【正文】 偏差，但永遠不會使偏差減小到零，而且無止境的提高系數(shù) Kp 最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速性。系數(shù) Ki 為積分常數(shù)， Ki 越大積分作用越弱，積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點是，只要被調(diào)量存 在誤差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，提高控制精度。系數(shù) Kd 為微分常數(shù)， kd越大，微分作用越強。微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服震蕩，消除系統(tǒng)慣性的影響。 在 PID 調(diào)節(jié)其中，積分項有什么作用？常規(guī) PID，積分分離與變速積分 3 中算法有什么區(qū)別和聯(lián)系？ 積分項用于消除靜差。 在常規(guī) PID 調(diào)節(jié)中，由于系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)線性范圍受到限制，當偏差較大時，會產(chǎn)生很大的超調(diào)量，使系統(tǒng)不停的震蕩。為消除這一現(xiàn)象，積分分離法在控制量開始跟蹤時，取消積分作用，直到被跳量 接近給定值時，才產(chǎn)生積分作用。而變速積分則是改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應(yīng)，偏差大時，積分作用弱，偏差小時，積分作用增強。變速積分和積分分離的控制方法很類似，但調(diào)節(jié)方式不同。積分分離對積分項采取“開關(guān)”控制，而變速積分則是線性控制。 在數(shù)字 PID 中，采樣周期是如何確定的？它與哪些因素有關(guān)？對調(diào)節(jié)品質(zhì)有何影響？ 一種是計算法，一種是經(jīng)驗法。因素：擾動頻率的高低；對象的動態(tài)特性；執(zhí)行機構(gòu)的類型；控制回路數(shù)；控制質(zhì)量。 T 太小，偏差信號也過小，計算機會失去調(diào)節(jié)作用； T 過大，會引起誤差。 位置型 PID 和增量型 PID 有什么區(qū)別？他們各有什么優(yōu)缺點？ 位置型需要歷次的偏差信號，而增量型只需一個增量信號即可。位置型計算繁瑣，保存 E占用很多內(nèi)存，控制不方便。增量型誤動作小，易于實現(xiàn)手動 /自動的無擾動切換，不產(chǎn)生積分失控。但是缺點在于積分截斷效應(yīng)大，溢出影響大。 在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，正、反作用如何判定？在計算機中如何實現(xiàn)？ 輸出量與被測量變化一致則為正，否之為反。計算機中兩種方法：一是改變偏差的公式實現(xiàn)，二是在 PID 運算之后，先將結(jié)果求補，再送到 D/A 轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換，進而輸出。 積分飽和現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的 ？如何消除？ 是由于積分項不斷累加引起的。消除方法有遇限削積分法，有效偏差法等。 是否需要添加手動后援，為什么？ 需要。因為這是系統(tǒng)安全可靠運行的重要保障。 （ 12 分）畫出主要接線圖即可得分 計算機控制系統(tǒng)概述 習題及參考答案 ? 計算機控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個步驟： (1)實時數(shù)據(jù)采集：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。 (2)實時決策：對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。 (3)實時控制：根 據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。 、在線方式和離線方式的含義是什么？ (1)實時：所謂“實時”，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內(nèi)完成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理，并在一定的時間內(nèi)作出反應(yīng)并進行控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。 (2)“在線”方式：在計算機控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計算機連接，生產(chǎn)過程直接受計算機的控制，就叫做“聯(lián)機”方式或“在線”方式。 (3)“離線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計算機相連接，其工作 不直接受計算機的控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式，則叫做“脫機”方式或“離線”方式。 ？各部分的作用是什么？ 由四部分組成。 圖 微機控制系統(tǒng)組成框圖 (1)主機：這是微型計算機控制系統(tǒng)的核心，通過接口它可以向系統(tǒng)的各個部分發(fā)出各種命令，同時對被控對象的被控參數(shù)進行實時檢測及處理。主機的主要功能是控制整個生產(chǎn)過程，按控制規(guī)律進行各種控制運算 (如調(diào)節(jié)規(guī)律運算、最優(yōu)化計算等 )和操作，根據(jù)運算結(jié)果作出控制決策；對生產(chǎn)過程進行監(jiān)督，使之處 于最優(yōu)工作狀態(tài)；對事故進行預(yù)測和報警；編制生產(chǎn)技術(shù)報告，打印制表等等。 (2)輸入輸出通道：這是微機和生產(chǎn)對象之間進行信息交換的橋梁和紐帶。過程輸入通道把生產(chǎn)對象的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成微機可以接收的數(shù)字代碼。過程輸出通道把微機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成可以對生產(chǎn)對象進行控制的信號。過程輸入輸出通道包括模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量輸入輸出通道。 (3)外部設(shè)備：這是實現(xiàn)微機和外界進行信息交換的設(shè)備，簡稱外設(shè)，包括人機聯(lián)系設(shè)備 (操作臺 )、輸入輸出設(shè)備 (磁盤驅(qū)動器、鍵盤、打印機、顯示終端等 )和外存貯器 (磁盤 )。其中操作 臺應(yīng)具備顯示功能，即根據(jù)操作人員的要求，能立即顯示所要求的內(nèi)容；還應(yīng)有按鈕，完成系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺還要保證即使操作錯誤也不會造成惡劣后果，即應(yīng)有保護功能。 (4)檢測與執(zhí)行機構(gòu) ：在微機控制系統(tǒng)中，為了收集和測量各種參數(shù)，采用了各種檢測元件及變送器，其主要功能是將被檢測參數(shù)的非電量轉(zhuǎn)換成電量，例如熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換成 mV 信號；壓力變送器可以把壓力轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘枺@些信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的計算機標準電平信號 (0～ 5V 或 4～ 20mA)后，再送入微機。 ：要控制生產(chǎn)過程，必須有 執(zhí)行機構(gòu)，它是微機控制系統(tǒng)中的重要部件，其功能是根據(jù)微機輸出的控制信號，改變輸出的角位移或直線位移，并通過調(diào)節(jié)機構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流量或能量，使生產(chǎn)過程符合預(yù)定的要求。例如，在溫度控制系統(tǒng)中，微機根據(jù)溫度的誤差計算出相應(yīng)的控制量，輸出給執(zhí)行機構(gòu) (調(diào)節(jié)閥 )來控制進入加熱爐的煤氣 (或油 )量以實現(xiàn)預(yù)期的溫度值。常用的執(zhí)行機構(gòu)有電動、液動和氣動等控制形式，也有的采用馬達、步進電機及可控硅元件等進行控制。 ？說出各部分軟件的作用。 軟件是指能夠完成各種功能的計算機程序的總和。整個計 算機系統(tǒng)的動作，都是在軟件的指揮下協(xié)調(diào)進行的，因此說軟件是微機系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。就功能來分，軟件可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫。 (1)系統(tǒng)軟件：它是由計算機設(shè)計者提供的專門用來使用和管理計算機的程序。對用戶來說，系統(tǒng)軟件只是作為開發(fā)應(yīng)用軟件的工具，是不需要自己設(shè)計的。 系統(tǒng)軟件包括： ：即為管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序等； ：指的是調(diào)節(jié)程序及故障診斷程序； ：包括各種程序設(shè)計語言、語言處理程序 (編譯程序 )、服務(wù)程序 (裝配程序和編輯程序 )、模擬主系統(tǒng) (系統(tǒng)模擬、仿 真、移植軟件 )、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等； ：指文字翻譯、企業(yè)管理等。 (2)應(yīng)用軟件 :它是面向用戶本身的程序，即指由用戶根據(jù)要解決的實際問題而編寫的各種程序。 應(yīng)用軟件包括： ：指巡回檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報警程序、操作面板服務(wù)程序、數(shù)字濾波及標度變換程序、判斷程序、過程分析程序等； ：指的是控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成調(diào)度、文件管理及輸出、打印、顯示程序等； ：包括基本運算程序、函數(shù)運算程序、數(shù) 碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序。 (3)數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要用于資料管理、存檔和檢索，相應(yīng)軟件設(shè)計指如何建立數(shù)據(jù)庫以及如何查詢、顯示、調(diào)用和修改數(shù)據(jù)等。 ？ 微機控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動控制系統(tǒng)相比，具有如下特點： ，改動方便 ，抑制擾動能力強，能實現(xiàn)最優(yōu)控制 ，控制效率高 ，進一步提高自動化程度 、 DDC 和 SCC 系統(tǒng)工作原理如何？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？ (1)操作指導(dǎo) 控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計算機根據(jù)數(shù)學模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進行處理，計算出各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時計算機就起到了操作指導(dǎo)的作用。其原理框圖如圖 所示。 圖 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖 (2)直接數(shù)字控制系統(tǒng) (DDC 系統(tǒng) )： DDC(Direct Digital Control)系統(tǒng)就是通過檢測元件對一個或多個被控參數(shù)進行巡回檢測，經(jīng)輸入通道送給微機，微機將檢測結(jié)果與設(shè)定值進行比較，再進行控制運算， 然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構(gòu)，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達到預(yù)定的要求。 DDC 系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用形式。其原理框圖如圖 所示。 圖 DDC 系統(tǒng)原理框圖 (3)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng) (SCC 系統(tǒng) )： SCC(Supervisory Computer Control)系統(tǒng)比 DDC 系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實際情況，因為在 DDC 系統(tǒng)中計算機只是代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，系統(tǒng)不能運行在最佳狀態(tài)，而 SCC 系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制，并且還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。 SCC 系統(tǒng)的 原理框圖如圖 所示。 圖 SCC 系統(tǒng)原理框圖 SCC 是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和 DDC 系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。 ？ 大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，提高了計算機的可靠性和性能價格比，從而使計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。為更好地適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展，擴大生產(chǎn)規(guī)模，以滿足對計算機控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求，目前計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有以下幾個方面。 第二章 輸入輸出過程通道 習題及參考答案 ？過程通道有哪些分類？ 過程通道是在計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。 按信息傳遞的方向來分，過程通道可分為輸入過程通道和輸出過程通道；按所傳遞和交換的信息來分，過程通道又可分為數(shù)字量過程通道和模擬量過程通道。 ？各部分的作用是什么？ 數(shù)字量過程通道包括數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。 數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定時計數(shù)電路等組成。數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地 址譯碼電路等組成。其中：輸入調(diào)理電路將來自控制裝置或生產(chǎn)過程的各種開關(guān)量，進行電平轉(zhuǎn)換，將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高、低電平，同時還要考慮對信號進行濾波、保護、消除觸點抖動，以及進行信號隔離等問題。 。 采用積分電路的硬件消抖電路，首先利用積分電路將抖動的高頻部分濾出，其次利用施密特觸發(fā)器整形。 采用 RS 觸發(fā)器的硬件消抖電路，主要是利用 RS 觸發(fā)器的保持功能實現(xiàn)消抖。 。 光電耦合器由封裝在一個管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組 成，如圖 所示。輸入電流流過二極管時使其發(fā)光，照射到光敏三極管上使其導(dǎo)通，完成信號的光電耦合傳送，它在過程通道中實現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。 圖 光電耦合器電路圖 ？各部分的作用是什么？ 模擬量輸入通道一般由 I/V 變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯電路組成。 (1)I/V 變換：提高了信號遠距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減，為與標準化儀表和執(zhí)行機構(gòu)匹配提供了方便。 (2)多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。 (3)采樣保持器： A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在進行 A/D 轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在 A/D 轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。 (4)A/D 轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這一任務(wù)的器件，稱為之模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 (Analog/Digital Converter，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC)。 ？ 理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。 ？試說明保持電容的大小對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響。 采樣保持器的作用： A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在進行 A/D 轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在 A/D 轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。 保持電容對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣保持的精度有很大影響。保持電容值小，則采樣狀態(tài)時充電時間常數(shù)小，即保持電容充電快，輸出對輸入信號的跟隨特性好，但在保持狀態(tài)時放電時間常數(shù)也小，即保持電容放電快，故保持性能差；反之，保持電容值大，保持性能好，但跟隨特性差。 統(tǒng)中，是不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器？為什么？ 不是，對于輸入信號變化很慢，如溫度信號；或者 A/D 轉(zhuǎn)換時間較快，使得在 A/D 轉(zhuǎn)換期間輸入信號變化很小，在允許的 A/D 轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，就不必再選用采樣保持器。 ？根據(jù)該信號在 I/O 控制中的連接方式， A/D 轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？它們在接口電路和程序設(shè)計上有什么特點？ A/D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號的作用是用以判斷本次 AD 轉(zhuǎn)換是否完成。 常見的 A/D 轉(zhuǎn)換有以下幾種控制方式，各自特點如下 ?延時等待法 :EOC 可不和 I/O 口連接，程序設(shè)計 時，延時大于 ADC 轉(zhuǎn)換時間后，取數(shù)據(jù)。 ?保持等待法 :EOC 與 READY 相連 ,EOC 無效時 ,自動插入等待狀態(tài)。直至 EOC 有效時，取數(shù)據(jù)。 ?查詢法 : EOC 可以和任意 I/O 口連接，程序設(shè)計時，反復(fù)判斷 EOC 是否有效，直至 EOC有效時，取數(shù)據(jù)。 ?中斷響應(yīng)法 : EOC 與外部中斷相連， AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后 ,發(fā)中斷申請 ,在中斷服務(wù)程序中取數(shù)據(jù)。 0oC~1200oC,如果要求誤差不超過 ,應(yīng)選用分辨為多少位的A/D 轉(zhuǎn)換器？ 選擇依據(jù)： g