計算機控制技術課程教案系統狀態：單回路控制的內給定狀態，利用給定值鍵改變給定值。（2）外給定狀態SCC控制開關位置：SCC給定值選擇：接收上位計算機的給定值SVS系統狀態：二級計算機控制。串級控制開關位置：CAS給定值選擇：來自主調節模塊的給定值SVC系統狀態：串級控制。（3）給定值變化率限制作用：減小給定值突變對控制系統的擾動。2.被控量處理報警PH：上限值PL：下限值HY：報警死區限制變化率：實現平穩控制PR：被控量變化率6.4.2偏差處理計算偏差D/R=0，DV=CPV-CSVD/R=1，DV=CSV-CPV偏差報警DLA：偏差報警輸出輸入補償ICM=0，無補償ICM=1，加補償ICM=2，減補償ICM=3，置換補償非線性特性K=0，帶死區的PID控制0<K<1，非線性PID控制K=1，正常的PID控制6.4.3控制算法的實現DV：偏差微分方式PV：被控量微分方式MH、ML：控制量的上下限值6.4.4控制量處理1.輸出補償OCM=0，無補償OCM=1，加補償OCM=2，減補償OCM=3，置換補償2.變化率限制MR：控質量變化率3.輸出保持NH：u(k)=u(k-1)FH：U(k)安全輸出NS：CMV=MSFS：CMV=UH6.4.5自動手動切換1.軟開關/軟手動SA：軟自動，正常自動狀態SM：軟手動，控制量來自鍵盤或上位計算機2.控制量限幅MH：控制量上限值ML：控制量下限值3.自動/手動HA：自動狀態，正常計算機控制方式HM：手動狀態，通過手動操作器輸出信號，對執行機構進行遠方操作。4.無平衡無擾動切換定義：是指在進行手動到自動的切換之前、無須由人工進行手工輸出信號與自動輸出信號之間的對位平衡操作，就可以保證切換時不會對執行機構的現有位置產生擾動。實現：從手動到自動：不進行PID運算，但應使給定值跟蹤被控量，歷史數據清零，要使u(k-1)跟蹤手動控制量從自動到手動：要保證無擾動切換難點解析：軟手動與手動的區別在軟手動方式，控制量來自鍵盤或上位計算機；手動方式，則是通過手動操作器輸出信號，對執行機構進行遠方操作。

第十二周內容及其輔導講授內容：6.6軟件抗干擾技術重點掌握：數字濾波技術內容輔導：6.6軟件抗干擾技術6.6.1數字濾波技術什么是數字濾波通過一定得的計算或判斷程序，減少干擾在有用信號中比重。與模擬濾波器相比，數字濾波器的優點：程序實現，不需硬件，可靠性高，穩定性好。可以對很低頻率進行濾波，克服模擬濾波器的缺點，根據信號不同，采用不同的濾波方法，靈活、方便、功能強。1.算術平均濾波算法N個測量數據取算術平均功能信噪比提高N開方倍適用范圍對一般的具有隨機干擾信號的濾波。適用于信號本身在某一數值范圍附近上下波動的情況。2.中位值濾波法算法：取中間值作為本次采樣的有效數據。3.限幅濾波法上下限限幅y(n)>yH，y(n)=yHy(n)<yL，y(n)=yLyL<y(n)<yH，y(n)限速y(n)-y(n-1)Δy0，y(n)y(n)-y(n-1)〉Δy0，y(n-1)4.慣性濾波法公式推導濾波系數a(0<a<1）a越大，帶寬越窄，濾波頻率越低。四種濾波方法比較平均值濾波適用于周期性干擾中位濾波使用偶然的脈沖干擾限幅濾波使用偶然的脈沖干擾慣性濾波適用于高頻干擾6.6.2開關量的軟件抗干擾技術1.開關量信號輸入抗干擾措施干擾特點：多呈毛刺狀，作用時間短。解決方法：兩次采樣、多次采樣，完全一致方為有效。2.開關量信號輸出抗干擾措施慣性大的輸出設備（如各類電磁執行機構），對毛刺干擾有一定的耐受能力。慣性小的設備（如通訊口），耐受能力小，需要輸出抗干擾。解決方案：重復輸出統一數據，重復中期盡可能短，外設階受到干擾信號，還來不及做出反應，一個正確的輸出信息又來到了。6.6.3指令冗余技術問題提出：CPU受到干擾后，往往將一些操作數當作指令來執行，引起程序混亂。當程序彈飛到某一單字節指令上時，便自動納入正軌。當程序彈飛到某雙字節指令上時，繼續出錯。當程序彈飛到三字節指令上時，出錯的機會更大。解決方案：在關鍵地方插入單字節指令（NOP)，這就是指令冗余。6.6.4軟件陷阱技術什么是軟件陷阱就是一條引導指令，強行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。軟件陷阱的實現無條件轉移指令軟件陷阱的位置（1）未使用的中間向量區（2）未使用的大片ROM區（3）表格（4）程序區難點解析：慣性濾波法中濾波系數a用硬件方法實現低通濾波時，其采樣周期、濾波時間常數決定其濾波器性能。在數字濾波器中，a則是根據實際情況適當選取。

第十三周內容及其輔導講授內容：7.1數據通訊技術重點掌握：兩種通訊方式四種數字編碼方式內容輔導：7.1數據通訊技術基本概念兩種通訊方式：①并行通訊：數據的各位同時傳送，可以字并行、字節并行。特點：傳送速度高，傳送距離短，小于10米。②串行通訊：數據一位一位順序傳送，只需很少幾條信號即可完成數據交換。特點：傳送速度低，傳送距離長，幾十至幾千米。串行通訊分為兩種傳送方式：①異步傳送：字符與字符之間不同步，一次只傳送一個字節。②同步傳送：字符與字符之間同步，一次傳送大量字節。四種數字編碼方式：①不歸零碼：難以判定一位的結束與另一位的開始，需要有某種方法來使發送和接收端同步。②歸零碼：每一位中間有一個跳變，為中間的跳變既作為同步時鐘，也作為數據。又稱自同步編碼。③曼徹斯特編碼：同上，不同之處在于只有兩個電平狀態。④差動曼徹斯特編碼：每位開始有無跳變來表示0或1，電壓有變化表示0，無變化表示1。7.1.1異步傳送與同步傳送1.異步傳送異步通訊格式四部分：起始位、數據位、奇偶位、停止位。異步通訊的特點適于低速通訊，如終端操作、主機與顯示器、鍵盤、打印機。2.同步傳送實現方法數據與時鐘通過各自的信號線傳送（圖7.3（a））通過將數據與時鐘編碼實現（圖7.3（b））同步格式單同步格式：每一幀的開始需要一個同步字符。雙同步格式：每一幀的開始需要兩個同步字符。IBM雙同步格式：由專門的字符定義幀頭（SOH）、正文的頭（STX）和正文的尾（ETX）。7.1.2面向字符和面向位的傳送1.面向字符的傳送使用16倍頻局部時鐘的接收器工作原理：（1）檢測到起始位開始：（2）當計數值達到8時，已經達到起始位的中間；（3）當計數值達到16時，采樣傳送數位波形；（4）停止位正確采樣，結束。正確傳送條件接收端和發送端的時鐘頻率之偏差在一個字符傳送周期內，其累計不超過8個局部時鐘周期。2.面向位的傳送目前普遍使用的兩個面向位傳送協議：同步數據鏈路協議（SDLC）：用于IBM系統網絡體系高級同步數據鏈路協議（HDLC）：國際標準化組織頒布，包含SDLC。SDLC幀格式（見圖7.7）標志字段：序列01111110，標志一幀的開始。地址字段：信息到達的目的地址。控制字段：表示幀的類型，借以傳送命令和設備類型。信息幀：以0開頭；管理幀：以01開頭；代碼具體內容代表該幀的具體管理功能。非順序幀：以11開頭；代碼具體內容代表該幀的具體功能。數據字段校驗字段：CRC校驗結束字段：序列01111110，標志一幀的結束。7.1.3平衡與不平衡傳輸數據傳輸線路的兩種方式不平衡方式：用單線傳輸信號，以地線作為信號的回路，接收器是用單線輸入信號的。平衡方式：用雙絞線傳輸信號，信號在雙絞線中自成回路不通過地線，接收器是在雙端差動方式輸入信號的。不平衡傳輸方式——RS-232C標準介紹RS-232C接口電路（見圖7.8）RS-232C的傳輸特性數據的傳輸速率局限于20Kbps；傳輸距離局限于15米；該標準沒有規定連接器，產生25插針、9插針等設計方案；每個信號只有一根導線，兩個傳輸方向只有一個信號地線；接口使用不平衡的發送器和接收器，可能在各信號間產生干擾。平衡傳輸方式——RS-422A標準介紹RS-422A接口電路（見圖7.8）RS-422A的傳輸特性支持較高的數據傳輸速率；支持較遠的傳輸距離；制定連接器的技術規范；通過提供平衡電路改進接口電器特性。7.1.4RS-422/RS-485接口及應用兩點通訊連接方式422：兩對平衡差分電路，全雙工傳輸電路485：422的變形，一對平衡差分電路，半雙工通訊，發送電路必須由使能信號控制。組成互連系統485組成多點互連系統：見圖7.11422/485互連組成環形數據鏈路系統：見圖7.12RS-232C/422A接口轉換采用轉換裝置，見圖7.13、7.14。習題輔導：7.1異步傳送和同步傳送的信息格式是怎樣的？面向字符和面向位的傳送信息的格式是怎樣的？在搞清不同的格式的基礎上，充分理解不同格式對其相應功能的作用。

第十四周內容及其輔導講授內容：7.2工業網絡技術重點掌握：網絡協議及其層次結構工業網絡的性能評價與選型內容輔導：7.2工業網絡技術郵電通訊網絡：以傳輸信息為目的；局域網絡：以資源共享和處理信息為目的；工業網絡技術：目的是導致物質或能量的運動。7.2.1工業網絡概述1.網絡拓撲結構（1）星形結構結構：中心結點是主結點，它接受各分散結點的信息再轉發給相應結點，具有中繼交換和數據處理功能。特點：①網絡結構簡單，便于控制和管理，建網容易；②網絡延遲時間短，傳輸錯誤率較低；③網絡可靠性較低，一旦中央結點出現故障將導致全網癱瘓；④網絡資源大部分在外圍點上，相互結點必須經過中央結點才能轉發信息；⑤通訊電路都是專用線路，利用率不高，故網絡成本較高。（2）環形結構結構：各結點通過環接口連于一條首尾相連的閉合環形通信線路中，環網中，數據按事先規定好的方向從一個結點單向傳送到另一結點。特點①信息流在網絡中是沿固定的方向流動，故兩個結點之間僅有唯一的通路，簡化了路徑選擇控制；②環路中每個結點的收發信息均由環接口控制，因此控制軟件較簡單；③環路中，當某結點故障時，可采用旁路環的方法，提高了可靠性；④環結構其結點數的增加將影響信息的傳輸效率，故擴展受到一定的限制。（3）總線形結構：個結點經其接口，通過一條或幾條通訊線路與公共總線連接。其任何結點的信息都可以沿著總線傳輸，并且能被任一結點接收。由于信息傳輸方向是從發送結點向兩端擴散，因此又稱為廣播式網絡。特點：①結構簡單靈活，擴展方便；②可靠性高，網絡響應速度快；③共享資源能力強，便于廣播式工作；④設備少，價格低，安裝和使用方便；⑤由于所有結點共用一條總線，因此總線上傳送的信息容易發生沖突和碰撞，故不易用在實時性要求高的場合。（4）樹形結構：分層結構，適用于分級管理和控制系統。特點：①通訊線路總長度較短，連網成本低，易于擴展，但結構較星形復雜；②網絡中除葉結點外，任一結點或連線的故障均影響其所在支路網絡的正常工作。2.介質訪問控制技術什么介質訪問控制?各結點通過公共通道傳輸信息，因此存在如何合理分配信道的問題，訪問控制方式的功能是合理解決信道的分配。（1）沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）——適用于總線形工作原理當某一結點要發送信息時，首先要偵聽網絡中有無其它結點正在發送信息，若沒有則立即發送；否則，等待一段時間，直至信道空閑，開始發送。確定等待時間的方法①當某結點檢測到信道被占用后，繼續檢測，發現空閑，立即發送；②當某點檢測到信道被占用后就延遲一個隨機時間，然后再檢測。重復這一過程，直到信到空閑，開始發送。沖突的解決方法當結點開始發送信息時，該結點繼續對網絡檢測一段時間，且把收到的信息和自己發送的信息進行比較，若相同，則發送正常進行；若不同，說明由其它結點發送信息，引起混亂，應立即停止，等待一個隨機時間，在重復上述過程。（2）令牌環——適用于環網令牌的定義是控制標志，網中只設一張力令牌，并依次沿各結點傳送。令牌的兩個狀態“空”狀態：表示令牌沒有被占用，當其傳至正待發送信息的結點時，該結點立即發送，并置令牌為“忙”狀態。“忙”狀態：表示令牌被占用，即令牌正在攜帶信息發送，當所發信息環繞一周，由發送結點將“忙”令牌置為“空”令牌。令牌環的特點能提供可調整的訪問控制方法；能提供優先權服務；有較強的實時性；需對令牌進行維護，令牌丟失降低環路利用率；控制電路復雜。（3）令牌總線——適用于總線形式原理把總線形傳輸介質的各個結點形成一個邏輯環，即人為地給各個規定一個順序。控制方式類似于令牌環。特點①吞吐能力法，吞吐量隨數據傳輸速率的提高而增加；②控制功能不隨電纜長度的增加而減弱；③不需沖突檢測；④具有一定的實時性。3.信息交換技術（1）線路交換交換原理：通過網絡中的結點在兩個站之間建立一條專用的物理線路進行數據傳送，傳送結束再“拆除”線路。交換過程建立線路傳送數據拆除線路特點專用線路，傳送實時性好，延時小；線路利用率低。（2）報文交換工作原理（存儲轉發）報文交換不需要在兩個站之間建立專用線路，而是把目的站名附加在報文上，然后交給下一結點。該結點接收整個報文，存儲下來，根據目的選擇下一轉發結點，直到目的站。特點線路利用率高，多個報文分時共享一條結點到結點的線路。報文要在結點排隊等待，延長報文到達目的時間。（3）分組交換工作原理（存儲轉發）將報文分成若干分組，并在每個分組上附加控制信息，這些報文經不同的路徑分別傳送到目的站后，再組成一個完整報文。數據報分組交換類似于報文交換，各個分組獨立傳送，選擇路徑，到目的站后在組裝。虛電路分組交換在發送分組織之前，要在源、目的之間建立一條邏輯線路，不同于電路交換，分組仍要存儲轉發，即建立一條虛電路。虛電路中的每個結點都有虛線路表，以便記錄下一個結點。各個分組沿虛電路傳送到目的站，因此在傳送之前只需做一次路徑選擇。特點數據報適用于發送一個或幾個報文分組。虛電路方法適用于兩個站點希望在一段連續的時間內交換數據。4.差錯控制技術（1）奇偶校驗校驗原理：一個字符校驗一次，在每個字符的最高位附加一個奇偶校驗位。適用范圍：每幀只傳送一個字節數據的異步通訊方式。（2）循環冗余校驗——CRC校驗校驗原理：發送端首先發送信息位，與此同時，CRC校驗位生成器用信息位除以多項式G(x)，信息違發完后，CRC校驗位就生成，并緊接其后發送校驗位。接收端在接收信息位同時，校驗器用接收的信息位除以同一個生成多項式，當信息位接收完后，對接收的CRC校驗位也進行計算，當兩個字節的校驗位接收完，如果除法的余數為0，則認為傳輸正確；否則，傳輸錯誤。適用范圍：每幀由多個字節組成的同步方式。（3）糾錯方式重發糾錯方式：發送端發送能夠檢錯的信息碼，接收端根據該碼的編碼規則，判斷有無錯誤，并把錯誤結果反饋給發送端。如果發送錯，則再次發送，直到接收端認為正確為止。自動糾錯方式：發送端發送能夠糾錯的信息碼，而不僅僅時檢錯的信息碼。接收端收到該碼后，通過譯碼不僅能自動發現錯誤，而且能自動地糾錯。傳輸效率低，譯碼設備復雜。混合糾錯方式：上述兩種混合。發送端發送的信息碼不僅能發現錯誤，而且還由一定的糾錯能力。接收端收到該碼后，如果錯誤位數在糾錯能力以內，則自動糾錯，如果錯誤過多，則要求重發。7.2.2網絡協議及其層次結構1.物理層功能：在信道上傳輸未經處理的信息。具體內容：對通訊雙方的機械、電氣、連接規程進行規定。協議：RS-232C、RS-422A、RS-423A、RS-485等均為物理層協議。2.數據鏈路層功能：將有差錯的物理鏈路改造成對于網絡層來說是無差錯的傳輸鏈路。具體內容：將數據組成數據幀，并在接收端檢驗傳輸的正確性。協議：SDLC、HDLC等。3.網絡層功能：也稱分組層，任務是網絡中傳輸分組。具體內容：控制信息交換、路由選擇。協議：X.25協議、IP協議。4.傳送（傳輸）層功能：從會話層接收數據，把它們傳到網絡層并保證這些數據正確到達另一端。具體內容：控制端到端的數據完整性。協議：TCP協議5.會話層功能：控制建立或結束一個通信會話的進程。具體內容：檢查并決定一個正常的通信是否正在發生。如果沒有發生，這一層在不丟失數據的情況下恢復會話，或根據規定，在會話不能正常發生的情況下終止會話。6.表示層功能：實現不同信息格式和編碼之間的轉換。具體內容：正文壓縮、提供加密、解密；文件格式的轉換；輸入輸出格式的轉換。7.應用層功能：規定在不同應用情況下所允許的報文集合和對每個報文所采取的動作。具體內容：數據傳輸完整性問題或發送/接收設備的速度不匹配的問題。7.2.3IEEE802標準IEEE802標準與OSI模型的關系局域網標準，因此包含下三層。IEEE802標準的內容IEEE802.1、IEEE802.2、IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5、IEEE802.6、IEEE802.7、IEEE802.8、IEEE802.9IEEE802標準規定各層的功能物理層：數據的封裝/拆封、數據的發送/接收，并通過介質存取部件收發數據信號。介質存取控制層支持介質存取，支持CSMA/CD、TokenBus、TokenRing。邏輯鏈路控制層尋址、排序、差錯控制等功能。7.2.4工業網絡的性能評價與選型1.工業網絡的性能評價工業網絡的主流拓撲結構：總線形和環形。令牌環與令牌總線的性能比較：傳輸速率：環形是點到點連接，傳輸效率高；總線形是多點連接，在總線上形成邏輯環，邏輯環不固定，令牌傳遞和維護算法比環形復雜。吞吐能力：令牌環數據吞吐能力高于令牌總線，原因在于控制結構上的差異。令牌總線是廣播式，數據、令牌、回答都要獨占介質；令牌是順序循環訪問，一定條件下有并行工作的特性，其數據、令牌、回答可同時傳遞。穩定性：在負載變化的環境中，令牌環的穩定性較令牌總線好。確定性：兩種控制結構的通訊方式一樣，確定性相同。靈活性：總線是無源連接，信息傳輸又不需轉發，增減結點都無須斷開原系統，可靠形和靈活性強于令牌環。2.工業網絡的選型（1）大型系統的工業網絡選型——分散型控制模式，分三級：分散過程控制級功能：主要完成自動調節和程序控制，可靠性、實時性要求較高。系統特征：各單元之間橫向聯系少；該級數據量不大，數據包較短，地理分布區域也較小。令牌總線、主從總線或星形結構集中操作監控級系統特征：該級數據處理量大，數據包較長且規整，實時性、可靠性、靈活性也較高；系統按設備和功能混合分布，橫向聯系較多；適合選型：令牌總線較好。綜合信息管理級系統特征：該級數據多且傳輸量大，系統按功能橫向分布，地域范圍廣，靈活性要求較低，工作站容量大。適合選型：令牌環結構。（2）中小型系統的工業網絡選型對只有集中操作監控級和分散過程控制級的中小型系統：兩極同時使用令牌總線對傳輸量大、結點少且分散的場合：監控級直接選用令牌環較好。老企業技術改造：星形結構。習題輔導：7.4工業局部網絡通常有哪四種拓撲結構？各有什么特點？7.5工業局部網絡常用的傳輸訪問控制方式有哪三種？各有什么特點？

第十五周內容及其輔導講授內容：7.3分散型控制系統（DCS）重點掌握：分散過程控制級集中操作監控級綜合信息管理級內容輔導：7.3分散型控制系統（DCS）7.3.1DCS概述分散型控制系統（DistributedControlSystem）：綜合4C技術：計算機技術（Computer）控制技術（Control）通訊技術（Communication）顯示技術（CRT）發展趨勢：將以計算機集成制造系統（CIMS）為目標，以新的控制方法、現場總線智能化儀表、專家系統、局域網絡等新技術，為用戶實現過程控制自動化與信息管理自動化相結合的管控一體化綜合集成系統。1.DCS的體系結構（1）分散過程控制級功能面向生產過程，是DCS的基礎，直接完成生產過程的數據采集、調節控制等功能，其輸入是面向傳感器的信號，輸出是驅動執行機構。主要裝置現場控制站（工業控制機）可編程序控制器（PLC）智能調節器其它測控裝置（2）集中操作監控級功能：以操作監視位主要任務，兼有部分管理功能。面向操作人員和控制系統系統工程師，配備計算機及外設，以及相應軟件，對生產過程實行高機控制策略、故障診斷、質量評估。組成：監控計算機工程師顯示操作站操作員顯示操作站（3）綜合信息管理級功能：由管理計算機、辦公自動化系統、工廠自動化服務系統構成，實現整個企業的綜合信息管理。（4）通訊網絡系統功能：DCS各級之間的信息傳輸。分類：低速、中速、高速網絡。應用：低速面向過程控制級；中速面向操作監控級；高速面向綜合管理級。2.DCS的特點硬件積木化軟件模塊化控制系統組態通訊網絡的應用可靠性高7.3.2DCS的分散過程控制級分散過程