计算机控制系统知识点

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（一）基本概念

第一章

1、什么是计算机控制系统？与传统的控制系统相比，计算机控制系统的优点是什么？

答：计算机控制系统：用计算机代替常规控制系统中的模拟控制器对系统进行控制的系统。 优点：具有精度高速度快、存储容量大和逻辑判断功能，看完实现高级复杂的控制方法，获得快速静谧的控制效果。

2、简述计算机控制系统的硬件组成和各自的功能。

答：计算机控制系统的硬件一般由主机、接口和输入/输出通道、通用外部设备、执行机构、检测元件、仪表、操作台等部分组成。

主机：采用一台或多台计算机，通过接口和I/O口通道，接收检测设备传来的信息并向控制系统的各个部件发出命令，同时计算机对系统的各个参数进行巡回检测、数据处理、控制计算、分析报警、逻辑判断等。

接口与I/O通道：主机与被控对象之间进行信息交换的纽带。

通用外部设备：扩大计算机的功能，是计算机系统与操作人员的交互界面，用来完成信息的记录、存储、显示、打印、传送。

检测元件、仪表、执行机构：检测元件和仪表用来测量生产对象的某些参数，并将非电量的被测参数转换为电量表示；执行机构接受CPU的命令使被控对象完成规定的控制动作。

操作台：用来实现人机之间的交互功能。

3、计算机控制系统应当有哪些主要特征？

答：1.实时性 2.良好的输入/输出能力 3.标准化和系列化 4.模块化的系统结构 5.可靠性（平均无故障时间、抗干扰能力强、具有定时自动启动功能和硬件自检功能）

4、计算机控制系统大致可分为哪几类？简述各类计算机控制系统的结构和特点。 答：计算机控制系统大致可分为以下五类：

1）数据采集系统（DAS，Data Acquision System） 2）直接数字控制系统（DDC，Direct Digital Control）

3）计算机监督系统（SCC，Supervisory Computer Control） 4）分布式控制系统（DCS，Distributed Control System） 5）现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）

1）数据采集系统简称：DAS

计算机只对控制系统的参数进行采集、加工和分析处理，并将处理后的数据输出。操作人员根据输出的数据，对生产过程出现的问题进行处理，计算机不直接参与生产过程的控制，该系统结构简单，安全可靠。

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2）直接数字控制系统简称：DDC

直接数字控制系统中，计算机经输入（AI或DI）对生产过程进行数据采集。采集的数据进入计算机后与预先设定的值进行比较，或按照要求进行处理。计算机根据比较和分析的结果，按照控制规律（如PID）经输出（AO或DO）对生产过程进行直接控制。

3）计算机监督系统简称：SCC

计算机监督系统实际是两级计算机控制系统，上一级为SCC，下一级为DDC。生产过程采集数据经AI、DI送DDC的同时也送SCC。SCC根据采集的数据，经过计算后获得最佳设定值传送给DDC。DDC对设定值和测量值进行比较，比较后的结果经AO、DO送出，对生产过程进行控制。对计算机监督系统，要求SCC级具有强大的数据处理能力，存储容量大；DCC则需要实时性好、可靠性高和环境适应性好。

4）分布式计算机控制系统（DCS） 又称集散式控制系统。

分布式计算机控制系统的特点是“控制分散，管理集中”

5）现场总线控制系统（FCS）

FCS是建立在网络基础的计算机控制系统。现场总线是一种通信协议，是连接设备和系统的数字式网络。现场总线使控制系统实现了现场网络通信、设备互连与互操作、全数字通信等。

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现场总线的组成由监控设备、服务器和网桥、执行器、变送器、辅助设备等部分。 FCS与DCS系统相比有以下特点：全数字信息传输 系统结构更合理 方便的互操作性

第二章

5、什么是PID控制算法？其优点是什么？

答：控制系统中，控制器的输出是其输入的比例、积分、微分（Proportional、Integral、Differential）的函数，简称PID控制 优点：（1）PID控制技术成熟 (2) 不需要求出系统的数学模型 (3) 控制效果好

6、试述PID算法的表达式中各项的作用。 答：比例系数Kp决定控制 作用的强弱，Kp加大时可 减少系统的稳态误差，提高系统的动态响应速度，但Kp过大会引起振荡或导致系统不稳定。 积分项Ki/S用于消除系统的稳态误差，但积分项会使动态过程变慢，增大系统的超调量，使系统的稳定性变坏。

微分KdS的控制作用与偏差的变化速度有关。微分能产生超前的校正作用，有助于减少超

调和振荡，并能减少调整时间，从而改善系统的动态性能。

7、写出位置式PID和增量式PID的表达式，增量式PID与位置式PID相比有什么优点？ 答：数字PID控制的位置式： ??u(kT)?kp?e(kT)?

??

T对上式作Z变换 U (z) ?kp E(z )?Ti

TTiTdT???e(jT)?T?e(kT)?e(kT?T)???i?1?Tdk?E(z)1?z?1 ?(1?Z?1)E(z)?1Z传递函数 D(Z )?U (Z)? Kp ?K d ( 1 ? Z?1 )? Ki1?Z?1E(Z) 式中：Kp 为比例系数

Ki=Kp*T/Ti 为积分系数

Kd=Kp*Td/T 为微分系数。

增量式数字PID的控制算式

?u(kT)?u(kT)?u(kT?T)

?kp?e(kT)?e(kT?T)??kie(kT)

?kd?e(kT)?2e(kT?T)?e(kT?2T)?

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将上式中同一时刻的输入值合并，则增量式PID控制算式可写为：

?u(kT)?(kp?ki?kd)e(kT)?(kp?2kd)e(kT?T) ?kde(kT?2T)

增量式数字PID控制算法有下列优点：

（1）位置式算法需要计算偏差的累加值，容易产生累计误差，而增量式算法只与三个采样值有关，误差可减少。

（2）位置式的积分项可能产生积分饱和与超调，增量式克服了上述缺点，使系统的过渡过程时间缩短，系统的动态性能得到提高。

（3）当过程控制系统中需要手动—自动切换时，增量式易于实现无冲击切换。 在实际工程中，大量使用增量式算法。

8、什么是不完全微分、积分分离的PID算式？ 答：不完全微分算法：

在PID算式中，当有阶跃信号输入时，微分项的输出急剧增加，引起高频干扰。为了抑制高频干扰，可在数字调节器中串接一个低通滤波器。

积分分离算法：

在PID控制中积分项用于消除系统的稳定误差，但过大的积分会导致系统的稳定性变坏，出现饱和和较大的超调量。 可采用积分分离算法，在误差比较大，超过某一规定值时，取消积分，用PD控制，改善系统的动态特性；在误差比较小时，采用PID控制，保持稳态特性。

9、在数字PID中，采样周期如何确定？采样周期的大小对调节品质有何影响？

答：采样周期T的确定：由采样定理，采样频率的上限fs≥2fmax时，系统可真实恢复原有的信号。实际控制中，采样频率取值都取得较高，一般要根据被测参数的情况进行变化 影响采样周期的因素有以下几个方面：

（1）扰动频率：当扰动频率高时，采样频率应相对提高。

（2）被控对象的动态特性：被控对象的滞后和时间常数应作为考虑的因素，采样周期T应与滞后时间基本相符。

（3）控制的回路数：当回路多时，采样周期应加大 （4）其它

10、PID控制中，为何需要参数整定？简述临界比例法、试凑法的的操作过程。

答：工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。

试凑法

此方法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据PID各参数对系统的控制作用，反复调节试凑得到满意的结果为止。 试凑时按先比例、后积分、再微分的次序进行。

（1）调整比例系数KP，由小变大观察响应曲线的变化，达到满意为止。

如采用的算法和执行器的类型、控制的精度等因素。

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（2）当KP不能达到控制效果时，须加入积分环节。将积分时间常数，由大逐渐减小，并适当调整KP，观察系统特性， 使其保持在良好的动态特性下消除稳定误差Ess。

（3）若动态特性不能满意，则再加入微分环节，调整时，将微分时间常数由小到大，观察系统特性。（4）按步骤⑴，⑵反复试凑，直到满意为止。

3、临界比例法

该方法是一种简易的工程整定方法。临界比例法是基于模拟调节器使用的一种PID参数整定方法，操作的步骤如下：

（1）选择一个足够短的采样周期 ；

（2）将 输入到计算机控制系统，只取比例控制，逐步缩小比例度，直到系统产生等幅振荡，此时的比例度δu称临界比例度，相应的振荡周期Tu称为临界振荡周期。 3）选择控制度：控制度指DDC的控制效果与模拟调节器控制效果之比，评价函数用误差平方积分 ?2E(t)dt?0表示。

控制度=

?????2?0E?(t)dt?DDC??2 ??0E(t)dt?模拟??对于模拟系统，其误差平方积分可按记录纸上的图形面积计算，而DDC系统可用计算机计算。通常当控制度为1.05时，表示DDC系统和模拟系统的控制效果相当。 （4） 根据控制度，查表可求出T、KP、KI和KD值。

?（5）按照上方法求得的参数，通过实际运行观察控制效果，必要时可适当调整参数，直到获得满意的效果为止。

第四章

11、工业控制领域中常用的微型计算机有哪几种？ 答：控制系统中常用的微型计算机主要有以下几种：

（1）单片微型计算机和嵌入式系统

（2）可编程逻辑控制器 （3）STD总线工控机 （4）工业PC机

12、用单片机对系统进行控制时，通常需要扩充存储器，简述扩充中需注意的事项。 答：1）地址和编码方式

（1）统一式编码方式 单片机一般采用 （2）隔离式编码方式 PC机采用

2）M的片选控制方式

（1）线选控制方式（2）局部译码法（3）全译码法 3）M芯片的选择

（1）RAM SRAM、DRAM、IRAM

（2）ROM 掩膜ROM、PROM、EPROM、E2 PROM 、闪速 存储器

4）与CPU的连接 （1）负载能力

较小系统CPU可与M芯片直接连接，较大系统时增加驱动器。 （2）时序的配合

尽量选与CPU速度相近的M芯片。 （3）M的地址分配

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