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计算机控制

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  • 日期: 2016-06-24
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标签: 计算机控制

计算机控制kaoti

第1章 概述 1. 什么是自动控制、控制系统、自动化和控制论? 参见1.1自动控制的基本概念。 自动控制(autocontrol):不用人力来实现的控制,通常可用机械、电气等装置来实现。通常相对手动控制而言。 控制系统(control system):通过控制来实现特定功能目标的系统。而系统(system)是由相互联系、相互作用要素组成的具有一定结构和功能的有机整体。控制系统通常有一定的规模和复杂性,否则常称为控制装置或控制机构。 自动化(automation):在无人工干预情况下,一个或多个控制系统或装置按规定要求和目标的实现过程。自动化强调的是自动控制过程,其核心概念是信息。 控制论(cybernetics):研究各类系统的调节和控制规律的科学。各类系统包括动物(及人类)和机器系统。自从1948 年诺伯特·维纳发表了著名的《控制论——关于在动物和机中控制和通讯的科学》一书以来,控制论的思想和方法已经渗透到了几乎有的自然科学和社会科学领域。控制论着重于研究过程中的数学关系。 2. 控制的本质是什么? 参见1.1.2 自动控制中的基本问题。 控制过程本质上是一系列的信息过程,如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等。控制系统中的目标信息、被控对象的初始信息、被控对象和环境的反馈信息、指令信息、执行信息等,通常由电子或机械的信号来表示。 3. 自动控制中有哪些基本问题? 参见1.1.2 自动控制中的基本问题。 自动控制中的基本问题包括:自动控制系统的结构、过程、目标和品质等。 结构包括组成及其关系两个部分;控制过程主要为一系列的信息过程,如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等;目标规则体现了系统的功能;控制品质即为控制的质量,可通过系统的性能指标来评价。 4. 一个控制系统由哪些部分组成?试结合一个实例来说明。 参见1.1.2 自动控制中的基本问题。 一个控制系统可以由控制单元、执行单元、反馈单元、被控对象、目标规则组成,它们的相互关系参见图 1 5所示。 控制系统结构框图 5. 控制系统的性能指标有哪些?试结合一个实例来说明。 参见1.1.2 自动控制中的基本问题。 控制系统的性能指标有传统意义上的性能指标和广义的评价指标。统意的性能指标有稳定性、快速性、准确性等。广义的评价指标包括可靠性、操作性、互换性、效率以及性价比等。 (结合实例来说明略。) 6. 一个典型的计算机控制系统由哪些部分组成?它们的关系如何? 参见1.2.1 计算机控制系统的结构。 计算机系统分为硬件系统和软件系统,硬件系统包括计算机、输入输出接口、过程通道(输入通道和输出通道)、外部设备(交互设备和通信设备等),软件系统包括系统软件和应用软件,其中计算机系统作为控制单元,见图 1 6所示。 典型计算机控制系统的结构框图 7. 计算机控制系统有哪些分类?试比较DDC、SCC、DCS和FCS的各自特点。 参见1.2.2计算机控制系统的分类。 分类方法有:按系统结构的分类、按控制器与被控对象的关系分类、按计算机在控制系统中的地位和工作方式分类、按控制规律分类。 其中DDC(Direct Digital Control)、SCC(Supervisory Computer Control)、DCS(Distributed Control System) 和FCS(Field bus Control System)是按计算机在控制系统中的地位和工作方式来分类的。 DDC中的计算机直接承担现场的检测、运算、控制任务,相当于“一线员工”。 SCC系统中的SCC计算机主要完成监督控制,指挥下级DDC计算机完成现场的控制,相当于“车间主任”或“线长”。 DCS由多台分布在不同物理位置的计算机为基础,以“分散控制、集中操作、分级管理”为原则而构建的控制系统,DCS中的计算机充当各个部门的“管理人员”,如过程管理、生产管理、经营管理等职能。 FCS是建立在网络基础上的高级分布式控制系统。在FCS中,控制器、智能传感器和执行器、交互设备、通信设备都含有计算机,并通过现场总线相连接。这些计算机的功能不仅仅在于对一般信息处理,而是更强调计算机的信息交换功能。 8. 试通过实例来说明不同控制规律的特征。 参见1.2.2计算机控制系统的分类。 不同控制规律分类有恒值控制、随动控制、PID控制、顺序控制、程序控制、模糊控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。 恒值控制:控制目标是系统的输出根据输入的给定值保持不变,输入通常是在某一时间范围内恒定不变或变化不大的模拟量。如恒温炉的温度控制,供水系统的水压控制,传动机构的速度控制。 随动控制:控制目标是要求系统的输出跟踪输入而变化,而输入的值通常是随机变化的模拟量,往往不能预测。如自动导航系统、自动驾驶系统、阳光自动跟踪系统、雷达天线的控制等。 PID控制:根据给定值与输出值之间偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行的反馈控制,是工业上适用面较广、历史较长、目前仍得到广泛应用的控制规律。许多连续变化的物理量如温度、流量、压力、水位、速度等的控制,都可采用PID控制。许多恒值控制和某些随动控制也可采用PID规律来实现。 顺序控制:根据给定的动作序列、状态和时间要求而进行的控制。如交通信号灯的控制、电梯升降的控制、自动包装机、自动流水线的控制。 程序控制(数值控制、数字控制):指根据预先给定的运动轨迹来控制部件行动。如线切割机的控制、电脑绣花机的控制。 模糊控制:基于模糊集合和模糊运算,采用语言规则表示法进行的控制。在许多家用电器(电饭煲、洗衣机等)、工业过程控制等领域得到了越来越多的应用。 最优控制(最佳控制):使系统的某些指标达到最优,而这些指标往往不能直接测量,如时间、能耗等。 自适应控制:在工作条件改变的情况下,仍能使控制系统对被控对象的控制处于最佳状态。它需要随时检测系统的环境和工作状况,并可随时修正当前算法的一些参数,以适应环境和工作状况的改变。 自学习控制:能够根据运行结果积累经验,自行改变和完善控制的算法,使控制品质愈来愈好。它有一个积累经验和主动学习的过程,可以适时地调整算法的结构和参数,以不断地提高自身算法质量。 9. 计算机控制系统中获取信息、传输信息、加工信息、执行信息等过程分别与哪些技术有关? 参见1.2.3 计算机控制技术及其发展。 计算机控制系统中的获取信息、传递信息、加工信息、执行信息等过程都有相应的技术来实现,而这些过程中的信息大部分由电子信号来表示,信息处理的工具是电子计算机。在这些过程用到的计算机控制技术包括控制用计算机技术、输入输出接口与过程通道技术、控制网络与数据通信技术、数字控制器设计与实现技术、控制系统的人机交互技术、控制系统的可靠性技术以及计算机控制系统的设计技术等。 10. 学习计算机控制技术可遵循哪些原则? 参见1.3.2 学习方法。 学习计算机控制技术可遵循的原则有系统化、信息化、规范化、实用化。 系统化原则:要认识到控制系统是具有一定结构和功能的有机整体,可将其分解为相互联系、相互作用的各个子系统,它们的子功能可通过外特性来描述。 信息化原则:可从信息化的本质来看待一个控制过程。计算机是一个强大的信息处理工具,一个合适的信息表达形式是信息得到有效处理的前提,控制规律的数据形式表达是信息加工的关键,而时间和空间是信息处理的两大限约要素,因此计算机的速度和存储空间是其重要的性能指标。 规范化原则:为提高系统的构建效率,降低维护费用,应从规范化的要求来分析和设计一个控制系统。应了解和掌握控制系统从底层的标准元器件、信号类型、总线标准、通信协议到组态软件的编程语言、开放式的监控软件。这些规范化技术通常有较长的生命周期,重点掌握这些技术也是提高学习效率的一个要素。 实用化原则:从实用化的角度来理解控制技术的应用水平。在市场经济的环境下,生命力强的技术必然会有性能和价格上的优势,性价比高的产品必然会得到应用广泛,低碳环保的产品会受到更多用户的欢迎。因此,我们要随时了解当前技术、产品性能和价格情况,在设计时尽可能选用性价比好的技术和产品,避免重复使用低级落后技术,减少低性能、高价格、高能耗、不可靠、难维护的劣质系统。 11. 请收集有关资料,了解计算机控制技术近期的发展动向。 (略) 12. 请收集有关参考教材,了解计算机控制技术相关课程的教学内容。 (略) 第2章 计算机控制系统的理论基础 1. 简述输入输出描述方法和状态空间描述方法的各自特点。 参见2.1.1 控制系统的描述方法。 输入输出描述方法也称激励响应法,它是基于系统的输入与输出之间的因果关系来描述系统特性的,主要适用于描述单变量输入和单变量输出的系统。输入输出描述方法中,系统的输出不仅与当前的输入有关,还与过去的输入和输出有关。 状态空间描述方法是基于系统状态转换为核心,不仅适用于描述单变量输入和单变量输出的系统,也能适用于多变量的场合。系统的输出仅与当前的系统输入和状态变量有关。 2. 连续系统和离散系统分别使用哪些数学工具来表示? 参见2.1.1 控制系统的描述方法。 对连续系统用到的数学工具有微分方程、拉氏变换和传递函数,对离散系统用到的数学工具有差分方程、Z变换和脉冲传递函数。 对连续系统,可用微分方程、脉冲响应、传递函数建立系统模型;对离散系统,可用差分方程、脉冲响应、脉冲传递函数建立系统模型; 对连续系统和离散系统,都可用方框图来描述系统结构。 3. 什么是连续系统的传递函数?什么是离散系统的脉冲传递函数?它们有什么实用意义? 参见2.1.5 用传递函数表示的系统模型,2.3.6 脉冲传递函数。 连续系统的传递函数定义为零初始条件下系统输出y(t)的拉氏变换与输入r(t)的拉氏变换之比,即: 离散系统的脉冲传递函数(也称Z传递函数)可定义为: 其中,Y(z)为系统输出序列y(k)的Z变换,R(z)为输入序列r(k)的Z变换。 传递函数或脉冲传递函数都反映了系统固有本质属性,它与系统本身的结构和特征参数有关,而与输入量无关。利用传递函数的表达式就能分析出系统的特性,如稳定性、动态特性、静态特性等;利用传递函数可通过求解方程代数而不是求解微分方程,就可求出零初始条件下的系统响应。 特别指出,通过实验的方法,求出离散系统的脉冲传递函数更为方便有效。 4. 方框图有哪些符号要素和等效变换规则? 参见2.1.6 系统的方框图。 系统的方框图是线图形式的系统模型,由方框、有向线段和相加节点组成,方框图的变换规则有:并联、串联和反馈。参见表 2-3和表 2-4。 5. 画出状态空间模型框图,写出输出方程和状态方程表达式。 参见2.1.7 状态空间概念和模型框图和2.3.7 离散系统的状态空间描述。 离散系统的状态空间描述与连续系统类似,其模型框图参见图2-14所示。A为状态矩阵、B为输入矩阵、C为输出矩阵、D为传输矩阵,延时单元z-1可以看成一组D型触发器或数据寄存器。 离散系统的状态空间描述方法 输出方程和状态方程表达式用矩阵表示为: 6. 简述采样过程和采样定理。 参见2.3.2 采样过程和采样定理。 设模拟信号为e(t),经采样开关后输出为采样信号e*(t)。理想的采样信号e*(t)的表达式为: 通常在整个采样过程中采样周期T是不变的,这种采样称为均匀采样,为简化起见,采样信号e*(t)也可用序列e(kT)表示,进一步简化用e(k)表示,此处自变量k为整数。 香农(C.E.Shannon)的采样定理(也称抽样定理或取样定理):只要采样频率fs大于信号(包括噪声)e(t)中最高频率fmax的两倍,即fs≥2fmax,则采样信号e*(t)就能包含e (t)中的所有信息,也就是说,通过理想滤波器由e*(t)可以唯一地复现e(t)。 7. 已知某离散系统的脉冲传递函数模型如下表达式,求相应的零极点增益模型和状态空间模型(可尝试借助MATLAB工具)。 参见2.3.7 离散系统的状态空间描述。 零极点增益模型如下: 状态空间模型如下: 其中: 8. 写出下列序列x1(k)、x2(k)对应的Z变换。 参见2.3.3 序列和差分方程。 x1(k)=2+1z-1+3z-2+4z-4 x2(k)=1+2z-1+8*z-2/(1-z-1) 9. 写出下列Z表达式所对应的序列表达式和序列图。 (1);(2) (3); (4) 参见2.3.3 序列和差分方程。 x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k) 所对应的序列表达式和序列图如下: x1 (k)=5δ(k)+3δ(k-1) -δ(k-2) +3δ(k-3) x2(k)=3δ(k)+2δ(k-1)+4δ(k-2) +8δ(k-3)+9δ(k-4)+ 32δ(k-5)+64δ(k-6)+…… x3 (k)=0+10δ(k-1)+11δ(k-2) +9.1δ(k-3)+6.71δ(k-4)+ 4.651δ(k-5)+3.1031δ(k-6)+…… x4 (k)=4.69δ(k)-6.8169δ(k-1) +5.7739δ(k-2) -4.89055δ(k-3) +4.14232δ(k-4)+…… x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k) 所对应的序列图如下: 10. 已知控制算式 y(k) = 0.8y(k-1) + 0.2x(k), 试根据输入 x(k) 写出相应的响应 y(k)。 参见2.3.3 序列和差分方程。 迭代法求解差分方程计算过程 k <0 0 1 2 3 4 x(k) 0 200 180 170 160 0 y(k) 0 40 68 88.4 102.72 82.176 11. 离散系统稳定的充要条件是什么? 参见2.4.2 稳定性分析。 根据自动控制理论,连续系统稳定的充要条件是系统传递函数的特征根全部位于s域左半平面,而对离散系统稳定的充要条件是系统脉冲传递函数的特征根全部位于z平面的单位圆中。 12. 动态特性主要是用系统在单位阶跃输入信号作用下的响应特性来描述。常见的有哪些具体的指标? 参见2.2.2 连续系统的分析和设计方法回顾和2.4.4 动态特性分析。 系统的动态特性可通过多项性能指标来描述,常见的具体指标有上升时间tr、峰值时间tp、调节时间ts和超调量δ等。 13. 已知如下所示的离散系统的G(z)、D(z),试分别求出不同R(z)情况下的稳态误差ess。 其中: 、;R(z)分别取: (1)、(2) 参见2.4.3 静态误差分析。 因为,所以系统是I型系统。 (1) 时,稳态误差为0。 (2) 时,稳态误差为,(取T=1),其中 则 第3章 数字控制器的设计与实现 1. 简述数字控制器近似设计与解析设计法的设计过程。 参考3.1.1 近似设计法。 数字控制器D(z)的近似设计过程如下: •先设计控制器的传递函数D(s)(需要运用自动控制理论知识)。 •选择合适的离散化方法,将D(s)离散化,获得与D(s)性能近似的D(z)。 •检验计算机控制系统闭环性能。进行优化。必要时,重新修正D(s)后,再离散化。 •对D(z)满意后,将其变为数字算法,在计算机上编程实现。 数字控制器D(z)的解析设计过程如下: ·根据系统的G(z)、输入R(z)及主要性能指标,选择合适的采样频率; ·根据D(z)的可行性,确定闭环传递函数Φ(z); ·由Φ(z)、G(z),确定D(z); ·分析各点波形,检验计算机控制系统闭环性能。若不满意,重新修正Φ(z)。 ·对D(z)满意后,将其变为数字算法,在计算机上编程实现。 2. 已知某对象的传递函数如下,分别用向后矩形法和梯形变换法求出相应的脉冲传递函数,设采样周期T=1s。 ,, 参见3.2.1 积分变换法。 根据公式(3-3)和(3-5)计算。 用向后矩形法求解(设T=1): 用梯形变换法(设T=1) 3. 已知某对象的传递函数如下,分别用脉冲响应不变法和带保持器的阶跃响应不变法求出相应的脉冲传递函数,设采样周期T=1s。 参见3.2.2 零极点匹配法和3.2.3 等效变换法。 零极点匹配法(略)。 等效变换法求解: 4. 写出PID的传递函数D(s),并分别用向后矩形法和梯形变换法求出相应的D(z),要求将表达式整理成规范的分式,设采样周期T=1s。 参见3.2.1 积分变换法和3.3.2 数字PID控制算法。 PID的传递函数D(s) 如下: 用向后矩形法求出相应的D(z) 如下: 用梯形变换法求出相应的D(z) 如下: 5. PID的Kp、Ki、Kd参数各有什么作用? 参见3.3.1 PID控制的原理。 比例系数Kp的增大利于提高灵敏度,加快调节速度,减小稳态误差,但不能消除稳态误差。Kp过大时,系统容易引起振荡,趋于不稳定状态。 积分时间Ti是消除系统稳态误差的关键,Ti要与对象的时间常数相匹配,Ti太小,容易诱发系统振荡,使系统不稳定;Ti太大,则减小稳态误差的能力将削弱,系统的过渡过程会延长。 微分时间Td的主要作用是加快系统的动态响应,即可以减少超调量,又可减小调节时间。但引入Td后,系统受干扰的影响会增加。 6. 数字PID控制的参数整定方法有哪些?各有什么特点? 参见3.3.3 数字PID控制的参数整定。 数字PID控制的参数整定方法常见的有扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、归一参数法和经验整定法等。 扩充临界比例度法在闭环系统中进行,在整定过程中允许出现振荡。 扩充响应曲线法通过开环实验获得对象的动态特性,实验过程中不会出现振荡。 归一参数整定法根据经验数据,人为地设定“约束条件”,只需要改变Kp,就可观察控制效果。 7. 数字PID控制算法有哪些改进的方法? 参见3.3.2 数字PID控制算法。 主要的改进包括积分项的改进、微分项的改进、串接滤波单元等。 积分项的改进有:积分项分离的PID算式,变速积分的PID算式,饱和停止积分的PID算式。 微分项的改进有:不完全微分的PID算式和微分先行PID算式。 串接滤波单元:基于连续系统传递函数的数字滤波器,基于逻辑判断来实现的滤波器。 8. 已知某控制系统的G(z)如下,假定R(z)分别在阶跃信号、单位速度信号激励下,按最少拍随动系统设计方法,求出D(z),并画出各点波形。 参见3.4.2 最少拍随动系统的设计。 (1)在阶跃信号激励下: 因为G(z)具有因子,无单位圆外的零点,则Φ(z) 应包括因子;G(z)分母和R(z)均有因子则Ge(z)应包含;又因为,Φ(z)和Ge(z)应该是同阶次的多项式,所以有: 两式中的a,b为待定系数。将上两式联立,得: ,比较等式两侧,得到解: 所以: 各点波形: 序列数据: k: 0 1 2 3 4 5 6 7 r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1 e(k): 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 p(k): 2.000 -2.000 1.200 -0.720 0.432 -0.259 0.156 -0.093 y(k): 0.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 (2)在单位速度信号激励下: 因为G(z)含有因子,则Φ(z)分子应包括; G(z)分母有因子,R(z) 分母有均则Ge(z)应包含;又因为,Φ(z)和Ge(z)应该是同阶次的多项式,所以有: 式中a、b、c为待定系数,求解上述方程组可得:a =2,b =-0.5,c=1。所以有: 各点波形: 注意:按最少拍随动系统设计方法,p(k)会有纹波。 序列数据: k: 0 1 2 3 4 5 6 7 r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7 e(k): 0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 p(k): 0.000 4.000 -2.000 2.400 -0.240 1.344 0.394 0.964 y(k): 0.000 0.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 9. 已知某控制系统的G(z)如下,假定分别在阶跃信号、单位速度信号激励下,按最少拍随动系统设计方法,求出D(z),并画出各点波形。 参见3.4.2 最少拍随动系统的设计。 参见3.4.2 最少拍随动系统的设计。 (1)在阶跃信号激励下: 因为G(z)具有因子,有单位圆外的零点z=-1.5,则Φ(z) 应包括因子和;G(z)分母和R(z)均有因子,则Ge(z)应包含;又因为,Φ(z)和Ge(z)应该是同阶次的多项式,所以有: 两式中的a,b为待定系数。将上两式联立,得: , 所以: 各点波形: 序列数据: k: 0 1 2 3 4 5 6 7 r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1 e(k): 1.000 0.600 -0.000 -0.000 -0.000 -0.000 -0.000 -0.000 p(k): 0.200 -0.180 0.042 -0.004 0.000 -0.000 0.000 -0.000 y(k): 0.000 0.400 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 (2)在单位速度信号激励下: 解:因为G(z)含有因子,则Φ(z)分子应包括; G(z)分母有因子,R(z) 分母有均则Ge(z)应包含;又因为,Φ(z)和Ge(z)应该是同阶次的多项式,所以有: 所以有:a=-c+2,a*b+a*3/2=2*c-1,a*b*3/2=-c; (参考MATLAB命令:[a,b,c]=solve('a=-c+2','a*b+a*3/2=2*c-1','a*b*3/2=-c');) 解得:a =26/25,b =-8/13,c =24/25,所以有: 各点波形: 注意:按最少拍随动系统设计方法,p(k)会有纹波。 序列数据: k: 0 1 2 3 4 5 6 7 r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7 e(k): 0.000 1.000 0.960 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 p(k): 0.000 0.520 -0.268 0.129 0.051 0.059 0.058 0.058 y(k): 0.000 0.000 1.040 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 10. 按最少拍无纹波随动系统设计方法,求出前面习题8和习题9的D(z),并画出各点波形。 参见3.4.3 最少拍无纹波随动系统的设计。 (1)在阶跃信号激励下: , 因为G(z)具有因子,单位圆内的零点z=--0.6,则Φ(z) 应包括和(1+0.6z-1)因子;G(z)分母和R(z)均有因子则Ge(z)应包含因子;又因为,Φ(z)和Ge(z)应该是同阶次的多项式,所以有: 两式中的a,b为待定系数。将上两式联立,可求得:a=0.625,b=0.375。 (参考MATLAB命令:[a,b]=solve('a= (1-b)', '(0.6*a)=b');) 所以有: 将上面两式代入,可求出数字控制器的脉冲传递函数 各点波形: 注意:按最少拍无纹波随动系统设计方法,p(k)不会有纹波。 序列数据: k: 0 1 2 3 4 5 6 7 r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1 e(k): 1.000 0.375 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 p(k): 1.250 -0.500 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 y(k): 0.000 0.625 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 (2)在单位速度信号激励下: , 因为G(z)含有因子和零点z=-0.6,因此,Φ(z)中应含有、(1+0.6z-1)项;G(z)分母和R(z)均有因子则Ge(z)应包含;又因为,Φ(z)和Ge(z)应该是同阶次的多项式,所以有: 式中a、b、c为待定系数,由此得方程组: 求解上述方程组可得:a =1.484;b =-0.579;c =0.516。 (参考MATLAB命令:[a,b,c]=solve('a=-(-2+c)','a*(0.6+b)=-(1-2*c)','a*0.6*b=-c');) 或 将上面两式代入,可求出数字控制器的脉冲传递函数 各点波形: 注意:按最少拍无纹波随动系统设计方法,p(k)不会有纹波。 序列数据: k: 0 1 2 3 4 5 6 7 r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7 e(k): 0.000 1.000 0.516 0.001 0.001 0.002 0.002 0.002 p(k): 0.000 2.968 0.062 0.750 0.750 0.750 0.750 0.750 y(k): 0.000 0.000 1.484 2.999 3.999 4.998 5.998 6.998 (3)在阶跃信号激励下: 由G(z)可知Φ(z) 应包括和(1+1.5z-1)和(1+0.1z-1)因子;由G(z)和R(z可知Ge(z)应包含因子;Φ(z)和Ge(z)应该是同阶次的多项式,所以有: 两式中的a,b,c,d为待定系数。a =4/11;b =7/11;c =3/55; (参考MATLAB命令:[a,b,c]=solve('3/20*a=c','(8/5*a)=-(c-b)','a=-(b-1)')) 求得:a =4/11,b =7/11,c =3/55,则有: 将上面两式代入,可求出数字控制器的脉冲传递函数 各点波形: 序列数据: k: 0 1 2 3 4 5 6 7 r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1 e(k): 1.000 0.636 0.055 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 p(k): 0.182 -0.145 0.022 -0.000 0.000 -0.000 0.000 -0.000 y(k): 0.000 0.364 0.945 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 (4)在单位速度信号激励下: , 由G(z)可知Φ(z) 应包括和(1+1.5z-1)和(1+0.1z-1)因子;由G(z)和R(z可知Ge(z)应包含因子;Φ(z)和Ge(z)应该是同阶次的多项式,所以有: (参考MATLAB命令:[a,b,c,d]= solve('3/20*a*b=-d','(8/5*a*b+3/20*a)=(2*d-c)', '(a*b+8/5*a)= (-d+2*c-1)' , 'a=(-c+2)' ) ) 求得:a =592/605,b =-93/148,c =618/605,d =279/3025.,以及: 将上面两式代入,可求出数字控制器的脉冲传递函数 各点波形: 序列数据: k: 0 1 2 3 4 5 6 7 r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7 e(k): 0.000 1.000 1.021 0.092 0.000 0.000 0.000 0.000 p(k): 0.000 0.489 -0.210 0.095 0.058 0.058 0.058 0.058 y(k): 0.000 0.000 0.979 2.908 4.000 5.000 6.000 7.000 附:不同输入信号下的各点波形: (1)在三个阶跃信号激励下: , , 如果输入是速度函数,则会存在误差,如下所示: (2)在三个单位速度信号激励下: , (3)在三个阶跃信号激励下: (4)在三个单位速度信号激励下: , 11. 根据下列控制器的D(z),分别画出直接式、串行实现法和并行实现法的实现框图和相应的输出方程和状态方程。 、 参见3.5.1 实现框图与算法。 (1)对D1(z),采用直接式1和直接式2的实现框图如下: D1(z)对应直接式1实现框图的状态方程和输出方程如下: 状态方程: 输出方程: D1(z)对应直接式2实现框图的状态方程和输出方程如下: 状态方程: 输出方程: D1(z)串行实现法的表达式为: (实现框图略。) D1(z)并行实现法的表达式为: (实现框图略。) (2)对D2(z),采用直接式1和直接式2的实现框图如下: D2(z)对应直接式1实现框图的状态方程和输出方程如下: 状态方程: 输出方程: D2(z)对应直接式2实现框图的状态方程和输出方程如下: 状态方程: 输出方程: D2(z)串行实现法的表达式为: (实现框图略。) D2(z)并行实现法的表达式为: (实现框图略。) 第4章 控制系统中的计算机及其接口技术 1. 工业控制计算机有哪些要求?基于PC机工业控制计算机其结构与普通PC机有何不同? 参见4.1.1 工业控制计算机的特点和结构。 对工业控制计算机的要求主要体现在其所具有特点:适应性、可靠性、实时性、扩展性等方面。 基于PC机工业控制计算机其结构与普通PC机不同之处是前者在机械结构、元器件选用和电源配置等方面比普通PC机的可靠性更高。 2. 工业控制中的嵌入式系统可选择哪些设计模式? 4.1.2 嵌入式系统与单片机。 嵌入式系统的设计通常与其架构有关,通常有基于片上系统 (SoC:System on Chip)、系统级封装 (SiP:System-in-a-Package)、模块级系统(SOB:System-on-Board)的设计模式。 3. 通过查阅资料,了解目前常见的8位和32位微控制器的特点和性能指标。 建议利用网络资源查阅有关资料。 提示:可查阅有关微控制器厂商的网站,了解目前常见微控制器的特点和性能指标。 4. 通过查阅资料,了解某种工业控制计算机产品的构成、性能指标和适用场合。 利用网络资源查阅有关资料。 提示:可查阅某工业控制计算机厂商的网站,了解某种产品的构成、性能指标和适用场合。 5. 接口数据传输中有哪些定时和协调信号? 参见4.2.1 接口与总线。 定时信号有:CPU或DMA控制发出的读(Read)或写(Write)信号,来实现CPU或存储器与外设之间的数据传输。 协调信号有请求(REQ)和应答(ACK)或选通(Strobe)和就绪(Ready)。 6. 接口技术中有哪些数据传输的方式?各有什么特点? 参见4.2.1 接口与总线。 根据定时和协调的不同要求,数据传输的实现有直接传输、程序查询、定时查询、中断传输和DMA等几种方式。特点请参见4.2.1 接口与总线。 7. 接口与总线有哪些分类? 参见4.2.1 接口与总线。 按接口所连接的功能部件来分,有过程通道接口、人机交互接口、存储设备接口和通信接口。按接口的数据传输特征进行分类,有并行接口和串行接口;按接口和总线连接部件的技术特征可分为芯片级总线、板级总线(也称系统总线)和通信总线(也称外部总线)。 8. RS-232C和RS-485各有什么特点? 参见4.2.3 串行接口。 提示:可通过传输方式、传输速率、传输距离、信号类型、连接方式、能否组网、应用情况等方面来比较。 9. I2C总线和SPI总线各有什么特点? 参见4.2.3 串行接口。 提示:可通过总线结构、时序、传输速率、传输距离、适用场合等方面来比较。 10. 简述Infranet、Intranet、Internet之间的关系。 参见4.2.4 现场总线。 FCS中,形成最底层的控制网称为Infranet。Infranet的网络连接现场节点包括控制现场的传感器、执行器以及人机接口HMI(如安全监控器)等。Infranet可与企业内部网Intranet相连,实现企业内部管理、财务、办公及人事等的信息化。Intranet再与全球信息网Internet相连,实现企业之间的信息交流。最终可构成一个完整的企业网络三级体系结构。 11. 简述现场总线的技术特征. 参见4.2.4 现场总线。 现场总线的主要技术特征有:(1). 数字计算和数字通信;(2). 互操作性和互换性;(3). 传输介质的多样化;(4). 适应性和可靠性等。 12. 画出I2C总线上主器件对地址为1010110的从器件写入2字节5BH和87H的时序。 参见4.2.3 串行接口。 提示:参考图 4 28 I2C总线的传输数据格式。 13. 画出SPI总线上主器件向从器件写入A5H的时序。 参见4.2.3 串行接口。 提示:图 4 30 SPI总线的四种时钟工作方式和图 4 31 SPI总线传输数据实例。 14. 控制系统中对人机交互有哪些要求? 参见4.3.1 人机交互及其要求。 主要包括可理解性和易操作性。可理解性包括确定性、关联性、层次性、一致性等要素。易操作性包括方便性、有序性、健壮性、安全性等要素。 15. 通过查阅资料,有哪些嵌入式操作系统? 参见4.4.1 系统软件。 提示:利用网络资源,查阅相关资料。 第5章 计算机控制系统中的过程通道 1. 简述传感器与变送器的异同。 参见5.1.1 传感器和变送器。 变送器(Transmitter)是从传感器发展而来的,凡能输出标准信号的传感器通常称为变送器。变送器有较强的信号处理能力、能输出标准信号信号。 2. 变送器输出的信号通常为多少?变送器与输入通道的连接方式有哪些?请给出连接示意图。 参见5.1.1 传感器和变送器。 通用的标准信号为直流电流4~20mA或直流电压1~5V等。另外,对智能变送器还能输出规范的数字信号。变送器信号的传输连接方式通常有四线制、三线制和两线制传输。连接示意图见图5-1。 3. IEEE1451标准所指的变换器(Transducer)、检测器(Sensor)和执行器(Actuator)之间是什么关系? 参见5.1.2 IEEE 1451智能变换器标准。 要点:智能变换器(Transducer)可以是一种传感器或检测器(Sensor),也可以是一种执行器(Actuator),或者是两种的组合,它可以作为信息系统与外界联系的一个信息节点。 4. 试比较伺服电机和步进电机的各自特点。 参见5.1.4 伺服电机和步进电机。 提示:可通过结构和工作原理、控制精度、矩频特性、过载能力、成本等方面比较。伺服电机及其构成的伺服系统,特别是交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机,在控制性能要求不是很高的场合可选用步进电机,而对控制精度不高,成本更低的场合,可选择伺服电机及其简单的开环控制驱动器。 5. 简述在控制系统中变频器和电动执行器的作用。 5.1.5 变频器与电动执行器。 变频器主要用于实现电机的变速运行。电动执行器(也称电动力执行机构)接受来自调节器、工控机、DCS、计算机等仪表系统的控制信号,变成位移推力或转角力矩,完成调节的机械动作。变频器和电动执行器在控制系统中完成信息施效的作用。 6. 简述控制系统中信号的类型和处理的要求。 参见5.2.1 控制系统中的信号种类及特点。 提示:可参考表 5 2 信号类型和处理要求。 7. 什么是信号调理?输入通道中的信号调理包括哪些? 参见5.2.1 控制系统中的信号种类及特点。 信号调理(Signal Conditioning)是指将敏感元件检测到的各种信号转换为规范标准信号。 数字量输入通道中的信号调理主要包括消抖、滤波、保护、电平转换、隔离等。 模拟量输入通道的调理内容有:电流-电压信号转换、电阻-电压信号转换、电压放大以及隔离等,调理后的信号通常为一定大小的电压信号,然后由A/D转换器变为数字信号。 8. 什么是格雷(Gray)码?它有哪些特点? 5.2.2 数字量信号处理方式。 格雷(Gray)码特点是数值上大小相邻的编码,在逻辑上也相邻。逻辑上相邻的编码仅有1位不同,这样可保证按数值大小递增递减变化时,输出逻辑上相邻的编码,不会出现多于1位的码同时变化,这样可避免由于编码递增或递减变化时造成的干扰。 9. 画出电阻-电压信号转换电路示意图。 参见5.2.3 模拟量信号处理方式。 可参考图 5-22 电流-电压信号转换。 10. A/D转换器有哪些性能指标? 参见5.2.3 模拟量信号处理方式。 主要性能指标有(1). 接口特性(Interfacing);(2). 量程(Range) ;(3). 分辨率(Resolution) ;(4). 误差和精度(Error&Accuracy);(5). 转换速率(Conversion Rate);(6). A/D转换的方法。 11. A/D转换的方法有哪些?各有什么特点? 参见5.2.3 模拟量信号处理方式。 提示:参考表 5-5 各种A/D转换方法比较。 12. 某水箱水位正常工作时的变化范围为 0cm~100cm,经压力变送器变换为1~5V标准电压信号后送至8位A/D转换器ADC0831,其输入量程为0~5V。当水箱水位的高度为25cm时,ADC0831 的转换结果约为多少? 参见5.2.3 模拟量信号处理方式和5.1.1 传感器和变送器。 提示:先求当水箱水位的高度为25cm时,压力变送器输出的电压信号(2V),然后转换为ADC0831 的输出结果(2V/5V*255)。 13. 已知某A/D转换器的分辨率为12位bit,转换时间为10μs,误差为±1LSB。在没有采样保持的情况下,为保证数据精度,则输入信号的频率最高为多少?若采用了采样保持器后,理论上输入信号的频率最高可为多少? 参见5.2.4 数据采集的原理和实现。 对tA/D=10μs的12位ADC芯片,为保证其量化精度:1/4096,则输入信号允许的最大频率为: 理论上输入信号的频率最高可为最大采样频率。 14. 试画出一个利用多路选择器构成的64X8bit数字信号数据采集系统示意图。 参见5.2.4 数据采集的原理和实现。 示意图如下。 15. 试画出一个利用多路开关构成的32路模拟信号数据采集系统示意图。 参见5.2.4 数据采集的原理和实现。 示意图如下。 16. 开关量的功率驱动有哪些器件?各有什么特点? 参见5.3.2 输出通道中的开关信号驱动。 开关量的功率驱动可以由晶体管、场效应管或集电极开路的TTL电路、漏极开路的MOS电路、电磁式继电器、固态继电器、可控硅等功率器件组成。 17. D/A转换器有哪些性能指标? 参见5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。 主要性能指标有分辨率、线性度、转换精度、建立时间、温度系数、电源抑制比、输入形式、输出形式。 18. 计算机通过8位D/A转换器控制某三相电加热器,加热器的输出功率范围为 0~8kW,可接受4~20mA的标准电流信号来改变其输出功率,8位D/A转换器的输出范围为0~20mA,如计算机送给D/A转换器的数据为80H(十六进制)时,加热器输出功率约为多少? 参见5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。 提示:先计算D/A转换器数据为80H(十六进制)时的输出电流(10mA),再计算加热器接受电流信号后的输出功率((10-4)/16*8kW)。 19. 某8位D/A转换电路如错误:引用源未找到所示,当Vref=4V时,B点输出范围为-4V至+4V。若要求B点的输出电压为-2V,则输出到D/A芯片的二进制数为多少?此时的A点电压为多少? 参见5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。 输出到D/A芯片的二进制数为(-2V-(-4V))/(4V-(-4V))*256=64(D)=01000000(B), 此时的A点电压为+1V。 20. 画出直流伺服电机驱动电路框图。 参见5.3.4 电机控制。 提示:可参考图 5 63 直流伺服电机驱动电路框图。 21. 画出步进电机驱动电路框图。 参见5.3.4 电机控制。 提示:可参考图 5 66 步进电机的驱动电路框图。 22. 结合步进电机驱动器THB6064的应用电路,画出正转3步和反转4步有关控制信号(ENABLE、CLK、、、M1、M2、M3)的时序(假设采用半步方式)。 参见5.3.4 电机控制。 结合步进电机驱动时序,参考表 5 17 THB6064引脚的功能描述和图 5 71 THB6064的应用电路,可画出相应时序。ENABLE=1(高电平),CLK8个脉冲,前3个脉冲时,为0(低电平),后4个脉冲时,为1(高电平),M1、M2、M3=000(均为低电平)。(时序图略) 第6章 控制系统的可靠性与抗干扰技术 1. 什么是控制系统中的可靠性?其含义有哪些? 参见6.1.1 可靠性的概念。 控制系统的可靠性通常是指在一定条件下,在规定时间段完成规定功能的能力。可靠性的概念有两层含义:一是系统在规定的时间内尽可能减少错误和故障的发生;二是发生了错误和故障后能迅速进行维修,尽快恢复正常工作。 2. 错误(Error)和故障(Failure)有何区别?如何正确对待? 参见6.1.1 可靠性的概念。 瞬时性的、功能上出现偏差的异常状态,称之为错误,错误不经停机修理也可恢复到正常工作状态;固定性的、功能部件其必要操作能力消失的异常状态,称之为故障,故障只有通过修理才能恢复到正常状态。错误和故障往往是不可避免的,这需要有正确的态度和策略来对待。 3. 简述早期故障、耗损故障、偶发故障产生的原因和应对的策略。 参见6.1.1 可靠性的概念。 早期故障的发生是由于元器件质量差,软件、硬件设计欠完善等“先天不足”原因所造成的。应对的策略有:通过调试系统及时发现问题,优化设计结构、选择优质部件。 耗损故障的发生是由于元器件使用寿命已到所致。应对的策略有:预先更换寿命将到期的元器件,定期检查或更换关键元件和部件。 偶发故障是随机的,通常发生于早期故障和耗损故障之间,在故障发生后,需进行应急维修。应对的策略有:采取故障诊断、故障恢复技术、冗余技术等。 4. 什么是电磁兼容性(EMC)?其含义有哪些? 参见6.1.2 电磁兼容性。 电磁兼容性(EMC:Electromagnetic Compatibility)并非指电与磁之间的兼容,而是指在不损害信号所含信息的条件下,信号和干扰能够共存的程度。国际电工委员会(IEC)对EMC的定义是:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。 电磁兼容实际有两方面的含义,一方面是设备或系统本身不应对周围其他设备或系统造成不能承受的电磁干扰(EMI:Electro Magnetic Interference);另一方面是设备或系统应具有较低的电磁敏感度(EMS:Electro Magnetic Susceptibility),能防御来自周围环境中的电磁干扰。 5. 产生干扰的必要条件有哪些(EMC的四要素)? 参见6.1.2 电磁兼容性。 噪声的发生(即有噪声源的存在)、噪声的接收(即有受扰体的存在)、噪声的传播(即有耦合途径的存在)、以及上述三者在时间上的一致性。 6. 噪声有哪些分类? 参见6.1.3 噪声的分类和耦合方式。 噪声的分类有按噪声产生的位置、原因、传导模式以及波形。 噪声的耦合方式主要有公共阻抗耦合、直接耦合、电容耦合、电磁感应耦合、漏电耦合和辐射耦合等。 7. 什么是串模噪声和共模噪声?它们有何不同?有哪些抑制的方法? 参见6.1.3 噪声的分类和耦合方式。 按噪声传导模式可分为串模噪声和共模噪声。 串模噪声又称差动噪声、常模噪声、横向噪声、线间感应噪声或对称噪声等,串模噪声与有用信号串在一起。 串模噪声往往较难清除,当噪声的频率范围与有用信号相差较大时,可采用滤波方法来抑制。 共模噪声又称地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。共模噪声同时叠加在输入信号两端,只要线路处于平衡状态,即两根信号线对地阻抗一致时,则共模噪声不会对有用信号产生影响。 抑制共模噪声的方法较多,如隔离、屏蔽、接地等。 8. 可靠性设计的基本途径有哪些? 参见6.1.4 控制系统可靠性设计的基本途径。 可靠性设计的基本途径有:1. 提高元器件和部件的可靠性;2. 合理设计系统结构;3. 采用抗干扰技术;4. 采用可靠性技术。 9. 滤波和去耦有何异同? 参见6.2.2 滤波与去耦电路。 相同之处:两者都是利用滤波技术来抑制干扰;不同之处:滤波通过提供一低阻抗的通路来抑制来自信号处理电路和通过电源串入的干扰;去耦电路(也称退耦电路)主要抑制共用电源内阻上由于尖峰电流产生压降而形成干扰信号。 10. 有哪些隔离和屏蔽技术? 参见6.2.3 隔离与屏蔽技术。 隔离技术就是切断噪声源与受扰体之间噪声通道的技术,其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来,切断通过阻抗进行耦合的可能。具体的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离和布线隔离。 屏蔽主要运用各种导电材料,制造成各种壳体并与大地连接,以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径。屏蔽可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽三类。在控制系统中,采用双绞线可有效地抑制信号传输过程中的电磁干扰。 11. 用于抗干扰的数字滤波方法有哪两类?各有什么特点? 参见6.3.2 数字滤波技术。 数字滤波方法主要有两类,一是基于程序逻辑判断的方法,二是基于模拟滤波器的方法。前者以逻辑判断和简单计算为基础,常用的算法有:算术平均法、中值法、抑制脉冲算术平均法和递推平均滤波法等。后者以模拟滤波器的传递函数为基础,采用离散化方式转换Z传递函数,然后通过程序来实现。 前者适用于抑制偶发的脉冲干扰,后者适用于抑制连续的正弦波干扰。 12. 查阅有关74HC595和74HC165芯片的资料,编写出图6-32所示串行输入输出接口电路的开机自检程序和输入输出程序或相应的流程图。 参见6.3.4 开机自检与故障诊断。 结合图 6 32 可进行自检的串/并转换输入输出接口电路原理编写程序。主要思路是:开机时,通过S_IN和CLK发送一系列数据至74HC595,再移位至74HC165中,最后通过S_OUT和CLK接收来自74HC165的数据,如接收的数据与发送不一致,可以判断该串行输入输出接口电路有问题。 第7章 控制系统的组态软件 1. 工控组态软件的特点哪些? 参见7.1.1 组态软件及其特点。 特点有通用性、扩展性、可维护性、可移植性、实时多任务、高效率和丰富的人机界面。 2. 工控组态软件的主要功能有哪些? 参见7.1.2 组态软件的功能。 主要功能有:数据采集、过程监控、人机交互。 3. 简述MCGS组态软件的特点。 参见7.2.1 MCGS组态软件特点和组成。 MCGS组态软件特有:MCGS提供丰富、生动的人机互动画面。MCGS支持多硬件设备,实现“与设备无关”的软件。MCGS具有良好的可维护性和可扩充性。允许用户在Visual Basic中操作MCGS中的对象。 MCGS组态软件功能强大,操作简单,易学易用,普通工程人员通过短期培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。 4. 简述MCGS组态软件的组成。 参见7.2.1 MCGS组态软件特点和组成。 MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。 5. “MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”有什么功能和关系? 参见7.2.1 MCGS组态软件特点和组成。 MCGS组态环境由可执行程序McgsSet.exe支持。用户组态生成的结果存放在扩展名为.MCG的工程文件中,工程文件又称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统,由可执行程序McgsRun.exe支持,它按照工程文件指定的方式进行各种处理,完成用户组态设计的功能。 运行环境与组态结果数据库一起作为一个整体,构成用户应用系统。一旦组态工作完成,运行环境和组态结果数据库可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。 运行环境由工程师设计建立;运行环境由操作人员操纵,完成相应的监控功能。 6. MCGS组态软件所建立的工程文件包含了哪些内容?文件的后缀名是什么? 参见7.2.2 MCGS工程构成。 MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成,每一部分可分别进行组态操作,完成不同的工作。用户组态生成的结果存放在文件的后缀名(扩展名)为.MCG的工程文件中,工程文件又称为组态结果数据库。 7. MCGS主控窗口的主要功能是什么?。 参见7.2.2 MCGS工程构成。 MCGS主控窗口是整个工程结构的主框架,可在该窗口里建立菜单系统,创建各种菜单命令,展现整个系统的总体面貌,以及设置系统运行流程及特征参数。 8. 在MCGS设备窗口下的组态操作有哪些? 参见7.2.2 MCGS工程构成。 设备窗口建立了系统与外部硬件设备的连接关系,使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态,实现对工业过程的监控。 在设备窗口下的组态操作有:选择构件、设置属性、连接通道、调试设备。 9. 在MCGS用户窗口下主要完成什么工作? 参见7.2.2 MCGS工程构成。 MCGS用户窗口下主要完成设计运行环境下的人机交互界面。运行环境下的人机交互界面由一系列的图形化用户窗口组成,这些用户窗口是组成MCGS图形界面的基本单位,每个用户窗口有“基本属性”、“扩充属性”、“启动脚本”、“循环脚本”和“退出脚本”等属性(需要注意的是“用户窗口”一指MCGS工程中的设计环境,二指该环境下设计的图形化对象)。所有人机交互界面都是由一个或多个用户窗口对象组合而成的,它的显示和关闭由各种策略构件和菜单命令来控制。同时用户窗口提供图元、图符和动画构件等各种图形对象,通过对图形对象的组态设置,建立与实时数据库的连接,来完成图形界面的设计工作。 10. 在MCGS中的数据对象有哪些属性? 参见7.2.2 MCGS工程构成。 在MCGS中,数据对象具有基本属性、存盘属性和报警属性,其中基本属性包括对象类型(开关型、数值型、字符型、事件型和组对象等),注释内容、初值和取值范围等;存盘属性包括是否需要存盘、定时保存周期、变化存盘、退出保留存盘、存盘时间设置等;报警属性包括是否需要报警、报警优先级、报警值等。不同类型的数据对象,属性不同,用途也不同。组对象只是在组态时对某一类对象的整体表示方法,实际的操作则是针对每一个成员进行的。 11. MCGS组态软件中的实时数据库包含了哪些内容?文件的后缀名是什么? 参见7.2.2 MCGS工程构成。 实时数据库是工程各个部分数据交换和处理的中心,它将MCGS工程的各个部分连成一个整体。在实时数据库窗口定义不同类型数据,可作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。 在MCGS中,用数据对象来描述系统中的实时数据,用对象变量代替传统意义上的值变量,通过数据库技术管理所有数据对象的集合而形成了实时数据库。名文件后缀名为.MDB。 12. 什么是MCGS组态软件中的“运行策略”?有何作用? 参见7.2.2 MCGS工程构成。 运行策略窗口主要完成工程运行流程的编写和各种功能构件选用(如数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等)。所谓“运行策略”是用户为实现对系统运行流程自由控制所组态生成的一系列功能块的总称。运行策略通过图形化界面和以类似Basic语言编写的脚本程序来实现对系统运行流程及设备的运行状态进行有针对性的选择和精确的控制。 MCGS运行策略窗口中“启动策略”、“退出策略”、“循环策略”为系统固有的三个策略块,另外,还有用户策略、报警策略、事件策略、热键策略等由用户根据需要自行定义,每个策略都有自己的专用名称,MCGS系统的各个部分通过策略的名称来对策略进行调用和处理。 13. 什么是MCGS组态软件中的“脚本程序”?有何作用? 参见7.2.2 MCGS工程构成。 在MCGS中,脚本程序是一种语法上类似Basic编程语言编写的程序。主要用于编制各种特定的流程控制程序和操作处理程序。 14. 查阅有关资料,了解组态软件的发展概况。 建议利用网络资源,查阅各组态软件开发商网站(参考附录),了解组态软件的发展概况。 第8章 DCS集散控制系统 1. DCS控制系统是在什么控制系统的基础上发展起来的?其构建的原则是什么? 参见8.1.1 DCS的产生、8.2.1 DCS的分层结构、1.2.2 计算机控制系统的分类。 DCS是在传统过程控制系统的基础上发展起来的。构建的原则是“分散控制、集中操作、分级管理”。 2. DCS可分为哪几层结构?每层的主要功能是什么?各层通过什么通信网络相互连接? 参见8.2.1 DCS的分层结构,8.2.3 DCS的通信网络。 DCS可分为三层结构,分别为分散过程控制层、集中操作监控层、综合信息管理层,并通过通信网络形成一个整体。 在分散过程控制层中,通信网络将控制器与I/O单元,以及与现场仪表、传感器、执行器连接起来,该网络具有实时性、互换性、互操作性和本质安全,现场总线技术能够满足分散过程控制级的数据通信。 集中操作监控层与分散过程控制层之间的大多都采用了实时以太网进行通信,要求具有较好的确定性、实时性和可靠性,较高的数据传输速率,并有一定传输距离。 综合信息管理层内部以及与集中操作监控层之间可采用企业内部网Intranet技术,在安全性保障的前提下,实现最大可能的互连、互换和互可操作性。 3. DCS中的控制站、操作站、工程站所完成哪些主要任务? 参见8.2.2 DCS的核心部件。 控制站是DCS系统中非常重要的核心部件,也是整个DCS的基础,其主要任务是完成所有I/O信号的处理、控制算法的运行、上下网络通信、冗余诊断等。一个控制站可以有上千个控制点,它的可靠性和安全性尤为重要。 操作站有时也称操作员站,通常由安装监控软件的PC机或工控机组成,可配置专用的操作键盘和鼠标或触摸屏。操作站的主要作用是实现对系统运行的监视和运行参数的设置。操作站通常提供丰富的人机界面。 工程站也称工程师站、工程工作站,通常由安装组态软件和系统开发环境的高性能PC机或工控机组成。工程站的主要作用是为设计人员提供工程设计、系统扩展或维护修改的操作平台。在工程工作站上,工程设计人员完成系统设计、调试、维护和诊断等工作。 4. 简述WebField JX-300XP中一个控制站和一个控制区域的规模。 参见8.4.2 JX -300XP系统的组成。 JX-300XP通过SCnet II过程控制网最多可连接15个控制站、32个操作员站或工程师站,由此形成一个控制区域。控制站以主控制卡为核心部件。一个控制站可以配置一对互为冗余的主控制卡,一对冗余的主控制卡通过SBUS网络可以挂接至多8个I/O单元,每个I/O单元可以挂接16块I/O卡件。一个控制站允许配置的I/O信号点数最多可达1024个(其中模拟量输入AI点数≤384;模拟量输出AO点数≤128;数字量输入DI点数≤1024;数字量输出DO点数≤1024),一个控制站最多可定义128个控制回路。由此可推出一个控制区域允许配置的I/O信号点数最多达15×1024=15360。 5. 简述WebField JX-300XP电源系统的组成和特点。 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。 JX -300XP的电源系统采用双路AC输入和二重/四重冗余设计。每个机柜、每个每个I/O都有冗余的双路电源供电,其中一路采用UPS电源。当某一电源单元或外部线路出现故障时,仍能保证系统的正常供电。JX -300XP电源系统的连接关系可见图 8-3所示。 6. 简述WebField JX-300XP有哪些接地?如何连接? 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。 JX-300XP接地保护接地、工作接地、防静电接地等之分,这些接地分类汇总后,最终与总接地板联结接入大地,系统接地桩应与其他大电流或高压设备的接入点保持大于5米的距离,与避雷地桩之间的距离大于20米。JX-300XP的系统接地图可参见图 8-4所示。 7. 简述WebField JX-300XP主控卡的功能和特点。 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。 主控制卡(又称主控卡,卡编号为XP243)是控制站软硬件的核心,协调控制站内软硬件关系和各项控制任务。它是一个智能化独立运行的计算机系统,可以自动完成数据采集、信息处理、控制运算等各项功能。 主控制卡采用双微处理器结构,协同处理控制站的任务,具有较好的实时性、可靠性和自诊断功能;支持SCX语言、梯形图、功能图、顺控等组态工具构造的控制方案。 8. 简述WebField JX-300XP数据转发卡的主要作用。 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。 数据转发卡(卡编号为XP233)是I/O机笼的核心单元,是主控制卡联接I/O卡件的中间环节,它的主要功能包括通过SBUS联接主控卡,管理本机笼中的I/O卡件,进行数据转发,同时提供本机笼温度采集,用于热电偶的冷端温度补偿。 一块主控制卡(XP243)通过SBUS总线(S2)可连接1~8个数据转发卡(即连接1到8个I/O单元机笼),每个数据转发卡通过SBUS总线(S1)连接1~16块不同功能的I/O卡件。数据转发卡(XP233)与SBUS总线的连接如图 8-8为所示。 9. 通过查阅资料,进一步了解WebField JX-300XP典型I/O卡件的原理框图和端子接线。 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。 结合表 8-2主要I/O卡件一览表的信息,关注典型I/O卡件的原理框图和端子接线。 10. 简述WebField JX-300XP中控制站、操作员站、工程师站的IP地址设置要求和范围。 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。 每个控制站包括两块互为冗余主控制卡。同一块主控制卡有两个网络端口,享用相同的主机号和两个不同网络号。操作员站、工程师站也有两块互为冗余的网卡,享用相同的一个主机号和两个不同网络号。IP地址的网络号分别为128.128.1和128.128.2,控制站的主机号为2~31(最多有15个控制站),操作站和工程师站的主机号为129~160(最多有32个操作员站或工程师站)。 11. 简述WebField JX-300XP中的通信网络,并画出连接示意图。 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。 JX-300XP控制系统的通信网络分三层:高层信息管理网(Intranet)、过程控制网(SCnet II)和底层I/O控制总线(SBUS)。 高层信息管理网(Intranet)用于大容量文件的高速传输,资源信息的共享,支持采用大型数据库功能,并可将本地控制系统连入企业Intranet。 过程控制网络SCnet II采用双重化冗余结构专用以太网。SCnet II连接了控制站、操作站和工程师站。 底层I/O控制总线(SBUS)包括SBUS(S1)和SBUS(S2)。前者实现数据转发卡与各I/O卡件之间的信息交换,后者实现主控制卡与数据转发卡之间的信息交换。 连接示意图见图 8 14所示。 12. 简述WebField JX-300XP的软件组成及主要功能。 参见8.4.4 JX-300XP系统的软件。 JX-300XP系统的软件主要由SCKey系统组态软件、SCLang C语言组态软件、SCControl图形组态软件、SCDraw流程图制作软件、SCForm报表制作软件、AdvanTrol实时监控软件组成。 SCKey组态软件用于控制系统的硬件配置;SCControl图形化组态软件和SCLang C语言组态软件用于设计各种控制算法;SCDraw流程图软件和SCForm报表软件用于图形界面和报表的制作。 第9章 计算机控制系统的解决方案 1. 计算机控制系统解决方案的主要任务有哪些?需要考虑哪些因素? 参见第9章 计算机控制系统的解决方案引言部分。 制定计算机控制系统解决方案的主要任务有全面了解被控对象的特点和控制目标的要求,还需要考虑诸多因素,如技术的先进性和成熟性、结构的适应性和可靠性、开发和维护人员的应用水平、设备和器件的成本、开发和实施的进度等。 2. 基于嵌入式系统的解决方案有哪些特点和适应场合? 参见9.1.1 组成和特点。 基于嵌入式系统的解决方案特点在于系统的控制单元、执行单元、反馈单元与被控对象高度融合,用途专一,结构紧凑,性价比高。 这种解决方案非常适用于批量生产的自动控制产品。作为批量生产的产品,在可靠性、适应性、可维护性、成本、体积、功耗等都会有特殊的要求,需要有经验丰富的嵌入式系统开发人员及其开发环境的支持,需要有一定的开发周期。 3. 结合某个应用系统,提出基于嵌入式系统的解决方案,给出控制系统的结构框图。 参见9.1.2 案例1——由嵌入式系统控制的全自动洗衣机。 提示:理解案例1——由嵌入式系统控制的全自动洗衣机。通过收集资料,结合某个应用系统,提出基于嵌入式系统的解决方案,给出控制系统的结构框图。 4. 基于智、能控制仪表的解决方案有哪些特点和适应场合? 参见9.2.1 组成和特点。 基于智能控制仪表的解决方案是以智能控制仪表为控制核心,利用其集成的基本输入输出通道和简单的数码显示装置,配置通用的传感器和执行器,通过手动或上位机设置控制参数,提供或通过上位机进行监控。 智能控制仪表结构紧凑、安装方便、配置容易、操作简单、通用性强、技术成熟,广泛应用于工业自动化控制领域的过程控制。 适应场合:以模拟信号控制为主的单一变量或小规模控制系统,也可通过通信网络,形成一定规模的过程控制系统。但不太适用于顺序控制、程序控制的场合。 5. 结合某个应用系统,提出基于智能控制仪表的解决方案,给出控制系统的结构框图。 参见9.2.2 案例2 ——基于智能控制仪表的电阻炉温度控制系统。 提示:理解案例2 ——基于智能控制仪表的电阻炉温度控制系统。通过收集资料,结合某个应用系统,提出基于智能控制仪表的解决方案,给出控制系统的结构框图。 6. 基于PLC可编程逻辑控制器的解决方案有哪些特点和适应场合? 参见9.3.1 组成和特点。 基于PLC的解决方案中,以PLC可编程逻辑控制器为控制核心,配置通用的传感器和执行器作为检测单元和执行单元,通过通信接口设置控制参数和进行监控。 PLC产品成熟可靠,品种规格丰富,扩展方便灵活,编程简单方便,因此基于PLC解决方案的特点在于控制系统的开发效率高,可靠性好,扩展方便,特别适用于顺序控制、程序控制等机电一体化产品和过程控制系统。但PLC在性价比、结构连接的灵活性以及人机交互方面仍有不足之处。 7. 结合某个应用系统,提出PLC可编程逻辑控制器的解决方案,给出控制系统的结构框图。 参见9.3.2 案例3——PLC控制的工业洗衣机。 提示:理解案例3——PLC控制的工业洗衣机。通过收集资料,结合某个应用系统,提出PLC可编程逻辑控制器的解决方案,给出控制系统的结构框图。 8. 基于分布式数据采集与控制模块的解决方案有哪些特点和适应场合? 参见9.4.1 组成和特点。 基于分布式数据采集与控制模块的解决方案以分布式I/O模块及控制器为控制核心,配置通用的传感器和执行器,通过通信网络形成一个控制系统,并通过组态软件进行参数设置和监控。 基于分布式数据采集与控制模块的解决方案的主要特点包括分布式数据采集、远程控制、简洁的通信网络、扩展灵活的结构、较强的工业现场适应性,适用于需要分布式采集数据、有一定规模的过程控制系统。由于分布式数据采集模块使用的通信网络在快速性、可靠性以及数据传输速率上还有所不足,有待于先进的现场总线技术来完善。 9. 结合某个应用系统,提出分布式数据采集与控制模块的解决方案,给出控制系统的结构框图。 参见9.4.2 案例4——潮流水槽计算机检测与控制系统。 提示:理解案例4——潮流水槽计算机检测与控制系统。通过收集资料,结合某个应用系统,提出分布式数据采集与控制模块的解决方案,给出控制系统的结构框图。 10. 基于PAC可编程自动化控制器的解决方案有哪些特点和适应场合? 参见9.5.1 组成和特点。 基于PAC可编程自动化控制器解决方案以PAC可编程自动化控制器为控制核心,配置通用的传感器和执行器,通过PAC提供的软件控制平台和HMI人机接口,开发相应的控制软件和数据库应用软件,利用通用外设进行监控和设置控制参数。 基于PAC可编程自动化控制器解决方案在复杂的控制能力、高速的数据采集、大容量的数据处理、多任务的运行模式、丰富的人机界面、良好的软件开发环境、开放式的通信接口、可扩展的I/O接口等方面具有良好的性能,适用于进行多种信号处理、需要较复杂的数据运算和控制算法的应用系统。 11. 结合某个应用系统,提出PAC可编程自动化控制器的解决方案,给出控制系统的结构框图。 参见9.5.2 案例5——PAC在桥梁健康检测系统中的应用。 提示:理解案例5——PAC在桥梁健康检测系统中的应用。通过收集资料,结合某个应用系统,提出PAC可编程自动化控制器的解决方案,给出控制系统的结构框图。 12. 比较多种控制系统的解决方案,找出它们存在的不足之处。 参见第9章各节的组成和特点内容。 基于嵌入式系统的解决方案存在的不足之处有:需要有一定的开发周期,不适用于较大规模的控制系统。 基于智能控制仪表的解决方案的不足之处有:不太适用于顺序控制、程序控制的场合,也不适用于较大规模的控制系统。 基于PLC可编程逻辑控制器的解决方案的不足之处有:在结构连接的不够灵活,人机交互界面不够丰富。 基于分布式数据采集与控制模块的解决方案的不足之处有:使用的通信网络在快速性、可靠性以及数据传输速率上还有所不足。 基于PAC可编程自动化控制器的解决方案的不足之处有:系统开发有一定的复杂性,成本相对较高。 第10章 计算机控制技术在简单过程控制中的应用 1. 试简述本章两个实例——水箱液位控制和锅炉温度控制中反馈单元、执行单元和控制单元所采用的具体部件,并比较控制单元的各自特点和要求。 参见10.1.2 硬件组成和10.2.2硬件组成。 水箱液位控制中所采用的部件有:液位变送器、电动调节阀、智能调节仪 锅炉温度控制中所采用的部件有:温度传感器及变送器、电加热器及可控硅移相调压装置、模拟量输入输出模块I-7017和I-7024。 水箱液位控制中所采用的控制单元为智能调节仪,采用压力变送器作为液位检测装置,电动调节阀作为执行机构,采用智能调节仪中的PID控制算法,通过RS-485与上位机连接,在上位机上完成人机界面和组态设计。 锅炉温度控制中所采用的控制单元为DDC计算机或PC机,采用Pt100温度传感器及变送器作为温度检测装置,电加热器和三相可控硅移相调压装置作为执行机构。DDC计算机通过RS-485与模拟量输入输出模块I-7017和I-7024连接,在DDC计算机上完成人机界面和组态设计,以及PID控制算法。 2. 若液位变送器或温度变送器输出的信号与实际测量值有一定的误差,可通过什么方式来调整? 参见10.1.2 硬件组成、10.1.3 组态过程、10.2.2 硬件组成和10.2.3 组态过程。 可通过变送器上的零点和满幅调整装置来调整,也可通过设置智能调节仪参数或组态软件来调整误差。 3. 结合本章的实例,简述MCGS最基本的组态过程和完成的工作。 参见10.1.3 组态过程和10.2.3 组态过程。 MCGS最基本的组态过程包括:分析系统、建立工程、定义数据对象、设计用户窗口、设计主控窗口、配置设备窗口、设计运行策略、检查组态结果、测试工程、提交工程等。其重点内容有定义数据对象、配置设备、设计用户界面等内容。 水箱液位控制例子中,MCGS以监视为主,不参预控制,而锅炉温度控制的例子中,MCGS不仅有监视功能,还要参预PID控制。 4. 通过查阅有关产品手册,了解智能仪表的设备命令的含义和功能。 参见10.1.3 组态过程。 通过查阅有关产品手册,了解表 10 1 设备命令中Cmd含义,以及表 9-2 AI808P仪表主要参数说明。 5. 若使用Pt100热电阻进行温度检测,测量范围由0~100℃更改为0~200℃,需要改变哪些部件? 更改相应的变送器,必要时还要更改Pt100热电阻的封装结构。 6. 简述控制变量SV、PV、MV和OP的含义。 参见10.1.3 组态过程。 最基本的控制变量为设定值SV、过程值(或输入测量值)PV和输出值MV。控制过程也就是控制器根据检测装置获得的PV与预先设定SV之间的偏差,按照预定的控制算法(如PID),输出MV至执行机构,最终使PV接近SV。输出值MV在控制算法中也有用OP表示。 7. 通过查阅资料,了解MCGS中编写的数字PID控制算法存放在工程文件的哪个部分。如何编写一个简单的二位式控制算法。 参见10.2.4 PID算法设计。 MCGS中编写的数字PID控制算法通常存放在运行策略中。简单的二位式控制算法可参考实验指导书及相应的实验程序。 8. 通过查阅资料,了解在MCGS中如何改变控制算法的采样周期。 参见10.2.4 PID算法设计。 在MCGS中,用户窗口属性的循环脚本中可设置循环时间(即采样周期)。 第11章 计算机控制技术在流程工业自动化中的应用 1. 什么是流程工业?流程工业自动化有哪些特点? 参见第11章引言部分。 流程工业(process manufacturing)主要是指化工、电力、炼油、冶金、制药、建材、造纸、食品等不间断连续生产方式的工业领域。 流程工业中的自动控制系统所面临的控制对象是一个连续生产过程,检测和控制的数据非常庞大,工艺流程复杂多变,各不相同,其追求的目标通常是在安全性、可靠性的前提下,力求提高生产效率、降低能耗、节约资源。 2. 简述流程工业中自动控制系统开发的一般过程。 参见11.1 DCS在循环流化床锅炉中的应用和11.2 DCS在大中型氮肥装置中的应用,以及本章小结。 开发流程工业中的自动控制系统的一般流程:了解工艺流程,详细分析系统需要检测和控制的信号数量、范围、类型和要求,确定方案,进行系统设计,对选用DCS方案,需要确定控制站、操作员站、工程师站、I/O卡件等部件数量和分布。然后利用组态软件进行系统组态,配置参数,制作流程图,设计控制流程。控制流程的设计需要针对被控对象的特点和要求,合理选择控制模块,必要时需要自行开发新的控制模块。之后,将进行调试、运行和维护。 3. 通过查阅资料或实地考察,了解流程工业自动化中计算机控制系统的应用案例。 可通过查阅提供流程工业自动化解决方案的厂商网站,或走访流程工业自动化工厂,了解流程工业自动化中计算机控制系统的应用案例。 4. 通过查阅资料,了解流程工业综合自动化技术发展的概况。 可利用网络资源,查阅流程工业综合自动化技术发展的概况。
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