(-)基本概念

第一章

1,什么是計算機限制系統？及傳統的限制系統相比，計算機限制系統的優點是什么？

答：計算機限制系統：用計算機代替常規限制系統中的模擬限制器對系統進行限制的系統。

優點：具有精度高速度快，存儲容量大和邏輯推斷功能，看完實現高級困難的限制方

法，獲得快速靜謐的限制效果.

2,簡述計算機限制系統的硬件組成和各自的功能。

答：計算機限制系統的硬件一般由主機.接口和輸入檢出通道，通用外部設備，執行機

構，檢測元件，儀表，操作臺等部分組成。

主機：采納一臺或多臺計算機，通過接口和I/O口通道，接收檢測設備傳來的信息并向

限制系統的各個部件發出命令，同時計算機對系統的各個參數進行巡回檢測，數據處理,

限制計算，分析報警，邏輯推斷等。

接口及I/O通道：主機及被控對象之間進行信息交換的紐帶。

通用外部設備：擴大計算機的功能，是計算機系統及操作人員的交互界面，用來完成信

息的記錄，存儲，顯示，打印，傳送。

檢測元件，儀表，執行機構：檢測元件和儀表用來測量生產對象的某些參數，并將非

電量的被測參數轉換為電量表示；執行機構接受CPU的命令使被控對象完成規定的限制動

作。

操作臺：用來實現人機之間的交互功能。

3,計算機限制系統應當有哪些主要特征？

答：1.實時性2.良好的輸入/輸出實力3.標準化和系列化4.模塊化的系統結構5.牢靠

性(平均無故障時間，抗干擾實力強，具有定時自動啟動功能和硬件自檢功能)

4,計算機限制系統大致可分為哪幾類？簡述各類計算機限制系統的結構和特點。

答：計算機限制系統大致可分為以下五類：

1)數據采集系統(DAS,DataAcquisionSystem)

2)直接數字限制系統(DDC,DirectDigitalControl)

3)計算機監督系統(SCC,SupervisoryComputerControl)

4)分布式限制系統(DCS,DistributedControlSystem)

5)現場總線限制系統(FCS,FieldbusControlSystem)

1)數據采集系統簡稱：DAS

計算機只對限制系統的參數進行采集，加工和分析處理，并將處理后的數據輸出。操作人

員依據輸出的數據，對生產過程出現的問題進行處理，計算機不直接參及生產過程的限制，

該系統結構簡單，平安牢靠。

圖1-4數據采集系統

2）直接數字限制系統簡稱：DDC

直接數字限制系統中，計算機經輸入（AI或DI）對生產過程進行數據采集。采集的數

據進入計算機后及預先設定的值進行比較，或依據要求進行處理。計算機依據比較和分析的

結果，依據限制規律（如PID）經輸出（A0或DO）對生產過程進行直接限制。

圖1-5直接數字控制系統

3）計算機監督系統簡稱：SCC

計算機監督系統實際是兩級計算機限制系統，上一級為SCC,下一級為DDC。生產過程

采集數據經AI,DI送DDC的同時也送SCCoSCC依據采集的數據，經過計算后獲得最佳

設定值傳送給DDC。DDC對設定值和測量值進行比較，比較后的結果經AO,DO送出，

對生產過程進行限制。對計算機監督系統，要求SCC級具有強大的數據處理實力，存儲容

量大；DCC則須要實時性好，牢靠性高和環境適應性好。

4）分布式計算機限制系統（DCS）又稱集散式限制系統。

分布式計算機限制系統的特點是“限制分散，管理集中”

5）現場總線限制系統（FCS）

FCS是建立在網絡基礎的計算機限制系統。現場總線是一種通信協議，是連接設備和系統的

數字式網絡。現場總線使限制系統實現了現場網絡通信，設備互連及互操作，全數字通信

等。現場總線的組成由監控設備，服務器和網橋，執行器，變送器，協助設備等部分。

FCS及DCS系統相比有以下特點：全數字信息傳輸系統結構更合理便利的互操作

性

第二章

5,什么是PID限制算法？其優點是什么？

答：限制系統中，限制器的輸出是其輸入的比例，積分，微分(Proportional,Integral,

Differential)的函數，簡稱PID限制

優點：(1)PID限制技術成熟(2)不須要求出系統的數學模型(3)限制效果好

6,試述PID算法的表達式中各項的作用。E(S)U(S)

答：比例系數Kp確定限制e(t)

作用的強弱，Kp加大時可

削減系統的穩態誤差，提高系統的動態響應速度，但Kp過大會引起振蕩或導致系統不穩定。

積分項Ki/S用于消退系統的穩態誤差，但積分項會使動態過程變慢，增大系統的超調量，

使系統的穩定性變壞。

微分KdS的限制作用及偏差的變化速度有關。微分能產生超前的校正作用，有助于削減超

調和振蕩，并能削減調整時間，從而改善系統的動態性能。

比例

積分

Pd(t)

微分

7,寫出位置式PID和增量式PID的表達式，增量式PID及位置式PID相比有什么優點？

答：數字PID限制的位置式：

u(kT)=kp\e(kT)+崇2e(〃)+與[e(S-e(kT-T)]>

對上式作Z變換u(z)=3[E(Z)+與罟+華(1—Z-I)￡(z)]

Z傳遞函數D(Z)=^=Kp+Ki^+Kd(.\-Z-')

式中：Kp為比例系數

Ki=Kp*T/Ti為積分系數

Kd=Kp*Td/T為微分系數。

增量式數字PID的限制算式

△u(kT)=u(kT)—u(kT-T)

=kp[e(kT)-e(ZT—T)]+k^kT)

+kd\e{kT)-2e(kT—T)+e(kT—2T)]

將上式中同一時刻的輸入值合并，則增量式PID限制算式可寫為：

△u(kT)=(kp+ki+kd)e(kT)+(kp+2k，d)e(kT-T)

+k，de(kT—2T)

增量式數字PID限制算法有下列優點：

(1)位置式算法須要計算偏差的累加值，簡單產生累計誤差，而增量式算法只及三個采樣

值有關，誤差可削減。

(2)位置式的積分項可能產生積分飽和及超調，增量式克服了上述缺點，使系統的過渡過

程時間縮短，系統的動態性能得到提高。

(3)當過程限制系統中須要手動一自動切換時，增量式易于實現無沖擊切換。

在實際工程中，大量運用增量式算法。

8,什么是不完全微分，積分分別的PID算式？

答：不完全微分算法：

在PID算式中，當有階躍信號輸入時，微分項的輸出急劇增加，引起高頻干擾。為了抑制

高頻干擾，可在數字調整器中串接一個低通濾波器。

積分分別算法：

在PID限制中積分項用于消退系統的穩定誤差，但過大的積分會導致系統的穩定性變壞，

出現飽和和較大的超調量。可采納積分分別算法，在誤差比較大，超過某一規定值時，取

消積分，用PD限制，改善系統的動態特性；在誤差比較小時，采納PID限制，保持穩態特

性。

9,在數字PID中，采樣周期如何確定？采樣周期的大小對調整品質有何影響？

答：采樣周期T的確定：由采樣定理，采樣頻率的上限fs22fmax時，系統可真實復原原有

的信號。實際限制中，采樣頻率取值都取得較高，一般要依據被測參數的狀況進行變化

影響采樣周期的因素有以下幾個方面：

(1)擾動頻率：當擾動頻率高時，采樣頻率應相對提高。

(2)被控對象的動態特性：被控對象的滯后和時間常數應作為考慮的因素，采樣周期T應

及滯后時間基本相符。

(3)限制的回路數：當回路多時，采樣周期應加大

(4)其它如采納的算法和執行器的類型，限制的精度等因素。

10,PID限制中，為何須要參數整定？簡述臨界比例法，試湊法的的操作過程。

答：工業生產過程中，對于生產裝置的溫度，壓力，流量，液位等工藝變量經常要求維持

在肯定的數值上，或按肯定的規律變化，以滿足生產工藝的要求。PID限制器是依據PID

限制原理對整個限制系統進行偏差調整，從而使被控變量的實際值及工藝要求的預定值一

樣。不同的限制規律適用于不同的生產過程，必需合理選擇相應的限制規律，否則PID限

制器將達不到預期的限制效果。

試湊法

此方法是通過仿真或實際運行，視察系統對典型輸入作用的響應曲線，依據PID各參數對

系統的限制作用，反復調整試湊得到滿足的結果為止。

試湊時按先比例，后積分，再微分的次序進行。

(1)調整比例系數KP,由小變大視察響應曲線的變化，達到滿足為止。

（2）當KP不能達到限制效果時，須加入積分環節。將積分時間常數，由大漸漸減小，并

適當調整KP,視察系統特性，使其保持在良好的動態特性下消退穩定誤差Ess。

（3）若動態特性不能滿足，則再加入微分環節，調整時，將微分時間常數由小到大，視察

系統特性。（4）按步驟⑴，⑵反復試湊，直到滿足為止。

3,臨界比例法

該方法是一種簡易的工程整定方法。臨界比例法是基于模擬調整器運用的一種PID參數整

定方法，操作的步驟如下：

（1）選擇一個足夠短的采樣周期

（2）將輸入到計算機限制系統，只取比例限制，逐步縮小比例度，直到系統產生等幅

振蕩，此時的比例度6u稱臨界比例度，相應的振蕩周期Tu稱為臨界振蕩周期。

3）選擇限制度：限制度指DDC的限制效果及模擬調整器限制效果之比，評價函數用誤差

平方積分「爐⑺力

表示。*0

限制度=

對于模擬系統，其誤差平方積分可按記錄紙上的圖形面積計算，而DDC系統可用計算機計

算。通常當限制度為1.05時，表示DDC系統和模擬系統的限制效果相當。

（4）依據限制度，查表可求出T,KP,KI和KD值。

（5）依據上方法求得的參數，通過實際運行視察限制效果，必要時可適當調整參數，直到

獲得滿足的效果為止.

第四章

11,工業限制領域中常用的微型計算機有哪幾種？

答：限制系統中常用的微型計算機主要有以下幾種：

（1）單片微型計算機和嵌入式系統

（2）可編程邏輯限制器（3）STD總線工控機（4）工業PC機

12,用單片機對系統進行限制時，通常須要擴充存儲器，簡述擴充中需留意的事項。

答：1）地址和編碼方式

（1）統一式編碼方式單片機一般采納

（2）隔離式編碼方式PC機采納

2）M的片選限制方式

（1）線選限制方式（2）局部譯碼法（3）全譯碼法

3）M芯片的選擇

（1）RAMSRAM,DRAM,IRAM

（2）ROM掩膜ROM,PROM,EPROM,E2PROM,閃速

存儲器

4）及CPU的連接

（1）負載實力

較小系統CPU可及M芯片直接連接，較大系統時增加驅動器。

（2）時序的協作

盡量選及CPU速度相近的M芯片。

（3）M的地址安排

確定擴充M的容量，選擇合適的芯片，畫出地址安排圖，選出譯碼器等其它器件，畫出

硬件連接圖。

(4)搭出硬件電路并進行調試，制作集成電路板。

13,微機限制系統中，常用的顯示器件有哪幾種？各自的特點是什么？什么是動態顯示和

靜態顯示？比較兩者的優缺點。

答：限制系統常用顯示器：1)顯示和記錄儀表2)LED和LCD3)CRT顯示器4)

大屏幕

1,LED顯示器

(1)分為七段和米字型(2)有共陰和共陽兩種接法

(3)有紅，黃，藍，紫多種顏色

(4)已經有將4-6位集成在一起的多位LED數碼管

?LED數碼管的顯示方法

(1)軟件實現方法

①動態顯示：單片機定時對顯示器件掃描，顯示器件分時工作。

優點：運用硬件少，線路簡單，價格便宜

缺點：占用機時長

②靜態顯示單片機一次輸出顯示后，始終保持顯示結果，直到下一次送新的顯示內容。

優點：占用機時少，顯示牢靠

缺點：運用硬件多，線路比較困難，價格較高

(2)硬件實現方法

采納硬件譯碼器代替軟件獲得顯示代碼，其優點是節約CPU的機時，程序設計簡單。同樣

分為動態和靜態兩種。

2,LCD

LCD顯示器是在兩片玻璃間配置IO-12um的薄層流體液晶構成。和LED相比較LCD的特

點是不僅能顯示數字，還能顯示圖像。

LCD顯示器的顯示方式：

①筆段式：類似7段LED顯示器，為長條狀顯示像素組成的顯示器。

②點陣字符式和點陣圖形式：顯示像素連續排列，可以顯示字符和各種圖形曲線。顯示

時需加驅動器限制。

14,試述可編程限制器PLC,STD工控機和工業PC機的主要特點和應用。它們分別運

用于何種限制系統？

答：(1)PLC可編程限制器的

特點:①牢靠性高，抗干擾實力強②編程簡單，運用便利③組合敏捷，適用面廣④豐富

的I/O接口模塊，功能齊全，擴充便利⑤體積小，體重輕，價格低。

應用：①依次限制②定時限制③過程限制④數據處理⑤數據處理⑥其他

實現的功能：①依次限制②過程限制③計數定時限制④模/數和數/模轉換⑤數據

處理⑥通信和聯網⑦冗余限制⑧監控功能⑨其他功能

(2)STD工控機

特點：①采納165XI14mm的小板結構，機械強度好，抗沖擊，抗振動，抗老化和抗干擾

實力強；

小板上元件少，因此散熱性能好，提高了系統的牢靠性和可維護性。此外，元器件都經過

嚴格篩選和老化處理，使其產品的平均無故障間隔時間(MTBF)達60年。

②供應大量功能模塊(近千種)，模塊設計標準化，用戶可依據實際須要選擇各種模塊和軟

件構成工業限制系統。既提高了設計的效率又降低了系統的成本。

③兼容開放式的總線結構，使STD總線可支持多種8位CPU,包括Z80,M68系列和PC

系列的多種產品。采納周期竊取和分時復用技術，可敏捷地擴充升級16位和32位的CPU,

配套性和兼容性好。

④總線模板上各接口之間呈直線連接，信號最短距離傳送，運行速度高，削減了干擾，對

軟件(系統軟件)采納固化措施，提高了牢靠性。

應用場合：由于以上特點，STD總線可適應工業現場的振動，灰塵，高溫，有害氣體，電

磁干擾等惡劣環境，成為工業現場首選的限制機。

(3)工業PC機IPC

特點：①牢靠性高②實時性好③環境適應實力強④小板結構，模塊化設計，完善的

I/O通道⑤系統開放性好⑥性能價格比高

第五章

15,什么是傳感器？傳感器有哪些主要的技術指標？選用傳感器應當遵循哪些規則？

答：傳感器是一種能感知某一被測量，并將被測量變換為相應的其它量的器件或裝置。

傳感器的技術指標：

(1)輸入特性

1量程測量上限及下限的差

1過載超出傳感器測量范圍的最大允許輸入值

(2)靜態響應特性

I精度測量結果及“真值”的靠近程度

1辨別率對被測量相對變化的最高反應實力

1靈敏性輸出量變化值及相應輸入量變化值之比

1穩定性在一個較長時間內保持性能參數的實力

(3)動態特性

動態特性是指被測量在變化時傳感器的輸出量是否能追隨輸入量的變化，分為階躍響應和頻

率響應兩類，可依據其特性曲線的特征值來判定。主要的指標是時間常數T,上升時間Tr,

建立時間Ts,過沖量a,衰減比5等。

選用傳感器的一般規則：

(1)及測量條件有關的事項

測量的目的，被測量的類型，測量的范圍，測量所需的時間

(2)及傳感器性能有關的事項

靜態響應特性和動態響應特性。

(3)及運用條件有的事項

場所，溫度，濕度，是否及其它設備相連，外界干擾，功率容量，外形尺寸，重量等。

(4)其它

傳感器的性能價格比，生產廠家的服務，交貨時間，保修時間，零配件的供應等。

16,在模擬量輸入通道中，信號調理包括哪幾部分?

答：放大器，信號轉換設備，濾波器

17,畫出模擬量輸入（輸出）通道的結構圖，說明各部分的作用。

答：模擬量輸入通道原理框圖

多路開關：1,將待測控的多路參數分時接通，送入通道進行A/D轉換；

2,將計算機處理后的數據分時的經D/A轉換成模擬信號，限制執行器的執行。

兩種用途可采納同一種多路開關，但詳細任務不同，常將前者稱為多路開關,

后者稱為多路安排器。

18,說明下列名詞：采樣，量化，編碼。

答：采樣：將模擬信號變為一串脈沖信號，采樣的輸出跟隨模擬量輸入的變化。

保持：保持采樣時的信號不變，直到保持命令撤消為止，以便完成A/D轉換。

量化：將采樣時刻的信號按最小量化單位取整。

編碼：將量化后的信號轉換為二進制碼形式，即數字量，屬于無誤差的等效轉化，編碼后的

數字量可由計算機識別并處理。

解碼：將數字信號轉化為模擬脈沖信號。

19,什么是孔徑時間（TAP）和捕獲時間（TAC）?

答：孔徑時間指保持命令發出后到邏輯輸入限制的開關完全斷開所需時間。TAP的存在影

響A/D轉換的精度。

捕獲時間是采樣命令發出后，輸出值從保持值到達當前輸入信號值所需時間.TAC影響采

樣頻率的提高。

20,A/D轉換器按轉換方式如何分類？敘述各種轉換方式的優缺點。

答：A/D轉換器按轉換方式分類：逐次靠近型，雙積分型，V/F,型變換器

各種A/D轉換方法比較

轉換方法分辨率速度特點應用場合

逐次逼近AD較?高離性能較好溫度、壓力、流量

抗干擾較差電量等大部分場合

積積分ADC高低抗干擾強數字電壓表、溫度

精度高測量等低速場合

E—△ADC商較高精度高低頻、小信號高

精度測量

VFC校高較高抗干擾強速度不高的采集

可以送傳系統

21,D/A輸出中，說明（1）什么是單極性和雙極性輸出？（2）什么是左對齊和右對齊

答：（1）單極性輸出：指輸入的數字量為最小到最大時輸出電壓全為正或全為負。

在電壓輸出型的D/A轉換器中，因其片內含有一級運算放大器，已經將模擬電流量轉

換為模擬電壓量輸出，因而屬于單極性輸出類型；而電流輸出型的D/A轉換器中，為了保

證梯形電阻網路各支路及各臂壓降穩定不變，必需將OUT1端接“虛地”。因此，經常將電流

輸出型的D/A轉換器的電流輸出端及一電壓放大器相連接，而構成單極性的電壓輸出方式。

雙極性輸出：指輸入的數字量為最小到最大時輸出電壓部分為正部分為負。

在隨動系統中，例如伺服電機限制系統，由偏差產生的限制量，不僅及其大小有關，而

且還及限制量的極性有關，因而要求D/A轉換器為負載供應雙極性電壓的輸出方式。

（2）XXXXDllDIOD9D8DllD101）9D8D7D6D5D4

1）71）6D5D4D3D2DIDOD3D2DIDOXXXX

（a）向右對齊數據格式（b）向左對齊數據格式

“向右對齊數據”時，將單片機的D0-D7及D/A轉換器的D0-D7連接，再將單片微機的

數據總線中D3~D0及D/A轉換器的DI1~D8對應連接起來。

“向左對齊數據”時，將單片機的D0-D7及D/A轉換器的D11-D4連接，再將單片微機的數

據總線中D7-D4及D/A轉換器的數字輸入端D3-D0對應連接起來.

22,在限制系統中，執行器按所需能量分，分成哪三類？各自的優缺點是什么？

答：A.電動執行器。

?分為電機式和電磁式兩類。

電機式包括伺服電動機，步進電機等。電磁式包括繼電器，接觸器，電磁閥，電磁離合器

等。

?電動執行器具有響應速度快，及計算機接口簡單等優點，成為計算機限制系統的主要執行

機構。

?其中步進電機由于可以直接接受數字量，并且執行速度快，精度高，在計算機限制系統

中得到了廣泛的應用。

B.氣動執行器。

?氣動執行器分為薄膜式和活塞式兩種。

?氣動執行器由接收器，噴嘴擋板結構，氣馬達或作動筒等部分組成。接收器接受計算機

發來的限制命令，將電量信號轉變為氣壓信號，驅動氣馬達或作動筒運轉，開啟或關閉閥門，

完成執行功能。

?氣動執行器的優點是結構簡單，輸出推力大，價格低廉，防火防爆,常用于石油，化工,

冶金，電力等部門。

C.液壓執行器。

?液壓執行器由限制部分（節流閥，射流噴管，可調泵）和執行部分（液壓馬達，動力作

動簡）組成，可將油液壓力轉變成機械能，驅動負載直線或回轉運動。

?液壓執行器的優點是能進行無級變速，輸出功率大，結構簡單，修理便利，常用于

傳送大扭矩和推力的場所。

種類構造體積配管線推力”動作滯后維護場合價格

氣動

執行器簡單中復雜大大簡單防火防爆好低

，電動

執行器復雜小簡單小小復雜防火防爆差高

液壓

執行器簡單大復雜大,小簡單防火差高

23,在開關量輸入檢出系統中，為何要實行隔離措施，常用的隔離措施有哪幾種？開關量

輸入輸出電路中常采納哪幾種愛護方法？

答：開關量：繼電器的合上和斷開，按鈕的按下和松開等。對于開關量限制的器件，在開

關過程中會產生很強的電磁干擾信號，如不處理可能造成計算機限制系統的損壞和誤動作。

因此在開關量輸入/輸出通道和接口設計中，必需考慮信號的調理和隔離。

常用隔離措施：a,光電隔離b,繼電器隔離c,變壓器隔離

開關量輸入檢出電路中常采納愛護方法：

24,說明繼電器的工作原理，選用繼電器應考慮哪些因素？

答：繼電器是電器限制中最常用的一種限制器。繼電器由通電線圈和觸點（常開或常閉觸點）

構成。

工作原理：當線圈通電時，由于磁場的作用，使開關觸點閉合或打開，接通或斷開執行器,

完成限制功能。通電線圈用直流低電壓限制（如9V,12V,24V）,觸點輸出部分可以直接

及220V或380V市電和工業用電相連。

選用繼電器時應當考慮下面因素：

a繼電器的額定工作電壓（或電流）。

b接點的數量，種類和負荷，吸合和釋放的時間。

c繼電器的體積和封裝形式。

d繼電器的工作環境。

25,SSR及繼電器相比有何優點？

答：繼電器觸點吸合時簡單產生火花，引起干擾，影響系統牢靠性。SSR用晶體管或可控

硅代替常規繼電器的觸點開關，并將光電隔離器融為一體（是一種帶光電隔離的無觸點通

斷型大型功率電子開關）。它比電磁繼電器工作牢靠，并有壽命長，對外干擾小，抗干擾實

力強，開關速度快，運用便利，輸入及TTL和CMOS電平兼容等特點，故在工業限制中

應用廣泛。

26,在計算器限制中，采納哪幾種大功率器件驅動執行器的工作？

答：a門電路b大功率管c繼電器和固態繼電器d可控硅

27,試述步進電機的結構特點和工作原理。

答：步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執行器件，廣泛應用于工業過程限

制和儀表中。

結構特點及工作原理：步進電機由定子轉子組成，轉子由多個矩形小齒勻稱分布在園周上;

定子嵌裝有多相不同連接的限制繞組，定子的繞組線圈，由專用的電源供應電脈沖信號，使

定子的磁極產生磁場，并及轉子形成磁路，使轉子轉動肯定的角度。

步進電機轉子的角位移及表5T4幾種步進電機種類結構優缺點

小門目WAIT少，P小哦閑式

通過改變脈沖頻率來調速，”“工定、轉子沿電機軸分為m段，制造簡單，起動

每定子鐵心上繞有一組控制運行頻率高，

具有精度高，能快速啟停線圖消耗功率大

等優點。永磁式定子為凸極，極上無小齒，步距角大，起動

繞有m相繞組運行頻率低，消耗功

率小

永磁感定子與感應式相同，轉子步距角小，較高

應子式由環形磁鐵和兩端的起動運行頻率，結

28,在三相步進電機中，說鐵心組成構復雜

明：(1)三相的含義(2)三相單三并1,三相雙三拍，三相六拍於J通電依次

答：(1)三相：電機的定子上有6個專孽分磁極，A,A',B,B',C,C',相鄰兩個磁

極間夾角600,相對兩個磁極組成一本目，構成A-A',B-B',C-Cy三相。

(2)a三相單三拍，通電依次為A13CA

b三相雙三拍，通電依次為ABBCCAAB

c三相六拍，通電依次為AABBBCCCAA

第六章

29,計算機限制系統的軟件的分類，軟件應具有哪些主要特點？什么是依次查表法，計

算查表法和對分查表法？

答：計算機限制系統的軟件的分類：系統軟件和應用軟件

計算機限制系統的軟件應當具有以下特點：

a,實時性對系統的一