计算机控制系统
1.DDC系统的体系结构：1硬件结构分为主机单元，输入输出单元和人机接口单元，结构方式有模版式
和模块式，安装方式有盒式台式柜式。软件结构分为系统软件，控制运算软件，输入输出软件，人机接口软件和监控组态软件。3网络结构分为I/O总线和通信网络。
2.DDC系统类型及发展：从单板机，STO总线模版机，PC总线工业控制机发展到工业PC机，即PCI总线
和CompactPCI总线工业控制机。
3.PID算法的改进措施：积分项的改进，积分作用是消除残差，提高控制性能，包括积分分离，抗积分饱
和，梯形积分和消除积分不敏感区。2微分项的改进，尽量减少数据误差和噪声，以消除不必要的扰动。包括偏差平均和测量值微分。3变PID控制，对被控对象的自平衡能力，可以分段采用P,PI控制，其优点是减少超调，缩短调节时间，包括设定值改变的变PID控制和负荷改变的变PID控制
4.无扰动切换：指在进行PID控制方式切换之前，例如从手动或者自动或者自动到手动的切换，无需人
工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，保证切换无扰动。1，手动自动aPID控制块处于手动方式，尽管不进行PID计算，但在每个控制周期应使设定值跟踪被控量，同时要使PID差分算式中的历史数据E（n-1），E（n-2）,Ud(n-1)等清零，并将输出控制量赋给UC（n-1）b，PID控制块处
于自动方式，为了实现从自动到手动的无平衡无扰动切换，在自动方式下，每个控制周期应将COV值赋给MOV 2输出跟踪a手动操作器处于手动HM工作状态PID控制块处于输出跟踪YT 状态，为了实现从输出跟踪到正常工作NT状态的无扰动切换，在每个控制周期应使设定值跟踪被控量，同时要使PID差分算式中的历史数据E(n-1)..等清零，还要将OTV值赋给UC（n-1）3，输出安全当PID 控制块处于输出安全YS状态时，在每个控制周期应使设定值跟踪被控量，同时要使PID差分算式中的历史数据E(n-1)..等清零，还要将输出安全值SOV赋给UC（n-1）4，输出保持当PID控制器处于输出保持状态，副条极限保持状态和PV坏保持PBH状态时，在每个周期应使设定值跟踪被控量，清零，还要使UC（n-1）保持不变5，回算输出和回算输入后级功能块的回算输出端和前级功能块的回算输入端连接，向前级功能块传送有关参数，是这2个功能块相互匹配，从而保证功能块工作方式的无扰动切换
5.内部总线：计算机内部模块与模块之间进行通信的总线PC/XT PC/AT ISA DCI PCI
6.外部总线：计算机外部通信的总线，RS-232 RS-422 RS -485
7.干扰的来源，传播，抑制：来源，外部干扰是那些与系统结构无关，由外界环境因素决定的干扰，主
要是空间电场或磁场，内部干扰是由系统结构，制造工艺决定的，内部零部件的分布电容，分布电感引起的耦合反映，多点接地造成的电位差引起干扰。
传播途径：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。
抑制措施：1共模干扰抑制，变压器隔离，光电隔离，浮地屏蔽2，串模干扰的抑制，用双绞线作信号引线，滤波3，长线传输干扰的抑制，终端阻抗匹配，始端阻抗匹配4，信号线的选择和敷设
8. 监控组态软件的组成，功能：实时数据库：负责数据库的建立，实时数据处理，历史数据处理，统计数据
处理，数据服务请求处理，数据的储存和检索，
控制回路：将控制回路的构成元素抽象为输入输控制运算出功能模块，在显示器上以功能块图形方式呈现给用户
人机界面：为建立操作监控环境提供了各种图形开发工具和图形库
通信接口组态运行软件：用户通过通信接口组态软件配置网络结构方式，并启动网络运行，实现各种通信服务，
输入输出服务软件：从输入单元采集过程参数处理后送到实时数据库，处理来自实时数据库来的操作命令并送到输出单元
9 数字滤波：平均滤波法—适用于周期性干扰，中位值—偶然的脉冲干扰，限幅—也是偶然，惯性—高频
及低频的干扰信号。选用方法：先中位值或者限幅，然后再这2个
10 DDC设计原则；可靠性，冗余性，实时性，操作性，维修性，通用性，灵活性，开放性，经济性
DDC设计过程：开发设计：市场调查，再进行设计，落实具体技术指标，再进行制造调试。
应用设计：可行性研究，初步设计，详细设计，组态设计，应用组态，安装调试，现场投运
11 DDC,DCS.FCSPCS异同;1DDC是计算机控制系统的基础，在此基础上构成DCS FCS PCS
2 DCS的特点和优点：分散性和集中性，自治性和协调性，灵活性和扩展性，先进性，继承性
3 FCS的特点和优点：系统的分散性，开放性，环境的适应性，使用的经济性，维护的简易型，系统
的可靠性
4 PCS满足被控对象的控制对象，安全可靠，操作简单，维护方便
异同：DDC DCS FCS 是连续量的控制系统，安全可靠，控制参数以模拟信号为主，开关信号为辅，控制方式以连续控制为主，逻辑控制为辅；PCS是离散控制系统，控制信号以开关信号为主，模拟信号为辅，控制方式以逻辑控制为主，连续信号为辅
1.1典型的计算机控制系统包括直接数字控制系统（DDC）、集散控制系统或分散控制系统（DCS）、现场总
线控制系统（FCS）、可编程控制器系统（PCS）、或可编程逻辑控制器（PLC）等；直接数字控制系统（DDC）是一种基本的计算机控制系统。
1.3计算机与被控对象之间存在信号的互相转换：
（1）、模拟信号y(t)模拟信号是来自被控对象的温度、压力、流量、料位和成分等传感器或变送器的信号；特点：时间上连续、幅值上也连续的信号。
（2）、离散模拟信号y*(t)模拟信号y(t)经过采样器就得到了离散模拟信号y*(t)；特点：时间上离散、幅值上连续的信号。
（3）、数字信号y(nT)离散模拟信号y*(t)经过A/D转换器转换成数字信号y(nT)；
特点：时间上离散、幅值上量化的信号。
（4）数字信号u(nT)计算机按照控制周期执行控制算法，其运算结果或控制量u(nT)也为数字信号；特点：时间上离散、幅值上量化的信号。
（5）量化模拟信号u*(t)数字信号u(nT)经过D/A转换器转换为量化模拟信号；特点：时间上连续、幅值上连续量化的信号。
1.4 概述计算机控制系统的发展历程。
计算机控制系统是从操作指导控制，设定值控制，直接数字控制，监督计算机控制等类系统逐步发展完善的，前两种属于计算机与仪表的混合系统，直接参与控制的任然是仪表，计算机只起操作指导和改变设定值的作用，后两种是计算机承担全部操作任务，而且SCC属于两级计算机控制，中国DDC的发展从单板机，STD总线模板机，PC总线工业控制机，发展到PCI总线和CompactPCI总线工业控制机，简称工业PC，已成为DDC的主流系统。在上述四种类型的计算机控制基础类型上，发展形成了典型的集散控制系统，现场总总线控制系统，可编程控制系统。
2.3 PID控制算法有哪两种？区别如何？
答：在计算机控制系统中，一般采用两种PID控制算法：一种是含有理想微分的PID控制，另一种是含有实际微分的PID控制。
理想PID控制的实际控制效果有时并不理想，从阶跃响应看，它的微分作用只能维持一个周期。由于工业执行机构（如气动调节阀和电动调节阀）的动作收到限制，致使偏差较大时，微分作用不能充分发挥。
实际微分控制器的微分作用能维持多个控制周期，使得一般的工业用执行机构能比较地跟踪微分作用输出。实际微分PID算式含有一阶惯性环节，具有数字滤波的能力，所以抗干扰能力也强。
2.5 理想微分PID控制算法有何缺点？其微分作用为何局限于第一个控制周期？
答：理想微分PID控制的实际控制效果有时并不理想，从阶跃响应看，它的微分作用只能维持一个控制周期。由于工业用执行机构的动作速度受到限制，致使偏差较大时，微风作用不能充分发挥。
将微分方程差分分化后微分即为当前周期与上一周期的差值在除以控制周期，第一个控制周期的差值最大，而理想微分中又不存在惯性环节，故微分作用只能维持一个周期。
2.7 数字PID控制算法的改进措施有哪几种？答：1 积分项的改进积分作用是消除残差，为提高控制
性能，可对微分项采取四条措施。1）积分分离；2）抗积分饱和；3）梯形积分；4）消除积分不灵敏区。
2 微分项的改进微分项是PID数字控制器中响应最灵敏的一项，应尽量减少数据误差和噪声，以消除
不必要的扰动。为此，可做一下两项改进。1）偏差平均；2）测量微分。
3 变PID控制1）设定值改变的PID控制；2）负荷改变的PID控制。
2.9 数字PID控制为何采用抗积分饱和，怎样防止抗积分饱和？
答：如果执行机构已到极限位置，任然不能消除偏差，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的控制量u(n)继续增大或减少，而执行机构已无相应动作，这就称为积分饱和。一旦偏差反向，进行反向积分，必使u(n)减小或增大到极限范围内，才会使执行机构动作，这段空程时间可能影响控制品质。当出现积分饱和时，势必使控制品质变坏，故需采用抗积分饱和。防止积分饱和的措施之一就是对计算机的控制量u(n)限幅，同时取消积分作用。
2.18 数字PID控制的工程实现应考虑哪几个方面？
答：数字PID控制在工程实现时应注意以下几个方面。1）设定值处理；2）被控量处理；3）偏差处理；
4）PID计算；5）控制量处理；6）自动手动切换。
2.32 数字PID控制的工作方式（OV_MODE）一般分为几种？并扼要叙述。
答：PID工作方式（OV_MODE)分为手动（MAN），自动（AUTO)，初始化（INIT)，副调极限保持（NLH)，和PV坏保持（PBH)5种。手动方式（OV_MODE)为1，PID控制算是停止运算，控制量来自人工设置，从键盘或PID控制画面来设置控制量MOV。自动方式OV_MODE值为一，PID控制算式恢复运算，控制量US来自PID控制算式。初始化方式OV_MODE值为2，此时PID控制算式停止运算，PID控制
块是否处于初始化方式，取决于其前级或后级功能块的状态。副调极限保持方式OV_MODE值为3，此时PID 控制块输出保持，原因是其后级PID控制块输出达到极限，一旦副PID控制块输出恢复正常，主PID控制块也恢复正常。PV坏保持时OV_MODE值为4，此时PID控制块输出保持，原因是其被控量PV为坏值，一旦PV恢复正常，PID控制块也恢复正常运算。
2.38 数字PID控制器的无平衡无扰动切换的含义是什么？
答：所谓无平衡无扰动切换，是指在进行PID控制方式切换之前，列如从手动到自动或从自动到手动的切换，无需由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，这样就可以保证切换时不会对执行机构现有位置产生扰动。
2.44 数字PID控制参数的工程整定方法一般有哪几种？
答：常用的工程整定方法有四种，1）衰减曲线法；2）稳定边界法；3）动态特性法；4）基于偏差积分指标最小的整定参数法。
3.1 问：DDC系统的主机单元由哪几部分组成？采用哪两种结构？
答：主机单元是DDC系统的硬件核心，主要由主机、内存储器、外存储器、外部设备接口和网络接口等组成，另外还有显示器、键盘、鼠标和打印机等。主机单元采用模版式和模块式结构。
3.3 问：概述内部总线的含义并举例。
答：计算机内部的模版和模版之间进行通信的总线，称之为内部总线。比如工业PC的常用总线有PC/XT （62线）、PC/AT或ISA（62线+36线）、PCI（124线)、PC104(104线）和Compact PCI等。
3.6 问：外部设备总线RS-232、RS-422和RS-485采用何种连接方式？
答：①、RS-232总线采用点对点连接方式，两点之间的通信距离不大于15m，传输速率不大于20Kbps。
RS-232总线规定1台发送器或者驱动器只能连接1台接收器。
②、RS-422总线采用点对点连接方式，尽管规定1台发送器或者驱动器可以连接10台接收器，仍然需
要10对通信线。
③、RS-485总线采用一点对多点的连接方式，而且只需两根通信线。RS-485总线规定两根通信线上可以
连接32台发送器或者驱动器和32台接收器，但同时只能有一对发送器和接收器进行点对点通信。
3.7 问：工业控制计算机的输入输出通道的主要功能有哪些？
答：其主要功能有：一是将模拟信号变换成数字信号；二是将数字信号变换成模拟信号；三是解决对象输入信号与计算机之间的接口，以及计算机输出信号与对象之间的接口。
3.10 问：模拟量输入通道由哪几部分组成？
答：模拟量输入通道一般是由信号预处理、多路模拟开关、前置放大器、采样保持器、模数转换器（A/D)、接口电路等组成。其核心是模数转换器，简称A/D或ADC。
3.15 问：如何选A/D转换器的位数？
答：位数的选择取决于系统测量精度，通常要比信号传感器测量精度要求的最低分辨率高一位，另外还与使用对象有关，一般工业控制用8到12位，实验室测量用14到16位。确定A/D转换器位数的方法有以下两种：一是输入信号的动态范围，二的输入信号的分辨率。
3.16 问：概述模拟量输出通道的功能。
答：模拟量输出通道的功能是把计算机输出的数字量信号转换成模拟电流或电压信号（如4mA-20mA，0-5V DC），以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。
3.22 问：概述数字量输入通道的功能及其组成。
答：数字量输入通道的功能是把被控对象的开关状态信号（或数字信号）传送给计算机，用作控制和运算功能块的输入信号。数字量输入通道一般是由信号调整电路和输入接口电路构成。
3.23 问：概述数字量输出通道的功能及其组成。
答：数字量输出通道的功能是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件（如继电器、电磁阀），控制它们的通、断，达到控制的目的。数字量输出通道一般是由输出接口电路和输出驱动电路构成。
3.29 问：计算机控制系统的干扰来源分哪两类？并扼要叙述。
答：计算机控制系统的干扰既可能来源于外部，也可能来源于内部。外部干扰是指那些与系统结构无关，由外界环境因素决定的干扰，内部干扰则是由系统结构、制造工艺等所决定的。
外部干扰主要是空间电场或磁场的影响。例如输电线和电气设备发出的电磁场，通信广播发射的无限电波等放点现象。内部干扰主要是计算机内部零件的分布电容、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，多点接地造成电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声干扰。
3.30 问：计算机控制系统干扰的传播途径分哪3类？并扼要叙述。
答：计算机控制系统干扰的传播途径分为：静电耦合、磁场耦合和公共阻抗耦合3类。
一、静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其他线路的。导线之间、电路板上各引线之间、变压器线
匝之间和绕组之间都会构成点容。
二、磁场耦合是通过导体间互感耦合进来的。在任何载流导体的周围空间中都会产生磁场，而交变磁
场会对其周围的闭合电路产生感应电势。
三、公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响
到另一个电路。
3.31 问：串模干扰、共模干扰和长线传输干扰的含义是什么？
答：一、串模干扰就是串连于信号源回路之中的干扰，也称横向干扰或正态干扰。
二、在计算机控制系统中，计算机的地、信号放大器的地以及现场信号源的地之间，通常要相隔一段
监控系统软件
距离，少则几米、多则几十米或几百米。在两地之间往往存在着一定的电位差Vc，这个Vc对放大器产生的干扰，称为公模干扰，也称纵向干扰或共态干扰。
三、长线传输干扰是由生产现场到计算机的连线往往比较长而产生的干扰。这里所谓的“长线”其长
度并不长，取决于集成电路的运算速度。例如，对于毫微妙级的数字电路来说，1米左右的连线就可以当作长线来看待。
4.1 DDC系统的监控软件分哪三类？相应的用户表现形式是什么？用户表现形式又有何作用?答：监控软件分连续控制、逻辑控制、顺序控制三类。其中连续控制软件的用户表现形式的功能块图，逻辑控制软件的用户表现形式是逻辑梯形图、逻辑功能块图和逻辑指令表，顺序控制软件的用户表现形式是顺序功能块图。在监控组态软件的支持下，这些用户表现形式可以组成所需的控制回路，达到控制的目的。
4.3 逻辑梯形图的物理含义是什么？怎样形成和运行？
答：图4.2中逻辑梯形图的物理含义是，开关S1~S6经DI模板输入到计算机中，由计算机内逻辑梯形图软件进行逻辑运算，运算结果经DO模板输出到电灯L1和L2。
在监控组态软件的支持下，用户只需在显示器（CRT或LCD）屏幕上进行逻辑梯形图组态，形成组态文件，再下装到控制设备或控制站中运行，就可以达到控制目的。
4.5 DDC系统的运算软件分哪三类？相应的用户表现形式是什么？用户表现形式又有什么作用？
答：DDC系统的运算软件分为连续运算、逻辑运算和顺序运算。其中连续运算软件的用户表现形式是功能块图，逻辑运算软件的用户表现形式是逻辑梯形图、逻辑功能块图和逻辑指令表，顺序运算软件的用户表现形式是顺序功能块图。
用上述运算软件的用户表现形式和组态形式，构成复杂的控制回路。也就是说，复杂的联系控制、逻辑控制和顺序控制回路的组成，除了控制算法外，还需要有相应的运算算法相配合。
4.7 常用的数字滤波方法有哪几种？分别适合于什么场合？怎样综合选用？
答：常用的数字滤波方法：平均值滤波法、中位值滤波法、限幅滤波法和惯性滤波法。
平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰，惯性滤波法适用于高频及低频的干扰信号。如加权平均值滤波法适合于纯延迟较大的被控对象。如果同时采用集中滤波方法，一般先用中位值滤波法或限幅滤波法，然后再用平均值滤波法或惯性滤波法。
4.9 输入功能块与输入模板的信号点有何联系？又有何区别？
答：输入功能块和输入模板的信号点是一一对应的关系。
输入模板位于输入软件结构的输入单元，其对应的程序为输入接口程序；输入功能块位于输入软件结构的主机单元，是数据经过输入软件的处理后，并填入实时数据库（RTDB）呈现在用户面前的一种方式。
4.11 输入功能块存在的表现形式是什么？
答：输入功能块表现形式为功能块组态图和功能块参数表，参数表有多个参数项。
4.13计算机控制系统中功能块的输入输出为何采用标准数0~1?
答：模拟量输入或输出参数的单位和量程范围各异，为了便于不同参数的混合运算，便于功能块输出与输入端之间数据的传送，必须统一量纲。为此，采用输入标准0~1.
4.24 概述监控组态软件的功能？
答：监控组态软件的主要功能是组态和运行。
4．25 概述监控组态软件的结构？
答：监控组态软件的结构包括实时数据库、控制回路、人机界面和通信接口组态运行软件，以及输入输出服务软件。
5.2 DDC系统的设计原则体现在哪几个方面？
答：设计原则主要体现在：可靠性、冗余性、实时性、操作性、维修性、通用性、灵活性、开放性、经济性。
5.3 DDC系统的开发设计应遵循哪些原则？
答：DDC系统的开发设计应遵循标准化，模板化，模块化，系列化的原则
5.6 DDC系统的应用设计应遵循哪些原则？
答：DDC系统的应用设计应遵循的原则：
（1）符合应用设计标准和规定（2）坚持求实和创新精神（3）处理好技术与经济的关系（4）维护设计的科学性和客观性（5）协调各个专业之间的关系
5.7 DDC系统的应用设计内容有哪些？
答：DDC系统的应用设计内容有:（1）管线仪表设备（PID）位号图（2）现场仪表设备选型（3）计算机设备选型（4）安装接线图（5）控制系统的组态文档

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