计算机控制系统
高金源夏洁
北京航空航天大学清华大学出版社
2006年11月
《计算机控制系统》?依<全国高等学校自动化专业系列教
材编审委员会>审定的教材大纲编写。?主编人：高金源夏洁
?出版发行：清华大学出版社
9.1集散型控制系统
9.2现场总线控制系统
9.3以太控制网络系统
9.4控制网络与管理网络集成技术
9.5网络控制系统及其时间同步
9.6闭环网络控制系统分析
9.7闭环网络控制系统的控制器设计方法
9.1 集散型控制系统9.1.1 概述
9.1.2功能分层体系及基本结构9.1.3 集散控制系统的组态性
9.1.1 概述
?相关概念
–集中控制
?采用单一的计算机来实现对工业大系统的控制。
–分布式控制
?将一个工业大系统划分为若干个子系统，分别由若干台控制器
去控制。分布式控制承认各个子系统间的联系，经过通信子网
将各个局部控制器联系起来，为了实现大系统意义上的总体目
标最优，还设置上级协调器，实现全系统的协调控制。
–集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统
（Total Distributed Control Systems，简称
集散系统DCS）
?以微处理器为基础，是应用于过程控制的工程化的分布式计算
机控制系统。
?实际需要——管理要集中，控制要分散
DCS发展新趋势：
(1)网络系统的功能增强，而且朝着开放、标准化方向发展。
(2) 中小型集散控制系统有较大发展。现场总线技术的发展和PLC的发展
更促进了各集散控制系统制造商推出中小型集散控制系统。
(3) 电控、仪表与计算机（Electrical Instrumentation
Computer，EIC）“机电一体化”将导致各公司的兼并，EIC集成已是大势所趋。
(4) 软件与人机界面更加丰富。集散系统已经采用实时多用户、多任务操
作系统。配备先进控制软件的新型集散系统将可以实现适应控制、解耦控制、优化控制和智能控制。
(5) 系统集成化。集散控制系统作为CIMS（计算机集成化制造系统）的
基础，是其系统集成的主要组成部分，成为提高企业综合效益的重要途径。
(6) 以因特网（Internet）、内联网、局域网、控制网或现场总线为通
信网络框架结构的一种更开放、更分散、集成度更高的分布式计算机控制网络正在迅速发展，相应的控制理论和控制方法也将得到新的发展。
9.1.2 功能分层体系及基本结构
集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思想、分而自治和综合协调的设计原则、采用层次化体系结构。1. 集散控制系统
功能分层体系
图9-2 集散控制系统体系结构的各层功能
2. 集散控制系统基本结构
(1) 第一代集散控制系统
?以1975年由美国霍尼威尔
（Honeywell）公司首先
推出的集散系统TDC-
2000为第一代集散系统的
标志。
?这一代集散系统主要解决当
时过程工业控制应用中采用
模拟电动仪表难以解决的有
关控制问题。图9-3 第一代集散系统结构简图
(2) 第二代集散控制系统
?20世纪80年代，由于微机
技术的成熟和局部网络技术
的进入，使得集散系统得到
飞速发展。第二代集散系统
以局部网络为主干来统领全
系统工作，系统中各单元都
可以看作是网络节点的工作
站，局部网络节点又可以挂
接桥和网间连接器，并与同
网络和异型网络相连。
?特点是系统功能扩大及增强。
图9-4 第二代集散系统结构简图
(3) 第三代集散控制系统
?其结构的主要变化是局部网络采
用了MAP或者是与MAP兼容、
或者局部网络本身就是实时MAP
LAN。
?MAP是由美国GM（通用汽车公
司）负责制定的，它是一种工厂
系统公共的通信标准，已逐步成
为一种事实上的工业标准。
?除了局部网络的根本进步之外，
第三代集散控制系统的其它单元
无论是硬件还是软件，都有很大
的变化，但系统的基本组成变化
不大，其主要特征为开放系统。
图9-5 第三代集散系统结构简图
(4) 第四代集散控制系统
?20世纪90年代末期至21世纪开始，由于电子信息产业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，DCS厂家进一步提升了系统功能范围，将系统开发的方式由原来完全自主开发变为集成开发，推出了第四代DCS。?共性：
–全面支持企业信息化、系统构成集成化、混合控制功能兼容，营建进一步分散化、智能化和低成本化，系统平台开放化、应
用系统专业化。
?主要特征为：
–信息化和集成化；混合控制系统；融合采用现场总线技术的进一步分散化；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；系统平
台开放型与应用的专业化。
图9-6 和利时第四代集散控制系统体系结构
3. 集散控制系统特点
(1)分散性和集中性
系统控制分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。
集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。
(2)自治性和协调性
各工作站独立自主地完成分配给自己任务，并通过通信网
络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能
和优化处理。
(3)友好性
采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。(4)适应性、灵活性和可扩充性
采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可
以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的
大小配置。
3. 集散控制系统特点（续）(5)实时性
?采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合化和系统化。
?通过人机接口和I/O接口，可对过程对象进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态
回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的
可用性。
(6)可靠性
–广泛采用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断、自检查、自修理功能，故障出现时还可自动报警。
–使集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。
4. 集散控制系统数据通信(1) 数据传输的介质
–双绞线、光钎、同轴电缆等。
(2) 数据传输方式
–基带传输方式
–频带传输方式
(3) 数据通信网络的拓扑结构
–星型、环型和总线/树型等常见几种
(4) 网络的访问控制方法
集散控制系统采用的信息存取控制方式主要为：?CSMA／CD（带有冲突检测的载波侦听多路存取）
?令牌环法
?令牌总线
9.1.3 集散控制系统的组态性1.集散控制系统的组态类型
–系统组态
?完成组成系统的各设备间的连接；
–画面组态
?完成操作站的各种画面、画面间的连接；
–控制组态
?完成各控制器、过程控制装置的控制结构连接、参数设置等。
2. 集散控制系统的组态软件?指一些包括数据采集与工程控制的专用软件，属于自动控制监控层一级的软件平台和开发环境，以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，可以非常容易实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统的集成。
?组态软件的分类：
–国外专业软件厂商提供的产品，如美国Wonderware公司的
INTOUCH、美国Intellution公司的FIX以及西门子公司的
WINCC
–国内自行开发的国产化产品有Synall、组态王、力控、MAGS、Controlx等。
(1) 组态软件需要解决的问题：?如何与采集、控制设备间进行数据交换。
?使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。
?处理数据报警及系统报警。
?存储历史数据并支持历史数据的查询。
?各类报表的生成和打印输出。
?为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求。
?最终生成的应用系统运行稳定可靠。
?具有与第3方程序的接口，方便数据共享。
某工厂集散控制系统的组态画面
(2) 许多组态软件具有的突出特性：
①组态向导（软件助手）
–组态向导提供预定义的参数，组态工程师可借鉴它来进行或修改组态过程。
②库和模块
–已建立的对象可储存在一个库内，也可将它们从库中调出。这样使用户可以开发公司、技术或部门专用的标准，有助于快速建立项目。
③交叉引用组态
–可以通过交叉索引列表的画面，提供处理大量数据的组态工具，具有数据的导入/导出功能，可以导入和导出变量、导入和导出
消息、导入和导出文本。
④测试、试运行和维护
–只需应用仿真器就可对一个组态进行测试。
分数： 96.0 完成日期：2011年02月17日 23点18分 说明： 每道小题括号里的答案是学生的答案，选项旁的标识是标准答案。 一、单项选择题。本大题共20个小题，每小题 2.0 分，共40.0分。在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。 1. 计算机与计算机或智能设备之间进行通信地的连线，称为（ ） ( B ) A. 内部总线 B. 外部总线 C. PCI总线 D. ISA总线 2. 分散型控制系统综合的四C技术其中有（ ）。 ( C ) A. 分散控制 B. 集中控制 C. 控制技术 D. 信息处理 3. 通过一个信息帧传送的信息字段，是通讯中的实质性内容， 也就是（ ）。 ( B ) A. 应用层 B. 消息层 C. 物理层 D. 链路层 4. Bitbus的电气接口采用的是平衡传送的（ ）标准。 ( B ) A. RS-232 B. RS-485 C. RS-422 D. IEE-488 5. 按字符传送数据的方法称为（ ）。 ( B )
A. 同步传送 B. 异步传送 C. 网络传送 D. 远传 6. 外界干扰的扰动频率越低，进行信号采集的采样周期应该越 （ ）。 ( A ) A. 长 B. 短 C. 简单 D. 复杂 7. 所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在（ ）的时 间范围内完成。 ( D ) A. 微秒级 B. 纳秒级 C. 毫秒级 D. 一定 8. 数字量输入通道主要由（ ）、输入调理电路、输入地址译码 等组成。 ( A ) A. 输入缓冲器 B. 输入锁存器 C. 输出缓冲器 D. 输出锁存器 9. A/D转换器的主要技术指标中，（ ）是指完成一次模拟量到 数字量转换所需要的时间。 ( D ) A. 分辨率 B. 线性误差 C. 量程 D. 转换时间 10. 将采样信号转换成数字信号的过程称为量化过程，执行量化 动作的装置是（ ）。
探析运动控制新技术 摘要: 信息时代的高新技术推动了传统产业的迅速发展,在机械工业自动化中出现了一 些运动控制新技术:全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、 运动控制卡等。本文主要分析和综述了这些新技术的基本原理、特点以及应用现状等。 关键词:伺服驱动技术,直线电机,可编程计算机控制器,运动控制 1 引言 信息时代的高新技术流向传统产业,引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业,在这场新技术革命冲击下,产品结构和生产系统结构都发生了质的跃变,微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合,促使机械工业开始了一场大 规模的机电一体化技术革命。 随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展,各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注,它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。 在机电一体化技术迅速发展的同时,运动控制技术作为其关键组成部分,也得到前所未有的大发展,国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。本文主要介绍了全闭环交流伺服驱动技术(Full Closed AC Servo)、直线电机驱动技术(Linear Motor Driving)、可编程序计算机控制器(Programmable Computer Controller,PCC)和运动控制卡(Motion Controlling Board)等几项具有代表性的新技术。 2 全闭环交流伺服驱动技术 在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中,交流伺服系统的应用越来越广泛,其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流,而且调试、使用十分简单,因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器(Digital Signal
EtherCAT网络及其运动控制系统研究 谢香林，李木国 大连理工大学电子信息工程学院，辽宁大连 (116024) E-mail：xxlzdh204@https://www.doczj.com/doc/a06617681.html, 摘要：随着以太网技术的发展，特别是高速以太网的出现使得以太网进入工业通信领域，各种工业以太网技术也迅速发展和推广。本文介绍了一种高速的工业以太网-EtherCAT，该网络采用标准以太网技术，采用了独立的工业过程数据传输通道，提高了传输的实时性，并具有灵活的拓扑结构，简单的系统配置，高可靠性等特点。文章分析了EtherCAT网络的原理、技术特点及主从站关键技术。在此基础上设计了一种基于EtherCAT网络和DSP的双轴运动控制系统，给出了系统的总体框架及主从站实现的关键细节，最后给出了相应的实验结论。本设计充分发挥了EtherCAT工业以太网络实时数据传输的功能和TMS320F28335 DSP 芯片强大的运算处理能力，实现了运动系统高精度的位置控制。 关键词：EtherCAT；运动控制系统；实时以太网 1. 引言 目前基于以太网技术的现场控制网络被广泛应用于工业现场控制领域。由于传统的以太网不能满足工业控制实时性的要求，因此，如何在传统以太网的基础上加以实时性改进，使之符合工业传输标准是以太网用于工业领域的根本解决方法。德国倍福公司提出的EtherCAT工业以太网技术在数据链路层采用了实时调度的软件核，并采用了过程数据传输的独立通道，提高了系统的实时性；该网络还具有灵活的拓扑结构，简单的系统配置，较低的成本等特点，目前该网络得到了越来越多网络工业设备开发商的关注。把EtherCAT引入到运动控制系统，可以在上位控制器和驱动单元之间通过该网络实时的传递控制数据和状态数据，并且能够借助于该网络提供的分布时钟提供准确的多轴同步功能。本文设计的一套运动控制系统为双轴运动控制系统，实现了伺服电机精确的实时控制。 2. EtherCAT技术介绍 2.1 EtherCAT总体构架 EtherCAT采用主从式结构，主站PC机采用标准的以太网卡，从站采用专用芯片。EtherCAT支持包括线型、总线型和树型在内的几乎所有拓扑结构，整个网络可以连接65535台设备[1]。 与其他工业以太网和现场总线相比，EtherCAT在帧的处理方式上有了明显的不同，它突破了其它以太网解决方案的这些系统限制：不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码并复制为过程数据。在EtherCAT中，系统控制周期由主站发起，主站发出下行电报，电报的最大有效长度为1498字节。当帧通过每一个设备（包括底层端子设备）时，EtherCAT从站控制器分析寻址到本机的报文，根据报文头中的命令读入数据或写入数据到报文指定的位置，并且从站硬件把该报文的工作计数器(WKC)加1，表示该数据被处理，整个过程大约10ns的延迟。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。数据帧在访问位于整个系统逻辑位置的最后一个从站后，该从站把经过处理的数据帧作为上行电报直接发送给主站。主站收到上行电报后，处理返回数据，一次通讯结束。图1为EtherCAT工作原理：
运动控制器的应用现状及其发展趋势 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 1运动控制器的应用现状 运动控制器越来越广泛地应用于各个行业的自动化设备，如数控机床、雕刻机、切割机、钻孔机、印刷机、冲孔机、激光雕刻、激光切割、包装机、纺织机、食品加工、绘图机、点胶机、焊接机、电子装配白动检测等，甚至在航空航天和国防领域也得到广泛应用。根据所用的CPU不同，运动控制器产品主要有以下五种类型： （1）以单片机（MCU）为核心的运动控制器，低端采用8位或16位的单片机作为处理器，其主要优点是价格比较低廉，缺点是运行速度较慢，控制精度较低。因此这种运动控制器适用于一些低速或运动控制精度要求不高的点位运动或轮廓运动控制的自动化设备。 （2）以专用芯片为核心的运动控制器，美国国家半导体公司生产的LM628和LM629专用运动控制芯片，日本的NOVA生产的MCX304、MCX501等运动控制芯片是专门为精密控制步进电机和伺服电机而设计的专用处理器，产品应用于数控机床、雕刻机、工业机器人、医用设备、绕线机、自动仓库、绘图仪、点胶机、IC制造设备等领域。 （3）以数字信号处理器（DS）为核心的运动控制器，美国DeltaTau公司生产的PMAC 运动控制器，采用Motorola的DSP56003作为处理器。国内的基于DSP的运动控制器，通常以美国TI公司推出的C2000系列，例如TMS320F2812和TMS320F28335作为运动控制器的核心芯片。
第一章计算机网络概论 1.计算机网络可分为哪两大子网？他们各实现什么功能？ 计算机网络分为用于信息处理的资源子网和负责网络中信息传递的通信子网。 资源子网负责信息处理。包括提供资源的主机HOST和请求资源的终端T，它们都是信息传输的源节点，有时也通称为端节点。 通信子网负责全网中的信息传递。主要由网络节点和通信链路组成。 2.计算机网络的发展可划分为几个阶段？每个阶段各有什么特点？ 可分为四个阶段。第一阶段为面向终端的计算机网络，特点是由单个具有自主处理功能的计算机和多个没有自主处理功能的终端组成网络。第二阶段为计算机-计算机网络，特点是由具有自主处理功能的多个计算机组成独立的网络系统。第三阶段为开放式标准化网络，特点是由多个计算机组成容易实现网络之间互相连接的开放式网络系统。第四阶段为因特网的广泛应用与高速网络技术的发展，特点是网络系统具备高度的可靠性与完善的管理机制，网络覆盖范围广泛。 3.早期的计算机网络中，那些技术对日后的发展产生了深远的影响？ 早期的ARPANET、TCP/IP、SNA的技术对日后的发展产生了深远的影响。 4.简述计算机网络的功能。 计算机网络主要有存储器、打印机等硬件资源共享，数据库等软件资源共享和收发邮件收发消息等信息交换三方面的功能。 5.缩写名词解释。 PSE：分组交换设备PAD：分组装拆设备NCC：网络控制中心FEP：前端处理机IMP：接口信息处理机DTE：数据终端设备DCE：数据电路终接设备 PDN：公用数据网OSI：开放系统互连基本参考模型HDLC：高级数据链路控制协议 第二章计算机网络基础知识 1.简述模拟数据及数字数据的模拟信号及数字信号表示方法。 模拟数据可以直接用对应的随时间变化而连续变化的模拟信号来表示，也可以经相应的转换设备 转换后用离散的数字信号表示。 数字数据可用二进制编码后的离散数字信号表示，也可经转换设备转换后用连续变化的模拟信号 表示。 2.简述Modem和CODEC作用 Modem可以把离散的数字数据调制转换为连续变化的模拟信号后经相应的模拟信号媒体传送出 去，把接收到的连续变化的模拟信号解调还原成原来的离散数字数据。 CODEC把连续变化的模拟信号编码转换成二进制数字信号后传送出去，把收到的数字信号解码还原成原来的模拟信号。 3.什么是数据通信？ 数据通信是通过计算机等数据装置和通信线路完成数据编码信号的传输、存储和处理。4.数据传输速率与信号传输速率的单位各是什么？它们之间有什么关系？ 数据传输速率S的单位是位/秒，记作bps或b/s，信号传输速率B的单位是波特（Baud）。数据传输速率等于信号传输速率乘以每码元表示的二进制位数。
一、NCS4000网络化控制系统概述 NCS4000网络化控制系统是新一代分布式网络化控制系统，适用于中、大规模工业控制环境，可提供过程控制、逻辑控制、批处理控制等复杂控制功能。 NCS4000控制系统具有如下特点： ● 支持中、大规模控制系统应用，物理连接能力8192点或更多物理I/O 点数； ● 支持以太网、工业以太网（HSE ）和EPA 标准； ● 支持FF 、Profibus DP 、 AS-I 、 HART 等多种现场总线标准； ● 支持控制器冗余、网络冗余、I/O 模块冗余、电源冗余等多种冗余方式； ● 支持设备管理、诊断与维护功能； ● 支持分布式组态、离线组态、仿真等多种功能； ● 支持IEC61131-3编程标准； ● 开放的数据访问接口，支持OPC 标准； ● 集成先进过程控制技术，提供行业解决方案。 二、 NCS4000网络化控制系统及NCS4000控制站硬件结构 2.1 系统结构 NCS4000网络化控制系统采用上层管理（人机接口）、控制站、现场设备三层结构。其中现场设备包括符合现场总线通信协议标准的智能传感器、变送器、执行器、其它传统仪表和模拟信号等。NCS4000控制系统的架构如下图所示： 操作员工作站 操作员工作站 工程师工作站 NCS4000控制站 NCS4000控制站 现场总线接口现场总线设备现场总线设备现场总线设备 I/O 模块I/O 模块 现场总线接口人机接口 控制站 现场总线设备 内部总线 FF HSE 总线或EPA 现场总线 图1 NCS4000控制系统的架构
NCS4000控制系统由NCS4000控制站、工作站、现场设备及控制网络组成。一个NCS4000网络中最多可接32个NCS4000控制站。工作站由工业控制计算机或PC机构成，数量没有严格的限制，理论上讲不应超过（254－32）222台，但实际应用中不可能有这么多，64台以内就应该能满足绝大多数应用的需要。 下图描述了一个基本的NCS4000控制系统构成，其中包括： 图2NCS4000控制系统构成图 1)多于1个的NCS4000控制站：NCS4000控制站是一个实现现场数据采集、运算控制、 网络通信、设备诊断和维护等功能的工业控制设备。它由控制器模块、电源模块、I/O 子系统及其它附属组件构成，是NCS4000网络化控制系统中的核心设备。 2)多于1个的NCS4000工作站：NCS4000工作站可以是一台常规的工业控制计算机，也 可以是一台普通的计算机。它提供控制应用组态、HMI画面显示、历史数据记录等功 能。 3)必要的网络连接设备，如交换机等。 4)控制网络。NCS4000的控制网络采用基金会现场总线标准定义的高速以太网（FF HSE），提供具有网络冗余功能的100M网络连接功能。 2.2控制站硬件结构 NCS4000控制系统采用FF HSE现场总线作为控制网络，最多可以连接32个NCS4000控制站，挂接在HSE网络上的NCS4000控制站可以实时通信，组成控制回路，提供全分布的控制功能。 NCS4000控制系统的核心部件是NCS4000控制站。NCS4000控制站是一个实现现场数据采集、控制、网络通信、设备诊断和维护等功能的工业控制设备。 NCS4000控制站由控制器模块、I/O子系统、电源模块及附属设备构成，如下图所示。
网络控制技术作业题 一、基本概念（每小题4分，共40分） 1、什么是现场总线? 现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。IEC对现场总线的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制设备之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。 2、数据编码分几种？什么是差分码？ 解答：数字编码是指通信系统只以何种物理信号的形式来表达数据。通常有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、曼彻斯特码、模拟数据编码等七种。差分码是指用电平的变化与否来表示逻辑1和0.电平变化代表1，不变化代表0，此规定的码称为信号差分码。 3、计算机局域网拓扑结构最常见的有哪几种？ 常见的网络拓扑结构有：星形拓扑、环行拓扑、总线拓扑、树形拓扑等 4、IEC61158标准中包括哪些现场总线？ 答：Type 1 TS61158现场总线 Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线 Type 3 Profibus现场总线 Type 4 P-NET现场总线 Type 5 FF HSE现场总线 Type 6 SwiftNet现场总线 Type 7 World FIP现场总线 Type 8 Interbus现场总线 Type 9 FF H1现场总线 Type 10 PROFInet现场总线 5、什么是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）？ 即载波监听多路访问/冲突检测方法是一种争用型的介质访问控制协议。是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。CSMA/CD协议简单、可靠，其网络系统被广泛使用。csma/cd 是工作在数据链路层。举个简单例子，比如说以太网。 6、CAN总线是如何进行仲裁的？ 答：CAN总线采用的是一种叫做“载波监测，多主掌控／冲突避免”（CSMA／CA）的通信模式。这种总线仲裁方式允许总线上的任何一个设各都有机会取得总线的控制权并向外
《计算机控制技术》习题解答 第一章 什么是计算机控制系统？计算机控制系统由哪几部分组成？ 答：计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统。 计算机控制系统的组成：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两大部分组成。、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 计算机控制系统结构有哪些分类？指出这些分类的结构特点和主要应用场合。 答： （1）操作指导控制系统 优点：结构简单，控制灵活，安全。 缺点：由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。 （2）直接数字控制系统（DDS） 优点：实时性好，可靠性高，适应性强。 （3）监督控制系统（SCC） 优点：生产过程始终处于最优工况。 （4）分散控制系统（DCS） 优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。 （5）现场总线控制系统（FCS） 优点：与DCS相比，降低了成本，提高了可靠性。国际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构。 .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。 .实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ 答：所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。 操作指导、DDC和SCC系统的工作原理如何？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
2012-2013学年第二学期课程名称: 运动控制系统（A） 一、简述下列问题（每题10分） 1．在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数？2．哪些因素造成逻辑无环流系统要比配合控制的有环流系统的切换过程长？3．从电压频率协调控制而言，同步电动机与异步电动机的调速有何差异？4．伺服系统的给定误差和扰动误差与那些因素有关？ 二、采用电压空间矢量PWM控制方法，若直流电压u d 恒定，如何协调输出电压与输出频率的关系？（15分） 三、分析比较按转子磁链定向和按定子磁链定向异步电动机动态数学模 型的特征，指出它们的相同和不同之处。（15分） 网络教育学院2011级（秋）期末试卷
五、试比较矢量控制系统和直接转矩控制系统的特点和性能。（15分） 四、论述同步电动机按气隙磁链定向和按转子磁链定向矢量控制系统 的工作原理，并与异步电动机矢量控制系统作比较。（15分）
运动控制系统试卷(A)答案 一、简答题 1、答：若调节电动机转速，应改变给定电压*,n U α，不能改变,n S K K 。 2、答：影响因素有：逻辑切换条件的判断，封锁延时时间，开放延时时间。 3、答：同步电机存在失步问题，可以根据转子位置直接控制变压变频装置换相时刻，进行自控变频调速。 4、答：给定误差与系统的开环增益K 和前向通道中所有积分环节的总数p+q 有关扰动误差则只与扰动作用点以前部分的增益Ｋ１和积分环节个数ｐ 有关。 二、答： 有效的方法是插入零矢量，使有效工作矢量的工作时间仅为 1t t ?
第一章 1. 计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物。 2. “网络”主要包含连接对象、连接介质、连接控制机制、和连接方式与结构四个方面。 3. 计算机网络最主要的功能是资源共享和通信，除此之外还有负荷均匀与分布处理和提高系统安全与可靠性能等功能。 4. 计算机网络产生与发展可分为面向终端的计算机网络、计算机通信网络、计算机互联网络和高速互联网络四个阶段。 5. 计算机网络基本组成主要包括计算机系统、通信线路和通信设备、网络协议和网络软件四部分。 6. 计算机通信网络在逻辑上可分为资源子网和通信子网两大部分。 7. 最常用的网络拓扑结构有总线型结构、环形结构、星型结构、树型结构、网状结构和混合型结构。 8. 按照网络覆盖的地理范围大小，可以将网络分为局域网、城域网和广域网。 9. 根据所使用的传输技术，可以将网络分为广播式网络和点对点网络。 10. 通信线路分为有线和无线两大类，对应于有线传输和无线传输。 11. 有线传输的介质有双绞线、同轴电缆和光纤。 12. 无线传输的主要方式包括无线电传输、地面微波通信、卫星通信、红外线和激光通信。问答： 1．例举计算机网络连接的主要对象。 具有独立功能的多台计算机、终端及其附属设备。 2．计算机网络是如何进行负荷均衡与分布处理的？ 分为三阶段：提供作业文件；对作业进行加工处理；把处理结果输出。在单机环境：三阶段在本地计算机系统中进行。 在网络环境：将作业分配给其他计算机系统进行处理，提高系统处理能力和高效完成大型应用系统的程序的计算和大型数据库的访问。 3．举例说明计算机网络在商业上的运用。 网络购物、网上银行、网上订票等。 4．简述什么是“通信子网”？什么是“资源子网”？ 资源子网主要负责全网的数据处理，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。由主计算机系统（主机）、终端、中断控制器、联网外设、各种软件资源与信息资源组成。 通信子网主要完成网络数据传输和转发等通信处理任务。通信子网由通信控制处理机（CCP）、通信线路和其他通信设备组成。 5．什么是点对点网络？ 由许多相互连接的结点构成，在每对机器之间都有一条专用的通信信道，不存在信道的复用和共享。 6．什么是“三网合一”？ 目前广泛使用的三类网络（通信网络、计算机网络和有线电视网络）向统一的IP 网络发展，即“三网合一”。 第二章 1．协议有三个要素：语法、语义、和时序。 2．服务原语可分为四类：请求、指示、响应和证实。
一、基本概念 1、什么是现场总线? 解答：现场总线是用于现场仪表与控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。IEC对现场总线的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制设备之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。 2、数据编码分几种？什么是差分码？ 解答：数字编码是指通信系统只以何种物理信号的形式来表达数据。通常有： 单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、曼彻斯特码、模拟数据编码等七种。 差分码是指用电平的变化与否来表示逻辑1和0.电平变化代表1，不变化代表0，此规定的码称为信号差分码。 3、计算机局域网拓扑结构最常见的有哪几种？ 解答：常见的网络拓扑结构有：星形拓扑、环行拓扑、总线拓扑、树形拓扑等 4、什么是网络传输介质？ 解答：网络传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。常见的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与卫星通信。 5、什么是载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）？ 解答：即载波监听多路访问/冲突检测方法是一种争用型的介质访问控制协议。 是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。CSMA/CD协议简单、可靠，其网络系统被广泛使用。 csma/cd 是工作在数据链路层。 举个简单例子，比如说以太网。 6、BasicCAN与PeliCAN有什么不同？105 解答：SJA1000有两种工作模式，在PeiliCAN模式下，SJA1000有了一个含很多新功能的重组寄存器。SJA1000包含了设计在BasicCAN下的所有位及一些新功能位，PeiliCAN模式支持CAN2.0协议中规定的所有功能（29位标识符） 7、Lon总线有什么特点?P206 解答：1、开放性：网络协议开放，对任何用户平等 2、通信媒质：使用多种传输介质，如双绞线、电力线、无线电波、红外线、光纤、同轴电缆和电源线等 3、互操作性：通信协议Lontalk是符合国际标准化组织ISO定义的开放互联模型 4、网络结构：可以是主从式、对等式或者客户|服务器式 5、网络结构：支持多种拓扑结构，如总线型、星型、环型、混合型等 6、网络通信采用面向对象的设计方法 7、通信的每帧有效字节数可从0到228B 8、通信的速率可达1.25M/s
一、?单选题（每小题1分，共20分） 1．?调制解调技术主要用于下列哪种数据通信中 A、模拟信号传输模拟数据??????????????? B、模拟信号传输数字数据 C、数字信号传输数字数据??????????????? D、数字信号传输模拟信号2．下列哪种交换方法传输延迟最小？ A、报文分组交换????????????????????? B、报文交换 C、电路交换??????????????????????? D、各种方法都一样 3．下列哪种交换方法使用了虚电路？ A、报文分组交换????????????????????? B、报文交换 C、电路交换??????????????????????? D、各种方法都一样 4．虚电路方法在传输数据前 A、必须预先建立一条逻辑连接??????? B、不需要对信息进行分组 C、收发两站的发送接收设备必须同时可用?? D、必须建立起专用的通信线路5．在下列传输介质中，哪种介质的典型传输率最高？ A、双绞线??????? B、同轴电缆?????? C、光纤?????? D、无线介质 6．RS232C逻辑0的电平为 A、大于+3V????? B、小于-3V??????? C、大于+15V???? D、小于-15V 7．两端用户传输文件，应属于下列OSI的哪一层处理？ A、表示层??????? B、会话层??????? C、传输层??????? D、应用层 8．使用路径通过子网，应属于下OSI的哪一层处理？ A、物理层????? B、数据链路层????? C、传输层????? D、网络层 9．OSI模型中，对话控制是哪个层次的功能？ A、网络层?????? B、传输层?????? C、会话层?????? D、表示层 10．管理计算机通信的规则称为： A、协议????? B、介质????? C、服务????? D、网络操作系统 11．控制访问网络资源的软件称为 A、操作系统????? B、工作站??????? C、客户机??????? D、外设12．Windows?NT为管理用户帐号提供的使用程序叫做 A、服务器管理器??????????????????????? B、用户管理器 B、域用户管理器???????????????????????D、帐号管理器 13．以下哪个IP地址属于C类地址？A、?????????????????????????? B、C、??????????????????????D、 14，域名与下面哪个一一对应 A、物理地址????? B、IP地址?????? C、网络???????? D、以上均错 15．路由器运行于OSI模型的哪个层次？ A、数据链路层??? B、网络层?????? C、传输层?????? D、应用层 16．IP协议提供哪种服务？ A、无连接服务??????????????????????? B、面向连接的服务 C、虚电路服务??????????????????????? D、以上都不是 17．DNS必须具有一个 A、动态IP地址??????????????????????? B、静态IP地址 C、动态计算机名?????????????????????? D、固定的计算机名 18．下面哪个网络技术最适合多媒体通信需要？
1、工业控制网络技术的特点：（1）具有实时性和时间确定性（2）、信息多为短帧结构且交换频繁 3可靠性和安全性较高 4网络协议简单实用 5网络结构具有分散性 6易于实现与信息网络的集成 1、工业控制网络技术包括：1.现场总线技术：一种应用于生产现场，在现场设备之间，现场设备与控制装置之间实行双向串行多节点数字通信的技术 2.工业以太网技术：采用与商用以太网兼容的技术，选择适应工业现场环境的产品构建的工业网络 2、自动控制系统的发展主要经历了那几个阶段：1 气动信号控制阶段 2 模拟信号控制阶段3 集中式数字控制 4 集散式数字控制 5网络控制 3、网络控制系统的优点；1结构简单、安装维护方便 2 信息集成度高3 现场设备测控功能强 4 易于实现远程控制 4、控制网络与信息网络的区别：1 控制网络具有较高的数据传输实时性和系统响应实时性2控制网络具有较强的环境适应性和较高的可靠性 3 控制网络必须解决多家公司产品和系统在同一网络中的相互兼容问题 5、控制网络和信息网络集成的实现方式：1 采用硬件实现 2采用DDE实现 3采用统一的协议标准实现 4采用数据库访问技术实现 5采用OPC实现 第二章CAN （控制器局域网） 1、CAN总线特点：1.AN为多主方式工作 2.AN网络上的节点信息分成不同的优先级3.CAN 采用非破坏性总线仲裁技术 4.采用报文滤波 5.直接通信距离可达10km 6结点取决于总线驱动电路 7.采用短帧结构传输时间段抗干扰能力强，有较好的检错结果 8.每次信息都有CRC检验及其他检错措施 9.通信介质可为双绞线，同轴电缆或光线选择灵活 10.CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 2、CAN通信模型：遵循ISO/OSI标准模型，分为数据链路层和物理层。数据链路层包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层 3、报文传送类型：数据帧、远程帧、错误帧和超载帧 4、报文结构：1.帧的组成：由7个不同位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结束 5、错误类型：位错误、填充类型、CRC错误、格式错误、应答错误 6、正常位时间组成：分为几个互不重叠的时间段，包括：同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段2 7、显性隐性类：显性“0”状态以大于最小阀值的差分电压表示隐形“1” 8、CAN通信控制器：（1）sja1000通信控制器实现了can总线物理层和数据链路成的所有功能。其功能组成：接口管理逻辑（iml）、发送缓冲器（txb）、接受缓冲器（rxb、rxfifo，b字节） 工作模式：basiccan模式、elican模式。 （2）tn82527can通信控制器。（3）内嵌can控制器的p8xc591。 10，CAN总线io器件：82c150 主要功能：can接口功能io功能。 11，节点设计 CAN总线系统有两类节点：不带微处理器的非智能节点和带微处理器的智能节点，1.硬件电路设计：采用898c51作为节点的微处理器，在can总线通信接口中，can 通信控制器采用sja1000，can总线收发器采用82c250 2.软件设计：三部分 can节点初始化，报文发送和报文接收。 第三章 Profibus(国际现场总线标准） 1.profibus分为哪三部分，个部分结构主要用途是什么？ 答：profibus--FMS：用于解决车间一级通用性通信任务。 Profibus--DP：用于解决设备一级的告诉数据通信。
现场总线是指生产现场多个测量控制设备之间公用的信号传输线，也曾被称为设备电话线，是在生产现场多个测量控制设备间实现双向串行数字通信的传输介质。 现场总线技术是用于测量控制领域的通信、网络与控制技术。 现场总线系统是指以测量控制设备作为网络节点，以双绞线、屏蔽电缆、光纤、无线等传输介质为纽带，把位于生产现场、具备了数字计算和数字通信能力的测量控制设备连接组成的开放式网络系统与控制系统。 网络化控制系统是在基于现场总线的系统中，总线作为网络传输介质，在传感器、控制器、执行器各环节之间传递信号，通过现场总线在各环节之间的信息传输，形成控制系统。这种以网络作为控制系统各组成环节之间信号传输通道的系统。 全分布式控制系统是指将控制系统功能彻底分散在现场，依靠现场仪表之间的信号传递完成控制功能的系统。 总线仲裁是指对总线冲突的处理过程。 集中式仲裁是指仲裁过程由某个特定单元完成。如果有两个以上主设备同时申请使用总线，，由该特定仲裁单元根据规定的仲裁方案实行仲裁。 分布式仲裁是指仲裁过程在各个主设备中自主完成。 数据终端设备产生数据的数据源设备或接收数据的数据用户设备，它一般与通信信号的调制、编码无关，也不直接连接在传输介质上。 数据通信设备将数据转换为对应的通信信号并发送到传输介质上的电路设备，以及把从传输介质上接收到的通信信号转换为数据的电路设备，如调制解调器，电缆驱动器，多路复用输出器。 总线主设备指有能力在总线上发起通信的设备。有能力掌管总线通信的调度权。一总线可以有多个主设备，但是某一时刻只有一个掌握通信调度权。 总线从设备指没有能力对总线注定发起通信，只能挂接在总线上，接受总线信号，对查询作出相应响应的设备，也成为基本设备。 基带传输传输过程中不采用任何调制解调的频率交换措施，基本按照数据位流本身频率进行的传输。，应用最广泛，大多局域网采用 载波传输发送设备要产生某个频率的信号作为基波来承载数据信号，这个基波被称为载波。载波信号加载数据后形成的调制信号的传输过程称为载波传输 波特率指每秒传输信号波的个数。 比特率与波特率意义相近。若每个变化波形只表示单一数据位时，二者相等，若表达两个数据位时，若比特率为9600b/s，波特率为4800Baud。 协议效率衡量通信系统软件有效性的指标之一。指所传数据包中，有效数据位与整个数据包长度的比值，一般用百分比表示，可用于对通信帧中附加量的度量。 通信效率指数据帧的传输时间与用于发送报文是我所有时间之比。所有时间还包括竟用总线或等待令牌的排队时间。 现场设备间采用网络连接打破了自动化系统原有的信息孤岛的僵局，为工业数据的集中管理与远程传送，为自动化系统与其他信息系统的沟通创造了条件。拓宽了控制系统的视野与作用范围，为实现企业的管理控制一体化，实现远程监视与操作，为在简历无人值守基站提供了基础条件。 终端器指在网段两端连接成对线缆导体的终点，用以防止发生信号反射的电子器件。终端器的阻值等于连接电缆的特征阻抗。 中继器将输入端口接收到的通信信号进行整形放大，并转发到输出端口下游节点的有源设备。在总线段上使用可增加总线的传输距离和挂接现场设备的节点数量。 通信确定性现场总线是实现测量控制的，有些冲任务是有严格的时序和实时性要求的。达不
南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目：高速运动控制网络主节点硬件设计专业：自动化（数控技术）
Graduation Design (Thesis) Hardware Design of High Speed Motion Control Network Master Node
摘要 运动控制是自动控制领域的一个重要分支。随着现场总线技术的发展，网络化成为了运动控制系统发展的必然趋势。随着技术的日臻成熟，其具有了在运动控制系统中应用的趋势和可能。运动控制网络是将网络技术应用到运动控制系统，并对其进行改进，以适应于运动控制系统需求而产生的一种控制网络技术。和现场总线相比具有安装成本低、传输速率快、支持服务类型多、用户基础广泛等突出的优点。 本文分析目前几种常用的用于运动控制的工业以太网络，提出了一种高速运动控制网络，给出了网络拓扑结构和工作方法。 具有网络通讯能力的控制模块是开发运动控制系统的基础，本文以高速运动控制网络主节点硬件设计为例，详细地介绍了微控制器电路设计、USB电路设计、显示电路设计、电源电路及PHY电路设计、可编程器件电路设计，说明了具有网络功能的控制模块的开发方法。并验证了该网络的开发的正确性。 关键词：运动控制网络；网络通讯；主节点
ABSTRACT The motion control is all important branch of auto control area. With the development of industrial field bus control system. Network turns into an inevitable trend of the motion control system development. As the technology becomes mature day by day, it has the application of the trend and possible in the motion control system. Motion control network is a network technology be applied to the motion control system, must be improved in order to meet the requirements of motion control system, a control network technology. It has many merits such as low installation cost, high communication speed, supporting variable services and large customer quantity. The paper analyzes a few common industrial Ethernets used for motion control, introduces a high speed motion control network, presents the network topology structure and working method. Control module with network communication capacity is the basic element of motion control system. With analysis of high speed motion control network master node hardware design, introduces in detail the design of micro controller circuit, USB circuit, display circuit, power supply circuit and PHY circuit, programmable device circuit. The develop method of control module with Network function is illustrated. And it is testified the feasible of the development of this Network. Key words：Motion control network; Network communications; Master node