计算机控制
电子1303 陈志强 1305020313
实验二数字PID 控制器的设计与调试
一、实验目的
1. 熟悉数字PID 控制器的实现算法
2. 深入了解PID 参数对系统控制效果的影响
二、实验设备
计算机控制实验箱、研华数据采集卡、Matlab 软件、计算机
三、实验内容：
1. 在实验一基础上编制PID 数字控制器，实现闭环控制。
2. 进行PID 参数的整定分析：
a) 取消积分和微分作用，分析比例系数数对系统控制性能的影响
b) 保持比例系数不变，分析积分作用对系统控制性能的影响
c) 保持比例系数和积分时间不变，分析微分作用对控制系统性能的影响 d) 运用所学的PID 参数整定方法，确定一组控制性能良好的PID 参数
四、实验代码与运行结果
主函数：
a=instrfind;
delete(a);
clear all
clc
global s1 t Ts k tt y u e1 e2
Ts=0.5;
% 定义一个串口
s1 = serial('COM1', 'BaudRate', 9600,'Terminator','CR','Timeout',5);
% 设置串口参数
???? ??-+--++--=--=?))2()1(2)(()()1()()1()(T k e k e k e T k e T T k e k e k k u k u u d i p
s1.InputBufferSize=1024;
s1.OutputBufferSize=1024;
% 打开串口
fopen(s1);
% 按照通讯协议输出串口命令
input_command=['#010'];
fprintf(s1,input_command);
% 接收串口响应
out=fscanf(s1);
k=0;
u=0;
e1=0;
e2=0;
%定时器函数:
t = timer('TimerFcn',@myread, 'Period',
Ts,'ExecutionMode','fixedRate');
%其中：Myread为定时器运行的子程序，Ts为采样周期变量。%启动定时器：
start(t)
内部函数：
function myread(obj,event)
global s1 t Ts k tt y u e1 e2
k=k+1;
tt(k)=k*Ts;
%*******************************
%读入PID值（A/D）
input_command=['#010'];
fprintf(s1,input_command);
out=fscanf(s1);
out1=str2num(out(2:8));
y(k)=out1;
%*******************************
%PID控制器
r=8;%设定值
e=r-y(k);
Kp=0.2;
Ti=100;
Td=0.7;
du=Kp*(e-e1)+Kp*Ts/Ti*e+Kp*Td/Ts*(e+e2-2*e1);
u=u+du;
e2=e1;
u_str=num2str(u,'%+07.3f');
%*******************************
%把控制量写出D/A
input_command=['#02C1',u_str];
fprintf(s1,input_command);
out=fscanf(s1);
%*******************************
plot(tt,y);
if k>50/Ts
all_timer=timerfind;
stop(all_timer);
delete(all_timer);
input_command=['#02C1+00.000']; fprintf(s1,input_command);
out=fscanf(s1);
%关闭串口：
fclose(s1);
%删除串口定义：
delete(s1);
end
实验结果：
kp=0.5上kp=0.1下ti=5 td=0
kp=0.3 td=0 后边的上升阶段ti=5上ti=10下
kp=0.3 ti=5 td=0.1 td=0.15(起伏大的）
结果分析：
由matlab对PID控制器的模拟分析可得到以下结论：
1、比例部分：Kp越大，比例作用越强，比例动作越快，上升时间和延迟时间越短，调节时间峰值时间也相应减少，且稳态误差减小，但超调量增大，系统易发生振荡，甚至发散。
2、积分环节：在Kp相同，Ti不同的情况下, Ti越大，积分作用越强，系统的上升时间，延迟时间，调节时间和峰值时间均越大，系统的响应越慢，动态性能越差，但是系统的超调量却越小，甚至小到不存在，系统地稳定性能提高。
3、微分环节：由于微分作用的存在，响应曲线的起始阶段呈现尖锐的波峰，之后曲线也呈衰减振荡。保持Kp、Ti不变，增大Td,系统的上升时间会上升。
五、实验总结
通过这次实验，我们对PID控制器、PID算法有了更加清晰地认识，在实验过程中深入了解了PID参数对系统控制效果的影响，通过用MATLAB软件得出的各种图形进行分析就可得出各个参数的作用，方便以后在实际应用中选择合适的参数，虽然过程中遇到了一些问题，但是主要是对于参数的选择不对，发现问题后及时改正，最终成功做出来了。
计算机控制技术试卷及答案
一、]t b 填空题 1.工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两个组成部分。 2.计算机控制系统中常用的控制器有可编程序控制器、工控机、单片机、DSP、智能调节器等。 3.在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式。 4.ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器。 5.模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 6.信号接地方式应采用一点接地方式，而不采用多点接地方式。 7.按极点配置设计的控制器通常有两部分组成，一部分是状态观测器，另一部分是控制规律。 8.模块化程序设计一般包括自顶向下和自底向上两种设计方法。 9.线性表、数组、堆栈和队列的共同特点是要求连续的存储单元来顺序存放数据元素。 10.计算机控制系统的输入变送器和输出执行机构的信号统一为0~10mA DC或4~20mA DC。 二、名词解释 1.采样过程按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，变成在时刻0、T、2T、…kT的一连串脉冲输出信号的过程 2.地线”是信号电流流回信号源的地阻抗路径 3.数字程序控制就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械(如各种加工机床)按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制 4.数据是描述客观事物的数、字符，以及所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的集合 5.积分饱和如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作 三、选择题（合计15分，每题3分） 1.下列不属于数字控制方式的是（C ） A、点位控制 B、直线控制 C、网格控制 D、轮廓控制 2.8位的A/D转换器分辨率为（ C ） A、0.01587 B、0.007874 C、0.003922 D、0.0009775 3.专家控制系统大致可以分为（D ） ①专家自整定控制②专家自适应控制③专家监督控制④混合型专家控制⑤仿人智能控制 A、①②③⑤ B、②④⑤ C、②③④⑤ D、①③④⑤ 4.一个8位的A/D转换器(量化精度0.1%)，孔径时间3.18μm，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为（B ） A、5Hz B、50Hz C、100Hz D、500Hz 5.某热处理炉温度变化范围为0~1350℃，经温度变送器变换为1~5V的电压送至ADC0809，ADC0809的输入范围为0~5V，当t=KT时，ADC0809的转换结果为6A，此时炉温为（C ） A、588.98℃ B、288.98℃ C、361.23℃ D、698.73℃ 四、简答题（合计20分，每题5分） 1.什么是干扰，干扰来源，抗干扰措施。 答：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。外部干扰和内部干扰。硬件措施，软件措施，软硬结合的措施 2.逐点比较法插补原理。 答：所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这
计算机控制系统习题及答案复习过程
计算机控制系统习题 及答案
一、填空题（本题共 20 个空，每空 1.5 分，共 30 分） 1.采样频率越高，采样数据描绘的曲线实际曲线。为了提高控制精度，应 尽可能。 2.在三相步进电机系统中，为了提高控制力矩，常常采用方法来实现。 3.在PID调节器中，比例系数KP的确定比微分和积分系数更重要，因为它关系 到______。 4.采样/保持器有两种工作方式。在采样方式中，采样-保持器的输出__________ 在保持状态 时，采样-保持器的输出______。 5.在PID控制系统中， I的作用主要是______，它一般不单独使用的原因是__ _。 6.线性插值法最根本的问题是____________________。 7.CD4051是________路________向多路开关，当其INH端接_____伏时，芯片 被选通。 8.在计算机控制系统中，采样周期T的确定很重要，因为它关系到_______,T太 大_______。 9.步进电机的步距角指 ________,齿距角指______，拍是指________。 10.3相（A、B、C）步进电机有3种通电方式， 是，和。 二、判断题（正确，在括号内划∨，错误，在括号内划╳，并改正（只对错误 部分进行改正即可）（本题共 5 小题，共10分）
1. 在显示系统中，若为动态显示，需将待显示数变成显示码才能输出到显示 器进行显示。若在显示电路中增加一级锁存器，则可直接将待显示数输出到显示器进行显示。（） 2. DAC0832是常用的8位D/A转换器，内部设有两级缓冲器，目的是使转换数椐得到充分缓冲，确保转换精度。（） 3. 由于各种传感器提供的电压信号范围很宽，需要通过可编程增益放大器，对信号进行调整，使A/D转换器满量程信号达到均一化。（） 4. 某系统采用程序判断滤波方式进行数据处理，发现总有一些杂波无法滤掉，原因是采样时间间隔太大（）。 5. 在工业过程控制系统中，由于被控对象所处环境复杂，常使采样值偏离实际值。所以一般要加入滤波环节，且常常将模拟滤波和数字滤波同时使用。 （） 三、简答题（本题共 6 小题，共 35 分） 1.（本题 6 分）简要说明多路开关的主要特点。 2.（本题 6分）PID调节系统中，微分调节起何作用？为什麽在有些系统中采用不完全微分算式，它与常规算式有哪些区别？ 3.（本题 6分）写出数字PID控制算法的位置式和增量式两种标准算法 4.（本题 6分）平均滤波有几种？并说明各自的特点。 5.（本题 6分）根据转换结束信号EOC的不同接法，能构成哪几种A/D工作方式？具体怎样接线？ 6.（本题 5分）手动后援是控制系统中的一个环节，在系统运行时它有何作用？在手动与自动之间进行切换时要求什麽？
计算机控制系统
第1章绪论 1.什么是计算机控制系统？计算机控制系统由哪几部分组成？ 答：计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统。 计算机控制系统的组成：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两大部分组成。 2.计算机控制系统的典型型式有哪些？ 答：计算机控制系统的典型型式包括：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC）；监督控制系统（SCC，也称设定值控制）；集散控制系统（DCS）；现场总线控制系统（F CS）和综合自动化系统。 3.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ 答：所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。 4.讨论计算机控制系统的发展趋势。 答：网络化、扁平化、智能化、综合化。 第2章计算机控制系统的硬件设计技术 5.请分别画出一路有源I/V变换电路和一路无源I/V变换电路图，分别说明各元器件的作用。
6.什么是采样过程、量化、孔径时间？ 答：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、T、2T、……、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。 所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。 在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字信号总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间称为孔径时间。 7.采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？ 答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器（为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，因而采用采样保持器来使得信号维持一段时间）。 并不是所有的模拟量输入通道都需要采样保持器的，因为采样保持器是为了防止在A/D 转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，所以只要A/D转换的时间比信号变化的时间短就不需要。
计算机过程控制系统(DCS)课程实验指导书(详)
计算机过程控制系统(DCS)课程实验指导书实验一、单容水箱液位PID整定实验 一、实验目的 1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。 3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。 二、实验设备 AE2000A型过程控制实验装置、JX-300X DCS控制系统、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、网线1根、24芯通讯电缆1根。 三、实验原理 图2-15为单回路水箱液位控制系统 单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用SUPCON JX-300X DCS控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。 一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-16中的曲线①、②、③所示。 图2-16 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
计算机控制理论答案
第一讲 1、什么是计算机数字控制系统？一般由哪几部分组成？请用框图形式给出实例，并简单说明其工作原理。 计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统；一般由计算机和生产过程两部分组成； 计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网格结构）和生产过程两大部分组长。其中硬件系统有主机、输入输出通道、外部设备、检测与执行机构组成； 三个步骤原理： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输 入。 ②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制 规律，决定将要采取的控制行为。 ③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完 成控制任务。 2、实时、在线方式、离线方式的含义是什么？ 实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间围完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 在线方式：在线方式亦称为联机方式，是指生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为。
离线方式：离线方式亦称为脱机方式，是指生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式。 3、简述计算机数字控制系统的发展趋势。 计算机数值控制系统的发展趋势有控制系统的网络化、扁平化、只能化、综合化。 第二讲 1、简述计算机控制系统中过程通道的基本类型及其作用。 数字量输入通道：接受外部装置或产生过程的状态信号，同时将状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号； 数字量输出通道：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； 模拟量输入通道：把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位重量等模拟信号转换成计算机可以接收的数字量信号； 模拟量输出通道：把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。 2、简述计算机控制系统抗干扰技术的基本措施。 克服干扰的措施主要有：硬件措施、软件措施和软硬结合的措施。 其中硬件抗干扰措施包含：①过程通道抗干扰技术；②CPU抗干扰技术；③系统供电与接地技术。针对不同的干扰采用不用的抗干扰技术： ①过程通道抗干扰技术：针对串模干扰，采用滤波器、双积分式A/D转换器、双绞线作信号引线等方法来抑制；针对共模干扰，采用变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比等方式；针对长线传输干扰可采用双绞线与同轴电缆进行传输； ②CPU抗干扰技术：使用Watchdog(俗称看门狗)、电源监控(掉电检测及保护)、复位等；
计算机控制系统的发展历程
浅谈计算机控制系统的发展 摘要：论述了计算机控制系统的发展历史及发展趋势，分析了计算机控制系统的组成部分及其特点。并且对当前计算机系统的发展情况做出评价。 关键词：计算机控制系统发展 1 引言 计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机）来实现工业过程自动控制的系统，并且是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起而应运产生的综合控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术,在计算机参与工业系统控制的历史长河中扮演了重要的角色。 2 计算机控制系统的发展情况 在60 年代,控制领域中就引入了计算机。当时计算机的作用是控制调节器 的设定点，具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称作是计算机监控系统。这种系统的调节器主要是采用了模拟调节器。系统中既有计算机又有调节器，系统复杂，投资又大。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统，简称集中控制系统，集中控制系统在计算机控制系统的发展过程中起到了积极作用。在这种控制系统中, 计算机不但完成操作处理,还可直接根据给定值、过程变量和过程中其它测量值，通过PID运算，实现对执行机构的控制, 以使被控量达到理想的工作状态。这种控制系统即常说的直接数字控制( DDC) 系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。最初发展时希望能够至少可以控制50个回路以上，这在当时对小规模、自动化程度不高的系统，特别是对具有大量顺序控制和逻辑判断操作的控制系统来说收到了良好的效果。 由于整个系统中只有一台计算机, 因而控制集中，便于各种运算的集中处理，各通道或回路间的耦合关系在控制计算中可以得到很好的反映，同时由于系统没有分层, 所有的控制规律均可直接实现。但是，如果生产过程的复杂，在实现对几十、几百个回路的控制时，可靠性难以保证，系统的危险性过于集中，一旦计
智能控制翻译
智能控制导论大作业 学号：021151** 姓名：** 任课教师:吴**
目录 一、说明………………………………………………………………… I.文章出处………………………………………………………… 二、论文翻译…………………………………………………………… I.摘要……………………………………………………………… II.引言……………………………………………………………… III.背景信息…………………………………………………………… IV.神经网络整体结构……………………………………………… V.神经网络的整体的标定中的应用……………………………… VI.总结……………………………………………………………… 三、课程与论文关系…………………………………………………… 四、智能导论课程总结…………………………………………………
一、说明 本次大作业针对“Improved Calibration of Near-Infrared Spectra by Using Ensembles of Neural Network Models”文章进行翻译。这篇文章摘自IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 10, NO. 3, MARCH 2010。作者是Abhisek Ukil, Member, IEEE, Jakob Bernasconi, Hubert Braendle, Henry Buijs, and Sacha Bonenfant。 二、论文翻译 利用神经网络模型整体对近红外光谱校正改进 摘要: 红外（IR）或近红外（NIR）光谱技术是用来识别一种混合物或来分析材料的组成的方法。NIR光谱的校准是指利用光谱的多变量描述来预测各组分的浓度。建立一个校正模型，最先进的软件主要使用线性回归技术。对于非线性校正问题，基于神经网络的模型已经被证明是一个有意义的选择。在本文中，我们提出了一个新的基于神经网络的扩展传统的方法，利用神经网络模型整体。个别神经网络是从重采样与引导或交叉验证技术训练信息数据中获得。在一个现实的校准实施例中得到的结果表明，该集合为基础的方法，会产生一个比传统的回归方法更显著更精确和鲁棒性强的校准模型。 关键词： 自举，校准，计量学，交叉验证，傅立叶变换，近红外（NIR），近红外光谱仪，神经网络，光谱。 I.引言: 红外（IR）或近红外（NIR）光谱技术是用来识别一种混合物或来分析材料的组成的方法。这是通过学习物质与红外光间相互作用而完成的。红外/近红外光谱是指红外光的吸收为波长的函数。在红外光谱中，考虑的频率范围通常是14000和10厘米分之一。注意，所施加的频率刻度是波数（以厘米倒数为单位），而不是波长（以微米为单位）。该材料在不同频率下的吸收测定中的百分比。“化学计量学”是数学和统计方法的应用，以化学数据的分析，例如，多元校正，信号处理/调节，模式识别，实验设计等。 在化学计量学，校准是通过使用光谱多变量描述符来预测不同成分的浓度来实现。在本文中，我们提出并分析采用基于神经网络的校正模型整体。整体的个别型通过重新取样与引导或交叉验证技术的原始训练数据的实现。该集成模型被示为导致显著改善预测精度和鲁棒性，当与常规的校准方法相比。 在本文的其余部分安排如下。在第二节中，提供有关工作的背景信息。这包括使用的光谱仪，数据采样，目前最先进的校准方法和基于神经网络的校准模型的信息。第三节介绍了
计算机控制系统
计算机控制系统期末试题 一、选择题（每题4分） 1.二阶系统的超调量与 C A.固有频率无关，阻尼比无关 B. 固有频率有关，阻尼比有关 C. 固有频率有关，阻尼比无关 D. 固有频率无关，阻尼比有关 2.连续控制系统的不稳定性条件是S平面的 D 部分。 A.单位圆内 B. 单位圆外 C. 左半 D.右半 3.计算机控制系统是以__A___为核心部件的自动控制系统。 A.计算机 B. 控制器 C. 转换器 D.保持器 4.下列哪个不是计算机控制系统控制过程的步骤？B A.数据采集 B. 数据转换 C. 计算机控制量 D.输出控制信号 5.下列哪个不属于计算机控制系统的过程输入通道。D A.温度 B. 压力 C. 流量 D.继电器 6. 单位阶跃输入下输出响应，经过_B___周期就稳定在设定值上。 A. T B.2T C 3T D.4T 7.低通滤波器可以让高于 A Hz虑掉。 A50 B. 60 C. 70 D.80 8.计算机控制系统稳定性条件是Z平面的___A___部分。 A单位圆内 B. 单位圆外C. 左半 D.右半 9.连续控制系统的稳定性条件是S平面的___C___部分。 A单位圆内 B. 单位圆外C. 左半 D.右半 10.下列属于共模干扰？D A电容的静电耦合 B. 长线传输的互感C.磁场耦合 D.变压器漏电 二、判断题（每题2分） 1. 输入输出通道时计算机控制系统的核心。（F） 2. 连续控制系统的传递函数分母式系统的特征多项式，代表系统的固有特性？（T） 3. 计算机的硬件对计算机控制系统的非常重要，管理计算机的程序及过程控制的应用程序。（F） 4. 被控对象可以是模拟量，不可以是开关量。（F） 5.一般采用多路通道共享采样/保持或模数转换器。（T） 6. 转速传感器的激励绕组与输出绕组之间在空间相差180°（F） 7. PID的积分环节经常单独使用。（F） 8. 空间辐射干扰中来自通道的干扰最大。（F） 9. 低通滤波器可让80Hz的工频信号无衰减地通过。（F） 10.计算机控制系统的分析与设计是以系统的数学模型为基础。（T） 三、简答题（每题5分） 1．传递函数的特点？ 答：1）传递函数的分母是系统的特征多项式，代表系统的固定特征；分子代表输入与系统的关系，而与输入量无关，因此传递函数表达了系统本身的固有特性。 2）传递函数不说明被描述系统的具体物理结构，不同的物理系统可能具有相同的传递函数。
《计算机控制系统》课后题答案 刘建昌等科学出版社
第一章计算机控制系统概述 习题与思考题 1.1什么是计算机控制系统？计算机控制系统较模拟系统有何优点？举例说明。 解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，被称为计算机控制系统。与模拟系统相比，计算机控制系统具有设计和控制灵活，能实现集中监视和操作，能实现综合控制，可靠性高，抗干扰能力强等优点。例如，典型的电阻炉炉温计算机控制系统，如下图所示： 炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号（毫伏级），再经变送器变成标准信号（1-5V或4-20mA）从现场进入控制室；经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的温度给定比较，得到偏差信号，该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压（220V）进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小，从而调节炉温变化，最终达到计算机内部的给定温度。 由于计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。还可以通过软件的标准化和模块化，这些控制软件可以反复、多次调用。又由于计算机具有分时操作功能，可以监视几个或成十上百个的控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时，能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预，这些都是传统模拟控制无法胜任的。在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。另一方面，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。因此，计算机控制系统具有上述优点。 1.2计算机控制系统由哪几部分组成？各部分的作用如何？ 解答：计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成。 被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号（1-5V或4-20mA）；再经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制被控对象的物理量，实现控制要求。 1.3应用逻辑器件设计一个开关信号经计算机数据总线接入计算机的电路图。 解答： 1.4应用逻辑器件设计一个指示灯经过计算机数据总线输出的电路图。 解答： 1.5设计一个模拟信号输入至计算机总线接口的结构框图。 解答： 模拟量输入通道组成与结构图 1.6设计一个计算机总线接口至一个4~20mA模拟信号输出的结构框图。 解答：
计算机控制系统的应用及发展
目录 第一章计算机过程控制系统的应用与发展 (2) 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 (2) 1.2 计算机过程控制系统的分类 (2) 1.3 计算机过程控制系统国内外应用状况 (6) 1.4 计算机过程控制系统的发展趋势 (7) 第二章国内油田计算机控制系统应用软件现状及发展趋势 (8) 2.1 基于PC总线的控制系统应用软件 (8) 2.2 基于各种PLC控制系统的应用软件 (8) 2.3 中小规模的DCS控制系统组态软件 (9) 2.4 计算机控制系统应用软件的发展趋势 (9)
第一章计算机过程控制系统的应用与发展 在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 世界上第一台电子数字计算机于1946年在美国问世。经历了十多年的研究，1959年世界上第一台过程控制计算机TRW-300在美国德克萨斯的一个炼油厂正式投入运行。这项开创性工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术获得了迅速的发展。 回顾工业过程的计算机控制历史，经历了以下几个8寸期： (1)起步时期(20世纪50年代)。20世纪50年代中期，有人开始研究将计算机用于工业过程控制。 (2)试验时期(20世纪60年代)。1962年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替了原来的模拟控制。 (3)推广时期(20世纪70年代。随着大规模集成电路(LSI)技术的发展，1972年生产出了微型计算机(mi—erocomputer)。其最大优点是运算速度快，可靠性高，价格便宜和体积小。 (4)成熟时期(20世纪80年代)。随着超大规模集成电路(VLSI)技术的飞速发展，使得计算机向着超小型化、软件固定化和控制智能化方向发展。80年代末，又推出了具有计算机辅助设计(CAD)、专家系统、控N*0管理融为一体的新型集散控制系统。(5)进一步发展时期(20世纪90年代)。在计算机控制系统进一步完善应用更加普及，价格不断下降的同时，功能却更加丰富，性能变得更加可靠。 1.2 计算机过程控制系统的分类 计算机控制系统的应用领域非常厂泛，计算机可以控制单个电机、阀门，也可以控制管理整个工厂企业；控制方式可以是单回路控制，也可以是复杂的多变量解耦控制、自适应控制、最优控制乃至智能控制。因而，它的分类方法也是多样的，可以按照被控参数、设定值的形式进行分类，也可以按照控制装置结构类型、被控对象的特点和要求及控制功能的类型进行分类，还可以按照系统功能、控制规律和控制方式进行分类。常用的是按照系统功能分类。
什么是工业控制计算机
一、工业控制计算机的概念 工业控制计算机OPC.也称产业电脑、工业计算机、产业计算机)即是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机，英文简称IPC.全称Industrial Personal Computer。工控机通俗地说就是专门为工业现场而设计的计算机。 工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。传统意义上，将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，包括计算机和过程输入、输出通道两部分。但今天工业控制计算机的内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。因此，工业控制计算机是应用在国民经济发展和国防建设的各个领域、具有恶劣环境适应能力、能长期稳定工作的加固的增强型个人计算机，因此也简称工控机。 工控机之所以大受欢迎，其根本原因在于PC机的开放性。其硬件和软件资源极其丰富，并且为工程技术人员和广大用户所熟悉。基于PC的(包括嵌入式PC)控制系统，正以20以上的速率增长，并且已经成为DCS、PLC未来发展的参照物。 二、工控机的特点 IPC是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在20世纪80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM 7532，接着国内研祥（EVOC）就推出了IPC系列。由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，在控制系统中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。目前. IPC己被广泛应用于通信、工业控制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。 工控机是根据工业生产的特点和要求而设计的电子计算机，它应用于工业生产中，实现各种控制目的、生产过程和调度管理自动化，以达到优质、实时、高效、低耗、安全、可靠，减轻劳动强度、改善工作环境的目的。它是自动化仪表的重要分支，也是电子计算机的重要分支。它主要用于工业过程测量、控制、数据采集等工作。而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业，即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比具有以下特点: (1)可靠性高。工控机通常用于控制不间断的生产过程，在运行期间不允许停机检修，一旦发生故障将会导致质量事故，甚至生产事故。因此要求工控机具有很高的可靠性，也就是说要有许多提高安全可靠性的措施，以确保平均无故障工作时间(MTBF)达到几万小时，同时尽量缩短故障修复时间(MTTR).以达到很高的运行效率。 (2)实时性好。工控机对生产过程进行实时控制与监测，因此要求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化。当过程参数出现偏差或故障时，工控机能及时响应，并能实时地进行报警和处理。 (3)环境适应性强。工业现场环境恶劣，电磁干扰严重，供电系统也常受大负荷设备启停的干扰，其接"地"系统复杂，共模及串模干扰大。因此要求工控机具有很强的环境适应能力，如对温度、湿度变化范围要求高;要有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力;要具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力以及高共模抑制的能力。 (4)过程输入和输出配套较好。工控机要具有丰富的多种功能的过程输入和输出配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入输出模板。具有多种类型的信号调理功能，如隔离型和非隔离型信号调理;各类热电偶、热电阻信号输入调理，电压(V)和电流(mA)信号输入和输出信号的调理等。 (5)系统扩展性好。随着工厂自动化水平的提高，控制规模也在不断扩大，因此要求工控机具有灵活的扩展性。 (6)系统开放性。要求工控机具有开放性体系结构，也就是说在主机接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守开放性原则，以便于系统扩展、异机种连接、软件的可移植和互换。
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第1章习题 B 习题 B1-1 举例说明2-3个你熟悉的计算机控制系统，并说明与常规连续模拟控制系统相比的优点。 B1-2 利用计算机及接口技术的知识，提出一个用同一台计算机控制多个被控参量的分时巡回控制方案。 B1-3 题图B1-3是一典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图。由雷达测出目标的高低角、方位角和斜距，信号经滤波后，由模拟式计算机计算出伺服系统高低角和方位角的控制指令，分别加到炮身的高低角和方位角伺服系统，使炮身跟踪指令信号。为了改善系统的动态和稳态特性，高低角和方位角伺服系统各自采用了有源串联校正网络和测速反馈校正，同时利用逻辑电路实现系统工作状态的控制(如偏差过大时可断开主反馈，实现最大速度控制，当偏差小于一定值后实现精确位置控制)。试将其改造为计算机控制系统，画出系统原理结构图。 题图B1-3典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图 B1-4水位高度控制系统如题图B.1-4所示。水箱水位高度指令由W1 电位计指令电压u r确定，水位实际高度h由浮子测量，并转换为电位计W2 的输出电压u h。用水量Q1 为系统干扰。当指令高度给定后，系统保持给定水位，如打开放水管路后，水位下降，系统将控制电机，打开进水阀门，向水箱供水，最终保持
水箱水位为指令水位。试把该系统改造为计算机控制系统。画出原理示意图及系统结构图。 题图B1-4 水箱水位控制系统原理示意图 B1-5 题图B1-5为一机械手控制系统示意图。将其控制器改造为计算机实现，试画出系统示意图及控制系统结构图。 题图B1-5机械手控制系统示意图 B1-6题图B1-6为仓库大门自动控制系统示意图。试将其改造为计算机控制系统，画出系统示意图。 题图B1-6 仓库大门自动控制系统示意图
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2-6某水槽如题图2-1所示。其中A 1为槽的截面积，R 1、R 2均为线性水阻，Q i 为流入量，Q 1和Q 2为流出量要求： (1)写出以水位h 1为输出量，Q i 为输入量的对象动态方程； (2)写出对象的传递函数G(s)并指出其增益K 和时间常数T 的数值。 图2-1 解：1）平衡状态： 02010Q Q Q i += 2）当非平衡时： i i i Q Q Q ?+=0；1011Q Q Q ?+=；2022Q Q Q ?+= 质量守恒：211 Q Q Q dt h d A i ?-?-?=? 对应每个阀门，线性水阻：1 1R h Q ?= ?；2 2R h Q ?= ? 动态方程：i Q R h R h dt h d A ?=?+?+?2 11 3) 传递函数：)()()1 1(2 11s Q s H R R S A i =++ 1 ) 11(1) ()()(21 1+=+ + == Ts K R R S A s Q s H s G i 这里：2 1 1 2 1212 1 11111R R A T R R R R R R K + = += += ； 2Q 1 1
2-7建立三容体系统h 3与控制量u 之间的动态方程和传递数,见题图2-2。 解：如图为三个单链单容对像模型。被控参考△h 3的动态方程： 3233 Q Q dt h d c ?-?=?；22R h Q ?= ?；33R h Q ?=?； 2122Q Q dt h d c ?-?=?；1 1R h Q ?= ? 111 Q Q dt h d c i ?-?=? u K Q i ?=? 得多容体动态方程： u KR h dt h d c R c R c R dt h d c c R R c c R R c c R R dt h d c c c R R R ?=?+?+++ ?+++?3333322112 323131323221213 333 21321) ()( 传递函数：3 22133) ()()(a s a s a s K s U s H s G +++= = ； 这里： 3 213213 3 2132133 213213 3221123 213213 1313232212111; c c c R R R kR K c c c R R R a c c c R R R c R c R c R a c c c R R R c c R R c c R R c c R R a = =++=++=
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第一章绪论 1.计算机控制系统工作原理（图：P2 1-1b）A/D装置将模拟量转换为数字量后送入计算机处理，D/A装置将其转换为模拟量，输送到执行机构。采样器与保持器等与A/D、D/A一起构成计算机与生产过程中之间的接口。若被控量不是模拟量而是开关量（数字量），计算机控制系统中也需要用开关量输入输出接口进行信号的传输，而不能将过程与计算机相连。 2.计算机在控制系统中三个基本作用：实时数据处理、实施监督决策、实时控制及输出。 3.计算机控制系统的工作方式：①在线方式与离线方式生产过程和计算机系统直接相连，并接受计算机直接控制称为在线或联机方式；反之，若不相连或虽相连但过程不受计算机控制，而是靠人工进行联系并做相应操作称为离线或脱机方式。②实时性指信号的输入、计算和输出都必须限制在一定时间范围内完成，即计算机对输入信息要以足够快的速度进行处理。 4.计算机控制系统组成功能、作用（图：P3 1-2）①主机由CPU、ROM、RAM组成，是计算机控制系统的核心。②外设常用外部设备按功能分成输入设备、输出设备和外存储器。 ③过程输入/输出接口包括模拟量和开关量两大类，是计算机与生产过程之间信息交换的桥梁。④人机接口设备包括显示器、键盘、专用的操作显示面板或操作显示台等，供操作员与计算机进行信息交换。 ⑤通信设备通过通信设备，不同地理位置、不同功能的计算机之间或计算机与设备之间可以进行信息交换。⑥现场仪表包括检测变送仪表、执行机构等。前者将生产过程中各种物理量转换成电信号，后者完成计算机输出控制的执行任务。 ⑦系统总线分内部总线与外部总线。内部总线在计算机各内部模块之间传送各种控制、地址与数据信号，并为各模块提供统一的电源；外部总线为计算机系统之间或计算机系统与设备之间提供数字通信。 ⑧系统软件它管理计算机的内存、 外设等硬件设备。⑨应用软件是系 统设计人员针对具体生产过程编制 的控制和管理程序，是控制计算机 在特定环境中完成某种控制功能所 必需的软件。 5.计算机控制系统的分类（图：P4~8 1-3~1-7根据框图说原理）①计算 机巡回监测和操作指导系统一种 开环系统。过程参数经测量变送器、 过程输出通道，定时送入计算机， 计算机进行分析和处理后进行综 合，通过显示器或打印机输出操作 指导信息。②计算机直接数字控制 系统DDC 计算机通过过程输入通道 对多个被控生产过程进行巡回检 测，根据给定值、测量值及控制规 律计算出控制指令，经过程输出通 道（AO或DO）直接控制执行机构， 使得各被控参数保持在其给定值附 近。③计算机监督控制系统SCC 通 常采用两级控制形式，分处两层的 计算机分别称为上位机与下位机。 上位机根据原始的生产工艺数据和 现场采集到的工况信息，一方面按 照描述被控过程的数学模型和某种 最优目标函数，计算出被控过程的 最优设定值。输出给下一级的DDC 系统或模拟调节器；另一方面对生 产状况进行分析，作出故障的诊断 与预报。④计算机集散控制系统DCS 有多个相关联可以共同承担工作的 微处理器为核心，一起组成可以运 行多项任务的系统，实现地理上和 功能上的控制，同时通过高速数据 通道把各个分散点的信息集中起 来，进行集中的监视和操作，实现 复杂的控制和优化。⑤现场总线控 制系统FCS 核心是现场总线，与 Internet网互联构成不同层次的复 杂网络，降低了系统成本，提高了 可靠性，且在统一的国际标准下可 实现真正的开放式互联系统结构。 ⑥工业过程的计算机集成制造系统 （流程CIMS）将需要的函数块放在 图纸上，然后把它们连接起来，以 便处理输入和输出。过程操作员根 据各种动态画面来监视和控制过 程。动态测量值和状态指示则显示 了当前的生产情况。从过程控制器、 信息管理站和外部计算机那里获得 信息后，操作人员可以进行授权范 围内的任意操作。 第二章计算机控制系统基础 1.信号形式（图：P13 2-1）连续模 拟信号、离散模拟信号、连续数字 信号、离散数字信号 2.信号采样（图：P14 2-2）把时间 和量值上均连续的模拟信号按采样 周期T转变位置在瞬时才有脉冲输 出信号的过程。 3.信号的保持（图：P15 2-3）保持 其的原理是根据现在或过去时刻的 采样值，用常数、线性函数和抛物 线函数等去逼近两个采样时刻之间 的原信号。零阶保持器是最常用的 一种信号保持器。 第三章计算机控制系统基础中的 总线技术 1.总线标准分为两类：一类是由国 际权威机构制定的；另一类是由某 厂家设计而广泛流行的。后者得到 业界承认之后，往往也会被权威机 构收为标准。 2.内部总线：又称系统总线，即通 常说的各种不同标准的计算机总 线，用于计算机内部模块（板）之 间的通信。工业过程常用PC总线、 STD总线、VME、MULTIBUS总线等。 外部总线：又称通信总线，完成计 算机系统之间或计算机与设备之间 的通信任务，如IEEE-488总线、 RS-232和RS-485等。 3.并行总线：每个信号都有自己独 立的信号线，一组信号并行输出， 传输快，接口简单，缺点是电缆线 数多。串行总线：所有信号复用一 对信号线，并依次按顺序串行输出， 电缆线数少，便于远距离传送，缺 点是信号传输慢，接口复杂。 4.内部总线通常都是并行总线，外 部总线分为并行总线和串行总线两 种。IEEE-488并行，RS-485串行。 5.总线裁决方式①串行链接式总 线裁决（图：P37 3-6）各部件的请 求信号经一条公共请求线向控制器 发出，总线空闲时控制器发出总线
计算机自动控制的原理
计算机在自动控制的应用 一）计算机自动控制的原理 所谓的计算机自动控制是指在传递函数的基础上，对单一输入和输出等线性常数等内容进行分析。对于一个比较复杂的对象来说，要想实现对其控制首先要设定与被控对象的关联方式，这个关联方式就是自动控制系统。自动控制系统中最重要的物理量是被控对象的输出量，对于控制对象来说，则有反馈装置来进行信息反馈。控制装置是根据反馈装置提供的信息来调整控制量的输出，保证控制的准确度。 二）计算机自动控制的特点 随着信息时代的到来，自动控制无论是对于工业生产还是日常生活，都具有重要的创新意义。计算机能够同时储存大量的数据并且快速处理数据，因此在设备自动化和智能化发展的过程中，利用计算机来代替人工控制是非常正确的选择。计算机控制有着明显的优势，首先计算机控制不存在固定的模式和规律，具有较强的多样性，其次计算机不仅能够实现对设备的控制，还能够通过实时信息进行优质管理，进一步提高了工作效率；再者计算机控制能够节约管理成本，并且提高经济收益；最后一点就是计算机能够灵活的根据设备现场的工作状态，灵活调整设备的工作参数，最大程度的保证设备能够处于设备处于最佳的工作状态。 三）计算机自动控制的意义 设备装置的进步，有力促进了我国诸多行业的发展，在当代设备日渐智能化和系统化的发展趋势下，自动化控制设备的可靠性成为设备生产商和用户最为关注的问题。由于电子自动化控制设备在实际应用中面临多样性的工作环境，因此控制设备必须具备一定程度的可靠性。就自动化控制设备中的自动控制开关分析，由于开关通常被用于车载和军事，因此开关在工作中必定会面临高湿度，低温以及撞击等问题的考验，为保障自动化控制设备的正常运行，开关必须具备高水平的可靠性。自动化控制设备在过程中，由于无法开展设备的深度检修，只能进行简要的部件维护，因此提高设备的可靠性是十分必要的。 四）计算机自动控制概述 计算机自动控制一般的机器是由人控制的，人给机器一个指令，机器就完，成一个操作。计算机的操作也是受人控制的，但由于计算机具有内部存储能力，可以将指令事先输入到计算机存储起来，在计算机开始工作以后，从存储单元中依次去取指令，用来控制计算机的操作，从而使人们可以不必干预计算机的工作，实现操作的自动化。 五）计算机控制的系统特点 自动控制对于我国工业、农业和科学技术的发展有着越来越重要的地位。 不仅在宇航导弹制导系统中、核技术以及火器控制等军事方面有着紧密的联系，逐渐已经密不可分，在金属冶炼、仪器制造和一般工业生产方面都有着相关的影响，为实现工业的自动化控制、改善劳动条件、提供经济建设等方面都贡献着自身价值。计算机本身有着较大的存储功能，较强的逻辑判断能力及较快的运算速度，计算机控制可以帮助自动控制中实际的困难，解决相关的问题瓶颈，可以提升自动控制的性能指标。 六）计算机控制系统的应用类型 数据采集系统在这种应用中，计算机只承担数据的采集跟处理工作，而不直接参与控制。它对生产过程各种工艺变量进行巡回检测、处理、记录及变量的超限报警，同时对这些变量进行累计分析和实时分析，得出各种趋势分析，为操作人员提供参考。