计算机控制技术期末复习

第一章 计算机控制系统概述

计算机控制系统的组成

计算机控制系统由硬件和软件两个基本部分组成。硬件指计算机本身及外部设备；软件指计算机的程序及产生过程应用程序。

计算机控制系统的工作原理

1. 实时数据采集
2. 实时控制决策
3. 实时控制输出
4. 信息管理

计算机控制系统的工作方式

1. 在线方式：在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接相连，并且受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式
2. 离线方式：生产过程不和计算进相连，并且把不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。
3. 实时：信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，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，就失去了控制时机，控制也就失去了意义。

计算机控制系统的硬件组成

它由两大部分组成：

1、工控机

1. 主板机：是工业控制机的核心，由处理器、存储器、监控定时器、电源掉电监测、保存重要数据的后备存储器、实时日历时钟等部件组。它的作用是采集到实时信息按照预定程序进行必要的数值计算、逻辑判断、数据处理，及时选择控制策略并将结果输出到工业的过程；
2. 系统总线：可分为内部总线和外部总线，内部总线是工控机内部各组成部分之间进行信息传送的公共通道，是一组信号线的集合；外部总线：是工控机与其他计算机或智能设备进行信息传送的公共通道；
3. 输入/输出模板：是工控机和生产过程之间进行信号传递和变换的连接通道，输入通道的作用是将生产过程的信号变为主机能接收和识别的代码，输出通道的作用是将主机输出的控制命令和数据进行变换，作为执行机构或电气开关的控制信号；
4. 人-机接口：人-机接口包括显示器、键盘灯。通过人-机接口设备，操作员和计算机之间可以进行信息交换；既可以用于显示工业生产过程，也可以用于修改运行参数
5. 通信接口：是工业控制机与其他计算机和智能设备进行信息传送的通道
6. 磁盘系统：可以用半导体磁盘，也可以配通用得硬磁盘或采用USB磁盘

2、生产过程

生产过程包括被控对象、执行机构等装置，这些装置都有各种类型的标准产品，在设计计算机控制系统时，根据实际需求合理选型即可

计算机控制系统软件

按照功能分，可分为两大部分：

1、系统软件

• 用来管理计算机本身资源、方便用户使用计算机的软件（包括操作系统、各种编译软件、监控管咯软件等）

2、应用软件

• 面向生产过程的程序，如A/D、D/A转换程序、数据采样、数字滤波器等，由用户根据自己实际需要进行开发

计算机控制系统的分类

按照控制方式分类可分为两大类

1. 开环控制：没有反馈的控制系统就是开环控制系统
2. 闭环控制：有反馈的控制系统就是闭环控制系统

• 区别：1、有无反馈；2、是否对当前控制起作用。开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制一定会持续一定的时间，可以借此判断

集散控制系统（DCS）

集散控制系统就是企业经营管理和生产过程控制分别由几级计算机进行控制，实现分散控制，集中管理的系统。

特点：这种系统的每一级都有自己的功能，基本上是独立的，但级与级之间或同级之间的计算机又有一定的联系，相互之间实现通信。

现场总线控制系统（FCS）

现场总线控制系统是新一代分布式控制系统。

特点：它变革了DCS直接控制层的控制站和模拟仪表，保留了DCS的操作监控层、生产管理层和决策管理层。FCS从下至上依次分别为：现场管理层、操作监控层、生产管理层、决策管理层，其中现场控制层是FCS所特有的。另外三层和DCS相同，现场总线控制系统的核心是现场总线。

计算机控制系统的发展概况以及发展趋势

产生：在生产过程中采用数字计算机控制的思想是在20世纪50年代中期，控制理论与计算机技术结合，产生了计算机控制系统，为自动控制系统的应用于发展开辟了新的途径。

发展趋势：未来计算机控制技术的发展趋势主要在以下几个方面：

1. 综合化：将企业生产过程中有关资源、技术、经营管理三要素及其信息流、物流有机地集成并优化运行，大大提高企业的经济效益；
2. 虚拟化：在数字化基础上，虚拟化研究正在迅速发展；
3. 智能化：促进自动控制向更高的层次发展，即智能控制；
4. 绿色化：减少、消除自动化设备对人类、环境的污染与损害。

第二章 工业控制计算机

工控机（IPC）和可编程控制器（PLC）都是中小型控制系统的主要控制装置，也是大型网络控制系统中的控制单元，在工业控制中得到了广泛运用。

工控机

工业控制计算机也称工业计算机，简称工控机。

工控机是以计算机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信号，再根据控制要求将处理结果输出到控制器，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。

工控机的特点：可靠性高、实时性高、环境输入强，丰富的输入输出模板、系统扩展性和开放性好，控制软件包功能强，系统通信功能强

可编程控制器（PLC）

实质上市一种专门为在工业环境下自动控制应用而设计的计算机，它比一般的计算机有更强的与工业过程相连的接口，更直接的适用于控制要求的编程语言和更强的抗干扰能力。

基本结构：

1、可编程控制器的硬件结构：

• 中央处理器，CPU是PLC的核心，由运算器和控制器构成
• 存储器，包括系统存储器和用户存储器两部分
• I/O接口单元，是PLC与现场I/O设备设备相连的部件，它的作用是将输入信号转换为CPU能够接收和处理的信号
• I/O扩展接口以及扩展模块：是PLC机为了扩展I/O点数和类型的部件
• 外设以及外设接口，是PLC机实现人-机对话，机-机对话的通道
• 电源

2、可编程控制器的软件结构：

• 系统软件：包括系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序库和编程软件等，系统软件是PLC生产厂家编制的，并且固化在PLC内部的ROM或PROM上，随产品一起提供给用户
• 用户程序：用户根据生产工艺产生过程的控制要求，按照所用的PLC规定的编程语言而编写的应用程序。

第三章 输入输出接口与信息通道技术

数字量输入输出通道

数字量输入通道

数字量输入通道主要是由缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路组成。

数字量输入通道的基本功能就是接收外部装置或产生过程的状态信号，为了将外部开关信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离后转换成计算机能够识别的逻辑信号，这些功能称为信号调理。

数字输出通道

数字输出·通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出地址译码器等组成，如图：

模拟量输入通道

功能： 把检测到的被控对象的模拟信号转换成计算机可接收的二进制数字信号

模拟量输入通道一般由信号调理电路、多路转换器、前置放大器、采样保持器、A/D转换器，接口及控制逻辑等组成。

信号调理的功能就是对来自传感器或变送器的信号进行处理，将传感器测量的非电信号或变送器输出的电流信号转换为A/D转换器可以接收的电压信号。

A/D转换器

A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件。

模拟量输出通道

模拟量输出通道是计算机控制系统实现输出控制的关键，它的任务是把计算机输出的数字转换为模拟电压或电流信号。

模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、多路转换开关、采样保持器、I/V变换组成。

D/A转换器

D/A转换器就是将数字量转换成模拟量的元件或装置，其摸你量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比。

第四章 计算机控制系统抗干扰技术

干扰

所谓的干扰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

干扰的来源

分为系统外部和内部，外部干扰主要来自空间电场或磁场的影响，内部干扰主要是系统的结构布局、制造工艺产生的。

串模干扰

叠加在被测信号上的干扰噪声，即干扰串联在信号源回路中。

串模干扰的抑制

1. 用双绞线作为信号线
2. 采用滤波器抑制

共模干扰

计算机控制系统输入通道中信号放大器两个输入端上共有的干扰电压，可以是直流电压，也可以是交流电压，

共模干扰的抑制

1. 变压器隔离
2. 光电隔离
3. 浮地屏蔽

长线干扰的抑制

1. 终端阻抗匹配
2. 始端阻抗匹配