第三章计算机数字控制理论基础 (2)
3.1离散系统的基本概念 (2)
3.1.1 采样过程及离散信号的数学描述 (3)
3.1.2 零阶保持器及其特性 (4)
3.1.3 信号复现及采样定理（shannon定理） (5)
3.2 Z变换及其基本定理 (5)
3.2.1 Z变换 (5)
3.2.2 Z变换性质及其基本定理 (11)
3.3 逆Z变换 (14)
3.3.1留数计算法 (14)
3.3.2 长除法 (15)
3.3.3 部分分式法 (16)
3.4 离散系统的数学描述 (18)
3.4.1 离散系统差分方程的一般形式 (18)
3.4.2 用Z变换求解差分方程 (20)
3.5 离散系统的脉冲传递函数 (21)
3.5.1 脉冲传递函数 (21)
3.5.2 开环和闭环脉冲传递函数 (24)
第三章 计算机数字控制理论基础
3.1离散系统的基本概念
随时间连续变化的信号称为连续信号或连续时间信号)(t x ，t 的取值是从∞-连续变化到∞+，这时的系统就是我们非常熟悉的时间连续控制系统或模拟控制系统。但是，若改用计算机来控制这类系统中的随机时间连续变化的各种参量信号时，必须首先将这些连续信号“离散化”后，才能对它进行处理和控制。这样，就要对这些连续变化的信号进行采样，即按一定的时间间隔?进行取值。离散化后的信号可表示为：
)()(?=k x n x （3-1）
在式（3-1）中，?=k n ，而k 取值为)~(+∞-∞中任一整数。称?为采样间隔或采样周期，而称)(n x 为离散信号，时间序列或离散序列，并称这时的控制系统为离散控制系统、采样数据控制系统或离散数字控制系统，统一称为数字控制系统。
在模拟控制系统中，其控制过程及其方式就是将被测控参量，如温度、压力、流量、液位等，经传感器将参量变换为统一的标准信号后，送入调节器，在调节器中与给定值进行比较，然后把差值经运算后送到执行机构，去改变被控制量，从而达到自动调节的目的。
在离散控制系统中，信号是用离散时间的数学序列来表示的。根据式（3-1），若定义序列中第n 个数字为)(n x ，则全部信号序列可用
)}({n x x = +∞<<∞-n （3-2）
来表示，在式（3-2）中，n 取值为)(+∞<<-∞n 中任一整数，图3-1所示为常用几种离散序列，它们分别是单位采样序列)()(n n x ?=，单位阶跃序列)()(n u n x =，实指数序列
)()(n u a n x n =和正弦序列)sin()(0??+=n A n x 。虽然图中横坐标画成一条连续直线，但
)(n x 仅仅对整数n 值才有定义，而对于非整数n 的值是没有定义的。上述各离散序列的定
义或取值如下：
（a ）单位采样序列)()(n n x ?= (b)单位阶跃序列)()(n u n x =
（c ）实指数序列)()(n u a n x n
= （d ）正弦序列
)sin()(0??+=n A n x
图3－1 常用的离散序列
单位采样序列： ?
?
?≠==?0 ,00
,1)(n n n （3-3）
单位阶跃序列： ?
??<≥=?0 ,00
,1)(n n n （3-4） 实指数序列： ???<≥=?0
,00 ,)(n n a n n
(a<1) （3-5）
正弦序列： )sin()sin()(0?ω?ω+=+=n A nT A n x （3-6） 在式（3-6）中，称s
f f
T πωω20=
=为正弦序列的数字角频率。T 为采样时间间隔时间，而T f s 1
=
为采样频率。即数字角频率0
ω等于模拟角频率ω的T 倍。
3.1.1 采样过程及离散信号的数学描述
如图3-2所示，连续控制系统是采用连续信号进行控制的，而离散控制系统的信号是以采样数据形式实施控制的，两者的概念不一样，因而研究问题的方法＆使用的数学工具液不一样。离散系统的采样方法有周期采样、多阶采样和随机采样等多种方式，但以周期采样用的最多。 图3-2（b ）中的采样器是数字控制系统实施离散控制的重要组成部分。采样器可看成为一个调制器，模拟输入信号)(t X 作为被调制信号，而采样开关的单位脉冲串（单位脉冲序列）
)(t T ?作为一调制频率。这样，周期采样的原理过程可用如图3-3的图形来描述。因为，经
过等间隔理想采样后，离散模拟信号
)(*t X 的表达式为 )()()(*t t X t X T ??= （3-7）
式（3-7）中的)(t T ?是等间隔的脉冲序列，即
∑∞
==-?=?n n T nT t t 0
)
()( （3-8）
其中
s f T =1为采样频率，利用频率卷积定理
)()()()()(*f f X t t X t X T ?????=
得：
∑∞
==-??=n n s nf f T f X f X 0
*
)
(1)()(
＝ ∑∞
==-??n n s nf f f X T 0)()(1
＝ ∑∞
==-n n s nf f X T 0)(1 （3-9）
式（3-9）是周期采样信号得数学表达式。可见数学描述与图形描述是一致的。
也可直接从时域得：
)()()(*t T X t X T ??=
+-?+-?+?=)2()()()()()(T t t X T t t X t t X +-?+-?+?=)2()2()()()()0(T t T X T t T X t X
∑∞
=-?=0
)()(n nT t nT X
（a ）采样前输入波形 （b ）单位脉冲序列
（c ）采样量化后输出
图3－3 采样前后输入波形的变化
由图3-3看出：一个连续变化的信号，经过采样后变成一个脉冲序列，这就是数字控制系统的采样过程。实践经验得出，采样频率越高，离散模拟信号)(*
t X 越接近连续输入函数)(t X 。
3.1.2 零阶保持器及其特性
零阶保持器的作用：将输入信号的幅值保持一个采样周期T ，即在一个采样周期内将开始时
输入的信号幅值保持不变，直到采样周期结束。
零阶保持器的输入为)()(t A t x δ=,输出为)()()(T t Au t Au t y --=。 所以，根据传递函数的定义可知，零阶保持器的传递函数为：
S
e A e
S A S A t x L t y L s H TS
TS ---=-==1)]([)]([)(
零阶保持器的幅－频特性：低通滤波特性，与理想的低通滤波器的区别，具体见幅－频特性
图。
3.1.3 信号复现及采样定理（shannon 定理）
在实时控制系统中，为了使
)(*t X 接近)(t X ，而设置过高的采样频率，势必因采样时间过短而增加计算机的负担。采样定理指出：若)(f X 有截止频率0f ，即当0||f f >时，)
(f X ＝0，且
021f ≤?或?≤210f 。那么，离散模拟信号)(*t X 是连续输入函数)(t X 的理想
采样信号。若采样频率max 2f f s ≥，那么，一定可以由离散模拟（采样）信号
)(*t X 唯一地复现连续输入函数)(t X 。
3.2 Z 变换及其基本定理 3.2.1 Z 变换
在分析连续系统时，运用拉氏变换可以使很多复杂的数学问题变得很简单。同样，在分析离
散控制系统时，拉氏变换这一工具也给予我们有力的支持。
设离散控制系统中某处的离散信号为
)(*t X ，可用 ∑∞
=-?=0
*
)
()()(n nT t nT X t X （3-10）
来表示。若对它进行拉氏变换，得
∑∞
=-==0
*
*
)()]([)(n nTs
e nT X t X L s X （3-11）
在式（3-11）中含有无穷多项，且每一项均含有nTs
e -，它是一个指数函数，为了运算方便，
令Ts
e z =，则式（3-11）可写成为
∑∞
=-=0
)()(n n
z nT X z X （3-12）
在式（3-12）中)(z X 称为)(*
t X 得Z 变换式，并表示为
∑∞
=-==0
*
)()]([)(n n
z nT X t X Z z X （3-13）
式（3-13）是Z 变换得定义，它是在
)(*t X 得拉是变换中，令Ts e z =而得到的变换式。变量z 是一个复数，且T j T j T Ts
e e e e
z ωσωσ===+)(
)(*t X 是Z 变换的原函数。当需要对某时域函数)(*t X 进行拉氏变换或Z 变换时，可以在
拉氏变换或Z 变换定义的基础上，根据函数给定条件和形式，通过数理分析和各种演算法，
如级数求和法、部分分式法和留数计算法等，求得其结果的，现以实例予以说明。
3.2.1.1 级数求和法
例3-1 求单位阶跃函数)(1)(t t X =的Z 变换式。 解：单位阶跃函数)(t X 在各个时刻的采样值为
,1)(=nT X n=0,1,2,3…
根据式（3-13）可写出
++++=---3211)(z z z z X
若1||>z ，上式的无穷级数是收敛的，利用等比级数的求和公式可将上式化简为
111)(1-=
-=
-z z
z z X
显然，这是根据Z 变换定义，采用级数求和法求得Z 变换式的。
例3-2 试求akT
e kT X -=)(的Z 变换)(z X .
解：
133221011
1 ][)(--------∞
=----=
++++===∑z e z e z e z e z e e Z z X aT aT aT aT k k
akT akT
或
aT e z z
z X --=
)(
这里也是采用了等比级数求和法求得Z 变换式的。
例3-3 试求][)(k
a z z X =的Z 变换)(z X 。 解：
133221
11
1 ][)(----∞
=--=
++++===∑az z a z a az z a a z z X k k
k k
或
a z z
z X -=
)(
3.2.1.2 部分分式（查表）法
工程上已经根据拉氏变换和Z 变换的定义，将一些常见的典型时域函数，转换成该函数对应的拉氏变换式和Z 变换式，因此，也可以在将时域函数)(t X 或传递函数)(s G 分解成若干典型函数的组合式的基础上，通过查表方法，求出)(t X 的拉氏变换式和Z 变换式。这种求拉氏变换和Z 变换的方法，称为部分分式（查表）法。表3-1列出了本课程分析问题时，若干常见典型的时域函数、拉氏变换和Z 变换之间的直接互换关系式，共读者对典型函数进行互换时使用。
表3－1 时域函数f(t)、拉氏变换f(s)、Z 变换F （Z ）之间互换公式表
例3-4 已知
)()(a s s a
s X +=
，求它的Z 变换)(z X 。
解：先对)(s X 进行分解，将它写成部分分式形式：
a s s s X s X a s s s
a s a s s a s X +-
=+=+-+=
+=
1
1)()( )
()()()(21 查表3-1知：
aT e z z
z X a s s X z z
z X s s X -=
+=-=
=)( Z 1)(1)( Z 1)(2211变换为的变换为的
故有：
aT
aT aT aT
e z e z e z e z z z z a
s s Z s X s X Z s X Z z X ----++--=---=++=+==)1()
1(1 ]
1
1[)]()([)]([)(2
21
例3-5 设某数字控制器的传递函数为
a s a
s D +=
)(，求)(s D 带零阶保持器的Z 变换式。
解：零阶保持器的传递函数为
s e s G Ts
--=
1)(0 所以，)(s D 带零阶保持器后的Z 变换式应为
]
1[)](1[)(a s a
s e Z s D s e Z z D Ts Ts +-=-=--
采用因式分解法，可将它分解成若干常见的典型传递函数组合式如下：
)]
1
1)(1[( )]
1(1)1[(])(1[)(a s s e Z a
s s
s e Z a s s a s s e Z z D Ts Ts Ts +--=+--=+-+-=---
查表3-1，可写成下式：
)1111)(
1()(1
11--------=z e z z z D aT
将它化简后，求得)(s D 带零阶保持器的Z 变换式如下：
11
111
1
1
1)1(11)1( 111)(--------------=
-+--=---=z e z e z e z z e z e z z D aT aT aT aT aT
3.2.1.3 留数算法
数学中的留数算法为
∑=-=n
i Ts i i
e z z
s X s z X 1
])
([Re )(
i
i
i i s s Ts
r i r r n
i i e z z s X s s ds d r =--=---=∑]})()[()!1(1{111 （3-14）
式中：
i r ——极点阶数；
T ——采样周期；
Res[·]——极点
i z z =处的留数。
在已知连续函数)(t X 的拉氏变换式)(s X 及全部极点
i s 的条件下，可采用式（3-14）所述的
留数计算法求)(t X 的Z 变换式。 例3-6 已知某控制系统的传递函数为
)4)(1(1
)(++=
s s s X
试求其Z 变换式。
解：由传递函数求出的极点为
???=-==-=1 41
122
11r s r s
根据式（3-14）计算其Z 变换如下：
4
1
)4)(1(1)
4()4)(1(1)
1()(-=-=-++++-+++=s sT
s sT
e z z s s s e z z s s s z X
)(3)(34T T e z z
e z z ----
-=
例3-7 求连续时间函数
???≥<=-0 0 0)(t te t t x aT
对应的Z 变换。 解: )(t x 的拉氏变换为
2)(1
)(a s s X +=
上式的双重极点是
a
s -=2,1
2
2,1=r
用式（3-14）对它变换后，得
a s sT e z z a s a s ds d z X -=??
????-++-=
22
)(1)
()!12(1)( a
s sT sT
e z ze T -=-?=
2
)(
2)(aT aT e z Tze ---=
3.2.2 Z 变换性质及其基本定理
Z 变换的性质和原理与拉氏变换的性质和原理是很相似的。本书不加证明介绍常用的几种性质和原理，以帮助读者进一步熟悉和掌握Z 变换的计算。
一、线性定理
设有
???==)
()]([)()]([22
11z X kT x Z z X kT x Z
则有
??
???+=+==)()()]()([)()]([)()]([2211221122221111z X a z X a kT x a kT x a Z z X a kT x a Z z X a kT x a Z (3-15)
式(3-15)中1a 和2a 是常数.这就是Z 变换的线性性质. 例3-8 设序列为
???=. ,1; ,0)(为奇数为偶数k k kT x
求)(z X 。
解：该序列可由单位阶跃序列)(kT u 和交错序列组合而得，即：
k kT u kT x )1(21
)(21)(-+=
由式（3-15）可得
)]([)(kT x Z z X =
]
)1(21
)(21[k kT u Z -+=
)1(2)1(2++
-=
z z
z z
12
2-=z z
二、右移（延迟、滞后）定理
设
)()]([z X kT x Z =
且0 )()]([z X z nT kT x Z n -=- 这就是离散信号的滞后性质，n z -代表滞后环节，它表明)(nT kT x -与)(kT x 两信号形状 相同，只是前者比后者沿时间轴向右平移了（或滞后了）nT 采样周期。 三、左移（超前）定理 设)()]([z X kT x Z = 且且0 ∑-=--=+1 ) ()()]([n j j n n jT x z z X z nT kT x Z ??? ???-=∑-=-10)()(n j j n jT x z z X z 这就是离散信号的超前性质，n z 代表超前环节，表示输出信号超前输入信号nT 个采样周期。n z 在运算中是有用的，但实际上是不存在超前环节的。 当1=n 时，有 )0()()]([zx z zX T kT x Z -=+ 四、初值定理 设有 )()]([z X kT x Z = 则有 ) (lim )(lim )0(0 z X kT x x z k ∞ →→== 例3-9 求单位阶跃序列)(kT u 的初值)0(u 。 解： 111 )]([--= z kT u Z 1 11 lim )0(1 =-=-∞→z u z 五、终值定理 )()]([z X kT x Z = 则有 ) ()1(lim )(lim )(1 z X z kT x x z k -==∞→∞ → 例3-10 求单位阶跃序列)(kT u 的终值)(∞u 。 解： 11) 1(lim )(1 =--=∞→z z z x z 六、迭值定理 设有 ,2,1,0 ,)()(0 ==∑=i iT y kT x k i )(11 )(1 z Y z z X --= 例3-11 已知 ???? ?==???===∑=k iT y x(kT k k kT y k i 0)(),2,1 ,10 ,0)( 求 )]([)(kT x Z z X = 解： 11 1)]([)(---= =z z kT y Z z Y 由（3-20），得 211 1 )1()(11)(----=-=z z z Y z z X 七、减幅性质 设有 )()]([z X kT x Z = 则有 )()]([z a X kT x a Z bT bkT =± 利用减幅性质可求解某些复杂函的变换。 例3-12 已知 1cos 2sin ][sin 2+-= T z z T z kT Z ??? 由式（3-21），得 bT bT bT bkT a T z a z T z a kT a Z 22 cos 2sin ]sin [----+-=??? 八、卷积定理 设有 Z ［x 1(nT)］=F 1(z), Z ［x 2(nT)］=F 2(z), 则有 Z ［x 1(nT)*x 2(nT)］=Z [∑x 1(nT)x 2(kT-nT)]= F 1(z)F 2(z) 3.3 逆Z 变换 Z 变换把离散变换时间函数)(kT x （原函数）变成)(z X ，反之，逆Z 变换是把)(z X 变成 )(kT x ，所得时间函数)(kT x 是离散的。逆Z 变换常用)]([1z X Z -来表示，即： ???==--对数值序列对脉冲序列 ),()]([ ),()]([11k x z X Z kT x z X Z （6－22） 计算逆Z 变换的常用方法与4.2节计算Z 变换的方法相似相同，也有留数计算法、长除法和 部分分式法等。现举例介绍如下： 3.3.1留数计算法 函数)(z X 可以看成是复数平面上的劳伦级数，级数的各项系数可利用积分 ?--= =c k dz z z X j kT x z X Z 1 1)(21)()]([π （4－23） 关系求得。积分路径c 应包括被积式中的全部极点。根据留数定理，有 ∑==-=n i p z k i z z X s kT x 1 1])([Re )( （4－24） 因为 ) ()(lim )(Re z X p z z sX i p z p z i i -=→→ （4－25） 所以 ] )()[(lim )(1 1∑=-→-=n i k i p z z z X p z kT x i （4－26） 例3-13 用留数计算方法求 ))(()(T T e z e z z z X βα--= 的逆Z 变换。 解：因,2=n ,1T e p α= ,2T e p β=有 ))(() (lim ))(()(lim )(T T k T e z T T k T e z e z e z z e z e z e z z e z kT x T T βαββααβα---+---=→→ T T kT T T kT e e e e e e βαββαα-- -= T T kT kT e e e e βαβα--= 当)(z X 具有重极点 i p 时，设重极点阶数为l ； ])()[()!1(1])()[(lim )(1 1 11 1 ----=-→--+-=∑k l i l l l n i k i p z z z X p z dz d l z z X p z kT x i 例3-14 用留数计算法求 2))(()(βα--= z z z z X 的逆Z 变换。 解： β βαββα==---+---= z k a z k z z z z dz d z z a z z kT x 222 ))(()())(() ()( β ααβαα=----+-=z k k k z z z kz ])([)(212 ＝212 )() (αββαβββαα---+-=-k k k k 上述两例说明，用留数计算法可直接得出逆Z 变换的数字解析式。 3.3.2 长除法 若Z 变换能以式（4－12）的幂级数形式 ∑∞ =-=0 )()(n n z nT X z X 来表示，再对照式（4－10）,则可直接求出序列)(nT x ，因为n Z -的系统就等于)(nT x 。这 样，对于有理Z 变换，可用它的幂级数的展开式，去求出逆Z 变换的数学表达式。即式（4－12）可利用长除法求得。 例4-15 设 )2)(1(10)(--= z z z z X ，求它的原函数)(nT x 。 解：运用长除法，先将)(z X 变换式写成式（4－12）形式： 211 23110)2)(1(10)(---+-= --=z z z z z z z X 再进行如下演算： 6070 609030 2030 203010 150703010 102314 34 323 23 214321121-----------------+++++++++++-z z z z z z z z z z z z z z z z z 对照式（4－10），得 ,150)4(,70)3(,30)2(,10)(,0)0(=====T x T x T x T x x 从而求得)(z X 的逆Z 变换 )]([1 z X Z -，即原函数)(nT x 为： )4(150)3(70)2(30)(10)(0)()]([1T t T t T t T t t nT x z X Z -??+-??+-??+-??+??==- 实例表明，长除法的演算过程虽简明，但当它的分子和分母的项数较多时，用它求逆Z 变 换就失去其优点而显得麻烦。 3.3.3 部分分式法 在求原函数)(nT x 的Z 变换)(z X 时，我们曾阐述过这种方法，当我们要求)(z X 的逆Z 变 换 )]([1z X Z -，即原函数)(nT x 时，也可以采用部分分式法，去求出)(z X 的逆Z 变换式)]([1z X Z -。两者的变换过程是十分相似的。 设 ∏=--+++= n i i m m m p z a b z b z b z X 10110) ()( 展开成 ∑=-=n i i i p z A z z X 1)( 上式中 i p z i i z z X p z A =-=]) () [( （4－28） 则其逆Z 变换为 ] [)(1 1 ∑ =--=n i i i p z zA Z kT x （4－29） 例4－26 已知 )1)(2()(--= z z z z X ，求)(z X 的逆Z 变换式)]([1z X Z -。 解：先将)(z X 展成部分分式 )1()2(])1(1)2(1[ )(-- -=---=z z z z z z Z z X 查表4.1知 )(1])1([ 1t z z Z =-- kT t z z Z k t ===--,22])2([ 21 故有 ,3,2,1),12()(=-=k kT x k 即 ,15)4(,7)3(,3)2(,1)(,0)0(=====T x T x T x T x x 从而求得)(z X 的逆Z 变换式，即原函数)(nT x 为 )4(15)3(7)2(3)(1)(0)(T t T t T t T t t t x -??+-??+-??+-??+??= 例4-17 求 211 4.04.116.0)(---+-= z z z z X 的逆Z 变换式。 解： 4.04.16.04.04.116.0)(12211+-= +-=---z z z z z z z X 由式（4－28）知 14.04.16.0) 1(12 1=+--==z z z z z A 1 4.04.16.0) 4.0(4 .022-=+--==z z z z z A 得 4.01)(-- -= z z z z z X 由式（4－29），得 k z X Z kT x 4.01)]([)(1-==- 3.4 离散系统的数学描述 在模拟控制系统中，人们是通过模拟调节器直接将或取得的、随时间连续变化的信号的当前值与给定值比较后，送给执行机构，去修改被控制量，从而实现自动调节的目的。而在大多数数字控制系统中，都已采用数字调节器代替模拟调节器，对被控参量进行处理和控制的。输入数字调节器的信号是经过“离散量化”后的信号，数字调节器的输出信号必须给予“恢复”，才能对被控对象实施有效控制。图3-4是两种控制系统的控制原理框图，因为两者的控制方法和过程均不相同，所以，各自采用的数学工具和分析方法都不一样，表3-2列出了两者之间的差异。 本节介绍描述数字（离散）控制系统输入)(t r 与输出)(t c 之间的方法。 3.4.1 离散系统差分方程的一般形式 在模拟控制系统常用微分方程，即 ∑∑===M k k k k N j j j j dt t c d a dt t r d a 00)()( 来描述其输入)(t r 与输出)(t c 之间的关系，再根据实际情况（系统中包含的功能环节）去化简和求解微分方程，或对它进行拉氏变换后，最后才确定采用合适的控制算法。 但是，在数字离散控制系统中，连续信号为离散信号所取代，组成系统的环节又不同，系统的运算规律是与前后输入脉冲序列的值、脉宽和作用时间等密切相关的。因此，必须寻求新的数学方法或其它方法，去分析系统的数学模型，并对它进行求解，求出系统的差分方程的解析式，以便将系统复杂的数学模型转化为简单的代数运算形式，达到简化数字离散系统的分析和综合的目的。 如图3-5所示的连续函数)(t r ，作为离散系统来说，连续信号已为离散信号所取代。若采样 周期T 足够小，在nT t =处的一阶导数，可用“序列”的前后序列来描述，即 T T n r nT r nT r ] )1[()()('--≈ 将式（3-31）用序列来表示时，有 T n r n r n r )]1[()()('--≈ 若令 )1()()(--=?n r n r n r （3-32） 则式（3-31）可写成为 T n r n r ) ()('?≈ （3-33） 式（3-32）称为一阶向后差分方程。 同理，可见二阶导数近似为 22) 2()(2)()1()()1(')(')(''T n r n r n r T n r n r T n r n r n r -+-= -?-?=--≈ (3-34) 令 )2()(2)()1()()(2-+-=-?-?=?n r n r n r n r n r n r （3-35） 得 22) ()(''T n r n r ?≈ （3-36） 而式（3-35）称为二阶向后差分方程。 同理，可推导出n 阶向后差分方程为 )1()()(11-?-?=?--n n n n n n （3-37） 和n 阶向前差分方程为 )()1()(11n n n n n n --?-+?=? （3-38） 同理，可写出系统输入信号为)(t u 时，时域离散系统的差分方程为 ∑∑==-=-N j M k k x j k n u b j n u a 0 ) ()( （3-39） 或 ∑ ∑ ==-+--=M k k N j x j x k n u a b j n u a a u 001 )()( （3-40） 上述分析表明，输出的第n 个值，可由第n 个输入值、已输出的N 个过去值和已输入的M 个过去值计算出来。这样，差分方程不仅从数学上描述了数学离散控制系统，而且亦为用计 算机实现系统提供了简便方法。因为，所得的差分方程的解析式是一种代数运算的形式，这就为我们直接利用各种单片微机指令系统，编写控制程序，实施有效控制提供了基础。 3.4.2 用Z 变换求解差分方程 有许多求解差分方程的方法，工程上常采样Z 变换方法去求解差分方程。这是一种在给定初始条件下，采用Z 变换的方法，先求出差分方程的、以Z 为变量的代数方程，再通过逆Z 变换，求出它的时间响应。用Z 变换法去求解差分方程的一般步骤为： 利用初始条件，运用Z 变换法，将差分方程变为以z 为变量的代数方程 n n n m m m a z a z a b z b z b z X ++++++= -- 110110)(； （2）根据 )]([)(1 z X Z kt x -=，运用逆Z 变换法，求解出它的时间响应)(kt x 。 例3-18 已知 0)(2)1(3)2(=++++n x n x n x 的初始条件为0)0(=x ，1)1(=x ，试求其时间响应式。 解：根据Z 变换左移定理，其差分方程的Z 变换式为 0)(2)0(3)(3)1()0()(22=+-+--z X zx z zX zx x z z X z 整理后，得 23) 1()0()3()(22++?+?+= z z x z x z z z X 代入初始条件，得 )2)(1(23)(2++= ++= z z z z z z z X 查表3-1知 a z z a Z n -= ][ 这样，对)(z X 中各项进行逆Z 变换后，得 n z z Z )1(])1([ 1-=--- n z z Z )2(])2([ 1-=--- 所以，其时间响应为 ,2,1,0 )2()1()(=---=n n x n n 一、]t b 填空题 1.工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两个组成部分。 2.计算机控制系统中常用的控制器有可编程序控制器、工控机、单片机、DSP、智能调节器等。 3.在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式。 4.ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器。 5.模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 6.信号接地方式应采用一点接地方式，而不采用多点接地方式。 7.按极点配置设计的控制器通常有两部分组成，一部分是状态观测器，另一部分是控制规律。 8.模块化程序设计一般包括自顶向下和自底向上两种设计方法。 9.线性表、数组、堆栈和队列的共同特点是要求连续的存储单元来顺序存放数据元素。 10.计算机控制系统的输入变送器和输出执行机构的信号统一为0~10mA DC或4~20mA DC。 二、名词解释 1.采样过程按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，变成在时刻0、T、2T、…kT的一连串脉冲输出信号的过程 2.地线”是信号电流流回信号源的地阻抗路径 3.数字程序控制就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械(如各种加工机床)按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制 4.数据是描述客观事物的数、字符，以及所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的集合 5.积分饱和如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作 三、选择题（合计15分，每题3分） 1.下列不属于数字控制方式的是（C ） A、点位控制 B、直线控制 C、网格控制 D、轮廓控制 2.8位的A/D转换器分辨率为（ C ） A、0.01587 B、0.007874 C、0.003922 D、0.0009775 3.专家控制系统大致可以分为（D ） ①专家自整定控制②专家自适应控制③专家监督控制④混合型专家控制⑤仿人智能控制 A、①②③⑤ B、②④⑤ C、②③④⑤ D、①③④⑤ 4.一个8位的A/D转换器(量化精度0.1%)，孔径时间3.18μm，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为（B ） A、5Hz B、50Hz C、100Hz D、500Hz 5.某热处理炉温度变化范围为0~1350℃，经温度变送器变换为1~5V的电压送至ADC0809，ADC0809的输入范围为0~5V，当t=KT时，ADC0809的转换结果为6A，此时炉温为（C ） A、588.98℃ B、288.98℃ C、361.23℃ D、698.73℃ 四、简答题（合计20分，每题5分） 1.什么是干扰，干扰来源，抗干扰措施。 答：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。外部干扰和内部干扰。硬件措施，软件措施，软硬结合的措施 2.逐点比较法插补原理。 答：所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这 第一讲 1、什么是计算机数字控制系统？一般由哪几部分组成？请用框图形式给出实例，并简单说明其工作原理。 计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统；一般由计算机和生产过程两部分组成； 计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网格结构）和生产过程两大部分组长。其中硬件系统有主机、输入输出通道、外部设备、检测与执行机构组成； 三个步骤原理： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输 入。 ②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制 规律，决定将要采取的控制行为。 ③实时控制输出：根据控制决策，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、离线方式的含义是什么？ 实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间围完成，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。 在线方式：在线方式亦称为联机方式，是指生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为。 离线方式：离线方式亦称为脱机方式，是指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。 3、简述计算机数字控制系统的发展趋势。 计算机数值控制系统的发展趋势有控制系统的网络化、扁平化、只能化、综合化。 第二讲 1、简述计算机控制系统中过程通道的基本类型及其作用。 数字量输入通道：接受外部装置或产生过程的状态信号，同时将状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号； 数字量输出通道：把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号； 模拟量输入通道：把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位重量等模拟信号转换成计算机可以接收的数字量信号； 模拟量输出通道：把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。 2、简述计算机控制系统抗干扰技术的基本措施。 克服干扰的措施主要有：硬件措施、软件措施和软硬结合的措施。 其中硬件抗干扰措施包含：①过程通道抗干扰技术；②CPU抗干扰技术；③系统供电与接地技术。针对不同的干扰采用不用的抗干扰技术： ①过程通道抗干扰技术：针对串模干扰，采用滤波器、双积分式A/D转换器、双绞线作信号引线等方法来抑制；针对共模干扰，采用变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比等方式；针对长线传输干扰可采用双绞线与同轴电缆进行传输； ②CPU抗干扰技术：使用Watchdog(俗称看门狗)、电源监控(掉电检测及保护)、复位等； 计算机控制系统习题 及答案 一、填空题（本题共 20 个空，每空 1.5 分，共 30 分） 1.采样频率越高，采样数据描绘的曲线实际曲线。为了提高控制精度，应 尽可能。 2.在三相步进电机系统中，为了提高控制力矩，常常采用方法来实现。 3.在PID调节器中，比例系数KP的确定比微分和积分系数更重要，因为它关系 到______。 4.采样/保持器有两种工作方式。在采样方式中，采样-保持器的输出__________ 在保持状态 时，采样-保持器的输出______。 5.在PID控制系统中， I的作用主要是______，它一般不单独使用的原因是__ _。 6.线性插值法最根本的问题是____________________。 7.CD4051是________路________向多路开关，当其INH端接_____伏时，芯片 被选通。 8.在计算机控制系统中，采样周期T的确定很重要，因为它关系到_______,T太 大_______。 9.步进电机的步距角指 ________,齿距角指______，拍是指________。 10.3相（A、B、C）步进电机有3种通电方式， 是，和。 二、判断题（正确，在括号内划∨，错误，在括号内划╳，并改正（只对错误 部分进行改正即可）（本题共 5 小题，共10分） 1. 在显示系统中，若为动态显示，需将待显示数变成显示码才能输出到显示 器进行显示。若在显示电路中增加一级锁存器，则可直接将待显示数输出到显示器进行显示。（） 2. DAC0832是常用的8位D/A转换器，内部设有两级缓冲器，目的是使转换数椐得到充分缓冲，确保转换精度。（） 3. 由于各种传感器提供的电压信号范围很宽，需要通过可编程增益放大器，对信号进行调整，使A/D转换器满量程信号达到均一化。（） 4. 某系统采用程序判断滤波方式进行数据处理，发现总有一些杂波无法滤掉，原因是采样时间间隔太大（）。 5. 在工业过程控制系统中，由于被控对象所处环境复杂，常使采样值偏离实际值。所以一般要加入滤波环节，且常常将模拟滤波和数字滤波同时使用。 （） 三、简答题（本题共 6 小题，共 35 分） 1.（本题 6 分）简要说明多路开关的主要特点。 2.（本题 6分）PID调节系统中，微分调节起何作用？为什麽在有些系统中采用不完全微分算式，它与常规算式有哪些区别？ 3.（本题 6分）写出数字PID控制算法的位置式和增量式两种标准算法 4.（本题 6分）平均滤波有几种？并说明各自的特点。 5.（本题 6分）根据转换结束信号EOC的不同接法，能构成哪几种A/D工作方式？具体怎样接线？ 6.（本题 5分）手动后援是控制系统中的一个环节，在系统运行时它有何作用？在手动与自动之间进行切换时要求什麽？ 计算机过程控制系统(DCS)课程实验指导书实验一、单容水箱液位PID整定实验 一、实验目的 1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。 3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。 二、实验设备 AE2000A型过程控制实验装置、JX-300X DCS控制系统、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、网线1根、24芯通讯电缆1根。 三、实验原理 图2-15为单回路水箱液位控制系统 单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用SUPCON JX-300X DCS控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。 一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-16中的曲线①、②、③所示。 图2-16 P、PI和PID调节的阶跃响应曲线 基础知识内容包括：计算机基本知识、计算机信息处理技术、D O S操作系统基本使用方法和计算机网络应用知识。 重点理解和掌握的内容 1. 了解计算机发展历史、应用领域、工作原理、硬件结构、软件系统、微机系统多媒体知识和安全常识； 2. 理解计算机中数和字符的表示方式，了解汉字输入方法、信息处理的内容和方法； 3. 了解磁盘操作系统（DOS）的发展历史、DOS的构成、基本功能和汉字处理功能； 4. 掌握文件和路径的概念； 5. 掌握DOS的启动方式、磁盘和磁盘驱动器的使用方法、常用DOS命令的使用方法和通配符的使用方法； 6. 了解计算机网络的分类和特点 7. 了解Internet的特点和概念，能进行入网申请和简单使用Internet。 计算机中的常用定义和术语 1. 计算机：计算机是一种具有内部存储能力、由程序控制操作过程的自动电子设备。它主要由输入设备、输出设备、存储器、控制器和运算器等几部分组成。 2. 计算机的硬件和软件：硬件是计算机系统中的物理装置的总称。软件是计算机运行所需要各种程序及有关资料。 感谢你的观看 感谢你的观看3. 指令和程序：指令就是“命令”，是规定计算机操作 类型及操作数地址的一组代码。程序是指令的有序集合。 4. 多媒体：以数字技术为核心的图象、声音与计算机、通信融为一体的信息环境的总称。 5. 数据与信息：数据是指能够用计算机处理的数字、字符和符号等。 信息是数据的内涵和本质，可以从两个方面来理解：一方面，信息是数据、消息中包含的意义，它不随信息媒体的改变而改变；另一方面，信息使消息中所描述事件出现的不定性减少，若不提供信息，则不定性会大一些。 6. 数制：数的进位制称数制。 计算机中常用二进制、八进制、十进制和十六进制表示信息，其中最常用的是表示计算机内部存储和处理信息的二进制和为了清晰和简洁表示二进制而采用的十六进制。 7. 字符编码：使用二进制数对字符进行的编码称字符编码。 8. ASCII码：美国标准信息交换码的英文简称，是计算机中用二进制表示字母、数字、符号的一种编码标准。ASCII码有两种，使用7位二进制数的称为基本ASCII码；使用8位二进制数的称为扩展ASCII码。 9. 汉字编码：用于表示汉字字符的二进制字符编码。汉字编码根据其用途不同可分为输入码、内部码、字型码和地址码等。 考点 1计算机发展历史 1946 年世界上第一台电子计算机 ENIAC 在美国宾夕法尼亚大学诞生，它的出现具有划时代的伟大意义。 从第一台计算机的诞生到现在，计算机技术经历了大型机、微型机及网络阶段。根据计算机所采用电子元件的不同可将计算机的发展划分为电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路等四代。 考点 2计算机的特点 现代计算机算一般具有以下几个重要特点。 （1）处理速度快。 （2）存储容量大。 （3）计算精度高。 （4）工作全自动。 （5）适用范围广，通用性强。 考点 3计算机的应用 计算机具有存储容量大，处理速度快，逻辑推理和判断能力强等许多特点，因此已被广泛应用于各种科学领域，并迅速渗透到人类社会的各个方面，同时也进入了家庭。计算机主要有以下几个方面的应用。 （1）科学计算（数值计算）。 （2）信息处理。 （3）计算机辅助设计（CAD）、和计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助教学 （CAI）。 （4）过程控制。 （5）多媒体应用。 （6）人工智能。 考点 4计算机的分类 计算机品种众多，从不同角度可对它们进行分类。 （1）按工作原理划分：模拟式计算机、数字式计算机、模拟数字混合计算机；（2）按功能用途划分：专用计算机、通用计算机； （3）按性能规模划分：微型计算机、小型计算机、大型计算机和巨型计算机。 二、数制与编码 考点 1数制的基本概念 （1）数制的基本概念 ①按照进位原则进行计数。 ②逢N 进 1。 ③采用位权表示法。 （2）数制的三要素 ①基：一个数所包含的数字符号的个数称为该数的基，用R 表示。例如，对二进 制来说，任意一个二进制数可以用 0，1 两个数字符表示，其基数R 等于 2。 ②位：以小数点为基准，小数点向左位数依次增加，向右位数依次减少。③权：任何一个R 进制数都是由一串数码表示的，其中每一位数码所表示的实际 值的大小，除数码本身的数值外，还与它所处的位置有关，由位置决定的值就称为位值（或位权）。 浅谈计算机控制系统的发展 摘要：论述了计算机控制系统的发展历史及发展趋势，分析了计算机控制系统的组成部分及其特点。并且对当前计算机系统的发展情况做出评价。 关键词：计算机控制系统发展 1 引言 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）来实现工业过程自动控制的系统，并且是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起而应运产生的综合控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术,在计算机参与工业系统控制的历史长河中扮演了重要的角色。 2 计算机控制系统的发展情况 在60 年代,控制领域中就引入了计算机。当时计算机的作用是控制调节器 的设定点，具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称作是计算机监控系统。这种系统的调节器主要是采用了模拟调节器。系统中既有计算机又有调节器，系统复杂，投资又大。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统，简称集中控制系统，集中控制系统在计算机控制系统的发展过程中起到了积极作用。在这种控制系统中, 计算机不但完成操作处理,还可直接根据给定值、过程变量和过程中其它测量值，通过PID运算，实现对执行机构的控制, 以使被控量达到理想的工作状态。这种控制系统即常说的直接数字控制( DDC) 系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。最初发展时希望能够至少可以控制50个回路以上，这在当时对小规模、自动化程度不高的系统，特别是对具有大量顺序控制和逻辑判断操作的控制系统来说收到了良好的效果。 由于整个系统中只有一台计算机, 因而控制集中，便于各种运算的集中处理，各通道或回路间的耦合关系在控制计算中可以得到很好的反映，同时由于系统没有分层, 所有的控制规律均可直接实现。但是，如果生产过程的复杂，在实现对几十、几百个回路的控制时，可靠性难以保证，系统的危险性过于集中，一旦计 目录 第一章计算机过程控制系统的应用与发展 (2) 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 (2) 1.2 计算机过程控制系统的分类 (2) 1.3 计算机过程控制系统国内外应用状况 (6) 1.4 计算机过程控制系统的发展趋势 (7) 第二章国内油田计算机控制系统应用软件现状及发展趋势 (8) 2.1 基于PC总线的控制系统应用软件 (8) 2.2 基于各种PLC控制系统的应用软件 (8) 2.3 中小规模的DCS控制系统组态软件 (9) 2.4 计算机控制系统应用软件的发展趋势 (9) 第一章计算机过程控制系统的应用与发展 在石油、化工、冶金、电力、轻工和建材等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制称为生产过程自动化。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制就称为过程控制。过程控制系统可以分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控制系统两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统已很难达到生产和管理要求，计算机过程控制系统是近几十年发展起来的以计算机为核心的控制系统。 1.1 计算机过程控制系统的发展回顾 世界上第一台电子数字计算机于1946年在美国问世。经历了十多年的研究，1959年世界上第一台过程控制计算机TRW-300在美国德克萨斯的一个炼油厂正式投入运行。这项开创性工作为计算机控制技术的发展奠定了基础，从此，计算机控制技术获得了迅速的发展。 回顾工业过程的计算机控制历史，经历了以下几个8寸期： (1)起步时期(20世纪50年代)。20世纪50年代中期，有人开始研究将计算机用于工业过程控制。 (2)试验时期(20世纪60年代)。1962年，英国的帝国化学工业公司利用计算机完全代替了原来的模拟控制。 (3)推广时期(20世纪70年代。随着大规模集成电路(LSI)技术的发展，1972年生产出了微型计算机(mi—erocomputer)。其最大优点是运算速度快，可靠性高，价格便宜和体积小。 (4)成熟时期(20世纪80年代)。随着超大规模集成电路(VLSI)技术的飞速发展，使得计算机向着超小型化、软件固定化和控制智能化方向发展。80年代末，又推出了具有计算机辅助设计(CAD)、专家系统、控N*0管理融为一体的新型集散控制系统。(5)进一步发展时期(20世纪90年代)。在计算机控制系统进一步完善应用更加普及，价格不断下降的同时，功能却更加丰富，性能变得更加可靠。 1.2 计算机过程控制系统的分类 计算机控制系统的应用领域非常厂泛，计算机可以控制单个电机、阀门，也可以控制管理整个工厂企业；控制方式可以是单回路控制，也可以是复杂的多变量解耦控制、自适应控制、最优控制乃至智能控制。因而，它的分类方法也是多样的，可以按照被控参数、设定值的形式进行分类，也可以按照控制装置结构类型、被控对象的特点和要求及控制功能的类型进行分类，还可以按照系统功能、控制规律和控制方式进行分类。常用的是按照系统功能分类。 第一讲 1、什么就是计算机数字控制系统?一般由哪几部分组成?请用框图形式给出实例,并简单说明其工作原理。 计算机控制系统就就是利用计算机(通常称为工业控制机)来实现生产过程自动控制得系统;一般由计算机与生产过程两部分组成; 计算机控制系统由工业控制计算机主体(包括硬件、软件与网格结构)与生产过程两大部分组长。其中硬件系统有主机、输入输出通道、外部设备、检测与执行机构组成; 三个步骤原理: ①实时数据采集:对来自测量变送装置得被控量得瞬时值进行检测与输 入。 ②实时控制决策:对采集到得被控量进行分析与处理,并按已定得控制规 律,决定将要采取得控制行为。 ③实时控制输出:根据控制决策,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、离线方式得含义就是什么? 实时:指信号得输入、计算与输出都要在一定得时间范围内完成,亦即计算机对输入信息,以足够快得速度进行控制,超出了这个时间,就失去了控制得时机,控制也就失去了意义。 在线方式:在线方式亦称为联机方式,就是指生产过程与计算机直接连接,并受计算机控制得方式称为、 离线方式:离线方式亦称为脱机方式,就是指生产过程不与计算机相连,且不受计算机控制,而就是靠人进行联系并做相应操作得方式、 3、简述计算机数字控制系统得发展趋势。 计算机数值控制系统得发展趋势有控制系统得网络化、扁平化、只能化、综合化。 第二讲 1、简述计算机控制系统中过程通道得基本类型及其作用。 数字量输入通道:接受外部装置或产生过程得状态信号,同时将状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收得逻辑信号; 数字量输出通道:把计算机输出得微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制得数字驱动信号; 模拟量输入通道:把被控对象得过程参数如温度、压力、流量、液位重量等模拟信号转换成计算机可以接收得数字量信号; 模拟量输出通道:把计算机处理后得数字量信号转换成模拟量电压或电流信号,去驱动相应得执行器,从而达到控制得目得。 ２、简述计算机控制系统抗干扰技术得基本措施。 克服干扰得措施主要有:硬件措施、软件措施与软硬结合得措施。 其中硬件抗干扰措施包含:①过程通道抗干扰技术;②CＰU抗干扰技术;③系统供电与接地技术、针对不同得干扰采用不用得抗干扰技术: ①过程通道抗干扰技术:针对串模干扰,采用滤波器、双积分式A/Ｄ转换器、双绞线作信号引线等方法来抑制;针对共模干扰,采用变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比等方式;针对长线传输干扰可采用双绞线与同轴电缆进行传输; ②CPU抗干扰技术:使用Watchdog(俗称瞧门狗)、电源监控(掉电检测及保护)、复位等; ③系统供电与接地技术:对于系统供电添加电源异常保护措施;对于接地技术有单点接地、低频接地技术、通道馈线接地技术、主机外壳接地但机芯浮空、多机系统得接地等。 3、什么就是采样过程、量化误差、孔径时间？ 2-6某水槽如题图2-1所示。其中A 1为槽的截面积，R 1、R 2均为线性水阻，Q i 为流入量，Q 1和Q 2为流出量要求： (1)写出以水位h 1为输出量，Q i 为输入量的对象动态方程； (2)写出对象的传递函数G(s)并指出其增益K 和时间常数T 的数值。 图2-1 解：1）平衡状态： 02010Q Q Q i += 2）当非平衡时： i i i Q Q Q ?+=0；1011Q Q Q ?+=；2022Q Q Q ?+= 质量守恒：211 Q Q Q dt h d A i ?-?-?=? 对应每个阀门，线性水阻：1 1R h Q ?= ?；2 2R h Q ?= ? 动态方程：i Q R h R h dt h d A ?=?+?+?2 11 3) 传递函数：)()()1 1(2 11s Q s H R R S A i =++ 1 ) 11(1) ()()(21 1+=+ + == Ts K R R S A s Q s H s G i 这里：2 1 1 2 1212 1 11111R R A T R R R R R R K + = += += ； 2Q 1 1 2-7建立三容体系统h 3与控制量u 之间的动态方程和传递数,见题图2-2。 解：如图为三个单链单容对像模型。被控参考△h 3的动态方程： 3233 Q Q dt h d c ?-?=?；22R h Q ?= ?；33R h Q ?=?； 2122Q Q dt h d c ?-?=?；1 1R h Q ?= ? 111 Q Q dt h d c i ?-?=? u K Q i ?=? 得多容体动态方程： u KR h dt h d c R c R c R dt h d c c R R c c R R c c R R dt h d c c c R R R ?=?+?+++ ?+++?3333322112 323131323221213 333 21321) ()( 传递函数：3 22133) ()()(a s a s a s K s U s H s G +++= = ； 这里： 3 213213 3 2132133 213213 3221123 213213 1313232212111; c c c R R R kR K c c c R R R a c c c R R R c R c R c R a c c c R R R c c R R c c R R c c R R a = =++=++= 一、单选题练习 1.完整的计算机系统由( C )组成。 A.运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 B.主机和外部设备 C.硬件系统和软件系统 D.主机箱、显示器、键盘、鼠标、打印机 2.以下软件中，( D )不是操作系统软件。 xp office 3.用一个字节最多能编出( D )不同的码。 A. 8 个 B. 16个 C. 128 个 D. 256个 4.任何程序都必须加载到( C )中才能被CPU执行。 A. 磁盘 B. 硬盘 C. 内存 D. 外存 5.下列设备中，属于输出设备的是( A )。 A.显示器 B.键盘 C.鼠标 D.手字板 6.计算机信息计量单位中的K代表( B )。 A. 102 B. 210 C. 103 D. 28 代表的是( C )。 A. 只读存储器 B. 高速缓存器 C. 随机存储器 D. 软盘存储器 8.组成计算机的CPU的两大部件是( A )。 A.运算器和控制器 B. 控制器和寄存器 C.运算器和内存 D. 控制器和内存 9.在描述信息传输中bps表示的是( D )。 A. 每秒传输的字节数 B.每秒传输的指令数 C.每秒传输的字数 D.每秒传输的位数 10.微型计算机的内存容量主要指( A )的容量。 A. RAM B. ROM C. CMOS D. Cache 11.十进制数27对应的二进制数为( D )。 B. 1100 C. 10111 D. 11011 的目录结构采用的是( A )。 A.树形结构 B.线形结构 C.层次结构 D.网状结构 13.将回收站中的文件还原时，被还原的文件将回到( D )。 A.桌面上 B.“我的文档”中 C.内存中 D.被删除的位置 14.在Windows 的窗口菜单中，若某命令项后面有向右的黑三角，则表示该命令项( A )。 A. 有下级子菜单 B.单击鼠标可直接执行 C.双击鼠标可直接执行 D.右击鼠标可直接执 15.计算机的三类总线中，不包括( C )。 A. 控制总线 B.地址总线 C.传输总线 D.数据总线 16.操作系统按其功能关系分为系统层、管理层和( D )三个层次。 A. 数据层 B.逻辑层 C.用户层 D.应用层 17.汉字的拼音输入码属于汉字的( A )。 A. 外码 B. 内码码 D.标准码 的剪贴板是用于临时存放信息的( C )。 A.一个窗口 B.一个文件夹 C.一块内存区间 D.一块磁盘区间 19.对处于还原状态的Windows应用程序窗口，不能实现的操作是( D )。 A.最小化 B.最大化 C.移动 D.旋转 20.在计算机上插U盘的接口通常是( D )标准接口。 21.新建文档时，Word默认的字体和字号分别是( C )。 A.黑体、3 号 B.楷体、4号 C.宋体、5 号 D.仿宋、6号 22.第一次保存Word文档时，系统将打开( B )对话框。 A. 保存 B.另存为 C.新建 D.关闭 23.在Word表格中，位于第三行第四列的单元格名称是( C )。 第一章绪论 1.计算机控制系统工作原理（图：P2 1-1b）A/D装置将模拟量转换为数字量后送入计算机处理，D/A装置将其转换为模拟量，输送到执行机构。采样器与保持器等与A/D、D/A一起构成计算机与生产过程中之间的接口。若被控量不是模拟量而是开关量（数字量），计算机控制系统中也需要用开关量输入输出接口进行信号的传输，而不能将过程与计算机相连。 2.计算机在控制系统中三个基本作用：实时数据处理、实施监督决策、实时控制及输出。 3.计算机控制系统的工作方式：①在线方式与离线方式生产过程和计算机系统直接相连，并接受计算机直接控制称为在线或联机方式；反之，若不相连或虽相连但过程不受计算机控制，而是靠人工进行联系并做相应操作称为离线或脱机方式。②实时性指信号的输入、计算和输出都必须限制在一定时间范围内完成，即计算机对输入信息要以足够快的速度进行处理。 4.计算机控制系统组成功能、作用（图：P3 1-2）①主机由CPU、ROM、RAM组成，是计算机控制系统的核心。②外设常用外部设备按功能分成输入设备、输出设备和外存储器。 ③过程输入/输出接口包括模拟量和开关量两大类，是计算机与生产过程之间信息交换的桥梁。④人机接口设备包括显示器、键盘、专用的操作显示面板或操作显示台等，供操作员与计算机进行信息交换。 ⑤通信设备通过通信设备，不同地理位置、不同功能的计算机之间或计算机与设备之间可以进行信息交换。⑥现场仪表包括检测变送仪表、执行机构等。前者将生产过程中各种物理量转换成电信号，后者完成计算机输出控制的执行任务。 ⑦系统总线分内部总线与外部总线。内部总线在计算机各内部模块之间传送各种控制、地址与数据信号，并为各模块提供统一的电源；外部总线为计算机系统之间或计算机系统与设备之间提供数字通信。 ⑧系统软件它管理计算机的内存、 外设等硬件设备。⑨应用软件是系 统设计人员针对具体生产过程编制 的控制和管理程序，是控制计算机 在特定环境中完成某种控制功能所 必需的软件。 5.计算机控制系统的分类（图：P4~8 1-3~1-7根据框图说原理）①计算 机巡回监测和操作指导系统一种 开环系统。过程参数经测量变送器、 过程输出通道，定时送入计算机， 计算机进行分析和处理后进行综 合，通过显示器或打印机输出操作 指导信息。②计算机直接数字控制 系统DDC 计算机通过过程输入通道 对多个被控生产过程进行巡回检 测，根据给定值、测量值及控制规 律计算出控制指令，经过程输出通 道（AO或DO）直接控制执行机构， 使得各被控参数保持在其给定值附 近。③计算机监督控制系统SCC 通 常采用两级控制形式，分处两层的 计算机分别称为上位机与下位机。 上位机根据原始的生产工艺数据和 现场采集到的工况信息，一方面按 照描述被控过程的数学模型和某种 最优目标函数，计算出被控过程的 最优设定值。输出给下一级的DDC 系统或模拟调节器；另一方面对生 产状况进行分析，作出故障的诊断 与预报。④计算机集散控制系统DCS 有多个相关联可以共同承担工作的 微处理器为核心，一起组成可以运 行多项任务的系统，实现地理上和 功能上的控制，同时通过高速数据 通道把各个分散点的信息集中起 来，进行集中的监视和操作，实现 复杂的控制和优化。⑤现场总线控 制系统FCS 核心是现场总线，与 Internet网互联构成不同层次的复 杂网络，降低了系统成本，提高了 可靠性，且在统一的国际标准下可 实现真正的开放式互联系统结构。 ⑥工业过程的计算机集成制造系统 （流程CIMS）将需要的函数块放在 图纸上，然后把它们连接起来，以 便处理输入和输出。过程操作员根 据各种动态画面来监视和控制过 程。动态测量值和状态指示则显示 了当前的生产情况。从过程控制器、 信息管理站和外部计算机那里获得 信息后，操作人员可以进行授权范 围内的任意操作。 第二章计算机控制系统基础 1.信号形式（图：P13 2-1）连续模 拟信号、离散模拟信号、连续数字 信号、离散数字信号 2.信号采样（图：P14 2-2）把时间 和量值上均连续的模拟信号按采样 周期T转变位置在瞬时才有脉冲输 出信号的过程。 3.信号的保持（图：P15 2-3）保持 其的原理是根据现在或过去时刻的 采样值，用常数、线性函数和抛物 线函数等去逼近两个采样时刻之间 的原信号。零阶保持器是最常用的 一种信号保持器。 第三章计算机控制系统基础中的 总线技术 1.总线标准分为两类：一类是由国 际权威机构制定的；另一类是由某 厂家设计而广泛流行的。后者得到 业界承认之后，往往也会被权威机 构收为标准。 2.内部总线：又称系统总线，即通 常说的各种不同标准的计算机总 线，用于计算机内部模块（板）之 间的通信。工业过程常用PC总线、 STD总线、VME、MULTIBUS总线等。 外部总线：又称通信总线，完成计 算机系统之间或计算机与设备之间 的通信任务，如IEEE-488总线、 RS-232和RS-485等。 3.并行总线：每个信号都有自己独 立的信号线，一组信号并行输出， 传输快，接口简单，缺点是电缆线 数多。串行总线：所有信号复用一 对信号线，并依次按顺序串行输出， 电缆线数少，便于远距离传送，缺 点是信号传输慢，接口复杂。 4.内部总线通常都是并行总线，外 部总线分为并行总线和串行总线两 种。IEEE-488并行，RS-485串行。 5.总线裁决方式①串行链接式总 线裁决（图：P37 3-6）各部件的请 求信号经一条公共请求线向控制器 发出，总线空闲时控制器发出总线 4、化学反应釜串级控制系统，主、副对象的传递函数分别为： 2017()81s G s e s -=+， 2025()31 s G s e s -=+ 主、副测量变送环节的传递函数分别为： 11()21m G s s =+， 21()1 m G s s =+ 主、副扰动通道的传递函数分别为： 1 2.5()41f G s s = +， 21.5()51f G s s =+ 试分别采用串级控制设计温度控制系统，具体要求如下： （1） 进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系 统原理图； （2） 进行仿真实验，分别给出系统的跟踪性能和抗干扰性能（包括一次扰动和二次 扰动）； 1、超前校正控制器设计 设单位反馈系统的开环传递函数为) 1()(0+=s s K s G ，采用模拟设计法设计超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1) 当 t r =时， 稳态误差不大于0.1；(2) 开环系统截止频率6≥c ωrad/s ；(3) 相角裕度o 60≥γ; (4) 幅值裕度10≥h dB 。 2、超前校正控制器设计 设单位反馈系统的开环传递函数为) 15.0()(0+=s s K s G ，采用模拟设计法设计超前校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标：(1) 速度误差20=Kv ；(2) 相角裕度o 50≥γ; (3) 幅值裕度10≥Kg dB 。 3、滞后校正控制器设计 设单位反馈系统的开环传递函数为) 12.0)(11.0()(0++=s s s K s G ，采用模拟设计法设计滞后校正数字控制器，使校正后的系统满足如下指标： (1) 速度误差系数30=v K ； (2) 开环系统截止频率3.2≥c ω rad/s ； (3) 相位裕度o 40≥γ (4) 幅值裕度10≥Kg dB 。 计算机基础知识点汇总 一、计算机的诞生及发展 (一)计算机的诞生 1.时间：1946年 2.地点：美国宾夕法尼亚大学 3.名称：ENIAC (二)计算机的发展 二、计算机系统的组成 现代的计算机系统由计算机硬件系统及软件系统两大部分构成。 三、计算机的工作原理 冯·诺依曼提出了“存储程序、程序控制”的设计思想，同时指出计算机的构成包括以下几个方面： (1)由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成计算机系统。 (2)计算机内部采用二进制表示的数据和指令。 (3)采用“存储程序和程序控制”技术(将程序事先存在主存储器中，计算机在工作时能在不需要人员干预的情况下，自动逐条取出指令并加以执行)。 四、计算机的分类 五、计算机硬件 (一)中央处理器 1.简介 中央处理器又称为微处理器，是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心。 2.组成 (1)控制器 实现计算机各部分的联系并自动执行程序的部件。功能是从内存中一次取出指令，产生控制信号，向其他部件发出命令指挥整个计算过程。 (2)运算器 对二进制数码进行算术运算和逻辑运算。 (二)存储器 1.内存储器 (1)作用 内存储器又称主存储器，简称内存。内存位于系统主板上，可以直接与CPU进行信息交换，内存储器主要用于存放计算机系统中正在运行的程序及所需要的数据和中间计算结果以及与外部存储器交换信息时作为缓冲。 (2)特点 速度较快，容量相对较小。 (3)分类 只读存储器ROM：永久保存数据，存储微型机的重要信息。 随机存储器RAM：断电丢失数据，存储当前运行的程序信息(SRAM、DRAM)。 2.外存储器 (1)作用 外存储器又称辅助存储器，简称外存。CPU不能直接访问。主要用于存放等待运行或处理的程序文件。 (2)特点 存储容量大，存取速度相对内存要慢得多。 (3)分类 第一章思考题与习题（P9） 1.简述过程控制发展概况。 答上个世纪40年代以前，工业生产大多处于手操作阶段，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。生产过程中的关键参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。因此劳动生产率很低。 40年代以后，生产过程自动化发展很快。尤其近年来，过程控制技术发展更为迅速。当前，自动化装置已成为大型设备不可分割的组成部分。可以说，如果不配置合适的最大控制系统，大型生产过程是根本无法运行的。实际上，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。纵观过程控制发展的历史，大致精力一下阶段：第一个阶段。50年代前后，过程控制开始得到发展。一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。者是过程控制发展的第一个阶段。其主要特点是：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分单元组合仪表（多数是启动仪表）；过程控制系统结构大多数是单输入、单输出系统；被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种参数；控制的目的是保持这些参数稳定，消除或者减少对生产过程的主要扰动；过程控制的理论是以频率法和根轨迹法为主题的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题。 第二个阶段。在60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展，也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二个阶段。在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表（包括电动和气动）。为了满足定型、灵活、多功能的要求，又出现了组装仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统要求。与此同时，计算机控制系统开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。在过程控制系统方面，为了提高控制质量与实现一些特殊的控制要求，相继出现了各种复杂控制系统，例如串级、比值和 中原油田普光天然气净化厂 过程控制计算机系统管理制度 （试行） 2010年9月16日 过程控制计算机系统管理制度 第1章总则 第1为了加强普光净化厂过程控制计算机系统管理，提高过程控制计算 条机系统运行稳定性、可靠性，降低系统的故障率，特制定过程控制计算机系统管理制度。 第2条本制度中的过程控制计算机系统包括：集散型控制系统（DCS）、大型可编程控制系统（PLC）以及安全仪表系统（SIS）。 第二章过程控制计算机系统的日常维护管理 第3条系统维护人员每天必须按巡回检查内容对过程控制计算机系统的运行状况进行一次巡回检查，经常保持过程控制计算机系统的清洁，并认真填写巡回检查记录。巡回检查记录要求书写工整，字迹清楚，要定期回收并由维保单位妥善保管。 第4条系统卡件工作状态检查。检查DCS、SIS、PLC系统的CPU卡件、通讯卡件、电源卡件、冗余模块的故障指示灯、运行指示灯、冗余状态指示灯指示是否正常、是否存在报警、CPU处于正常的工作模式或者是冗余状态， 第5条查看系统诊断信息有无红色报警，有无其他故障诊断信息，及时处理系统存在的各类故障，包括各种卡件及附件的修理更换，死机，键盘、鼠标、显示器的故障处理。 第6条各套系统控制柜内交换机、光电转换器等运行情况检查，出现故障及时记录待条件具备后处理。 第7条系统供电状态检查。检查系统的所有电源的工作状态，出现异常及时处理并上报。AB系列PLC需要检查背板电源模块是否都处于投用 状态。 第8条安全栅工作状态检查。对安全栅的工作状态进行检查，对工作状态指示异常的安全栅进行检查、维护。对存在的问题做好记录并及时上报。 第9条空调工作状态。检查空调的工作状态是否正常，对工作状态异常的空调及时上报，保证工程师站及机柜间的温度控制在24℃左右，机柜控制室的湿度应控制在40%-80%(无凝露)之间。对机柜风扇、滤网等的巡回检查，发现问题及时处理。 第10条控制系统工程师站工作状态。检查工程师站的工作状态，确定工程师站是否能够正常操作，采集数据是否正常。有硬件狗的检查硬件狗是否正常工作。检查24小时内的DCS系统报警记录确定存在的系统是否存在故障；检查SIS系统工程师/SOE站的工作状态，检查SIS系统上的综合报警是否正常，发现报警及时确定报警原因，确定SOE系统正常投用，并检查SOE记录内容，发现异常报警及时处理并上报。系统造成联锁停机等情况后要及时上报，并保存好报警记录。 第11条定期卫生清扫。每天对工程师站、机柜间、现场MTL柜内的卫生进行检查、打扫、整理，每月对系统机柜、工程师站、操作台进行彻底清扫，并做好相应的记录。 第12巡检过程中要严格遵守机柜间、工程师站管理制度。同时还需注意在对DCS、SIS、PLC控制柜进行巡检时，远离大功率的无线通信设 计算机基本构成模式 计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件 计算机中数的表示 计算机内部应采用二进制表示指令和数据 计算机的工作原理 计算机系统应按照下述模式工作：将编好的程序和原始数据，输入并存储在计算机的内存储器中（即“存储程序”）；计算机按照程序逐条取出指令加以分析，并执行指令规定的操作（即“程序控制”）。这一原理称为“存储程序”原理，是现代计算机的基本工作原理，至今的计算机仍采用这一原理。 计算机的工作原理 按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。计算机工作过程中所要涉及的计算机硬件部件有内存储器、指令寄存器、指令译码器、计算器、控制器、运算器和输入/输出设备等，在以后的内容中将会着重介绍。 （一）计算机硬件系统 硬件通常是指构成计算机的设备实体。一台计算机的硬件系统应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作，当计算机在接受指令后，由控制器指挥，将数据众输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果由输出设备输出。 中央处理器 CPU（central processing unit）意为中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器。 控制器 控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。计算机的工作方式是执行程序，程序就是为完成某一任务所编制的特定指令序列，各种指令操作按一定的时间关系有序安排，控制器产生各种最基本的不可再分的微操作的命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。当计算机执行程序时，控制器首先从指令指针寄存器中取得指令的地址，并将下一条指令的地址存入指令寄存器中，然后从存储器中取出指令，由指令译码器对指令进行译码后产生控制信号，用以驱动相应的硬件完成指纹操作。简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件，它的基本任务就是根据种类指纹的需要综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微命令。 运算器 运算器又称积极态度逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令规定的寻址方式，运算器从存储或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存计算机控制技术试卷及答案
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