2024計算機限制技術重修復習提綱

1.計算機限制系統概念、組成與工作原理。

概念：計算機限制系統(ComputerControlSys【em,簡稱CCS)是應用計算機參加限制并借助一些協助部件與被控對象

相聯系，以獲得肯定限制目的而構成的系統。

組成：計算機限制系統由工業限制機和生產過程兩大部分組成。工業限制機硬件指計算機本身及外圍設備。硬件包

括計算機、過程輸入輸出接口、人機接口、外部存儲器等。軟件系統是能完成各種功能計算機程序的總和，通常包

括系統軟件跟應用軟件。

工作原理：1.實時數據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入；2.實施限制決策：對采集

到的被控量進行分析和處理并按已定的限制規律確定將要實行的限制行為：3.實時限制輸入：依據限制決策，實時

的對執行機構發出限制信號，完成限制任務。

2.在線方式與離線方式，實時的含義。

在計算機限制系統中，生產過程和計算機干脆連接，井受計算機限制的方式稱為在線方式或聯機方式：

生產過程不和計算機相連，且不受計算機限制，而是靠人進行聯系并做相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式；

實時的含義：所謂實時，是指信號的輸入，計算和輸出都要在肯定的時間范圍內完成。

3.計算機限制系統的典型形式種類與特點。(操作指導限制系統、干脆數字限制系統、

監督限制系統、集散型限制系統、現場總線限制系統)。

(1)操作指導限制系統

該系統屬于開環限制結構。計算機依據肯定的限制算法，依靠測量元件測得的信號數據，計算出供操作人員選

擇的最優操作條件及操作方案。操作人員依據計算機輸出的信息去變更調整器的給定值或干脆操作執行機構。

(2)干脆數字限制系統(DirectDgilalControlSystem-DDC)

DDC系統屬于計算機閉環限制系統。計算機首先通過模擬星輸入通道(AD和開美星輸入通道(D1)實時采

集數據，然后依據肯定的限制規律進行計算，最終發出限制信息，并通過模擬量輸出通道(AO)和開關量輸出通道

(DO)干脆限制生產過程。

(3)監督限制系統(SupervisoryComputerControlSystem-SCC)

監督限制中，計算機依據原始工藝信息和其他的參數，依據描述生產過程的數學模型或其他方法，自動地變更

模擬調整器或以干脆數字限制方式工作的微型機中的給定值，從而使生產過程始終處于最優工況(如保持高質量、

高效率、低消耗、低成本等等)o

從這個角度上說，它的作用始變更設定值，又稱為設定值限制SPC(Sc【PoinlControl).

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

DCS采納分散限制，集中操作，分級管理，分而自治和綜合協調的設計原則，把系統從上到下分為分散過程

限制級、集中操作監控級、綜合信息管理級等三級系統，形成分級分布式限制。

(5)現場總線限制系統(FieldbusControlSystem-FCS)

FCS是新一代分布式限制結構。20世紀80年頭發展起來的DCS,其結構模式為“操作站一限制站一現場儀表”

三層結構，系統成本較高，而且各廠商的DCS又各自的標準，不能互連。FCS于DCS不同，它的結構模式為“工作

站一現場總線儀表”二層結構，完成了DCS三層結構的功能，降低了成本，提高了牢靠性，國際標準統一后，可實

現真正的開放式互連系統結構。

4.了解幾種常用的片級總線、系統總線和外部總線。

5.RS-232、RS-485、RS-442、USB總線的特點(電氣、物理)與區分。

RS-232(串行)：“5V⑴、+15V(0)；電氣接口是單端的、雙極性電源供電電路。數據傳輸速率局限于20kb/s,傳

輸距離局限于15m,該標準沒有■規定連接器，有25和9腳插針。

傳送信號只用1根信號線，不能區分由驅動電路產生的有用信號和外部引入的干擾信號。采納高壓供電以解除地的

干擾。

RS-485：采納平衡差分電路，為半雙工工作方式，只采納一對平衡差分信號線來連接，任何時候只能有點發送數

據；可以聯網構成分布式系統，最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。

RS-232：采納平衡驅動和差分接收方法，消退信號地線，數據傳輸速率比RS-232提升了許多，串口通信最遠距離是

50英尺。

USB總線接口(串行)：

USB1.1：12Mbps,USB2.0：480Mbps02電源線(5V),2數據線，127個設備

USBI.I：12Mbps,USB2.0：480Mbps02電源線(5V),2數據線，127個設備,距離5米。具有熱插拔功能。

6.10端口的分類與功能,

I/O端口地址安排：1024個端口

兩類I/O接口硬件：板內接口和擴展接口。

前256個((X)0~0FFH)專供系統板上的I/O接口芯片運用，

后768個(l()0~3FFH)為I/O接口擴展卡運用。其地址安排分別如表2-2和表2-3所示。

(1)系統板上的I/O接口：表2-2

(2)擴展卡上的I/O接口:表2-3

7.計算機IO端口地址選用原則.

8.熟識IO端口的三種地址譯碼方法和原理，看懂圖2-9譯碼電路圖。

9.計算機數字量接口和過程通道的概念，熟識數字量通道三種輸入調理電路的原理和

特點。

10.熟識功率驅動電路的形式和特點(光電隔密、繼電器、接觸器)，/解固態繼電器

原

理*r

二O

在大功率溝通驅動電路中，固態繼電器SSR作溝通開關運用。

SSR是一種無觸點通斷電廣開關，是一種有源器件，其中兩個端子為輸入限制端，另外兩個為輸出受控端，為實現

輸入與輸出之間的電氣隔離，器件中采納了高耐壓的專用光電耦合器。

SSR作溝通開關，相當于有一個觸點，左邊是TTL電平，在0~5V之間：

當TTL電平為高時，觸點閉合：

當TTL電平為低時，觸點斷開。

當用評算機來限制電磁閥時，用固態繼電器。

11.由二極管驅動的繼電器的電路形式是怎樣的？具中的續流二極管的作用。假如將繼

電器接在三極管e級有什么缺點？

二極管的作用，當電流截止時，防止三極管被反向擊穿，用二極管放目.

缺點：1.繼電器K兩端須要I2~24V的電壓才能使K接觸良好，Ve=4.3V,不能供應足夠電壓。

2.起先導通時，K兩端為5V,電流增大，Vbe下降，負反饋使導通變慢，減慢了導通速度。

3.阻擋了lb跟Ic的導通，對lb的導通非常不利。

12.模擬量輸入接口和過程通道的概念和特點，將模擬量轉換為數字量時，可采納什么

方法將輸入量和輸出量隔離？

模E擬量輸入通道過程參數：由傳感元件和變送器測量，并轉換為電流（或電壓）后，再送多路開關：在微機限制

由多路開關將各個參數依次地切換到后級，進行采樣和A/D轉換,實現巡回檢測。

過

多

程信號調采樣A/D

路IPC

參

理或然保持一痔換_>檸總

換

數翳一

I/V3E器!線

模擬輸入通

圖2-20根報除入

13.哪些是標準接口信號？為何要采納標準電壓、電流信號？哪一種最常用？為什么？

變送器輸出的信號為0?10mA或4?20mA的統一信號；DDZ-II型的輸出信號標準為。?10mA,而DDZ-IH型和

DDZ—S系列的輸出信號標準為4?20mA。

電流信號最常用，因為若設定電壓，1）接口電壓可能會由于接口觸點氧化，使電阻變大，電壓亦隨之變更。2）若

外接負載，也會變更接口電壓的大小。而標準電流接口卻不會出現以二狀況，因此標準電流接口比較常用。

14.說明有源I/V變換和無源I/V變換電路工作原理。

(I)有源I/V變換

利用有源器件一一運算放大器和電阻組成。與無源變換的區分：信號隔離。電流不干脆流過R2.VI=I*R1。利用運算

放大器虛短和虛斷概念，可求出同相放大電路的放大倍數。

合理選擇電阻，就可以得到相應的電壓輸出。

(2)無源I/V變換

I7變換的基本思想：電流轉變成電壓

變換電路中各部分的作用：

R1:限流電阻D:將電壓鉗制在5V+0.3V以內

R2:電壓采樣電阻，其壓降即為輸出電壓，精密電阻，精度為0.1%。

C和RI：組成阻容低通源波電路

15.為什么要對模擬信號采樣？模擬信號的采樣特點，香農采樣定理的要點。

采樣過程：按肯定的時間間隔T,壬時間上連續和幅值上也連續的模擬信號，轉變成在時刻O、T、2T、“水丁的一

連串脈沖輸出信號的過程。

香農采樣定理：假如模擬信號(包括噪聲干擾在內)頻譜的最高頻率為fmax,只要依據采樣頻率f22fmax進行采樣，

那么采樣信號y*⑴就能唯一地復現丫⑴。實際常取f》(5?10)fmax,甚至更高。

16.量化的概念：用一組數碼靠近離散模擬信號的幅值，量化誤差：土q/2,量化單位

q=(%｝為〃)/(2T)。

例:q=20mV時，量化誤差為±10mV,0.990?1.009V范圍內的采樣值，其量化結果是相同的，都是數字50。

17.模擬信號最高頻率、孔徑時間和量化精度的相互關系。

在采/保電路中，由于模擬開關K有肯定的動作滯后，在保持吩咐發出后直到模擬開關完全斷開所需的時間稱為孔徑

時間。

/=——-——

2^/DX100

量化：采納一組數碼來靠近離散模擬信號的幅值，將其轉換為數字信號。

A

量化單位(精度)：最低有效位所對應的模擬量q：q=[y(max)-y(min)]/(2n-1)

若模擬信號最高頻率較高，須要采樣保持器的孔徑時間較小。

18.A/D轉換器的主要技術指標（轉換時間、辨別率、量程）.了解ADC0809與計算機

的連接（帶8通道模擬開關的8位逐次靠近A/D轉換器，轉換時間lOOus,誤差土

1/2LSB）o

轉換時間：AD轉換過程（即采樣信號的量化過程）須要的時間。

辨別率：AD最低有效位可以表示的電壓值。

量程：AD轉換器可以線性轉換的目壓范圍。

19.D/A轉換器單極性與雙極性輸出電路及其應用場合，推導輸出電壓與輸入數字量的

Vow為單極性輸出，D為輸入數字量，VKEF為參考電壓，則有

Vorn=-VREpD/2n

VOUT2為雙極性輸出，且由電流定徨可推導得到

VoiTT2=-(R3/R))VRt-|-(R3/R2)VoUTI=VRH：[(D/2n-l)-1)]

20.了解V/I變換的目的和原理。

目的：把電壓轉換成電流。

21.串模十擾和共模干擾的定義、干擾產朝氣埋及具實行的對策，并敘述特點。

串模干擾：所謂串模T?擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲，這里的被測信號是指有用的直流信號或緩慢變更的交

變信號，而干擾噪聲是指無用的變更較快的雜亂交變信號。

共模干擾：共模干擾在兩個輸入端上公有的干擾電壓，又稱共態干擾。主要干擾形式。

串模干擾的抑制方法：串模干擾的抑制方法應從干擾信號的特性和來源入手，分不同狀況實行相應的措施

22.長線傳輸干擾的三個問題及其抑制方法。

長線傳輸干擾產生：易受干擾：電磁干擾：傳輸延遲：雜散電容和可感；存在波反射：阻抗不匹配

長線傳輸干擾的抑制：終端電阻匹配：R=RP,留意平衡凹凸電平的抗干擾實力；始端電阻匹配：R=RP-R0,R0：

門電路輸出為低始的輸出阻抗；雙絞線：抗電磁干擾。

23.熟識CPU抗干擾技術的種類與特點，了解MAX1232看門狗電路的功能和特點。

CPU抗干擾采納Walchdog（看門狗）復位、電源監控。

1、MAX1232看門狗電路

低電源、定時器定時、手動等三種復位方式：RST：電源復位脈沖（250ms寬度）

2.MAX1232的主要功能口

1）電源監視：Vcc低于某值且位，TOL：電源容限（0:5%：1:10%）

2）監控定時靜：ST：選通輸入（定時器第位）；TD：0；150ms；懸空：600ms,Vcc：1.2s

3）掉電愛護和復原運行

3.其他微處理器監控電路

帶電池切換的監視器：MAX690/692/703/704

4.軟件抗干擾

24.接地的重要性，接地留意問題（不同電源接地、模擬地、數字地、浮地、屏蔽接地、

低頻單點與多點接地等），平安接地線的符號、顏色。

25.數控系統的開環限制、閉環限制、半閉環限制的特點與應用范圍。

閉環數字程序限制：這種結構的執行機構多采納直流電機（小慣量間服電機和寬調速力矩電機）作為驅動元件，反

饋泅量元件采納光電編碼器（碼盤）、光柵、感應同步器等。

開環數字程序限制：這種限制結構沒有反饋檢測元件，工作臺由步進電機驅動。

步進電機接收步進電機驅動電路發來的指令脈沖作相應的旋轉，把刀具移動到與指令脈沖相當的位置，至于刀

具是否到達了指令脈沖規定的位置，那是不受任何檢查的，因此這種限制的牢靠性和精度基本上由步進電機和傳動

26.為什么要進行插補運算，常用插補運算有哪些？

27.數控系統按限制方式來分類有哪些？

28.步進電機的主要技術參數及作用有哪些？（相電流、最大靜轉矩、最高空載頻率f。、

最高啟動頻率fs、額定負載運行頻率的概念）。

1）最高空載頻率外（最高啟動頻率fs）

2）最大靜轉矩T

3）步距角。（半步與整步）

4）相電流流、全流與電流設定），對應電機的轉速、功率、電壓。

29.步進電機按工作原理分哪幾類？特點如何？

按工作原理分類：

1）激磁式（電磁式）：定子和轉子均有繞組，靠電磁力矩使轉子轉動。

2）反應式（磁阻式）：轉子無繞組，定子繞組勵磁后產生力矩，使轉子轉動。

3）永磁式；轉子和定子的某一方具有永久磁鋼，另一方為軟磁材料。繞組通電建立磁場與恒定磁場相互作用產

生轉矩。

4）混合式《永磁感應式）

還可以分為快速步進電動機功率步進電動機。

30.步進電機的“相”和“拍”的含義，其工作方式及特點，與速度和精度關系。

“相”一繞組的個數；

“拍”一繞組的通電狀態。

31.常用步進電機的驅動器有幾種，特點如何？（單電壓驅動，凹凸壓驅動，恒流嶄波,

調頻調壓，細分電路等）

（1）單電壓驅動：簡潔、價格低廉。

（2）凹凸壓驅動：簡潔好用.較單電壓驅動性能有肯定提高，但是高壓固定，不能兼顧各種頻率。

（3）恒流嶄波：采納較高的驅動電壓，限制相電流快速導通和保持恒定，在肯定頻率范圍具有勻稱的力矩，大

大提高運行頻率，但可能產生噪聲，特殊在肯定頻率范圍產生震蕩。

（4）調頻調壓：采納可調的驅動電壓，保證相電流快速導通和恒定，在肯定頻率范圍具有勻稱的力矩，大大提

高運行頻率，不會產生噪聲。

（5）細分電路驅動：采納細分電路或者等分調整各相電流，將原來的一步細分為多步運行，削減脈沖當量，提

高精度。

32、步進電機帶負載的實力如何確定（與M/f有關），步進電機速度過快會或過載時有

什么現象？

33、熟識數字限制器的連續化設計的原理和設計步驟，如何選擇采樣周期T?

設計方法：采樣周期短、限制算法簡潔的系統。忽視零階保持器和采樣器，求出系統的連續限制器，以近似方

式離散化為數字限制器。

步驟：一設計假想的連續限制器D（s）；一選擇采樣周期T；一將D（s）離散化為D（z）；一設計由計算機實現

的限制算法：一校驗：符合要求？

香農采樣定理給出了從采樣信號復原連續信號的最低采樣頻率，為信號最高頻率的2倍以上，周期T為采樣頻

率的倒數。

Tr（0.15?0.5）—

且假定相位裕量可削減5。?15。，則采樣周期應選為：A（3c是連續限制系統的剪切

頻率）

用數字限制器去近似連續限制器，要有相當短的采樣周期

34、熟識雙線性變換法、前向差分法、后向差分法公式，了解其特點和穩定性問題。

?z-l2-1Z—1

S=二^__-S=-------S=-------

雙線性變換法：Tz+1前向差分法：T后向差分法：Tz

雙線性變換的優點在于，它把左半s平面轉換到單位圓內。假如運用雙線性變換，一個穩定的連續限制系統在

變換之后仍將是穩定的：

而運用前向差分法，就可能把它變換為一個不穩定的離散限制系統。

即：雙線性變換一保持穩定；前向差分一不能保持穩定：向后差分一比原來更穩定。

35、熟識PID限制原理、算法和應用范圍。(比例作用：快速反應誤差，但不能消退穩

態誤差，過大簡潔引起不穩定；積分作用：消退靜差，但簡潔引起超調，甚至出現

振蕩；微分作用：減小超調，克服振蕩，提高穩定性，改善系統的動態特性。)

PID調整器：按偏差的比例、積分和微分進行限制的調整器，在連續系統中技術最成熟，應用最廣，

PID調整器結構簡潔、參數易于調整，當被控對象精確數學模型難以建立、系統的參數又常常發生變更時，應

用PID限制技術，在線整定最為便利。

36、數字PID限制器的作用和設計，位置式和增量式的形式、特點和應用。

數字PID位置型限制算法：

T*e(k)—e(k—1)

]

1T

其中：Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。

特點：位置型限制算法供應執行機構的位置u(k),比如閥門的開度，須要累計e⑴。

數字PID增量型限制算法：

△w(^)=w(^)-w(^—1)

=尺尸［°(左)一e(k-1)〕+K"(^)+KQ［，(A)—2e(k—l)+e(￡—2)〕

KP=］稱為比例增益；

KJ=K1乏稱為積分系數；

KD=KP孕稱為微分系數。

即：

△〃(A)=qoe(%)+g】e(A—D+qzeQ—2)

q。+7、)

ir

q1=_Kp(/,ld?--27Tp?-)

qkK*

增量型限制算法供應執行機構的增量^U(k)o

37、為什么要對積分項進行改進？改進的方法有哪些(積分分別，抗積分飽和，梯形積

分，消退積分不靈敏區)。

(1)積分分別：

改進綠山，當有較大的擾動或大幅度變更給定值時，存在較大的偏差，以及系統有惜性和滯后，在枳分項的作

用下，會產生較大的超調和長時間的波動。

改進方法：

當|c(k)|>p時，采納PD限制;

當|e(k)|<。時，采納P1D限制。

積分分別閾值P的確定：P過大，達不到積分分別的目的：。過小，則一旦限制量y⑴無法跳出各積分分別區，

只進行PD限制，將會出現殘差。

(2)抗積分飽和：

枳分飽和：假如執行機構已到極限位置，仍舊不能消退偏差，由于積分的作用，盡管計算PID差分方程式所

得的運算結果接著增大或減小，但執行結構已無相應的動作，限制信號則進入深度飽和區。

一影響：假如系統程序反向偏差，則u(k)首先須要從飽和區退出，進入的飽和區越深，退出時間越長，導致

超調量增加。

一改進方法：對限制量u(k)限幅。

(3)梯形積分

一改進緣山：減小殘差，提高積分項的運算精度。

一改進方法：矩形積分改為梯形積分。

(4)消退積分不靈敏區

一改進緣山：由于?計算機字長的限制，當運算結果小丁字長所表示數的精度，計算機就作“零”處理，此時積

分作用消逝，這稱為積分不靈敏區。

一改進措施：

①增加A/D轉換位數，加長運算字長，提高運算精度。

②當積分項連續n次小于輸出精度￡的狀況下，不要把它們作為“零”處理，而是把它們累加起來，直到累加

值大于￡時才輸出，同時把累加單元清零。

38、數字PID限制器的參數整定，采樣周期的選擇與考慮因素。

參數整定：

I、采樣周期的選擇；2、按簡易工程法整定PID參數：3.優選法；4.湊試法確定PID參數：5.PID限制參數

的自整定法

采樣周期的選擇：

(I)采樣周期上卜.限的確定

采樣周期上限Tmu(大)的確定：

采樣(香農)定理TmaxF/Smax，其中CDmax為被采樣信號的上限角頻率。

采樣周期下限Tmin(小)的確定；

Tmin為計算機執行程序和輸入輸出所耗費的時間。

(2)采樣周期的考慮因素

給定值頻率變更：給定值變更頻率與采樣頻率成正比。

被控對象與執行機構特性：被控對象是慢速對象，采樣周期取得大，否則應小；執行機構是快速系統，采樣周

期應取得較小，否則應大。

限制算法的類型：采樣周期T太小，將使微分積分作用不明顯，受計算精度和計算時間的影響。

限制回路數：采樣周期T應大于等于全部回路限制程序執行時間和輸入輸出時間的總和。

39、熟識數字PID限制器中采樣周期的確定。Pill

4()、工程法整定PID參數(擴充臨界比例度法，擴充響應曲線法，歸一參數整定法)。

PI12

41、數字限制器的離散化設計步驟和特點。

設計步驟：1.依據限制系統的性能指標要求和其它約束條件，確定所需的閉環脈沖傳遞函數中(z)。

2.求廣義對象的肽沖傳遞函數G(-)o

3.求取數字限制器的脈沖傳遞函數D(z)。

4.依據D(z)求取限制算法的遞推計算公式。

特點：離散化設計技術比連續化設計技術更具有一般意義，它完全是依據采樣限制系統的特點進行分析和綜合,

并導出相應的限制規律和算法。

42、設計數字限制器D(Z)時，要求考慮哪些因素，其設計方法和種類。

43、典型輸入卜最少拍限制系統分析和設計，寫出限制器形式。

最少拍系統的設計原則是：

若系統廣義被控對象G⑶無延遲且在z平面單位圓上及單位圓外無零極點，要求選擇閉環脈沖隹?遞函數

⑦(z),使系統在典型輸入作用下，經最少采樣周期后能使輸出序列在各采樣時刻的穩態誤差為零，達到完全跟

蹤的目的，從而確定所須要的數字限制器的脈沖傳遞函數0(2)。

m、-1⑦(N)

44、依據z變換的終值定理，理解系統的穩態誤差的公式。P118

45、最少拍限制器的局限性和可實現性問題指什么？

最少拍限制器的設計是使系統對某一典型輸入的響應為最少拍，但對于其它典型輸入不肯定為最少抽，甚至會

引起大的超調和靜差。

(I)最少拍限制器對典型輸入的適應性差

(2)最少拍限制器的可實現性問題

(3)最少拍限制的穩定性問題

最少拍系統設計的物理可實現性指將來