計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)筆記

1、1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主體（包括硬件、軟件與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）及其輸入輸出通道和被控對(duì)象（工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象（被控對(duì)象、工業(yè)自動(dòng)化儀表）。兩大部分組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本功能是信號(hào)的傳遞、處理和比較，分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩種。2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC、監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC、集 散控制系統(tǒng)（DCS、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）、工業(yè)過(guò)程計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（流程CIMS）、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS。1內(nèi)部總線：（1）STD總線（2）PCI總線：（3）PC104總線2外部總線：IEEE-488總線3無(wú)論是RS-232還是RS-485,均可采用串行異步收發(fā)

2、數(shù)據(jù)格式。連接握手：是指發(fā)送者在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)塊之前使用一個(gè)特定的握手信號(hào)來(lái)引起接收者的注意，表明要發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者則通過(guò)握手信號(hào)回應(yīng)發(fā)送者，說(shuō)明它已經(jīng)做好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。連接握手可以通 過(guò)軟件，也可以通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。確認(rèn)：接收者為表明數(shù)據(jù)已經(jīng)收到而向發(fā)送者回復(fù)信息的過(guò)程。差錯(cuò)檢驗(yàn)：數(shù)據(jù)通信中的接收者可以通過(guò)差錯(cuò)檢驗(yàn)來(lái)判斷所接收的數(shù)據(jù)是否正確。冗余數(shù)據(jù)校驗(yàn)、奇 偶校驗(yàn)、校驗(yàn)和、循環(huán)冗余校驗(yàn)等都是串行通信中常用的差錯(cuò)檢驗(yàn)方法。4【區(qū)分】MODBU的兩種傳輸方式MODBU協(xié)議是應(yīng)用于PLC或其他控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器之間、控制器通過(guò)網(wǎng) 絡(luò)（如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)串行通

3、信?？刂破髂茉O(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的MODBU網(wǎng)絡(luò)通信。用戶選擇想 要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)MODBU網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。RTU模式如圖2-15所示。消息中每個(gè)字節(jié)包含兩個(gè)4bit十六進(jìn)制字符。優(yōu)點(diǎn)是：在相同的波特率下，比ASCII傳輸更多的數(shù)據(jù)。RS232RS485RS-232C的邏輯電平與TTL電平不兼容，為了與TTL器件 相連必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。由于RS-232C采用電平傳輸，在通信速率為19.2kbps時(shí)，其通信距離只有15m。若要延長(zhǎng)通信距離， 必須以降低通信速率為

4、代價(jià)。對(duì)于多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者帶有微控制器的 設(shè)備傳輸距離較遠(yuǎn)、速度快、便宜 用一對(duì)差分電路，抑制噪聲，不受節(jié) 點(diǎn)間接電平差異影響為了實(shí)現(xiàn)采用+5V供電的TTL和CMOSI信接口電路能與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口連接，必須進(jìn)行串行口的輸入/輸出信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。沒(méi)有規(guī)定連接器、信號(hào)功能和引腳分配， 兩根差動(dòng)線應(yīng)位于同一跟雙絞線內(nèi)5 LED顯示器的驅(qū)動(dòng)方式：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和時(shí)分割驅(qū)動(dòng)；LED顯示器的掃描方式：動(dòng)態(tài)和靜態(tài)。（3）32通道模擬量輸入電路設(shè)計(jì)實(shí)例:8模擬量輸入通道 轉(zhuǎn)換器工作原理：6采樣定理：由采樣信號(hào),其中：，為采樣角速度；T為采樣周期；時(shí)間常數(shù)。7模擬開(kāi)關(guān)（1）CD4051為單端8通道低價(jià)格模擬開(kāi)關(guān)

5、，（2）CD4052低成本差動(dòng)4通道模擬開(kāi)關(guān)，其中X、Y分別為X組和Y組的公共端。完全無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào) 的條件是采樣速度要滿足：頻譜中最高角頻率；為 的各種信號(hào)分量中最小的為原信號(hào)引腳如圖引腳如圖4-10所示。4-12所示，真值表如表4-3所示。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換雙積分式A/D轉(zhuǎn)換型/D轉(zhuǎn)換精度高、速度快消除干擾和電源噪聲能力強(qiáng)、精度高分辨率高，線性度好，成本低、串行接口抗擾能力差；信號(hào)平率高時(shí)誤差大速度慢量 化 ： 是 用 有 限 字 長(zhǎng) 的 一 組 數(shù) 碼 和 二 進(jìn) 制 數(shù) 碼 去 整 量 化 或 逼 近 時(shí) 間 離 散 幅 值 連 續(xù) 的 采 樣 信 號(hào) 。對(duì)n位字長(zhǎng)的A/D轉(zhuǎn)換器

6、，若滿度（滿量程）輸入的模擬量值表示為FSR則量化單位q由下式確定q=FSR/。假設(shè)滿度輸入電壓為5V,現(xiàn)用12位的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有：q=5V/ =5V/4096-1.22mV顯然， 對(duì)同一個(gè)FSR的值，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多, 編碼： （1）單極性編碼最常用的單極性編碼形式是二進(jìn)制數(shù)碼。在這種編碼中， 式中 是0或是1取決于相應(yīng)數(shù)位的值是0或是1;（2）雙極性編碼：常用的雙極性編碼有三種形式，它們是：符號(hào)-數(shù)值碼 偏移二進(jìn)制碼 補(bǔ)碼表示法A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入模擬信號(hào)變化的反應(yīng)就越靈敏。分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，如8位、10位、12位、16位等

7、。分辨率為8位，表示它可以對(duì)滿量程的 所以，n位二進(jìn)制數(shù)最低位具有的權(quán)值就是它的分辨率。分辨率滿量程，n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。2.量程：量程即所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍，如2.5V、5V和10V。3.精度：有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。4.轉(zhuǎn)換時(shí)間：逐次逼近式單片A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間的典型值為1.0200卩So5電源靈敏度：當(dāng)電源電壓變化時(shí)，將使A/D轉(zhuǎn)換器的輸出發(fā)生變化。這種變化的實(shí)際作用相當(dāng)于A/D轉(zhuǎn)換器輸入量的變化，從而產(chǎn)生誤差。通常A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電源變化的靈敏度用相當(dāng)于同樣變化的模擬輸入值的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。例如，電源靈敏度為0.05%/%Us時(shí)，其含義是電源電壓變化為電源電壓Us的1%寸，相

8、當(dāng)于引入0.05%的模擬輸入值的變化。6.對(duì)基準(zhǔn)電源的要求：基準(zhǔn)電源的精度將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響，故選片時(shí)應(yīng)考慮是否要外加精密參考電源等。 模擬量輸出通道組成:兩種基本結(jié)構(gòu)形式：一個(gè)通道設(shè)置一片D/A轉(zhuǎn)換器，多個(gè)通道共用一片D/A轉(zhuǎn)換器技術(shù)指標(biāo)：1分辨率：含義與A/D轉(zhuǎn)換器相同。2穩(wěn)定時(shí)間：指D/A轉(zhuǎn)換器中代碼有滿度值的變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定（一般穩(wěn)定到與 值相當(dāng)?shù)哪M量范圍內(nèi)）所需的時(shí)間。一般為幾十毫秒到幾微秒。3輸出電平：不同型號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電平相差較大，一般為510V，也有一些高壓輸出型的為2430Vo還有一些電流輸出型，低的為20mA高的可達(dá)3Ao4輸入編碼：如二進(jìn)制、BC

9、D碼、雙極性時(shí)的符號(hào)-數(shù)值碼、補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制碼等。必要時(shí)可在D/A轉(zhuǎn)換前用計(jì)算機(jī)進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換。電流/電壓轉(zhuǎn)換：變送器的輸出信號(hào)為電流信號(hào)時(shí)，要轉(zhuǎn)化成可被單片機(jī)系統(tǒng)處理的電壓信號(hào)用。干擾的類型按其產(chǎn)生的原因、噪聲傳導(dǎo)模式和噪聲波形的性質(zhì)的不同進(jìn)行劃分。1按干擾產(chǎn)生的原因分類：（1）放電干擾（2）高頻振蕩干擾（3）浪涌干擾q所代表的量值就越小。數(shù)字量是用加權(quán)和來(lái)表示的:表示相應(yīng)數(shù)位的權(quán)值。1/2n=1/256的增量作出反映。1/2最低位10112.按干擾傳導(dǎo)模式分類：串模干擾、共模干擾。3.按干擾波形及其性質(zhì)分類：持續(xù)正弦波、偶發(fā)脈沖電壓波形、脈沖序列12抗擾：硬件措施:串模干擾共模干擾光電隔離

10、、繼電器隔離、變壓器隔離、布線隔離、硬件濾波電路、過(guò)壓保護(hù)電路平衡對(duì)稱輸入、選用高質(zhì)量的差動(dòng)放大器、 控制系統(tǒng)的接地技術(shù)軟件措施：1.數(shù)字信號(hào)輸入輸出中的軟件抗干擾措施(1)數(shù)字信號(hào)的輸入方法：干擾信號(hào)多呈毛刺狀， 作用時(shí)間短，利用這一特點(diǎn)，在采集某一數(shù)字信號(hào)時(shí), 可多次重復(fù)采樣，直到連續(xù)兩次或兩次以上采集結(jié)果完全一致方為有效。(2)數(shù)字信號(hào)輸出方法：重復(fù)輸出同一個(gè)數(shù)據(jù)2. CPU的抗干擾技術(shù)：除指令冗余，設(shè)置軟件陷井外，主要是建立程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)，即看門狗電路(Watch Dog Timer)簡(jiǎn)稱WDT13計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件分為：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。組態(tài)軟件采用了文件管理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理相結(jié)合的

11、數(shù)據(jù)管理方式。組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)總體上可分為組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分。14程序判斷濾波：根據(jù)濾波方法不同，可分限幅濾波和限速濾波兩種。15幾種濾波：中值濾波程序：對(duì)于變化較為劇烈的參數(shù)，此法不宜采用。中值濾波算法對(duì)于濾除脈動(dòng)性質(zhì)的干擾比 較有效，但對(duì)快速變化過(guò)程的參數(shù)，如流量，則不宜采用。算術(shù)平均濾波程序：對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采樣，然后求其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該算法主要對(duì) 壓力、流量等周期脈動(dòng)的采樣值進(jìn)行平滑加工，但對(duì)脈沖性干擾的平滑尚不理想。因此它不適用于脈 沖性干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合。加權(quán)平均濾波程序：低通濾波程序：上述幾種濾波方法基本上屬于靜態(tài)濾波，主要適用于變化過(guò)程比較快的參數(shù)

12、，如壓力、 流量等。但對(duì)于慢速隨機(jī)變化采用在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)采樣求平均值的方法，其濾波效果是不太好的。為 了提高濾波效果，通?？刹捎脛?dòng)態(tài)濾波方法。滑動(dòng)平均濾波程序：以上介紹的各種平均濾波算法有一個(gè)共同點(diǎn)，即每取得一個(gè)有效采樣值必須連續(xù) 進(jìn)行若干次采樣，當(dāng)采樣速度較慢(如雙積分型A/D轉(zhuǎn)換)或目標(biāo)參數(shù)變化較快時(shí)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不能得到保證?；瑒?dòng)平均濾波算法只采樣一次，將這一次采樣值和過(guò)去的若干次采樣值一起求平均，得 到的有效采樣值即可投入使用。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于變化較緩慢的參數(shù)如溫度，選用程序判斷濾波以及一階滯后濾波方法比較好，而對(duì)于 變化比較快的脈沖參數(shù)，如壓力、流量等，則可選用算術(shù)平均和加權(quán)平均濾波方

13、法，特別是加權(quán)平均 濾波比算術(shù)平均濾波更好。對(duì)于要求比較高的系統(tǒng)可選用復(fù)合濾波方法。另一方面，在算術(shù)平均濾波 和加權(quán)平均濾波中，其濾波效果與所選擇的采樣次數(shù)有關(guān)，越大，則效果越好，但花費(fèi)的時(shí)間也越長(zhǎng)。16現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)(FF)P ROFIBUSCANDeviceNetLonworksCC-Link過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域分低速H1和高 速H2兩種通信 速率為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī) 范，適用于紡 織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制 器、低壓開(kāi)關(guān)等 一般自動(dòng)化 支持主-從系汽車內(nèi)部測(cè)量 與執(zhí)行部件之 間的數(shù)據(jù)通信低成本的通信 連接，它將工業(yè) 設(shè)備連接到網(wǎng) 絡(luò)，從而免去了昂貴的硬接線 價(jià)格低、效率 高，特別適用于支持雙絞線、

14、同 軸電纜、光纖、 射頻、紅外線、 電源線等多種 通信介質(zhì)，通用 控制網(wǎng)絡(luò)家用電器、視亞洲設(shè)備層為主數(shù)據(jù)傳輸高速計(jì)算簡(jiǎn)答分析畫(huà)圖與分析：鍵盤(pán)設(shè)計(jì)P35-39，4*4鍵盤(pán)工作原理。24鍵，0-F為數(shù)字鍵，一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，7個(gè)功能鍵F1-F7。插補(bǔ)法（列表、作圖），P116-121步進(jìn)電機(jī)控制（8255,控制字，圖），121-131簡(jiǎn)答：1 PID參數(shù)對(duì)性能的影響：理想模擬調(diào)節(jié)器的PID算式為，分為三個(gè)部分：比例調(diào)節(jié)的控制規(guī)律為：，越大，動(dòng)態(tài)性能越好。反之 越小，調(diào)節(jié)作用越弱，但大多數(shù)慣性環(huán)節(jié)太大會(huì)引起自激振蕩。中積分調(diào)節(jié)：，可以消除靜差。表示積分速度， 越大，積分速度越慢，積分作用越弱積分速度越快，

15、積分作用越強(qiáng)。比例微分調(diào)節(jié)器中微分部分：，Td微分時(shí)間常數(shù)，可以改變微分作用的強(qiáng)弱。2數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)步驟：1） 依控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求和其它約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。2） 根據(jù)式確定計(jì)算機(jī)的脈沖傳遞函數(shù)D（z）。3） 根據(jù)D（z），編制控制算法的程序。這種設(shè)計(jì)方法稱為直接設(shè)計(jì)方法。顯然，設(shè)計(jì)過(guò)程中的第一個(gè)步驟是最關(guān)鍵的。3采樣周期的確定方法：采樣周期的選擇應(yīng)視具體對(duì)象而定，反應(yīng)快的控制回路要求選用較短的采樣周期 路可以選用較長(zhǎng)的。實(shí)際選用時(shí)，應(yīng)注意：（1） 采樣周期應(yīng)比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多，否則采樣信息無(wú)法反映瞬變過(guò)程。變化頻率。按香農(nóng)（Shannon）采樣定理，為了不失真地復(fù)現(xiàn)信號(hào)的變化，采樣頻率至少應(yīng)為有用信號(hào) 最高頻率的2倍，實(shí)際常選用410倍。（2） 采樣周期的選擇應(yīng)注意系統(tǒng)主要干擾的頻譜，特別是工業(yè)電網(wǎng)的干擾。一般希望它們有整倍數(shù)的 關(guān)系，這對(duì)抑制在測(cè)量中出現(xiàn)的干擾和進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)字濾波大為有益。（3） 當(dāng)系統(tǒng)純滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，采樣周期應(yīng)按純滯后大小選取，并盡可能使純滯后時(shí)間接近或等于 采樣周期的整倍數(shù)。實(shí)際上，用理論計(jì)算來(lái)確定采樣周期存在一定的