方程式所得的運算結果繼續增大或減小，但執行機構已無相應的動作，這就叫積分飽和。爲了克服積分飽和作用常使用兩種方法：遇限削弱積分法和積分分離法

8.簡述擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法整定PID參數的步驟。

擴充臨界比例度法整定PID參數的步驟：

(1)選擇一個足夠短的採樣週期T，例如被控過程有純滯後時，採樣週期T取滯後時間的1/10以下，此時調節器只作純比例控制，給定值r作階躍輸入。

(2)逐漸加大比例係數Kp，使控制系統出現臨界振盪。由臨界振盪過程求得相應的臨界振盪週期Ts，並記下此時的比例係數Kp，將其記作臨界振盪增益Ks。此時的比例度爲臨界比例度，記作?s?1

Ks。

(3)選擇控制度，所謂控制度是數字調節器和模擬調節器所對應的過渡過程的誤差平方的積分之比。

(4)根據控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。

(5)按照求得的整定參數，投入系統運行，觀察控制效果，再適當調整參數，直到獲得滿意的控制效果爲止。

擴充響應曲線法整定PID參數的步驟：

(1)斷開數字調節器，讓系統處於手動操作狀態。將被調量調節到給定值附近並穩定後，然後突然改變給定值，即給對象輸入一個階躍信號。

(2)用儀表記錄被控參數在階躍輸入下的整個變化過程曲線

(3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯後時間τ、被控對象的時間常數Tc，以及它們的比值Tc/τ。

(4)由τ、Tc、Tc/τ值，查表，求出數字控制器的T、Kp、Ti和Td。

9.數字控制器直接設計步驟是什麼？

(1)根據控制系統的性質指標要求和其它約束條件，確定所需的閉環脈衝傳遞函數Φ(z)。

(2)求廣義對象的脈衝傳遞函數G(z)。

(3)求取數字控制器的脈衝傳遞函數D(z)。