计算机控制与网络技术-复习资料

1简述几种典型计算机控制系统的原理与特点 (3)1.1数据采集系统（DAS） (3)1.2直接数字控制系统（DDC） (3)1.3监督控制系统（SCC） (3)1.4集散控制系统（DCS） (3)1.5现场总线控制系统（FCS） (4)1.6工业过程计算机集成制造系统（CIMS） (4)1.7网络控制系统 (4)2总线的概念及分类 (4)3串行通信基础 (4)4被控对象传函描述： (4)4.1放大环节 (4)4.2惯性环节 (4)4.3积分环节 (5)4.4纯滞后环节 (5)4.5脉冲传递函数 (5)5PID控制 (5)5.1数字PID算法 (6)5.2积分分离PID控制算法 (6)5.3PID参数对控制性能的影响 (6)5.4采样周期T的选取 (7)6串级控制 (7)7前馈-反馈控制 (8)8数字控制器直接设计方法 (9)8.1基本概念 (9)8.2最少拍无差系统 (9)8.3最少拍无纹波系统 (11)9史密斯预估控制 (12)10模糊控制 (12)11现场总线的定义及特点 (12)11.1现场总线的定义 (12)11.2现场总线的技术特点 (12)11.3现场总线的优点 (12)11.4现场总线网络实现 (12)11.5ISO OSI7层协议 (13)12计算机控制系统设计方法 (13)12.1测控任务确定 (13)12.2选择系统的主机机型 (13)12.3确定控制算法 (13)12.4系统总体方案设计 (13)12.5硬件设计 (14)12.6软件设计 (14)12.7选择工业自动化仪表 (14)12.8系统调试 (14)13离散系统状态空间描述的基本特征 (14)13.1离散系统状态空间描述 (14)13.2能达性能控性条件 (15)1简述几种典型计算机控制系统的原理与特点1.1数据采集系统（DAS）数据采集系统是计算机应用于生产过程控制最早的一种类型，把需要采集的过程参数经过采样、A/D转换为数字信号送入计算机。

计算机对这些输入量进行计算处理，并按需要进行显示和打印输出。

数据采集系统主要是对大量的过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警及对大量数据进行积累和实时分析。

这种应用方式，计算机不直接参与过程控制，对生产过程不直接产生影响。

1.2直接数字控制系统（DDC）直接数字控制系统是计算机在工业中应用最普遍的一种方式。

它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数未定在给定值。

1.3监督控制系统（SCC）计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳给定值送给模拟调节器或DDC计算机，模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。

SCC系统较DDC系统更接近生产变化的实际情况，他不仅可以进行给定值控制，而且还可以进行顺序控制、自适应控制及最优控制等。

监督控制系统系统有两种不同的结构形式：一种是SCC+模拟调节器控制系统，另一种是SCC+DDC控制系统。

1.4集散控制系统（DCS）集散控制系统，又称分布式控制系统。

它以微处理器为核心，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，进行集中地监视和操作，并实现复杂的控制和优化。

DCS的设计原则是：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。

结构上，由以微处理器为核心的基本数字控制器、高速数据通道、CRT操作站和监督计算机组成。

集散控制系统具有以下特点：①控制分散，信息集中；②系统模块化；③数据通信能力较强；④友好而丰富的人及接口；⑤可靠性高。

1.5现场总线控制系统（FCS ）1.6工业过程计算机集成制造系统（CIMS ）1.7网络控制系统2总线的概念及分类就其功能来说，总线是计算机各模块间进行信息传输的通道。

它包括通道控制、仲裁方法和传输方式等内容。

在计算机控制系统中，一般将总线分为内部总线（又称系统总线）和外部总线两部分。

3串行通信基础在串行通信中，参与通信的两台或多台设备通常共享一条物理通路。

发送者一次逐位发送一串数据信号，按一定的约定规则为接收者所接收。

由于串行端口通常只是规定了物理层的接口规范，所以为确保每次传送的数据报文能准确到达目的地，使每一个接收者能够接收到所有发向它的数据，必须在通信连接上采取相应的措施。

①串行异步通信数据格式②连接握手③确认④差错校验4被控对象传函描述：4.1放大环节()G s K=4.2惯性环节12()(1)(1)(1)n K G s T s T s T s =+++L ，1,2,n =L4.3积分环节()n i K G s T s =，1,2,n =L 4.4纯滞后环节()sG s e τ−=4.5脉冲传递函数零阶保持器：1()Tsh e G s s−−=被控对象传递函数为：()o G s 有零阶保持器的脉冲传递函数为：()1()[()()][]o h o G s z G z Z G s G s Z z s−==5PID 控制比例调节：()p p u K e t =；比例调节作用大小，除了与偏差()e t 有关外，主要取决于比例系数p K 。

p K 越大，调节作用越强，动态特性越好；反之，p K 越小，调节作用越弱。

但是对于大多数惯性环节，p K 太大，会引起自激震荡。

比例调节的缺点是存在静差，是有差调节。

积分调节：()pi i K u e t dt T =∫；PI 调节既克服了单纯比例调节有静差存在的缺点，又避免了积分调节相应慢的缺点，即静态和动态特性均得到了改善；式中i T 越大，积分速度越慢，积分左右越弱；反之，i T 越小，积分速度越快，积分作用越强。

微分调节：()d i p de t u T K dt=；微分调节的特点是，输出只能反应偏差输入变化的速度，而对于一个固定不变的偏差，不会起作用，因此微分作用不能消除静差，而只能在偏差刚刚出现时，差生一个很大的调节作用。

PID 调节算式：1()()[()()]p d i de t u t K e t e t dt T T dt=++∫。

5.1数字PID 算法离散系统PID 算式：0(){()()[()()]}k d p j iT T u kT K e kT e jT e kT e kT T T T==++−−∑或者：()()(){[()()]()[()2()(2)]}d p i T T u kT u kT u kT T K e kT e kT T e kT e kT e kT T e kT T T T∆=−−=−−++−−+−令式中i p i T K K T =为积分系数，d d p T K K T=为微分系数，()[()()]()[()2()(2)]p i d u kT K e kT e kT T K e kT K e kT e kT T e kT T ∆=−−++−−+−PID 数字控制器的Z 传递函数：11()(1)1i d d K D z K K z z−−=++−−5.2积分分离PID 控制算法系统中加入积分校正后，会产生过大的超调量，引入积分分离算法，既保持了积分作用，又减少了超调量。

积分分离算法要设置积分分离阈0E ，当0()e kT E <时，采用PID 控制，当0()e kT E ≥时，采用PD 控制。

10010()()()[()()]1()0()kp i d j u kT K e kT K K e jT K e kT e kT T e kT E K e kT E ==++−−⎧≤⎪=⎨≥⎪⎩∑5.3PID 参数对控制性能的影响p K 的影响：①对动态性能：p K 加大，系统的动作灵敏速度加快，p K 偏大，振荡次数增多，调节时间加长。

p K 太大，系统会趋于不稳定。

p K 太小，系统的动作缓慢。

②对稳态性能：p K 加大，可以减小稳态误差ss e ，但是不能完全消除稳态误差。

i T 的影响：①对动态性能：i T 通常使系统稳定性下降。

i T 太小，系统不稳定。

i T 偏小，振荡次数较多。

i T 太大，对系统性能影响较小。

②对稳态性能：i T 能消除稳态误差，提高控制系统精度。

但是i T 太大时，积分作用太弱，以致不能减小稳态误差。

d T 的影响：微分调节可以改善动态性能，如减少超调量，缩短调节时间等。

d T 偏大时，超调量p σ较大，调节时间s t 较长；d T 偏小时，超调量p σ也较大，调节时间s t 也较长。

5.4采样周期T 的选取⑴采样周期应比对象的时间常数小得多，否则采样信息无法反应瞬变过程。

采样频率应远大于信号变化频率，按香农定理，为了不失真的复现信号的变化，采样频率至少应为有用信号最高频率的2倍，实际常选用4~10倍。

⑵采样周期的选择应注意系统主要干扰的频谱，特别是工业电网的干扰。

一般希望他们有整数倍的关系，这样对抑制在测量中出现的干扰和进行计算机数字滤波大为有益。

⑶当系统纯滞后占主导地位时，采样周期应该按之后大小选取，并尽可能使纯滞后时间接近或等于采样周期的整数倍。

6串级控制1()D z 和2()D z 通常是PID 控制规律。

不管串级控制有多少级，计算的顺序总是从最外面的回路向内进行。

⑴计算主回路的偏差1()e kT ：111()()()e kT r kT y kT =−。

⑵计算主回路控制器1()D z 的输出1()u kT ：11111110()()()[()()]kp i d j u kT K e kT K e jT K e kT e kT T ==++−−∑1111111111()[()()]()[()2()(2)]p i d u kT K e kT e kT T K e kT K e kT e kT T e kT T ∆=−−++−−+−其中111i p i T K K T =，111d d p T K K T=；式中，1p K 为比例增益，1i K 为积分系数，1d K 为微分系数。

⑶计算副回路的偏差2()e kT ：212()()()e kT u kT y kT =−。

⑷计算副回路控制器2()D z 的输出2()u kT ：2222222222()[()()]()[()2()(2)]p i d u kT K e kT e kT T K e kT K e kT e kT T e kT T ∆=−−++−−+−222()()()u kT u kT T u kT =−+∆，其中222i p i T K K T =，222d d p T K K T=，式中，2p K 为比例增益，2i K 为积分系数，2d K 为微分系数。

7前馈-反馈控制()n G s 是被控对象扰动通道的传函；()n D s 是前馈控制器的传函；()G s 是被控对象的传函；扰动对输出的影响为：()()()()()1()()n n D s G s G s Y s N s D s G s +=+，若要使前馈作用完全补偿扰动作用，则完全补偿条件为：()()()0n n D s G s G s +=，由此得前馈控制器的传函为：()()()n n G s D s G s =−。