計算機控制技術及工程應用期末考點重點大全?一、計算機控制技術概述1.計算機控制系統(tǒng)的組成與結構組成部分：計算機控制系統(tǒng)一般由計算機（控制器）、被控對象、傳感器、執(zhí)行機構等組成。計算機通過接口與傳感器和執(zhí)行機構相連，實現(xiàn)對被控對象的監(jiān)測與控制。結構形式：包括開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)結構簡單，適用于控制要求不高的場合；閉環(huán)控制系統(tǒng)通過反饋環(huán)節(jié)實現(xiàn)對被控量的精確控制，具有較高的控制精度和抗干擾能力。2.計算機控制系統(tǒng)的分類按控制規(guī)律分類：有程序控制系統(tǒng)、比例控制系統(tǒng)、比例積分控制系統(tǒng)、比例積分微分控制系統(tǒng)等。不同的控制規(guī)律適用于不同的被控對象和控制要求。按給定信號分類：可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)用于保持被控量恒定；隨動控制系統(tǒng)使被控量快速跟蹤給定信號變化；程序控制系統(tǒng)按預定程序改變被控量。3.計算機控制技術的發(fā)展歷程早期發(fā)展：從計算機應用于工業(yè)控制開始，經(jīng)歷了簡單的單機控制階段。逐步完善：隨著計算機技術、通信技術和控制理論的不斷發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)的功能不斷增強，控制精度不斷提高，應用范圍也不斷擴大。現(xiàn)代趨勢：向智能化、網(wǎng)絡化、集成化方向發(fā)展，出現(xiàn)了智能控制系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)等新型控制系統(tǒng)。二、連續(xù)信號的離散化1.采樣定理定理內容：一個連續(xù)時間信號如果是帶限的，并且其最高頻率為\(f_m\)，那么當采樣頻率\(f_s\geq2f_m\)時，原連續(xù)信號可以由其采樣值唯一確定。重要性：采樣定理為連續(xù)信號的離散化提供了理論依據(jù)，確保在采樣過程中不會丟失信號的重要信息，是計算機控制系統(tǒng)設計的基礎。2.采樣過程與采樣信號頻譜采樣過程：通過采樣開關對連續(xù)信號進行采樣，得到離散的采樣信號。采樣開關通常每隔一定時間\(T\)（采樣周期）閉合一次，采集此時的連續(xù)信號值。采樣信號頻譜：采樣信號的頻譜是原連續(xù)信號頻譜的周期延拓。延拓周期為采樣頻率\(f_s\)，當滿足采樣定理時，各延拓頻譜之間不發(fā)生混疊，可通過低通濾波器恢復原連續(xù)信號。3.量化與編碼量化：將采樣得到的連續(xù)幅值離散化到有限個電平上的過程。量化會引入量化誤差，量化誤差的大小與量化電平數(shù)有關。編碼：將量化后的信號幅值用二進制代碼表示的過程。常見的編碼方式有二進制編碼、格雷碼等。編碼后的數(shù)字信號便于計算機處理和傳輸。三、數(shù)字控制器的設計1.數(shù)字控制器的基本控制規(guī)律位置式PID控制算法算法表達式：\(u(k)=K_pe(k)+K_i\sum_{j=0}^{k}e(j)+K_d[e(k)e(k1)]\)，其中\(zhòng)(u(k)\)為控制器輸出，\(e(k)\)為誤差信號，\(K_p\)、\(K_i\)、\(K_d\)分別為比例、積分、微分系數(shù)。特點：位置式PID控制算法直接輸出控制量的全量，計算簡單，但存在積分飽和問題，且控制量的變化可能較大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。增量式PID控制算法算法表達式：\(\Deltau(k)=K_p[e(k)e(k1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)2e(k1)+e(k2)]\)，\(u(k)=u(k1)+\Deltau(k)\)。特點：增量式PID控制算法輸出的是控制量的增量，避免了積分飽和問題，控制量變化較平緩，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，在實際應用中更為廣泛。2.數(shù)字控制器的離散化設計方法直接離散化設計方法：將連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)通過離散化方法轉化為數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)。常用的離散化方法有雙線性變換法、后向差分法等。基于狀態(tài)空間模型的設計方法：先將連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型離散化，然后設計數(shù)字控制器。這種方法適用于多輸入多輸出系統(tǒng)，能夠更好地考慮系統(tǒng)的動態(tài)性能。3.數(shù)字控制器的參數(shù)整定工程整定方法：如經(jīng)驗法、臨界比例度法、衰減曲線法等。經(jīng)驗法根據(jù)實際經(jīng)驗確定參數(shù)的初始值；臨界比例度法通過尋找系統(tǒng)的臨界比例度和臨界周期來整定參數(shù)；衰減曲線法根據(jù)系統(tǒng)輸出的衰減情況確定參數(shù)。基于優(yōu)化算法的整定方法：利用遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等智能優(yōu)化算法，根據(jù)系統(tǒng)性能指標自動搜索最優(yōu)的控制器參數(shù)，提高控制效果。四、計算機控制系統(tǒng)的硬件組成1.計算機主機CPU：計算機的核心部件，負責執(zhí)行指令和進行數(shù)據(jù)處理。不同類型的CPU具有不同的性能和處理能力，應根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選擇合適的CPU。內存：包括隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。RAM用于臨時存儲程序和數(shù)據(jù)，ROM用于存儲固定的程序和數(shù)據(jù)，如BIOS等。2.接口電路輸入接口：將傳感器采集到的模擬信號或數(shù)字信號轉換為計算機能夠處理的數(shù)字信號，常見的輸入接口有A/D轉換器接口等。輸出接口：將計算機輸出的數(shù)字信號轉換為適合被控對象的信號，如D/A轉換器接口、數(shù)字量輸出接口等。3.通信接口RS232接口：用于實現(xiàn)計算機與外部設備之間的串行通信，通信距離較短，一般不超過15米。RS485接口：采用差分信號傳輸，具有較強的抗干擾能力，通信距離較遠，適用于工業(yè)現(xiàn)場的多機通信。以太網(wǎng)接口：實現(xiàn)計算機與其他設備通過以太網(wǎng)進行通信，通信速度快，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制，是現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的通信方式。4.其他硬件設備顯示設備：如顯示器，用于顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)、參數(shù)等信息，便于操作人員監(jiān)控系統(tǒng)。存儲設備：如硬盤、U盤等，用于存儲程序、數(shù)據(jù)和歷史記錄等。電源裝置：為計算機控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，確保系統(tǒng)正常運行。五、計算機控制系統(tǒng)的軟件設計1.系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)：如Windows、Linux等，管理計算機的硬件資源和軟件資源，為應用程序提供運行環(huán)境。驅動程序：用于控制硬件設備的運行，使計算機能夠與各種接口電路和外部設備進行通信。2.控制算法軟件實現(xiàn)根據(jù)控制規(guī)律編寫程序：將數(shù)字控制器的控制算法用編程語言實現(xiàn)，如用C語言編寫PID控制算法程序。程序結構設計：合理設計程序的結構，包括主程序、中斷服務程序等，確保程序的可靠性和實時性。3.人機界面設計圖形界面設計：利用圖形化編程工具，如VisualBasic、LabVIEW等，設計友好的人機界面，方便操作人員設置參數(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)等。交互功能實現(xiàn)：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出、報警功能、數(shù)據(jù)記錄與查詢等交互功能，提高系統(tǒng)的易用性。六、計算機控制系統(tǒng)的應用實例1.溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成：由溫度傳感器、計算機控制器、加熱或制冷設備等組成。控制原理：通過溫度傳感器采集溫度信號，計算機根據(jù)設定溫度與實際溫度的偏差，運用PID控制算法控制加熱或制冷設備，使溫度保持在設定值。應用場景：廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中的熱處理、恒溫實驗等場合。2.電機調速控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成：包括電機、傳感器、變頻器、計算機控制器等。控制原理：傳感器檢測電機的轉速、電流等信號，計算機根據(jù)控制要求通過變頻器調節(jié)電機的轉速，可采用矢量控制、直接轉矩控制等先進控制策略。應用場景：在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、電梯控制等領域有重要應用。3.過程控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成：針對具體的工業(yè)生產(chǎn)過程，如化工生產(chǎn)、電力生產(chǎn)等，由多個被控對象、傳感器、執(zhí)行機構和計算機控制器組成復雜的控制系統(tǒng)。控制原理：根據(jù)生產(chǎn)過程的特點和要求，采用合適的控制算法和策略，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制，提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。應用場景：涉及眾多工業(yè)領域，是計算機控制技術應用的重要方面。七、計算機控制系統(tǒng)的性能指標1.穩(wěn)定性定義：系統(tǒng)在受到外界干擾后，能夠恢復到原來平衡狀態(tài)或趨近于平衡狀態(tài)的能力。判斷方法：通過系統(tǒng)的特征方程根的分布來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如利用勞斯判據(jù)等。穩(wěn)定的系統(tǒng)其特征方程的根都具有負實部。2.準確性穩(wěn)態(tài)誤差：系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時輸出與期望輸出之間的誤差。反映了系統(tǒng)的控制精度，通過計算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)來分析系統(tǒng)的準確性。影響因素：與系統(tǒng)的類型、開環(huán)增益等因素有關。提高系統(tǒng)的開環(huán)增益可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.快速性動態(tài)響應指標：如上升時間、峰值時間、調節(jié)時間等。上升時間和峰值時間反映了系統(tǒng)響應的快速性，調節(jié)時間則綜合反映了系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。改善方法：合理設計控制器的參數(shù)，增加系統(tǒng)的帶寬等，可以提高系統(tǒng)的快速性。八、計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術1.干擾源與干擾途徑干擾源：包括電源干擾、電磁干擾、信號傳輸干擾等。電源干擾可能來自電網(wǎng)的波動、浪涌等；電磁干擾可能由周圍的電氣設備產(chǎn)生；信號傳輸干擾可能在傳輸線路中產(chǎn)生。干擾途徑：干擾信號可通過電源線、信號線、空間輻射等途徑進入計算機控制系統(tǒng)，影響系統(tǒng)的正常運行。2.硬件抗干擾措施電源濾波：在電源電路中加入濾波器，濾除電源中的高頻干擾信號。屏蔽技術：對信號線、設備外殼等進行屏蔽，減少電磁干擾的影響。隔離技術：采用光電隔離、變壓器隔離等技術，阻斷干擾信號的傳輸路徑。3.軟件抗干擾措施數(shù)字濾波：通過軟件算法對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理，去除噪聲干擾。常見的數(shù)字濾波方法有均值濾波、中值濾波、限幅濾波等。軟件陷阱與看門狗技術：軟件陷阱用于捕獲程序運行過程中的非法跳轉，看門狗技術通過定時復位程序，防止程序因干擾而陷入死循環(huán)。九、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.智能化智能控制算法應用：如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家系統(tǒng)等智能控制算法在計算機控制系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，能夠更好地適應復雜的被控對象和控制要求。智能傳感器與執(zhí)行器：智能傳感器能夠自動進行數(shù)據(jù)處理和特征提取，智能執(zhí)行器可以根據(jù)控制指令自動調整運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的智能化水平。2.網(wǎng)絡化工業(yè)以太網(wǎng)應用：工業(yè)以太網(wǎng)成為計算機控制系統(tǒng)的主流通信方式，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作。物聯(lián)網(wǎng)技術融合：計算機控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術相結合，使設備之間能夠實現(xiàn)更廣泛的互聯(lián)互通，形成智能化的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。3.集成化控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)