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计算机控制技术是现代工业自动化领域中的核心技术之一,它利用计算机进行实时数据采集、决策和控制,以优化生产过程。在本课程的课后习题中,我们探讨了计算机控制系统的基本概念、工作流程以及硬件和软件的组成部分。 1. 计算机控制系统的控制过程包括实时数据采集、实时决策和实时控制三个步骤。数据采集是获取被控对象的状态信息,实时决策是对这些信息进行分析以确定控制策略,实时控制则依据决策向执行机构发送指令以实施控制。 2. 实时、在线和离线方式分别指代不同的运行模式。实时意味着计算机对输入信息的快速处理和响应,以确保控制的及时性。在线方式是指计算机直接与生产过程设备相连,实时进行控制。离线方式则通过中间媒介,计算机不直接参与实时控制,而是辅助人进行操作。 3. 微型计算机控制系统的硬件通常由四部分构成:主机、输入输出通道、外部设备和检测与执行机构。主机负责整体控制和决策,输入输出通道用于信息交换,外部设备如人机交互设备和存储器支持数据输入输出,检测与执行机构则包括传感器和执行器,用于参数测量和实际的物理控制。 4. 计算机控制系统软件分为系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理,它们提供计算机运行的基础环境和支持。应用软件则根据具体需求定制,涉及过程监视、控制计算和公共服务等多个方面,用于实现特定的控制任务。 计算机控制系统的软件和硬件结合,形成了一个高效、灵活的自动化控制体系,能够在各种工业环境中实现精确、快速的控制,提高生产效率和产品质量。学习这部分内容对于理解现代工业自动化的核心机制至关重要。通过解答这些课后习题,学生可以深入掌握计算机控制技术的基础知识,为进一步的学习和实践打下坚实基础。
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1
第一章 计算机控制系统概述
习题及参考答案
1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?
计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤:
(1)实时数据采集:对被控量的瞬时值进行检测,并输入给计算机。
(2)实时决策:对采集到的表征被控参数的状态量进行分析,并按已
定的控制规律,决定下一步的控制过程。
(3)实时控制:根据决策,适时地对执行机构发出控制信号,完成控
制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么?
(1)实时:所谓“实时”,是指信号的输入、计算和输出都是在一定时
间范围内完成的,即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理,并
在一定的时间内作出反应并进行控制,超出了这个时间就会失去控制
时机,控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式:在计算机控制系统中,如果生产过程设备直接与
计算机连接,生产过程直接受计算机的控制,就叫做“联机”方式或
“在线”方式。
(3)“离线”方式:若生产过程设备不直接与计算机相连接,其工作
不直接受计算机的控制,而是通过中间记录介质,靠人进行联系并作
相应操作的方式,则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成?各部分的作用是什
么?
由四部分组成。
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图 1.1 微机控制系统组成框图
(1)主机:这是微型计算机控制系统的核心,通过接口它可以向系统
的各个部分发出各种命令,同时对被控对象的被控参数进行实时检测
及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程,按控制规律进行各种
控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作,根据运算结果作
出控制决策;对生产过程进行监督,使之处于最优工作状态;对事故
进行预测和报警;编制生产技术报告,打印制表等等。
(2)输入输出通道:这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和
纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数
字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据,转换成可以对
生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通
道和数字量输入输出通道。
(3)外部设备:这是实现微机和外界进行信息交换的设备,简称外设,
包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打
印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能,
即根据操作人员的要求,能立即显示所要求的内容;还应有按钮,完
成系统的启、停等功能;操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶
劣后果,即应有保护功能。
(4)检测与执行机构
a.测量变送单元:在微机控制系统中,为了收集和测量各种参数,采
用了各种检测元件及变送器,其主要功能是将被检测参数的非电量转
换成电量,例如热电偶把温度转换成 mV 信号;压力变送器可以把压
力转换变为电信号,这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平
信号(0~5V 或 4~20mA)后,再送入微机。
b.执行机构:要控制生产过程,必须有执行机构,它是微机控制系统
中的重要部件,其功能是根据微机输出的控制信号,改变输出的角位
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移或直线位移,并通过调节机构改变被调介质的流量或能量,使生产
过程符合预定的要求。例如,在温度控制系统中,微机根据温度的误
差计算出相应的控制量,输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉
的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动
和气动等控制形式,也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行
控制。
4.微型计算机控制系统软件有什么作用?说出各部分软件的作用。
软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的
动作,都是在软件的指挥下协调进行的,因此说软件是微机系统的中
枢神经。就功能来分,软件可分为系统软件、应用软件及数据库。
(1)系统软件:它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算
机的程序。对用户来说,系统软件只是作为开发应用软件的工具,是
不需要自己设计的。
系统软件包括:
a.操作系统:即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等;
b.诊断系统:指的是调节程序及故障诊断程序;
c.开发系统:包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服
务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模拟、仿真、移植
软件)、数据管理系统等;
d.信息处理:指文字翻译、企业管理等。
(2)应用软件:它是面向用户本身的程序,即指由用户根据要解决的实
际问题而编写的各种程序。
应用软件包括:
a.过程监视程序:指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报
警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、
过程分析程序等;
b.过程控制计算程序:指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管
理程序,其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打
印、显示程序等;
c.公共服务程序:包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、
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格式编码程序。
(3)数据库:数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检
索,相应软件设计指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修
改数据等。
5.微型计算机控制系统的特点是什么?
微机控制系统与常规的自动控制系统相比,具有如下特点:
a.控制规律灵活多样,改动方便
b.控制精度高,抑制扰动能力强,能实现最优控制
c.能够实现数据统计和工况显示,控制效率高
d.控制与管理一体化,进一步提高自动化程度
6.操作指导、DDC 和 SCC 系统工作原理如何?它们之间有何区别和联
系?
(1)操作指导控制系统:在操作指导控制系统中,计算机的输出不直
接作用于生产对象,属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制
算法对检测到的生产过程参数进行处理,计算出各控制量应有的较合
适或最优的数值,供操作员参考,这时计算机就起到了操作指导的作
用。其原理框图如图 1.2 所示。
图 1.2 操作指导控制系统原理框图
(2)直接数字控制系统(DDC 系统):DDC(Direct Digital Control)系
统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测,经输入通
道送给微机,微机将检测结果与设定值进行比较,再进行控制运算,
然后通过输出通道控制执行机构,使系统的被控参数达到预定的要
求。DDC 系统是闭环系统,是微机在工业生产过程中最普遍的一种应
用形式。其原理框图如图 1.3 所示。
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图 1.3 DDC 系统原理框图
(3)计算机监督控制系统(SCC 系统):SCC(Supervisory Computer
Control)系统比 DDC 系统更接近生产变化的实际情况,因为在 DDC 系
统中计算机只是代替模拟调节器进行控制,系统不能运行在最佳状
态,而 SCC 系统不仅可以进行给定值控制,并且还可以进行顺序控制、
最优控制以及自适应控制等。SCC 系统的原理框图如图 1.4 所示。
图 1.4 SCC 系统原理框图
SCC 是操作指导控制系统和 DDC 系统的综合与发展。
7.计算机控制系统的发展趋势是什么?
大规模及超大规模集成电路的发展,提高了计算机的可靠性和性能价
格比,从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生
产力的发展,扩大生产规模,以满足对计算机控制系统提出的越来越
高的要求,目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。
a.普及应用可编程序控制器
b.采用集散控制系统
c.研究和发展智能控制系统
本章作业
简述几类常见的计算机控制系统的特点及其应用领域。
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