计算机控制技术总结
第一章1、
计算机控制系统的工作原理
实时决策控制：对采集到的被控量进行分析处理，并按已定的控制规律，决定控制行为。实时控制输出：根据控制决策，适时地对控制机构发出控制信号，完成控制任务。2、
计算机控制系统的组成
答：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两部分组成。
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部分。生产过程包括被控对象和测量变送、执行机构、电气开关等装置，。3、
计算机控制系统的典型型式
答：操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督控制系统，集散控制系统，现场总线控制系统，综合自动化系统。第二章什么是总线
所谓总线，就是计算机各个模块之间互联和传送信息的一组信号线。总线可以分为内部总线和外部总线，而内部总线又可分为片级总线和系统总线。
模拟量输入通道：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。
模拟量输入通道的组成一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。信号调理：为了将外部开关量信号输入到计算机,必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机所能接受的逻辑信号，这个过程叫信号调理。
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量信号、转变成在时刻0、T、1T、2T、…KT的一连串脉冲输出信号的过程成为采样过程。
量化：采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转化为数字信号。量化过程：将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。3.采样保持器
（1）孔径时间和孔径误差的消除
孔径时间：A/D转换器将模拟信号转换成数字量所需的时间，称为孔径时间。
孔径误差：对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。对于一定的转换时间，误差的百分数和信号频率成正比。
孔径误差的消除：采用带有采样保持器，，限制信号的频率范围。
模拟量输出通道任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。
模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、V/I变换等组成模拟量输出通道的结构形式
1.一个通路设置一个数/模转换器的形式（数字保持方案）优点：转换速度快、工作可靠。
缺点：使用较多的D/A转换器。2.多个通路共用一个数/模转换器的形式（模拟保持方案）优点：节省数/模转换器
缺点：分时工作，适用于通路数量多且速度要求不高的场合；
要用多路开关，且要求输出采样保持的保持时间与采样时间之比较大；可靠性差。2.6硬件抗干扰技术
3种过程通道抗干扰技术主机抗干扰技术系统供电与接地技术
干扰既可能来源于外部，也有可能来自内部。外部干扰由外界环境因素决定；内部干扰是由系统结构、制造工艺等决定。
过程通道抗干扰技术1.串模干扰及其抑制方法（1）串模干扰
定义：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。（2）串模干扰的抑制方法
答：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。
如果串模干扰的频率与被测信号频率不同时，可以采用滤波器来抑制干扰；
当尖峰型串模干扰为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰影响；对于串模干扰主要来自电磁感应时，信号应仅可能早地前置放大，提高信噪比；利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰；采用良好的屏蔽，以减少电磁干扰。
2.共模干扰及其抑制方法（1）共模干扰
定义：所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。（2）共模干扰的抑制方法
变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比。数字PID控制器的改进积分项的改进
（1）积分分离（2）抗积分饱和（3）梯形积分（4）消除积分不灵敏区
微分项的改进
（1）不完全微分PID控制
改进原因：在PID控制中，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。
改进方法：串联一阶惯性环节，组成不完全微分PID控制器。两种PID控制的阶跃响应：（2）微分先行PID控制算式
改进原因：为避免给定值的升降给系统带来冲击，如超调过大，调节阀动作剧烈。改进方法：只对被控量y(t)微分，不对偏差e(t)微分。
带死区的PID控制算法
作用：避免控制动作过于频繁，消除频繁动作所引起的振荡。施密斯预估控制的思想
施密斯预估控制原理是：与D(s)并接一补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后部分。这个补偿环节为预估器，其传递函数为Gp(s)(1--e-ts),t为纯滞后时间。由施密斯预估器和控制器D（s）组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为D’(s),经补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，且不影响系统的稳定性。所谓振铃现象，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振荡。
振铃现象的消除第一种方法是先找出D（z）中引起振铃现象的因子（z=-1附近的极点），然后令其中的z=1,根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳定值。
第二种方法是从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期T及系统闭环时间常数Tt，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。
软件抗干扰技术
经常采用的软件抗干扰技术技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱等。先进控制技术：模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术和预测控制技术。
模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置和被控对象等5个部分组成。6.6.1数字滤波技术
数字滤波是通过一定得的计算或判断程序，减少干扰在有用信号中比重。与模拟滤波器相比，数字滤波器的优点：
程序实现，不需硬件，可靠性高，稳定性好。可以对很低频率进行滤波，克服模拟滤波器的缺点，根据信号不同，采用不同的滤波方法，灵活、方便、功能强。1平均值滤波：适用于周期性干扰2中位滤波：使用偶然的脉冲干扰3限幅滤波：使用偶然的脉冲干扰4惯性滤波：适用于高频干扰6.6.2开关量的软件抗干扰技术
1.开关量信号输入抗干扰措施
干扰特点：多呈毛刺状，作用时间短。
解决方法：两次采样、多次采样，完全一致方为有效。2.开关量信号输出抗干扰措施
惯性大的输出设备（如各类电磁执行机构），对毛刺干扰有一定的耐受能力。惯性小的设备（如通讯口），耐受能力小，需要输出抗干扰。
解决方案：重复输出统一数据，重复中期尽可能短，外设阶受到干扰信号，还来不及做出反应，一个正确的输出信息又来到了。6.6.3指令冗余技术
解决方案：在关键地方插入单字节指令（NOP)，这就是指令冗余。6.6.4软件陷阱技术
什么是软件陷阱：就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。
软件陷阱的实现：无条件转移指令
软件陷阱的位置（1）未使用的中间向量区（2）未使用的大片ROM区3）表格（4）程序区网络拓扑结构
星形、环形、总线型、树形。1.网络拓扑结构
（1）星形结构：结构：中心结点是主结点，它接受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有中继交换和数据处理功能。
特点：：①网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；②网络延迟时间短，传输错误率较低；
③网络可靠性较低，一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪；
④网络资源大部分在外围点上，相互结点必须经过中央结点才能转发信息；⑤通讯电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。
（2）环形结构：：结构：各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。
特点：①信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两个结点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制；②环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，因此控制软件较简单；③环路中，当某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；④环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。
（3）总线形：；结构：个结点经其接口，通过一条或几条通讯线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被任一结点接收。由于信息传输方向是从发送结点向两端扩散，因此又称为广播式网络。特点：①结构简单灵活，扩展方便；②可靠性高，网络响应速度快；③共享资源能力强，便于广播式工作；④设备少，价格低，安装和使用方便；
⑤由于所有结点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。（4）树形：：结构：分层结构，适用于分级管理和控制系统。
特点：①通讯线路总长度较短，连网成本低，易于扩展，但结构较星形复杂；②网络中除叶结点外，任一结点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。
介质访问控制技术什么介质访问控制?
各结点通过公共通道传输信息，因此存在如何合理分配信道的问题，访问控制方式的功能是合理解决信道的分配。
（1）冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）适用于总线形
工作原理
当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等
待一段时间，直至信道空闲，开始发送。
确定等待时间的方法
①当某结点检测到信道被占用后，继续检测，发现空闲，立即发送；
②当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信道空闲，开始发送。
（2）令牌环适用于环网
令牌的定义
是控制标志，网中只设一张令牌，并依次沿各结点传送。
（3）令牌总线适用于总线形式
原理：把总线形传输介质的各个结点形成一个逻辑环，即人为地给各个规定一个顺序。控制方式类似于令牌环。.差错控制技术
改善信道的点性能，使误码率降低（1）奇偶校验
（2）循环冗余校验CRC校验
（3）纠错方式3种：重发纠错，自动纠错，混合纠错
分布式控制系统
答：分布式控制系统就是指综合了计算机技术、控制技术、CRT显示技术、通信技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能，为用户实现过程控制自动化与信息管理想结合的管控一体化的综合集成系统。什么叫现场总线
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场仪表或现场设备互连的通信网络。现场总线的体系结构主要表现以下6个方面：（1）
现场通信网络（2）现场设备互连（3）互操作性（4）分散功能块（50通信线供电
（6）开放式互连网络
OPCOPC是用于过程控制的对象链接嵌入技术，OPC采用客户/服务层结构想下层提供接口，时信息进入OPC服务器，向上层提供接口，实现向上互联。系统集成：
按系统整体性原理，将原来没有联系或联系不紧密的元素组成为具有一定功能的，满足目标、相互联系、彼此协调工作的新系统的过程、技术与科学而引出的系统集成工程。。
扩展阅读：计算机控制技术总结
例某系统用镍铬镍铝热电偶测温，先将温度400-1000℃的范围按每60℃一段划分为10段，各段用直线近似，折线上各折点的T-E值如表所列。
某时刻测得热电势Ex=34.66mV，由该热电偶的分度表可直接查出其相应温度Tx=834℃
例某系统用镍铬镍铝热电偶测温，先将温度400-1000℃的范围按每60℃一段划分为10段，各段用直线近似，折线上各折点的T-E值如表所列。
现用式计算，先从表中查得所策热电势值处于7-8号折点的段内，将各有关数值代入上式得：TnTn1TxTn1(ExEn1EnEn1
其相对误差为：
例某系统用镍铬镍铝热电偶测温，先将温度400-1000℃的范围按每60℃一段划分为10段，各段用直
o线近似，折线上各折点的T-E值如表所列。x再用前式计算
880820T820C(34.6634.10)833.36.5334.10
例某烟厂用计算机数据采集系统采集烟叶发酵室的温度变化情况，该室温度测量范围是20-80℃，所得模拟信号为1-5V,采用铂热电阻（线性传感元件）测温，用8位A/D转换器转换为数字量，转换器输入0-5V时输出是00H-0FFH。某一时刻，计算机采集到的数字量为0B7H。由计算式作工程量线性转换。由给定条件得为：ymax=80℃，ymin=20℃，Nmax=0FFH=255，Nx=0B7H=183,
在温度为20℃时，因检测所得模拟电压是1V.所以相应的数字量应为255X1/5=51,
y=20℃十（80-20)（183-51）／（255-51)=58.21℃100%0.02%工程量线性转换的程序框图如图十9所示．834对测量数字量OB7H的工程量线性转换结果为
Tx(((a4Exa3)Exa2)Exa1)Exa0833.
1现场总线有何特点现场总线技术特点1、系统的开放性2、互可操作性与互用性
3、现场设备的智能化与功能自治性4、系统结构的高度分散性5、对现场环境的适应性
1为什么PI控制器引入积分环节可消除系统的静态误差？
答：PI控制器对于偏差的阶跃响应除有按比例变化的成分外，还带有累积的成分，即积分作用成分。只要偏差e(t)不为零，它将通过累积作用影响控制量u(t)，以求减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，系统达到稳态。因此，积分作用的加入可以消除系统静差
2写出位置式和增量式？
答在工业过程控制中，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法（1）位置式PID控制算法
按模拟PID控制算法的算式，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微
分，作如下近似变换：上式中T为采样周期。为书写方便，以后将e(kT)简化表示为e(k)等，即省去T。将式代入式，可得离散的PID表达式
式中k采样序号，K=0，1，2，…；
u(k)第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)第(k-1)次采样时刻输入的偏差值；KI积分系数；Kp微分系数2）增量式PID控制算法
当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量（例如去驱动步进电机）时，可由式导出提供增量的PID控制算法：
2）增量式PID控制算法可以进一步改写：
u(k)Ae(k)Be(k1)Ce(kTTD)TIT答：1)由于计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小，
3增量式的优点？AK(1P
TD从而不会严重影响生产过程。
T2）手动一自动切换时冲击小。控制从手动到自动切换时，可以做到无扰动切换。此外，当计算机发生故KPTD障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍然能保持原值。
B3）算式中不需要累加。控制增量Au(k)的确定仅与最近k次的采样值有关，较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。
4数字PID控制器算法的改进
答积分分离PID算式不完全微分的PID控制算式微分先行PID算式带有死区的PID控制
静态比例控制系统结构方框图获得。由上式可以看到，控制器的直流增益越大，控制稳态误差越小。比例积分（PI）控制器时域上看：只要有偏差，就要积分频域上看：稳态增益为无穷大。4抑制共模干扰的措施有：
(1)采用差分放大器做信号前置放大(2)采用隔离技术将地电位隔开51．串模干扰及其抑制
可以采取下列措施尽量减少其影响。
◆采用输入滤波器进行电磁屏蔽和良好的接地选择合适的ADC使用电流信号传输
例41某热处理炉温度测量仪表的量程为200～800℃，在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0CDH，求此时温度值为多少？(设仪表量程为线性的)
解：已知A0＝200℃，Am＝800℃，Nx＝0CDH＝(205)D，Nm＝0FFH＝255，根据式(410)，此时温度为
BKP(12)=
6标度变换和非线性能否转换？
(800200)十200＝682(℃)
答：生产过程的非电参数首先由测量仪表转换成4-20mA或1-5V的模拟电信号，再经过A/D转换后成为一定位数的数字量信号，才有可能被计算机采集，这数字量信号虽然与被测参数的大小有一定的联系，但毕竟不是被测量的工程量值，为了能直接显示或打印出被测的工程量值，应利用计算机进行计算，把数字量恢复为工程量，因而才有“工程量转换”之说，这种转换也可称为“标度变换”。7
例6.6已知A1a10.2a10.6a20.5a20.2a30.9a30Aax40.3a4;BN0.7xNmbAb2A0b()3Ab41m10.30.1A1当“若Ａ则Ｂ”，问若Ａ１是结果如何？2
当“若Ａ１时的结果”为Ｂ１，则
T.30.10..72100R10.600.7因此
0.60.60.30.1B1A1R0.20.500..90.30.170.310.20.20.20.10.60.600.3000.100.50.50.30.10.20.20.20.18前馈－反馈控制的优点
10.30.1答□可简化前馈控制系统，只须对影响被控参数最显著的干扰进行补偿，而对其他许多次要的干扰仍由反0000馈予以克服，这样即保证了精度又简化了系统。2由于反馈回路的存在，降低了对前馈控制算式精度的要求。3前馈－反馈控制可实现控制精度高、稳定性好和控制及时。4提高了前馈控制模型的适应性。9常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。
逐次逼近式：转换时间短（几个微秒～几百个微秒），但抗干扰能力较差。双斜积分式：转换时间长（几十个毫秒～几百个毫秒），抗干扰能力较强。10（3）采样/保持器必要性：
A/D转换器都需要一定的时间完成量化及编码的操作。在转换过程中，如果模拟量变化，将直接影响转换
0.50.30.30.1b1b2b3b在同步系统中，几个并联的量均需要取同一瞬时的值。
精度。
B1作用：
使输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变。但转换之后，A/D变换器的输入信号能够跟踪模拟量的变化。
114.1.1数据采集系统的基本功能
数据采集系统一般应具有以下几个方面的功能
1)对多个输入通道输入的生产现场信息能够按顺序逐个检测（巡回检测），或按指令对某一通道进行检测（选择检测）。
2)能够对所采集的数据进行检查和处理。
3)当采集到的数据超出上限或下限值时，系统能够产生声光报警信号，提示操作人员处理。4)在系统内部能存储采集数据。
5)能定时或按需随时以表格形式打印采集数据。6)具有实时时钟。
7)系统在运行过程中，可随时接受由键盘输入的命令，以达到随时选择采集、显示、打印的目的。12模糊控制特点：
(1)适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求得，只要求掌握操作人员或领城专家的经验或知识。
(2)模糊控制是一种语言变量控制器。
(3)系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制．
模糊关系运算
设R，S是集合A到集合B的两个模糊关系，RAB和SAB它们的关系矩阵分别是Rrij和Ssij（1）并运算
（2）交运算
设RSQqij,则qijrijsijmin[rij,sij]
（3）补运算（4）合成运算
如果R是集合A到B的关系，S是集合B到C的关系，设Q是由定义的关系，则称Q为R和S的合成关系，其相应的运算称为合成运算。
设RSQqij,则qijrijsijmaxrij,sij
例6.4在研究人的年龄这个论域中，年龄分别为25岁、30岁和35岁的3个人是否属于“年轻人”集合的问题时，可设“年轻人”模糊集合A的隶属函数为
x2521A(x)[1()]510x2525x100x125,x230,x335An例6.5设集合A表示甲、乙两个学生（x1电气工程学院学生，x2为建筑工程学院学生）；集合B为表示ijikkjikkjk1某学生考试科目，B＝｛高等数学，大学英语，控制理论，建筑学原理｝，两学生的期末成绩如下表。
A(25)1,设RSQ,如果Rrik,Qqik,Sskj则q(rs)maxmin(r,s)高数y1英语y2R9283A(30)0.5,(35)0.2物理控制论建筑学y5086
y4qijy3，rij1rij8966810甲乙
x1x2851
学生集合A与考试科目集合B之间关于成绩的模糊关系为
相应的模糊关系矩阵
计算机控制系统的个电路模块之间，现场信号采集与计算机控制之间，弱电控制羽抢点控制之间的隔离方式有变压器隔离、继电气隔离和光电隔离等。
0.850.920.890.810R(x1,y1)(x1,y2)(x1,y3)(x1,y4)(x1,y5)10.830.7600.87(x2,y1)(x2,y2)(x2,y3)(x2,y4)(x2,y50.850.920.890.810R0.830.7600.8
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