计算机控制技术

此思维导图主要记录了计算机控制的相关基础知识。内容包括：计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型型式、发展概况和趋势；计算机控制系统的硬件设计技术；数字控制技术；常规及复杂控制技术；现代控制技术；先进控制技术；计算机控制系统的软件设计技术；分布式测控网络技术；计算机控制系统设计与实现。全书内容丰富，体系新颖，理论联系实际，系统性和实践性强。

微型计算机控制技术

第一章 绪论

计算机控制系统的基本概念

概念:利用计算机实现生产过程自动控制的系统

在线方式

计算机连接，计算机控制

离线方式

不与计算机直接连接控制，靠人进行联系操作

实时

信号输入、计算和输出都在一定时间范围内完成

计算机控制系统的组成及工作原理

组成

工业控制机

硬件

软件

生产过程

被控对象

测量变送

执行机构

电气开关

工作原理

实时数据采集

实时控制决策

实时控制输出

计算机控制系统的典型形式

操作指导控制系统

具有数据采集和处理功能，为操作人员提供反映生产过程工况的各种数据，提供操作指导信息

直接数字控制系统（DDC）

输入通道采集数据，按照一定规律进行计算，输出通道直接控制生产过程

监督控制系统（SCC）

自动改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，使生产过程始终处于最优工况

集散控制系统（DCS）

分散控制，集中管理

综合管理级

集中监控级

分散控制级

现场设备级

操作站～控制站～现场仪表

现场总线控制系统（FCS）

工作站～现场总线智能仪表

综合自动化系统

解决方案

企业资源信息管理系统（ERP）

生产执行系统（MES）

生产过程控制系统（PCS）

主要包括

制造业的计算机集成制造系统（CIMS）

流程工业的计算机集成过程系统(CIPS)

工业控制机的组成及特点

组成

硬件

主机板

内部总线和外部总线

人机接口

系统支持板

磁盘系统

通信接口

输入输出通道

软件

系统软件

支持软件

应用软件

特点

可靠性高和可维修性好

环境适应性强

控制的实时性

完善的输入输出通道

丰富的软件

适当的计算机精度和运算速度

总线的基本概念及分类

概念

一组信号线的集合，定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机的内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信

分类

内部总线

内部总线:计算机内部功能模板之间进行通讯的总线，构成完整的计算机系统的内部信息枢纽

功能

数据总线DB

地址总线AB

控制总线CB

电源总线PB

片级总线

系统总线

常用

ISA总线,PCI总线

外部总线

外部总线:计算机与计算机之间或计算机与其他智能设备之间进行通信的连线

常用

RS-232C

通讯距离不超过15m，传送信号速率不大于20kb/s

通用串行总线USB

第二章 输入输出接口与过程通道

I/O端口的基本概念及编址方式

概念

能够被CPU直接访问的寄存器称为端口

数据端口

存放外设送往CPU的数据以及CPU输出到外设的数据，起数据缓冲作用

状态端口

指示外设的当前状态

控制端口

存放CPU向接口发出的各种命令和控制字，以便控制接口和设备的动作

编址方式

统一编址

把系统中的每一个io端口看做一个存储单元，与存储单元一样统一编址，访问存储器的所有指令均可用来访问io端口

独立编址

对系统的io端口单独编址，构成独立的io地址空间，采用专门的io指令来访问具有独立空间的io端口，称为io映射方式

I/O端口的地址译码技术

固定地址译码

根据确定的地址字段来设译码电路

开关选择译码

采用数据比较器和一组逻辑开关来实现（ISA板卡高位）地址的设定

可编程逻辑器件（PLD）

数字量输入输出接口与过程通道的组成

数字量输入接口与过程通道组成

数字量输入通道的基本功能是接收外部装置或生产过程的状态信号

数字量输出接口与过程通道组成

输出锁存器

输出驱动器

小功率直流驱动电路

大功率交流驱动电路

固态继电器SSR:四端有源器件

输出口地址译码器

模拟量输入输出通道的组成结构

模拟量输入接口与过程通道组成

信号调理或I/V变换

信号调理:将非电量非标准的电信号转换成标准的电信号

非电信号的检测-不平衡电桥

信号放大电路

I/V变换:变送器输出的电流信号需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理

无源I/V变换

主要利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅保护等措施

有源I/V变换

利用有源器件运算放大器、电阻组成

多路转换器

又称多路开关，用来切换模拟电压信号的关键元件。可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上

采样保持器

A/D转换器

接口及控制逻辑

模拟输出接口与过程通道组成

组成

接口电路

D/A转换器

D/A转换

运算放大器

单极性和双极性输出电路

V/I变换

结构形式:取决于输出保持器的构成方式

一个通道设置一个数/模转换器的形式

多个通道共用一个数/模转换器的形式

保持器有数字保持方案和模拟保持方案

信号的采样、量化和保持过程的基本概念

采样

概念: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，转变成一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程

香农采样定理:只要采样频率大于等于两倍的模拟信号频谱的最高频率，那么采样信号就能唯一的复现

量化

采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号

采样保持原理

A/D转换过程需要时间，这个时间称为A/D转换时间。在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以一般情况下都不直接送至A/D转换器转换，还需加保持器保持。保持器把t=kt时刻的采样值保持到A/D转换结束。

A/D和D/A转换器的工作原理

A/D转换

经过采样、保持、量化、编码将模拟量转换成数字量。量化将模拟信号量程分成许多离散级，并确定输入信号所属的量级，编码将每一量级分配唯一的数码，并确定与输入信号相对应的代码

D/A转换

将数字量转换为模拟量，将每一位的代码按其权位的大小转换成模拟量，然后将这些模拟量相加，即得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字模拟转换

硬件抗干扰技术的分类

干扰: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

与系统结构无关，由外界因素决定的

内部干扰

系统结构、制造工艺决定的

串模干扰及其抑制方法

概念

串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声

抑制方法

共模干扰及抑制方法

概念

共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压

抑制方法

变压器隔离

利用变压器将模拟信号电路和数字信号电路隔离开来

光电隔离

浮地屏蔽

利用屏蔽法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制目的

采用仪表放大器提高共模抑制比

长线传输干扰及其抑制方法

问题

长线传输易受到外界干扰

具有信号延时

高速变化的信号在长线传输时，还会出现波反射现象

抑制方法

终端匹配

测量传输线的波阻抗，调节可变电阻R等于波阻抗

始端匹配

在传输线始端串入电子R，匹配电阻，达到改善波形目的

主机抗干扰技术

看门狗

电源监控

复位

第四章 常规及复杂控制技术

数字控制器的连续化设计方法

设计假想的连续控制器D(s)

选择采样周期T

将D（s）离散化为D（z）

前向差分法

后向差分法

双线性变换法

设计由计算机实现的控制算法

校验

数字控制器的离散化设计方法

根据控制器的性能指标要求和其他约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数∅（z）

求广义对象的脉冲传递函数G（z）

求取数字控制器的脉冲传递函数D（z）

求取控制量u（k）的递推计算公式

数字PID控制器的位置型控制算法和增量型控制算法以及两者的优缺点

数字PID位置型控制算法算式:p139

数字PID增量型控制算法算式:p140

两者比较

在控制系统中如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字PID位置式控制算法

如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量式控制算法

增量式算法优点

增量算法不需要做累加，仅与最近几次误差采样值有关，对控制量计算影响较小

增量式算法得出的控制量是增量，阀门误动作小，不会严重影响系统工作。位置算法输出是控制量的全量输出，误动作影响大

采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换

数字PID控制器的积分饱和的概念以及改进方法

积分饱和概念

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，称为积分饱和

积分项的改进

积分分离

偏差较大时取消积分作用，偏差较小的加入积分作用。积分分离阈值应根据具体对象和控制要求确定

抗积分饱和

对计算出的控制量进行限幅，同时把积分作用切除掉

梯形积分

为保证积分作用，提高积分运算精度，将矩形积分改为梯形积分

消除积分不灵敏区（由于计算机字长的限制，当运算结果小于字长所能表示的数的精度，计算机就作为0将此数丢掉）

增加D/A和A/D转换位数，加长运算字长，提高运算精度

当积分项偏差连续n次小于输出精度的情况下，不要把他们作为0舍掉，而是把它们一次次累加起来，直到累加值大于最小精度时，再输出，同时把累加单元清零

数字PID控制器的微分项的改进方法

不完全微分PID控制算法

微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。在PID控制输出串联一阶惯性环节，就组成了不完全微分PID控制器

微分先行PID控制算式

为了避免给定值的升降给控制系统带来冲击。它和标准PID控制的不同之处在于，只对被控量微分，不对偏差微分，即对给定值无微分作用。对给定值频繁升降的系统有效

数字PID控制器的参数整定方法

简易工程法整定PID参数

扩充临界比例度法

选择一个足够短的采样周期

用选定的采样周期使系统工作。去掉积分作用和微分作用，只保留比例作用，逐渐减小比例度只到系统发生等幅振荡，记下使系统发生振荡的临界比例度和系统的临界震荡周期

选择控制度（以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较）

根据选定的比例度，查表求T,Kp,Ti,Td

扩充响应曲线法

数字控制器不接入控制系统，让系统处于手动操作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号

用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线

在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间t，被控对象时间常数Tt，以及他们的比值，查表得数据

归一参数整定法

除Kp外，给其他参数赋变值，将整个问题简化为只要整定一个参数Kp，改变Kp观察控制效果，只到满意为止

优选法

根据经验，先把其他参数固定，然后用0.618法对其中某一个参数进行优选，直到把所有的参数优选完毕为止

凑试法

首先只整定比例部分。比例系数由小变大，观察系统系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线

如果比例调节的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。将积分时间置为较大值，将第一步整定得到的比例系数略微缩小，减小积分时间，使系统保持良好动态性能下静差得以消除

若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则加入微分环节，构成比例积分微分调节器，整定时微分时间为0，在第二步整定的基础上，增大Td，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步试凑，直到满意

增大Kp一般将加快系统响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但静差的消除将随之变慢。增大微分时间有利于加快系统响应，使超调减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应

自整定法

采用具有滞环的继电器非线性反馈控制系统，使被控量出现临界等幅振荡，再根据表整定参数

最少拍控制的基本概念以及有纹波、无纹波控制器的设计方法

最小拍概念

要求闭环系统对于某种特定输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，且传递函数具有形式（p153）

最少拍有纹波控制器的设计（p157）

最小拍无纹波控制器的设计（p161）

Smith预估控制的基本原理及实现方法

原理

与D（s）并接一补偿环节，用来补偿被控对象中纯滞后部分，这个补偿环节称为预估器，传递函数为（p165）

实现方法（p165）

达林控制算法的基本原理、设计步骤以及振铃的消除方法

原理

使整个闭系统所期望的传递函数∅（s）相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联，并期望整个系统的纯滞后时间和被控对象Gc（s）的纯滞后时间t相同。Tt为时间常数，纯滞后时间t与采样周期T有整数倍关系。t=NT （p167）

设计步骤（p170）

振铃的消除方法

法一:找到D（z）中引起振铃现象的因子（z=-1附近的极点），然后令其中的z=1，根据终值定理，这样不影响输出量的稳态值

法二:从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期T及系统闭环时间常数Tt，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象

带纯滞后的一阶惯性环节组成的系统中，数字控制器输出对输入的脉冲传递函数不存在负实轴上的极点，这种系统不存在振铃现象。带纯滞后的二阶惯性环节可能出现负实轴上与z=-1相近的极点，这一极点将引起振铃现象

振铃的判断

如果∅u（z）=∅（z）/G（z）的极点在z平面的负实轴上，且与z=-1点相近，那么数字控制器的输出序列u（k）中将含有这两种幅值相近的瞬态值，而且瞬态值的符号在不同时刻是不相同的。当两瞬态项的符号相同时，数字控制器的输出控制作用加强，符号相反时，控制作用减弱，从而造成数字控制器的输出序列大幅波动。

串级控制技术

工作原理

在单回路中增加一个或几个控制内回路，用以控制可能引起被控量变化的其他因素，从而有效的抑制了被控对象的时滞特性，提高x系统动态响应的快速性

算法设计（p172）

计算主回路的偏差e1（k）

计算主回路控制器D1（z）的输出u1（k）

计算副回路的偏差e2（k）

计算副回路控制器D2（z）的输出u2（k）

前馈-反馈控制

工作原理

采用前馈与反馈控制相结合的控制结构，既能发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用

算法设计（p178）

计算反馈控制的偏差e（k）

计算反馈控制器（PID）的输出u1（k）

计算前馈调节器Dn（s）的输出Un（k）

计算前馈-反馈调节器的输出u（k）

第六章 应用程序设计与实现技术

测量数据的几种预处理方法

标度变换的原理及类型

原理

经传感器和A/D转换后得到一系列数码，这些数码值不一定等于原来带量纲的参数值，它仅仅对应与参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，这种转换就是标度变换

类型（p238）

线性变换公式

公式转换法

其他标度变换法

A/D和D/A运算字长的选择方法

p241

数字控制器的工程实现步骤

数字滤波的基本概念和几种滤波算法

概念

通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，实质是一种程序滤波

滤波算法

算数平均值法

中位值滤波法

限幅滤波法

惯性滤波法

第八章 分布式测控网络技术

网络的几种拓扑结构及各自的特点

结构

星状结构

环状结构

总线状结构

树状结构

特点（p285）

介质访问控制技术的三种方式

冲突检测的载波侦听多路访问

令牌环

令牌总线

信息交换技术的工作原理

线路交换

报文交换

分组交换

数据报方法

虚电路方法

虚电路方法适用于希望在一段连续的时间内交换数据，而数据报方法适用于发送一个或几个报文分组（如状态信息、控制信息）等

差错控制技术的基本概念

概念

当通信线路上传输信息时，往往由于各种干扰，使接收端信息出现错误，改善信道的电性能，使误码率降低的技术称为差错控制技术

组成

检验错误

奇偶校验

冗余校验

纠正错误

重发纠错

自动纠错

混合纠错

数据通信编码技术

NRZ

RZ

曼彻斯特编码

差动曼彻斯特编码

DCS的体系结构

综合管理级

集中监控级

分散控制级

现场设备级

现场总线的分类

CAN

Lonworks

profiBUS

HART

FF