计算机控制技术及工程应用复习资料

1一、第一章1）计算机控制系统的监控过程步骤a.实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入；b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务；2）按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？数据采集系统（DAS）操作指导控制系统(OGC)直接数字控制系统（DDC）监督计算机控制系统（SCC）分散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）3）计算机控制装置种类可编程控制器；可编程调节器；总线式工控机；单片微型计算机；其他控制装置4）计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？同：1）计控系统是由常系统演变而来的；2）两者的结构基本相同异：1）计控系统中处理的信号有两种：模拟信号和数字信号。而常系统处理的只有模拟信号2）计控系统具有智能化3）计控系统有软件也有硬件，而常系统只有硬件二、第二章1）4位D/A转换器为例说明其工作原理假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、BS0全部与“1”端相连。根据电流定律，有：由于开关BS3~BS0的状态是受要转换的二进制数D3、D2、D1、D0控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通式：考虑到放大器反相端为虚地，故：选取Rfb=R，可以得到：对于n位D/A转换器，它的输出电压VOUT与输入二进制数B(Dn-1~D0)的关系式可写成：结论：可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻Rfb以及基准电压VREF有关。2）D/A转换器性能指标是（1）分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量。其分辨率与二进制位数n呈下列关系：分辨率=满刻度值/（2n-1）=VREF/2n（2）转换精度是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分辨率是两个不同的概念2（3）偏移量误差是指输入数字量时，输出模拟量对于零的偏移值。（4）稳定时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差1/2LSB时所需的时间。3）DAC双极性输出方式A1和A2为运算放大器，A点为虚地，故可得：解上述方程可得双极性输出表达式：图中运放A2的作用是将运放A1的单向输出变为双向输出。当输入数字量小于80H即128时，输出模拟电压为负；当输入数字量大于80H即128时，输出模拟电压为正。其它n位D/A转换器的输出电路与DAC0832相同，计算表达式中只要把28-1改为2n-1即可。4）D/A转换模板应具有通用性，它主要体现在三个方面：1．符合总线标准：这里的总线是指计算机内部的总线结构,D/A转换模板及其它所有电路模板都应符合统一的总线标准，以便设计者在组合计算机控制系统硬件时,只需往总线插槽上插上选用的功能模板而无需连线，十分方便灵活。2．接口地址可选：一套控制系统往往需配置多块功能模板，或者同一种功能模板可能被组合在不同的系统中。因此，每块模板应具有接口地址的可选性。3．输出方式可选：为了适应不同控制系统对执行器的不同需求，D/A转换模板往往把各种电压输出和电流输出方式组合在一起，然后通过短接柱来选定某一种输出方式。5）D/A转换模板设计主要考虑以下几点：(1)安全可靠(2)性能/价格比高(3)通用性6）结合图2-14分析说明基址与片址的译码过程。三、第三章1．画图说明模拟量输入通道的功能、各组成部分及其作用？32）什么叫周期采样？采样时间？采样周期？周期采样：就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定的时间间隔T转变为在瞬时0，T，2T，…的一连串脉冲序列信号y*(t)采样时间或采样宽度τ：采样开关每次闭合的时间采样周期T采样开关每次通断的时间间隔3）简述逐位逼近式、双积分式、电压/频率式的A/D转换原理。1．逐位逼近式A/D转换原理2．双积分式3．电压/频率式4）分析说明图3-19的8路12位A/D转换模板的工作原理。该模板采集数据的过程如下：(1)通道选择：将模拟量输入通道号写入8255A的端口C低4位（PC3~PC0），可以依次选通8路通道。(2)采样保持控制：把AD574A的信号通过反相器连到LF398的信号采样保持端，当AD574A未转换期间或转换结束时＝0，使LF398处于采样状态，当AD574A转换期间＝1，使LF398处于保持状态。(3)启动AD574A进行A/D转换：通过8255A的端口PC6~PC4输出控制信号启动AD574A。(4）查询AD574A是否转换结束：读8255A的端口A，查询是否已由高电平变为低电平。(5）读取转换结果：若已由高电平变为低电平，则读8255A端口A、B，便可得到12位转换结果。4四、第四章1）三极管型光电耦合隔离器1）2）3）2）简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。数字量输出通道（DO通道）：它的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。3）对比分析说明三极管输出驱动与继电器输出驱动电路的异同点。同：任务相同（把计算机输出的微弱信号转换成外接电路实际需要的控制信号）异：1：结构不同：2：驱动对象不同：五、第五章1）简述何为键盘的抖动干扰及其消除的两种方法。由于机械触点的弹性振动，按键在按下时不会马上稳定地接通而在弹起时也不能一下子完全地断开，因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连串的抖动，这称为按键的抖动干扰去抖动的方法有硬件方法和软件方法两种1．硬件方法硬件方法是设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路来避开按键的抖动时间。2．软件方法软件方法是指编制一段时间大于100ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。同理，在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。2）分析说明图5-8二进制编码键盘接口电路的工作原理。1：2：3：第六章1）以4位LED为例，说明LED的动态显示原理及其显示效果、特点及适用场合。原理：1）因为要实现LED动态显示，所以对应的7断码数码管的数据5线是共用的，而各自的COM线应独立分开地与控制线相连接。2）显示时，先将需要显示的内容输到数据线上，然后用控制线选通某一个数码管的COM线，点亮对应的数码管，显示出数据线上的信息。3）用控制线依次逐个点亮每一个数码管，秉运用视觉惯性，在不超过20ms的时间间隔内进行刷新一次，即可得到稳定的显示效果（似乎四个数码管同时被点亮了）特点：1线路结构简单、硬件成本低。2显示功耗低3占用CPU的时间太多场合：小型的测控系统2）LCD液晶显示器有哪几种类型？简述其作用。第七章1）惯性滤波器的设计惯性滤波是模拟硬件RC低通滤波器的数字实现。常用的RC滤波器的传递函数是其中，Tf=RC是滤波器的滤波时间常数，其大小直接关系到滤波效果。一般说来，Tf越大，则滤波器的截止频率（滤出的干扰频率）越低，滤出的电压纹波较小,但输出滞后较大。由于大的时间常数及高精度的RC电路不易制作，所以硬件RC滤波器不可能对极低频率的信号进行滤波。为此可以模仿式(7-5)中硬件RC滤波器的特性参数，用软件做成低通数字滤波器，从而实现一阶惯性的数字滤波。将式(7-5)写成差分方程（书本P106推导过程）整理后得式中：y(k)——第k次采样的滤波输出值；x(k)——第k次采样的滤波输入值，即第k次采样值y(k-1)——第(k-1)次采样的滤波输出值;a——滤波系数a=T/(Tf+T)T——采样周期Tf——滤波环节的时间常数一般T远小于Tf，即远小于1，表明本次有效采样值(滤波输出值)主要取决于上次有效采样值(滤波输出值)，而本次采样值仅起到一点修正作用。通常，采样周期T足够小，则a≈T/Tf，滤波算法的截止频率为当采样周期T一定时，滤波系数a越小，数字滤波器的截止频率f就越低。例如当T=0.5秒(即每秒采样2次)，a=1/32时：f=(1/32)/(2×3.14×0.5)≈0.01Hz这对于变化缓慢的采样信号(如大型贮水池的水位信号)，其滤波效果是很好的。2）何为数字调零？何为系统校准？零点偏移是造成系统误差的主要原因之一，因此零点的自动调整在实际应用中最多，常把这种用软件程序进行零点调整的方法称为数字调零。上述数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。系统校准的原理与数字调零差不多，只是把测量电路扩展到包括现场的传感器，而且不是在每次采集数据时都进行校准，而是在需要时人工接入标准参数进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后实际测量使用。3）简述数字滤波及其特点数字滤波，就是计算机系统对输入信号采样多次，然后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声造成的随机误差，从而获得一个真实信号的过程。这种滤波方法只是根据预定的滤波算法编制相应的程序，实质上是一种程序滤波。因而可靠性高，稳定性好，修改滤波参数也容易，而且一种滤波子程序可以被多个通道所共用，因而成本很低。另外，数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。它的不足之处是需要占用CPU的机时。4）在计算机控制系统中，可以考虑哪些越限报警方式？在计算机测控系统中常采用声、光及语言进行报警。61．普通声光报警2．模拟声光报警3．语音报警第八章1）串模干扰的成因是什么？如何抑制串模干扰？串模干扰是指迭加在被测信号上的干扰噪声，即干扰源串联在信号源回路中。对串模干扰的抑制较为困难，因为干扰Un直接与信号Us串联。目前常采用双绞线与滤波器两种措施。2）共模干扰的成因是什么？如何抑制共模干扰？共模干扰是指计算机控制系统中不同“地”之间存在着电位差，其差值经输入通道中的信号放大器后，变成了干扰性的电压信号。具体的有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。3）在计算机控制系统中，敷设信号线时应注意哪些问题？（1）模拟信号线与数字信号线不能合用同一根电缆，要绝对避免信号线与电源线合用同一根电缆。（2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。（3）信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的附近。如果有条件，将信号线单独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直流电源电缆、交流低压电缆、交流高压电缆。表８－３号线和交流电力线之间的最少间距，供布线时参考。（4）信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。如果现场条件有限，信号电缆与电源电缆不得不敷设在一起时，则应满足以下条件：①电缆沟内要设置隔板，且使隔板与大地连接，如图8-17（a）所示。②电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，信号电缆与电源电缆间距一般应在15cm以上，如图8-17（b）（c）所示；如果电源电缆无屏蔽，且为交流电压220VAC、电流10A时，两者间距应在60cm以上。③电源电缆使用屏蔽罩，如图8-17（d）所示。4）结合图8-30，简述程序运行监视系统的工作原理。WatchdogTimer的工作原理。CPU可设计成由程序确定的定时器1，看门狗被设计成另一个定时器2，它的计时启动将因CPU的定时访问脉冲P1的到来而重新开始，定时器2的定时到脉冲P2连到CPU的复位端。两个定时周期必须是T1＜T2，T1就是CPU定时访问定时器2的周期，也就是在CPU执行的应用程序中每隔T1时间安插一条访问指令。在正常情况下，CPU每隔T1时间便会定时访问定时器2，从而使定时器2重新开始计时而不会产生溢出脉冲P2；而一旦CPU受到干扰陷入死循环，便不能及时访问定时器2，那么定时器2会在T2时间到达时产生定时溢出脉冲P2，从而引起CPU的复位，自动恢复系统的正常运行程序。第九章1）数字控制器的离散化设计步骤72）最少拍控制系统设计最少拍控制系统D(Z)的设计典型的输入信号常用的主要有以下几种