青科大计算机控制技术复习资料

1. 自动控制系统一般分为（开环控制系统）和（闭环控制系统）。

开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约定的来运动或者变化。

闭环控制系统较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号，用于控制器及时调节器控制量，从而达到预期的控制效果。 2. 计算机控制系统的控制过程分为三个阶段：信息的获取、信息的处理、信息的输出、 3. 计算机控制系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分由：计算机主机（CPU和存储

器）、接口电路、外部设备组成，是控制系统的基础；软件（各种应用软件）部分包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘处理、过程控制算法、输出与控制等。它是安装在计算机主机中的程序和数据，能够完成对其接口和外部设备的控制及信息的处理。

4. 过程控制通道分为四种：模拟量的输入通道、模拟量的输出通道、数字量的输入通

道、数字量的输出通道；

5. 操作控制台是计算机控制系统人际交换的关键设备；

6. 计算机控制系统一般分为6大类：操作指导控制系统、直接数字控制系统、计算机

监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统、计算机集成制造系统六大类； 7. 计算机控制系统是离散系统，对它的分析存在模拟和离散两种方法，离散系统的描

述通常会用差分方程、Z传递函数以及离散状态空间的方法来进行。 香农采样定理：采样的最低频率须大于信号最高变化频率的两倍； 8. 传感器的定义：

传感器是能感受规定的别测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的期间或装置 9. 热点偶测温原理和热电阻测温原理（P14） 10. 一些检测仪表和装置：

a． 用于开关量信号检测的行程开关、接近开关、光电开关 b． 用于速度检测的测速发电机、光电旋转编码器、

c． 用于位移检测的计量光栅、光电编码器（可对运动机械的直线位移、角位移、

速度、相位等进行测量）

d． 用于质量检测的测重仪表和用于厚度测量的我涡流式测厚仪、射线是测厚仪 11. 过程控制中的执行器按动力能源分类可分为：气动执行器、电动执行器、液动执行

器

12. 电动执行器的作用：用于接收来自控制器的4~20mA或0~10mA的直流电流信号，

并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等的控制机构，以实现自动控制

13.现场总线的智能执行器由传统的执行器、含有微处理器的控制器以及可与PC或PLC双向通信的模件及软件组成，具有与上位机或控制系统通信的功能，其特点如下：

a.智能化和高精度的系统控制功能b.一体化的结构

c.智能化的通信功能d.智能化的自诊断功能f.灵活的组态功能

13. 步进电动机的角位移量θ或线位移量s与脉冲数K成正比；

它的转速n或线速度v与脉冲频率f成正比；

14. 总线的基本概念：

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总线就是一组线的集合，他定一辆个引线的电气、机械、功能和时序特性，使计算机系统的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，进行数据传递。

采用总线标准的目的有两个：一是生产厂能按照统一的标准设计制造计算机；二是用户可以把不同生产厂制造的各种信号的模版或设备用一束标准总线互相连接起来，方便按照各自需要构成各种用途的计算机系统。 15. 总线的分类：

按照总线内部信息传输性质可分为:数据总线、地址总线、控制总线和电源总线； 按照总线在系统结构中的层次位置可分为：片内总线、内部总线和外部总线; 按照总线的数据传输方式可分为：串行总线和并行总线； 按照总线传输方式可分为：单向总线和双向总线； 16. 总线标准的主要特性;

(1) 机械特性 (2)电气特性 (3)功能特性 (4)时间特性

17.总线的特点：a.规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性

b.为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路

c.采用总线标准设计、生产的计算机模板和设备具有很强的兼容性

18.PC系列总线包括哪些？？

ISA总线MCA：微通道体系结构EISA总线PCI局部总线 ISA总线：

最高传输速率8Mbps；寻址空间为16MB；

98根总线分成5类：地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线；

将CPU看作唯一的主模块，其余外设均为从模块，包括可以暂时掌握总线的DMA和协处理器；

MCA总线（Micro Channel Architechure）

IBM在推出386时提出；数据、地址总线宽度32位，支持4GB的寻址能力 数据传输速率33Mbps；在电气及物理上与ISA不兼容 IBM没有公布标准；

EISA总线

– 年，推出486时提出

– 32位数据总线，支持32位地址通路

– 总线主控技术，扩展卡上具有总线主控处理器 – 与ISA兼容，支持多个主模块

– 可以自动根据需要进行32、16、8位数据间的转换 – 支持多总线主控模块

– 扩展卡的安装十分容易，可根据配置文件自动配置系统和扩展板

PCI局部总线

– PCI(Peripheral Component Interconnect，设备部件互连)总线是一种高性

能局部总线，它是92年由Intel公司带头制定的设备总线标准

– 支持位数据传送、多总线主控模块、线性猝发读写和并发工作方式 – 具有即插即用功能(PnP) – 最高传送数据132Mbps – 兼容性强、成本低

19. 常用外部总线（通信总线）：外部总线又分为并行总线和串行总线.

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• IEEE-488共定义了24根线（其中8根地线）

– 数据总线DIO0~ DIO8 – 数据传送控制线

数据有效线DAV、未准备好接受数据线NRFD、未接受好数据线NDAC – 接口管理总线

接口清除线IFC、服务请求线SQR、注意线ATN、结束或识别线EQI、远

程允许REN

• 使用IEEE-488的约定

– 数据传输率不得超过每秒1M字节 – 总线上的设备数不得多于15个

– 电缆总长度不超过20m，两设备间不超过2m – 采用负逻辑 -RS-232-C

• 通常使用的RS-232-C接口信号只有9根引脚，其插头插座在RS-232-C的机械特

性中都有规定。

• 最基本的三根线是发送数据线2、接收数据线3和信号地线7 -常用的9根引脚分为两类：  一类是基本的数据传送引脚

• 基本数据传送引脚包括：TXD、RXD和GND

 另一类是用于调制解调器（MODEM）的控制和反映其状态的引脚。 • MODEM控制和状态引脚分为两组

– 一组为DTR和RTS，负责从计算机通过RS-232C接口送给MODEM

– 另一组为DSR、CTS、DCD和RI，负责从MODEM通过RS-232C接口送给

计算机的状态信息

• 主要特点：

非平衡的连接方式；采用点对点通信；公用地线；

引线逻辑电平

用-3～-15V表示逻辑1；用+3～+15V表示逻辑0；

通信速率

• 最高通信速率为19200bps

• RS-232C标准规定通信距离应小于15m。

RS422A标准接口

 RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输的总线标准

 RS-422标准规定了双端电气接口型式，使用双端线传送信号。它通过传输线驱

动器，把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过传输线接收器，把电位差转变成逻辑电平，实现终端的信息接收  RS-422的数据信号采用差分传输方式传输。

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 RS-422 有4 根信号线，两根发送、两根接收，RS-422 的收与发是分开的，支持

全双工的通讯方式。

 RS-422的最大传输距离为1200m，最大传输速率为10Mbps。 RS485具有以下特点：

 RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+2V~+6V表示；逻辑“0”以两

线间的电压差为-2V~ -6V表示。

 RS-485的数据最高传输速率为10Mbps

 RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强。

 RS-485接口的最大传输距离为1200m，在总线上是允许连接多达128个收发器,

即具有多站能力和多机通信功能。 RS-485与RS-422的区别在于：

 硬件线路上，RS-422至少需要4根通信线，而RS-485仅需2根；RS-422

不能采用总线方式通信，但可以采用环路方式通信，而RS-485两者均可。  通信方式上，RS-422可以全双工，而RS-485只能半双工。

USB设备的主要特点

 采用USB接口的设备支持热拔插)

 USB接口最多可连接7层，同时连接127台USB设备。

 速度方面，USB 1.1总线规范定义了12 Mb/s的带宽，而USB2.0可提供

480Mb/s的传输速度。

 USB总线能够提供500 mA的电流。

USB总线系统中的设备可以分为三个类型

USB主机；USB 集线器（HUB）；USB总线的设备，又称USB功能外设。

USB的传输方式

控制(Control)传输方式中断(Interrupt)传输方式 同步(Isochronous)传输方式批(Bulk)传输方式。 USB设备的电气连接

 USB连接分为上行连接和下行连接。

所有USB外设都有一个上行的连接，上行连接采用A型接口，而下行连接一般则采用B型接口。

 USB电缆中有四根导线

集线器通过检测不同的数据线电压接近Vcc来判别是哪一类USB设备连接到其端口上

– 如D+电平接近Vcc，D-近地，则所连设备为全速设备 – 如D-电平接近Vcc，D+近地，则所连设备为低速设备

当D+和D-的电压都降到0.8V以下，并持续2.5微妙以上，就认为该设备断开连接了。 20.数字量输入通道的结构

输 入缓冲器输入调理电 路PC总线来自生产过 程地址译码电路

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21.常用的几种数字量输入的接线方式

●在工业现场中，经常用到的数字量输入有：按钮、接近开关、光电开关、旋转编码器

等。

●其中按钮是无源接点，晶体管输出型的接近开关、光电开关和旋转编码器等的输出有

NPN和PNP两种方式。

源极输入漏极输入

＋24V传感器R1R1＋24VR2M传感器R2COM

22.数字量输出通道的结构

输出锁存器输出驱动电路PC总线送去生产过程地址译码电路

输出驱动电路：

●晶体管输出驱动电路●继电器输出驱动电路●固态继电器输出驱动电路 23.模拟量输出通道的组成

接口电路 -控制电路 -数/模转换器（D/A） -电压/电流（V/I）变换器等

24. D/A转换器的主要组成及原理

– 基准电压VREF -T型（R-2R）电阻网络

– -位切换开关BSi（i=0，1，…，n-1） -运算放大器A

• 原理：

在D/A转换中，要将数字量转换成模拟量，必须先把每一位代码按其“权”的大小转换成相应的模拟量，然后将各分量相加，其总和就是与数字量相应的模拟量，这就是D/A转换的基本原理。

输出电压VOUT与输入二进制数D0 ~ Dn-1的关系 VOUT = －VREF（D020+ D121+ D222+ … + Dn-12n-1）/ 2n

n表示D/A转换器的位数 Di=0或1（i=0、1、2……）

25.D/A转换器性能指标：分辨率、稳定时间、绝对精度、线性误差 D/A转换器的种类

– 按数字量输入方式，并行输入和串行输入 – 按模拟量输出方式,电流输出和电压输出

– 按D/A转换的分辩率,低分辩率、中分辩率和高分辩率

25. 模拟信号隔离方法的优点：只是用少量的光耦合器，成本低；

缺点：调试困难，管耦合器挑选不合适会涌向变换的精度和线性度 数字信号隔离的优点是: 调试简单，不影响转换的精度和线性度；

缺点: 使用较多的光电耦合器，成本高。

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26.D/A转换模版的设计原则：

1.安全可靠 2.性能与经济的统一 3.通用性

27.模拟量输入通道的任务:把控制对象的模拟信号（如温度、压力、流量和成分）转换成计算机可以接受的数字信号。 28.A/D转换器的原理：

逐次逼近法：基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。

双积分法：基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。

电压频率转换法：工作原理是Ｖ/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。

29.A/D转换性能参数的计算：（P84）

分辨率稳定时间（又称转换时间）量程精度

CPU读取a/d转换器数据的方法有三种：查询法、定时法、中断法

30.键盘接口：键盘是一组按键或开关的集合，键盘接口向计算机提供被按键的代码。 常用的键盘有两种:

--编码键盘:能够自动提供被按键的编码（比如ASCII码或二进制编码）。特点：使用方便、结构复杂、成本高。

--非编码键盘：仅仅简单地提供按键的通或断状态（“0”或“1”），而按键的扫描和识别则由用户的键盘程序来实现。 特点：结构简单、便于用户自行设计

31.触摸屏的种类：a。电阻式触摸屏 b。电容式触摸屏 c。红外线式触摸屏 d、表面声波式触摸屏 f、遥控力感式触摸屏 32.计算题双线性变换法（P101）标度变换（P108） • 数字控制器的连续化设计步骤

设计假想的连续控制器；选择采样周期 T;

将D(s)离散化为D(z) ; 设计由计算机实现的控制算法;校验;

33.数字滤波的常用方法及优点：

– 不需增加硬件设备，只需在计算机得到采样数据后，执行预定滤波算法

程序即可达到滤波目的

– 稳定性好，一种滤波程序可以反复调用，使用方便灵活

方法：平均值滤波法、中值滤波法惯性滤波法、程序判断滤波备 34.数控系统按控制方式分类

– 点位控制数控系统

点位控制最简单，其运动轨迹没有特殊要求，运动时又不加工，它的控制电路只要具有记忆和比较功能即可，不需要插补运算。

– 直线控制数控系统

和点位控制相比，直线控制要进行直线加工，控制电路要复杂一些。

– 轮廓控制数控系统

要控制刀具准确完成复杂的曲线运动，故控制电路复杂，且需要进行一系列的插补计算和判断。

35.数字PID参数整定的方法：

a.稳定边界法（临界比例度法） b.动态特性法（响应曲线法） c.基于偏差积分指标最小的整定参数 d。试凑法

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36.预测控制的三要素：预测模型、滚动优化、反馈校正； 37.预测控制的基本特点：

A．模型预测控制算法综合利用过去、现在和将来的信息，而传统算法如PID等却只利用过去和现在的信息 B．对模型要求低

C．模型预测算法是滚动优化取代全局一次优化，每个控制周期不断进行优化计算，不仅在时间上满足实时性的要求，而且突破了传统全局一次优化的局限，把稳态优化和动态优化相结合

D．用多变量的控制思想取代传统控制手段的单变量控制 F．能有效处理约束问题

38.计算机网络按照交换方式划分为：电路交换网、报文交换网、分组交换网 39.计算机网络的协议层次模型

1.OSI模型七个层次：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、发表层、应用层

2.层间协议

• OSI中的层间通信具有两种含义

– 相邻层之间的通信

• 发生在相邻的上下层之间，属于局部问题。标准中定义了通信内

容，未规定这些内容的具体表现形式和层间通信实现的具体方法

– 对等层之间的通信

• 发生在不同开放系统的相同层次之间，属于对等层实体之间的信

息交换，以保证相应层次功能的实现和服务的提供。标准中利用定义协议来规定对等层之间的交换信息格式和交换时序

40.通讯线路的通信方式：全双工、半双工、单工

纠错方式：重发纠错方式、自动纠错方式、混合纠错方式 41.以太网的优势：

应用广泛、成本低廉、通讯速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大

企业信息化网络的三个层次：

信息管理层、过程监控层、现场设备层 42.计算机控制系统软件的功能：

软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，数据及其相关文档的完整集合

 实时数据采集：采集现场控制设备的数据，过程控制参数；  控制策略：为控制系统提供可供选择的控制策略方案；

 闭环输出：在软件支持下进行闭环控制输出，以达到优化控制的目的；  报警监视：处理数据报警及系统报警；

 画面显示：使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来；  报表输出：各类报表的生成和打印输出；

 数据存储：存储历史数据并支持历史数据的查询

 系统保护：自诊断、掉电处理、备用通道切换和为提高系统可靠性和维护性所

采取的措施；

 通信功能：各控制单元间、操作站间、子系统间的数据通信功能；  数据共享：具有与第三方程序的接口，方便数据共享； 43.工业组态软件的功能

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硬件配置组态功能数据库组态功能

控制回路组态功能逻辑控制及批控制组态功能 显示图形生成功能报表画面生成功能 报警画面生成功能趋势曲线生成功能 44.典型的计算机控制系统包括：

基于PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统；

基于数字调节器的计算机控制系统；基于PLC的计算机控制系统； 基于嵌入式系统的计算机控制系统；分散控制系统； 现场总线控制系统;计算机集成制造系统。

45.工业PC的特点：

• ①支持各种模块化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT总线接口板。

• ②所有卡采用高度集成芯片，以减少故障率，并均为模块化﹑插板式，以便安

装﹑更换和升级换代。所有的卡使用专用的固定架将插板压紧，防止震动引起的接触不良。

• ③开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应

用软件。

• ④采用和PC/AT总线兼容的无源底板。它使用带有电源层和地的4层电路板，

有效地提高了系统地抗干扰能力。无源底板带有4，6，8，12，14或20槽。 • ⑤机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用150W-350W带除尘过滤器的工业

开关电源，具有足够地负载驱动能力。机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。软盘、硬盘驱动器安装采用橡皮缓冲防震，并有防尘门。 • ⑥可内装电子盘以取代机械磁盘，使PC机在工业环境下的操作具有高速﹑高可

靠性。

46.数字调节器的概念及硬件构成

概念：数字调节器是一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部由微处理器、RAM、ROM、模拟量和数字量I/O通道、电源等部分构成的一个微型计算机系统。

构成：由微处理器为核心构成的硬件电路和有系统程序、用户程序构成的软件两大部分组成硬件构成： ROMRAM

ADDA输输

入出CPU 接接输入缓冲器口口输出锁存器

人机界面通信接口数字调节器的硬件电路 47.数字调节器的特点：

（1）运算控制功能强（2）通过软件实现所需功能

（3）带有自诊断功能（4）带有数字通讯功能（5）具有较有好的人机界面 48．PLC的特点：

高可靠性、功能齐全、应用灵活、系统设计调试周期短、操作维修方便、

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PLC工作原理：

PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描过程。在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。

输入采样结束后，转入用户执行程序阶段，PLC的CPU按由上而下的顺序一次扫描用户程序，并根据程序执行结果刷新I/O映象寄存器。

用户程序执行结束后进入输出刷新阶段，刷新所有的输出。 PLC系统的设计原则：

①最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 ②确保计算机控制系统的可靠性。 ③力求控制系统简单、实用、合理。

④适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面要留有余地。 49.嵌入式系统的特点：

---专用性强 --精简设计 --系统内核小

---嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。

---为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。

---嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。 嵌入式微控制器的分类：

---嵌入式微控制器 ---嵌入式数字信号处理器 ---嵌入式微处理器 ---嵌入式片上系统 50.DCS的分层体系设计原则：

DCS按功能分层的层次结构充分体现了其分散控制和集中管理的设计思想。 DCS从下至上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层

DCS的特点：

---自主性 ---协调性 ---友好型 ---适应性 ---实时性 ---可靠性 51.现场总线控制系统的概念;

• 现场总线控制系统（fieldbus control system, FCS）是一种以现场总线为基础的分

布式网络自动化系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。它作为一种现场通信网络系统，具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络。

现场总线在技术上的特点：

（1）系统的开放性（2）互操作性与互用性（3）现场设备的智能化与功能自治性 （4）对现场环境的适应性（5）节省硬件数量与投资 （6）节省安装费用（7）节省维护开销

（8）用户具有高度的系统集成主动权（9）堤高了系统的准确性与可靠性

几种典型的现场总线：

1. CAN（控制局域网络）2. LONWORKS（局部操作网络）

3. PROFIBUS（过程现场总线）4. HART（可寻址远程传感器数据通路） 5. FF（现场总线基金会）现场总线 52.计算机控制系统的抗干扰技术

干扰：是指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。

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干扰源：产生干扰信号的原因

外部干扰与系统结构无关，是由使用条件和外部环境因素决定的。

主要有：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起的干扰电波；天体干扰，如太阳辐射的电磁波；周围电气设备发出的电磁波的干扰；电源的工频干扰；气象条件引起的干扰；地磁场干扰；火化放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。

内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、元器件性质变化和漂移等原因造成的 主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引入的干扰，寄生振荡引起的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。

干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。 干扰的传播途径：电场耦合、磁场耦合、公共阻抗耦合、 干扰作用的方式：差模干扰、共模干扰和长线传输干扰。

电源抗干扰技术：

供电方式尖峰脉冲干扰的抑制 掉电保护直流侧的抗干扰措施

信号在长线中传输会遇到三个问题：

一是高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象。 二是具有信号延时

三是长线传输会受到外界干扰

在过程计算机控制系统中的几种地线方式：模拟地、数字地、安全地、系统地和交流地。

数字信号的软件抗干扰措施：

---数字滤波 ---输入数字信号的抗干扰 ---输出数字信号的抗干扰

CPU及程序的抗干扰技术：

---复位 ---掉电保护 ---指令冗余 --- 软件陷阱 ---看门狗技术

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