计算机控制系统知识点.doc
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计算机控制系统知识点.doc
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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,DataAcquisionSystem)
2)直接数字控制系统(DDC,DirectDigitalControl)
3)计算机监督系统(SCC,SupervisoryComputerControl)
4)分布式控制系统(DCS,DistributedControlSystem)
5)现场总线控制系统(FCS,FieldbusControlSystem)
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。
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。
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:
对上式作Z变换
Z传递函数
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
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:
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 如采用的算法和执行器的类型、控制的精度等因素。
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。
(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
表示。
控制度=
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、E2PROM、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
确定扩充M的容量,选择合适的芯片,画出地址分配图,选出译码器等其它器件,画出硬件连接图。
(4)搭出硬件电路并进行调试,制作集成电路板。
13、微机控制系统中,常用的显示器件有哪几种?
各自的特点是什么?
什么是动态显示和静态显示?
比较两者的优缺点。
答:
控制系统常用显示器:
1)显示和记录仪表 2)LED和LCD3)CRT显示器 4)大屏幕
1、LED显示器
(1)分为七段和米字型
(2)有共阴和共阳两种接法
(3)有红、黄、蓝、紫多种颜色
(4)已经有将4-6位
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