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系统和软件系统两大类核心组件构成。硬件部分涉及主设备系统以及外围装置；软件系统涵盖程序运行逻辑及其生成流程的应用程序。
计算机控制系统的工作原理
- 实时数据采集
- 实时控制决策
- 实时控制输出
- 信息管理
计算机控制系统的工作方式
在线模式：在计算机控制系统中，在这种情况下生产过程与计算机直接连通，并且能够被计算机实时控制的方式被称为在线模式或者联机模式。
离线模式：在这样的系统中（生产过程并不与计算设备直接连接），所有的操作都是由人工进行的而非受自动控制。
实时响应要求信号从输入到输出的所有环节均能在一定时间内完成；只有当所有信号处理及时并快速完成时才能保证系统的稳定性。
计算机控制系统的硬件组成
它由两大部分组成：
1、工控机
主板机：构成工业控制机的关键部分，在其内部集成处理器、存储器、监控定时器、电源掉电监测装置以及重要数据存储模块等组件。该设备的主要功能是实时采集信息并按照预设程序进行数值计算、逻辑判断及数据处理工作；通过执行所需控制指令将处理结果输出至生产过程；
系统总线：分为内部信息传输通道与外部信息传输通道两大类。其中内部总线作为工控机各组成部分之间传递信息的专用线路；外部总线则用于实现工控机与其他计算机或智能设备之间的信息交互；
输入/输出模板：作为工控机与生产过程之间的信号传递与转换桥梁，在此系统中输入端的作用是将生产信号转换为主机可识别的代码形式；输出端则负责将主机发出的控制指令与数据经由特定变换后提供给执行机构或电气开关；
人-机接口：主要由操作界面显示器、键盘输入装置以及灯光反馈装置等设备构成；通过该接口实现操作者与计算机系统的有效交互；系统不仅具备显示功能还支持运行参数设置功能；
通信接口：专门用于实现工业控制机与其他计算机及智能设备之间的信息交流渠道；
磁盘系统：支持多种类型的存储介质配置方案
2、生产过程
生产过程涉及被控对象、执行机构等相关装置；这些装置具备不同类型的标准化产品；在设计计算机控制系统的过程中，则需要根据实际需求合理选择相关设备；通过科学分析和合理选型即可确保系统性能达到预期目标。
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
旨在管理计算机自身资源且便于操作使用的软件（涵盖操作系统、各种编译软件以及监控软件等）
2、应用软件
与工业生产流程相关的软件包括但不限于A/D和D/A转换程序以及数据采样和数字滤波器等技术。这些功能将由用户根据自身具体需求进行定制化开发。
计算机控制系统的分类
按照控制方式分类可分为两大类
- 开环控制：没有反馈的控制系统即为开环控制系统。
- 闭环控制：具备反馈机制的控制系统则被定义为闭环系统。
这种分类方式有助于区分具有自适应能力与调节能力的系统类型
- 区别：1、是否存在反馈；2、是否会影响当前控制。开环控制系统通常可以在瞬间完成；而闭环控制系统通常会持续一段时间。通过这种方法能够判断哪种系统属于哪种类型。
集散控制系统（DCS）
分散-集中控制系统是一种将企业经营管理和生产过程控制分别由多级计算机执行管理与协调的自动化系统
特点：每个层级都承担着特定的功能。然而，在不同层级之间或者同一层级内的各台计算机则存在一定的关联性，并通过通信机制进行信息交互。
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。
该系统实现了对DCS直接控制层的彻底改变，并成功维持并行运行的操作监控层、生产管理和决策指挥体系。其管理架构自上而下依次设置有：包含现场管理部的具体运行机构（FC）、操作监控部（OM）、生产管理部（PM）以及决策管理部（DM）。值得注意的是，在FC中具有独特地位的是位于底层的核心调控单元
计算机控制系统的发展概况以及发展趋势
产生：数字计算机控制思想在20世纪50年代中期被应用于生产过程，并使两者的结合导致了计算机控制系统的发展。这一创新不仅推动了自动控制系统的发展，并且为其实现应用开辟了新的途径。
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：
- 综合化：将企业生产过程中的资源、技术、经营管理三要素及其信息流、物流有机地整合优化运行, 显著提升了企业的经济效益.
- 虚拟化：基于数字化技术, 虚拟化的研究领域正呈现出快速发展的态势.
- 智能化：推动自动控制技术向更高层次发展, 即实现自动化操作.
- 绿色化：采取有效措施减少和消除自动化设备对人类及环境造成的污染与损害.
第二章 工业控制计算机
工控机IPC被视为中小型控制系统的核心设备，在工业自动化领域扮演着关键角色；可编程控制器PLC同样作为大型网络控制系统的关键组件，在工业自动化环境中得到了广泛应用。
工控机
工业控制计算机也称工业计算机，简称工控机。
工控机基于计算机的核心构建而成的测量与控制系统，在工业系统中接收各种输入信号，并根据设定的控制指令将处理后的结果传递至控制器用于控制生产流程的同时不仅监督生产运行情况，并且负责管理整个生产流程。
工控机的特点：稳定可靠、响应速度快、适应性强；其具备丰富多样的功能模块，并支持灵活的系统扩展设计；同时具有良好的开放性；能够实现高度集成的功能组合；通信接口丰富且稳定
可编程控制器（PLC）
实质上是一种专门为在工业环境下自动控制应用而设计的计算机。它不仅具有比一般计算机更直接与工业过程连接的能力，并且更适合使用特定控制语言，并且具备更高的抗干扰能力。
基本结构：
1、可编程控制器的硬件结构：
- 微处理器（Central Processing Unit, CPU）作为PLC的核心组件，在其运行过程中由运算器与控制器共同完成信息处理任务。
- 存储系统可分为系统存储设备与用户专用存储设备两大类。
- I/O接口单元的主要功能在于连接外部设备并进行信号传输转换工作。
- I/O扩展接口及附加模块通过增加额外端子实现了更大规模的数据传输功能。
- 外设及外围设备接口网络构成了人机交互的重要通道。
- PLC供电系统通过主电源模块确保各功能组件正常运转。
2、可编程控制器的软件结构：
- 系统软件：包含系统管理程序、用于解析用户指令的操作界面解释器以及标准化功能模块库，并结合编程工具实现自动化控制功能。系...由...和...组成。
- 用户程序：由工艺生产过程所引发的操作需求驱动的应用逻辑开发流程中使用特定编程语言实现操作指令。
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。
数字量输入通道的主要功能就是采集外部装置或产生过程的状态信息；为了将外部开关状态信息传输至计算机系统中，在采集到的状态信息上需依次实施转换处理以消除干扰并确保准确性，并将其转化为计算机可识别的逻辑状态；这一系列处理过程统称为信号调理。
数字输出通道
注
模拟量输入通道
功能：该系统能够将检测到的受控对象模拟信号转化为符合计算机接收标准的二进制数据序列
模拟量输入通道一般主要包含信号调理电路、多路转换器、前置放大器、采样维持模块以及A/D转换器，并通过接口层以及相关的控制逻辑完成整个信号处理过程。
信号调理的主要负责是对来自传感器或者变送器的模拟电信号进行处理，并将这些模拟电信号或者电流信号转换为数字系统可识别的电压形式。
A/D转换器
模拟电压或电流经该装置转换为数字量的器件或装置位于模拟输入通道的关键位置
模拟量输出通道
模拟量输出通道是计算机控制系统执行控制动作的核心环节，在其运行过程中负责将计算机产生的数字信号转化为相应的模拟电压和电流信号。
模拟量输出通道主要由输入接口模块、模数转换模块、信号分选开关、采样与保持电路以及电流-电压变换模块组成。
D/A转换器
D/A转换器主要通过将数字信号转换为模拟信号的元件或装置，在电路中使用时需注意其输出电流（对应模拟电压）与参考电压和二进制数呈线性关系。
第四章 计算机控制系统抗干扰技术
干扰
所谓的干扰即为除了有效信号源之外的噪声或导致计算机系统失真的干扰源
干扰的来源
分为外部系统与内部系统，在此分类下主要存在两种不同类型的干扰源：首先是外部干扰的主要来源是空间电场或磁场的作用；其次是内部干扰的主要原因是系统结构布局及制造工艺所导致的结果
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
- 用双绞线作为信号线
- 采用滤波器抑制
共模干扰
在计算机控制系统输入通道中的信号放大器两个输入端各自上都共同存在有干扰电压，并且这种干扰电压既可以表现为直流电压的形式也可以表现为交流电压的形式
共模干扰的抑制
- 变压器隔离
- 光电隔离
- 浮地屏蔽
长线干扰的抑制
- 终端阻抗匹配
- 始端阻抗匹配