计算机控制系统课后习题参考答案(刘士荣版)--第6章

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。

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。

第一章课后参考答案1-1简述计算机控制系统的控制过程。

计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下三个步骤：1)实时数据采集：对被控量进行采样测量，形成反馈信号；2)实时控制计算：根据反馈信号和给定信号，按一定的控制规律，计算出控制量；3）实时控制输出，向执行机构发出控制信号，实现控制作用。

1-2什么是实时性？有哪些因素影响系统的实时性？硬件：1）控制器计算速度2）传感器采集速度3）执行器反应时间4）A/D、D/A转换速度软件：1）操作系统调度2）中断响应处理方式（包括定时器）3）延时函数的设置实时性：即信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内即时完成的，超出这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

1-3计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分作用是什么？计算机的硬件主要包括主机、输入输出通道和外部设备。

主机：主机是计算系统的核心，通过接口向系统的各个部分发出各种指令，对被控对象进行检测和控制。

输入输出通道：输入输出通道是计算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计算机可以接收的数字信号，过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据，转化成可以对生产对象进行控制的的信号。

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。

外部设备：外部设备是实现计算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，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，还应有按键或开关，完成系统的启、停等功；操作台还要保证操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。

1-4计算机控制系统的软件由哪几部分组成？各部分作用是什么？计算机控制系统软件分为系统软件、应用软件及数据库。

系统软件是有计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。

对用户来说，系统软件只是用来开发应用软件的工具，不需要自己设计。

思考题与习题6-6 具有纯滞后补偿的控制系统如图6-12所示，采样周期1T s =，对象为221()1s sG s e e s --=+， 求Smith 预估器的控制算式)(k y τ。

解则预估器的传递函数为21()()(1)(1)1s s G s G s e e s ττ--=-=-+ 2()1()(1)()1s sTsY s e G s e U s e s ττ----=-=+ ()()()(3)dy t y t u t T u t T dtττ+=--- ()(1)()(1)(3)y k y k y k u k u k Tτττ--+=---()0.5(1)0.5(1)0.5(3)y k y k u k u k ττ=+---－6-12 前馈控制结构图如图6-18，设被控对象的干扰通道和控制通道的传递函数分别为s n e s s G 4191)(-+=s e s s G 21301)(-+= 采样周期T =1s 。

试推导完全补偿前馈控制器()n D z 输出()n u k 。

解()Y s图6-12 具有纯滞后补偿的控制系统sssn n n e s s e s e s s G s G s N s U s D 224191301301191)()()()()(---++-=++-=-==相应的微分方程为：)]2()2(30[)()(9-+--=+t n dtt dn t u dt t du n n对上式进行离散化，得：)]2()12()2(30[)()1()(9Tk n T T k n T k n k u T k u k u n n n -+-----=+--s T 1= ∴ 上式为： )2()]3()2([30)()]1()([9------=+--k n k n k n k u k u k u n n n )3(30)2(31)1(9)(10-+---=k n k n k u k u n n即 )3(3)2(1.3)1(9.0)(-+---=k n k n k u k u n n此式即为完全补偿前馈控制器的控制算法。

1-1 什么是计算机控制系统？画出一个实际计算机控制系统原理结构图，并说明一个计算机控制系统由哪些部分组成及各部分的作用。

利用计算机参与控制的系统称为计算机控制系统。

1-2 简述计算机控制系统的控制过程。

实时数据采样实时计算控制量实时控制实时管理1-3 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，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：生产过程和计算机系统直接连接，并接受计算机直接控制的方式称为在线或联机方式。

(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的方式叫做“脱机”方式或“离线”方式。

1-4 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？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。

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。

(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)。

(4)生产过程装置a.测量变送单元：为了测量各种参数而采用的相应检测元件及变送器。

b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构。

1.5 计算机控制系统的软件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。

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。

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。

计算机控制系统课后答案1. 概述计算机控制系统是指利用计算机进行控制的系统，它采用计算机硬件和软件的协同作用，对被控对象进行监测、测量、判断以及控制操作的任务。

本文将回答计算机控制系统课后习题，以帮助读者加深对该课程的理解。

2. 习题答案2.1 什么是计算机控制系统？计算机控制系统是指利用计算机硬件和软件的协同作用，对被控对象进行监测、测量、判断以及控制操作的系统。

其核心是计算机的控制程序，通过对输入信号的处理和对输出信号的控制，实现对被控对象的精准控制。

2.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统主要由以下几个组成部分构成：•输入设备：用于采集被控对象的状态信息，将其转化为数字信号输入到计算机中。

•输出设备：将计算机产生的控制信号转化为可被被控对象接受的信号。

•中央处理单元（CPU）：负责执行控制程序，对输入信号进行处理和判断，并产生相应的控制信号。

•存储器：用于存储控制程序和控制数据。

•总线：用于传输控制信号和数据，连接CPU、存储器和输入输出设备。

2.3 计算机控制系统的特点•精确性：计算机控制系统能够对被控对象进行精确的控制，实时调整控制参数，确保控制过程的稳定性和准确性。

•灵活性：通过编写不同的控制程序，可以实现对不同对象的控制，具有很高的灵活性。

•可靠性：计算机控制系统具有自主诊断和故障处理能力，当出现故障时，能够自动检测、定位和修复错误，提高了系统的可靠性。

•扩展性：计算机控制系统可以根据需要增加或替换硬件设备，增加系统的功能和性能。

•可维护性：计算机控制系统通常使用模块化设计，方便对系统进行维护和升级。

2.4 计算机控制系统的应用领域计算机控制系统广泛应用于工业自动化领域，例如：•工业生产线控制：计算机控制系统可以对生产线上的各个环节进行监控和控制，提高生产效率和产品质量。

•交通信号控制：计算机控制系统可以对交通信号灯进行精确控制，实现交通流量的调度和优化。

•智能家居系统：计算机控制系统可以对家庭设备进行智能控制，实现远程操控和自动化管理。

第一章计算机控制系统概述习题与思考题1.1什么是计算机控制系统？计算机控制系统较模拟系统有何优点？举例说明。

解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，被称为计算机控制系统。

与模拟系统相比，计算机控制系统具有设计和控制灵活，能实现集中监视和操作，能实现综合控制，可靠性高，抗干扰能力强等优点。

例如，典型的电阻炉炉温计算机控制系统，如下图所示：炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号（毫伏级），再经变送器变成标准信号（1-5V或4-20mA）从现场进入控制室；经A/D 转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的温度给定比较，得到偏差信号，该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压（220V）进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小，从而调节炉温变化，最终达到计算机内部的给定温度。

由于计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。

还可以通过软件的标准化和模块化，这些控制软件可以反复、多次调用。

又由于计算机具有分时操作功能，可以监视几个或成十上百个的控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。

计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时，能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预，这些都是传统模拟控制无法胜任的。

在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。

另一方面，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。

计算机控制系统刘士荣课后答案【篇一：计算机化学学习心得】结合化学专业中常用的数学方法和部分化学应用软件，综述计算机在化学中的理论与实际应用，解决化学领域中的实际问题以及建立简单的化学模型，同时介绍origin、chemwindow 和化学品电子手册等软件，并且能够利用互联网进行化学文献检索及其它相关化学信息的搜索与利用。

关键词: 计算机; 化学; 仪器; 软件一．引言eico clementi 教授是计算化学领域的开创者。

20 世纪60 年代初，他在美国san jose 建立了ibm计算化学实验室，吸引了世界上一大批年轻学者，他们后来都成为了世界各地的计算化学学术带头人。

clementi 是国际上最早的几个量子化学程序编制者，其中metecc系列开源计算程序得到广泛的应用。

他在1963 年提出了密度泛函近似( dfa) ，这是最早的量子化学密度泛函研究。

近几年，他与giorgina，corongiu 提出了一种新的量子化学波函数方法: hf-hl，即将分子轨道理论与价键理论这两种截然不同的途径进行了杂化组合运算，并从中发展出“化学轨道”的概念[1]。

随着计算机在化学化工中应用水平的提高，出现了一系列带有边缘性的，并具有独立特征的研究领域[2]。

如：计算方法，模型化方法，模拟技术，物质共性规律，结构和性质的关系研究，数据库技术，化学信息和化学结构的描述，处理，解析，分子图形技术，化工冶金系统流程模拟及计算机辅助设计（cad)技术，化学化工中的人工智能和专家系统等。

这些新兴领域就大体上形成了化学化工中的一个新的学科分支——计算机化学。

计算机化学是应用计算机研究化学反应和物质变化的科学。

以计算机为技术手段，建立化学化工信息资源化和智能化处理的理论和方法，认识物质、改造物质、创造新物质和认识反应、控制反应过程和创造新反应、新过程是计算机化学研究的主体。

目前其覆盖的领域主要有：(1)化学数据挖掘(data mining)；(2)化学结构与化学反应的计算机处理技术；(3)计算机辅助分子设计；(4)计算机辅助合成路线设计；(5)计算机辅助化学过程综合与开发；(6)化学中的人工智能方法等[3]。

习题参考答案2-3 信号调理单元的功能是什么 通常包括哪些电路放大、电平变换、电隔离、阻抗变换、线性化和滤波;将传感器输出的电信号尽可能不失真地转变为标准的电流或电压信号通常为4～20mA 、0～5V 等..通常包括标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等..2-5 仪表放大器与普通运算放大器有何不同 其特点有哪些对于输出阻抗大;共模电压高的输入信号;需要用到高输入阻抗和高共模抑制比的差动放大器;仪器放大器是专为这种应用场合设计的增益可调的放大器..如果由普通的运放构成增益可设定的差动放大器;因其输入阻抗低;电阻参数对称性调整复杂;共模抑制比低;故而不适合作为传感器输出信号的差动放大器..2-11 采样保持器的作用是什么 是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器 为什么采样保持器的作用是：在A/D 转换期间保持输入模拟信号不变..并不是所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器;如被采样的模拟信号的变化频率相对于A/D 转换的转换速度较低的话;可以不加采样保持器..2-13 A/D 转换器有哪些技术指标1 分辨率 通常用转换后的数字量的位数表示;如8位、10位、12位、16位等2 量程 它是指所能转换的电压范围..如5V 、10V 等..3 转换精度 它是指转换后所得结果相对于实际值的准确度..A/D 转换器的转换精度取决于量化误差q 、微分线性度误差DNLE 和积分线性度误差INLE..通常用绝对精度和相对精度两种表示方法..绝对精度常用数字量的位数表示法;如绝对精度为±1/2LSB..;相对精度用相对于满量程的百分比表示..如满量程为10V 的8位A ／D 转换器;其绝对精度为81/210/219.5mV ⨯=±;而8位A ／D 的相对精度为%59.0%1002/)2/1(8=⨯FSR..精度和分辨率不能混淆..即使分辨率很高;但温度漂移、线性不良等原因可能造成精度不是很高..4 转换时间 它是指启动A/D 到转换结束所需的时间;即孔径时间..5 工作温度范围 较好的A/D 转换器的工作温度为-40～85℃;一般的为0～70℃..2-14 一个12位的A/D 转换器;孔径时间为20μs;绝对精度为±1LSB ;若不使用采样保持器;为了确保转换精度;则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少2-16 为什么模拟量输出通道中要有零阶保持器 通常用何电路实现模拟量输出通道中要有输出保持器;这是因为计算机控制是分时的;每个输出回路只能周期地在一个时间片上得到输出信号;即这时执行部件得到的是时间上离散的模拟信号;而实际的执行部件却要求连续的模拟信号;因此为了使执行部件在两个输出信号的间隔时间内仍然能得到输出信号;就必须有输出保持器;通过它将前一采样控制时刻的输出信号保持下来;直到下一个采样控制时刻到来;重新得到新的输出信号计算机控制系统中通常采用零阶保持器;即前一采样时刻的输出值原封不动的理想化的保持到下一采样时刻到来..零阶保持器通常用和模拟量输入通道中的采样保持器一样的电容保持电路来实现.. 2-19 数字量输入通道中的调理电路通常哪几种功能电平转换、滤波、隔离和过电压保护2-24 常用数字滤波有几种方法 各有何特点何用途限幅滤波、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、加权递推平均滤波法和一阶惯性滤波法..平均值滤波法适用于周期性干扰;中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰;惯性滤波法适用于高频及低频的干扰信号;加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控制对象..如果同时采用几种滤波方法;一般先用中位值滤波法或限幅滤波法;然后再用平均值滤波法..2-25某热处理炉温度变化的范围为0～1350℃;经温度变送器变换为1～5V 电压输入AD574A;AD574A 的输入范围为0～10V..当t=KT 时; AD574A 的转换结果为56AH;问此时炉内的温度为多少度解 1350x A C =︒;00A C =︒;5m N =;01N V =;或解：56AH 对应的电压值为1056 3.3854095V AH V ⨯= 1350051 3.3851Y -=-- 805x A C =︒。

第一章计算机控制系统概述习题参考答案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。

(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。

图1.1微机控制系统组成框图(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。

第一章计算机控制系统概述习题与思考题1.1什么是计算机控制系统计算机控制系统较模拟系统有何优点举例说明;解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统,被称为计算机控制系统;与模拟系统相比,计算机控制系统具有设计和控制灵活,能实现集中监视和操作,能实现综合控制,可靠性高,抗干扰能力强等优点;例如,典型的电阻炉炉温计算机控制系统,如下图所示：炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后,变成电信号毫伏级,再经变送器变成标准信号1-5V或4-20mA从现场进入控制室；经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机,与计算机内部的温度给定比较,得到偏差信号,该信号经过计算机内部的应用软件,即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量,再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器,进而控制双向晶闸管对交流电压220V进行PWM调制,达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小,从而调节炉温变化,最终达到计算机内部的给定温度;由于计算机控制系统中,数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的,所以很容易实现多种控制算法,修改控制算法的参数也比较方便;还可以通过软件的标准化和模块化,这些控制软件可以反复、多次调用;又由于计算机具有分时操作功能,可以监视几个或成十上百个的控制量,把生产过程的各个被控对象都管理起来,组成一个统一的控制系统,便于集中监视、集中操作管理;计算机控制不仅能实现常规的控制规律,而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能,可以综合生产的各方面情况,在环境与参数变化时,能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制,必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预,这些都是传统模拟控制无法胜任的;在计算机控制系统中,可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能,使计算机控制系统具有很强的可维护性;另一方面,计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的,程序代码存储于计算机中,一般情况下不会因外部干扰而改变,因此计算机控制系统的抗干扰能力较强;因此,计算机控制系统具有上述优点;1.2计算机控制系统由哪几部分组成各部分的作用如何解答：计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成;被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号1-5V或4-20mA；再经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机,计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量,再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器,进而控制被控对象的物理量,实现控制要求;1.3应用逻辑器件设计一个开关信号经计算机数据总线接入计算机的电路图;解答：1.4应用逻辑器件设计一个指示灯经过计算机数据总线输出的电路图;解答：1.5设计一个模拟信号输入至计算机总线接口的结构框图;解答：模拟量输入通道组成与结构图1.6设计一个计算机总线接口至一个4~20mA模拟信号输出的结构框图;解答：1.7简述并举例说明内部、外部和系统总线的功能;解答：内部总线指计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线,用于芯片一级的互连,是微处理器总线的延伸,是微处理器与外部硬件接口的通路,图所示是构成微处理器或子系统内所用的并行总线;内部并行总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类;图 内部并行总线及组成 系统总线指计算机中各插件板与系统板之间的总线如Multibus 总线、STD 总线、PC 总线,用于插件板一级的互连,为计算机系统所特有,是构成计算机系统的总线;由于微处理器芯片总线驱动能力有限,所以大量的接口芯片不能直接挂在微处理器芯片上;同样,如果存储器芯片、I/O 接口芯片太多,在一个印刷电路板上安排不下时,采用模块化设计又增加了总线的负载,所以微处理器芯片与总线之间必须加上驱动器;系统总线及组成如图所示;图 系统总线及组成外部总线指计算机和计算机之间、计算机与外部其他仪表或设备之间进行连接通信的总线;计算机作为一种设备,通过该总线和其他设备进行信息与数据交换,它用于设备一级的互连;外部总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上,外部总线及组成如图所示;图 外部总线及组成1.8 详述基于权电阻的D/A 转换器的工作过程;解答：D/A 转换器是按照规定的时间间隔T 对控制器输出的数字量进行D/A 转换的;D/A 转换器的工作原理,可以归结为“按权展开求和”的基本原则,对输入数字量中的每一位,按权值分别转换为模拟量,然后通过运算放大器求和,得到相应模拟量输出;相应于无符号整数形式的二进制代码,n 位DAC 的输出电压out V 遵守如下等式：2 31223()2222nout FSR n B B B B V V =++++式中,FSR V 为输出的满幅值电压,1B 是二进制的最高有效位,n B 是最低有效位;以4位二进制为例,图给出了一个说明实例;在图中每个电流源值取决于相应二进制位的状态,电流源值或者为零,或者为图中显示值,则输出电流的总和为：3124234()2222out B B B B I I =+++ 我们可以用稳定的参考电压及不同阻值的电阻来替代图中的各个电流源,在电流的汇合输出加入电流/电压变换器,因此,可以得到权电阻法数字到模拟量转换器的原理图如图所示;图中位切换开关的数量,就是D/A 转换器的字长;图 使用电流源的DAC 概念图图 权电阻法D/A 转换器的原理图D/A 转换器误差的主要来源是什么解答：D/A 转换的误差主要应由D/A 转换器转换精度转换器字长和保持器采样点之间插值的形式以及规定的时间间隔T 来决定;详述逐次逼近式A/D 转换器的工作过程;解答：逐次逼进式A/D 转换器原理图如图所示,当计算机发出转换开始命令并清除n 位寄存器后,控制逻辑电路先设定寄存器中的最高位为“1”其余位为“0”,输出此预测数据为100…0被送到D/A 转换器,转换成电压信号f V ,后与输入模拟电压g V 在比较器中相比较,若g f V V ≥,说明此位置“1”是对的,应予保留,若g f V V <,说明此位置“1”不合适,应置“0”;然后对次高位按同样方法置“1”,D/A 转换、比较与判断,决定次高位应保留“1”还是清除;这样逐位比较下去,直到寄存器最低一位为止;这个过程完成后,发出转换结束命令;这时寄存器里的内容就是输入的模拟电压所对应的数字量;图 逐次逼近式A/D 转换器原理框图详述双积分式A/D 转换器的工作过程;解答：双积分式A/D 转换器转换原理框图如图a 所示,转换波形如图b 所示;当t=0,“转换开始”信号输入下,g V 在T 时间内充电几个时钟脉冲,时间T 一到,控制逻辑就把模拟开关转换到ref V 上,ref V 与g V 极性相反,电容以固定的斜率开始放电;放电期间计数器计数,脉冲的多少反映了放电时间的长短,从而决定了输入电压的大小;放电到零时,将由比较器动作,计数器停止计数,并由控制逻辑发出“转换结束”信号;这时计数器中得到的数字即为模拟量转换成的数字量,此数字量可并行输出;a b图 双积分式A/D 转换器原理及波形图A/D 转换器误差的主要来源是什么解答：A/D 转换的误差主要应由A/D 转换器转换速率孔径时间和转换精度量化误差来决定; 简述操作指导控制系统的结构和特点;解答：操作指导系统的结构如图所示;它不仅提供现场情况和进行异常报警,而且还按着预先建立的数学模型和控制算法进行运算和处理,将得出的最优设定值打印和显示出来,操作人员根据计算机给出的操作指导,并且根据实际经验,经过分析判断,由人直接改变调节器的给定值或操作执行机构;当对生产过程的数学模型了解不够彻底时,采用这种控制能够得到满意结果,所以操作指导系统具有灵活、安全和可靠等优点;但仍有人工操作、控制速度受到限制,不能同时控制多个回路的缺点;图 操作指导系统框图简述直接数字控制系统的结构和特点;解答：直接数字控制系统DDC 结构如图所示;这类控制是计算机把运算结果直接输出去控制生产过程,简称DDC 系统;这类系统属于闭环系统,计算机系统对生产过程各参量进行检测,根据规定的数学模型,如PID 算法进行运算,然后发出控制信号,直接控制生产过程;它的主要功能不仅能完全取代模拟调节器,而且只要改变程序就可以实现其他的复杂控制规律,如前馈控制、非线性控制等;它把显示、打印、报警和设定值的设定等功能都集中到操作控制台上,实现集中监督和控制给操作人员带来了极大的方便;但DDC 对计算机可靠性要求很高,否则会影响生产;图 直接数字控制系统简述计算机监督控制系统的结构和特点; 解答：监督控制系统有两种形式;1SCC 加模拟调节器的系统这种系统计算机对生产过程各参量进行检测,按工艺要求或数学模型算出各控制回路的设定值,然后直接送给各调节器以进行生产过程调节,其构成如图所示;这类控制的优点是能够始终使生产过程处于最优运行状态,与操作指导控制系统比较,它不会因手调设定值的方式不同而引起控制质量的差异;其次是这种系统比较灵活与安全,一旦SCC 计算机发生故障,仍可由模拟调节器单独完成操作;它的缺点是仍然需采用模拟调节器;图 SCC 加调节器的系统框图2SCC 加DDC 的系统在这种系统中,SCC 计算机的输出直接改变DDC 的设定值,两台计算机之间的信息联系可通过数据传输直接实现,其构成如图所示;这种系统通常一台SCC 计算机可以控制数个DDC 计算机,一旦DDC 计算机发送故障时,可用SCC 计算机代替DDC 的功能,以确保生产的正常进行;图 SCC 加DCC 的系统框图简述集中控制系统的结构和特点;解答：这种系统是由一台计算机完成生产过程中多个设备的控制任务,即控制多个控制回路或控制点的计算机控制系统;控制计算机一般放置在控制室中,通过电缆与生产过程中的多种设备连接;集中控制系统具有结构简单、易于构建系统造价低等优点,因此计算机应用初期得到了较为广泛的应用;但由于集中控制系统高度集中的控制结构,功能过于集中,计算机的负荷过重,计算机出现的任何故障都会产生非常严重的后果,所以该系统较为脆弱,安全可靠性得不到保障;而且系统结构越庞大,系统开发周期越长,现场调试,布线施工等费时费力不,很难满足用户的要求;简述DCS控制系统的结构和特点;解答：集散型控制系统DCS,Distributed Control System是由以微型机为核心的过程控制单元PCU、高速数据通道DHW、操作人员接口单元OIU和上位监控机等几个主要部分组成,如图所示;各部分功能如下：1过程控制单元PCU由许多模件板组成,每个控制模件是以微处理器为核心组成的功能板,可以对几个回路进行PID、前馈等多种控制;一旦一个控制模件出故障,只影响与之相关的几个回路,影响面少,达到了“危险分散”的目的;此外,PCU可以安装在离变送器和执行机构就近的地方,缩短了控制回路的长度,减少了噪声,提高了可靠性,达到了“地理上”的分散;2高速数据通道DHW是本系统综合展开的支柱,它将各个PCU、OIU、监控计算机等有机地连接起来以实现高级控制和集中控制;挂在高速数据通道上的任何一个单元发生故障,都不会影响其他单元之间的通信联系和正常工作;3操作人员接口OIU单元实现了集中监视和集中操作,每个操作人员接口单元上都配有一台多功能CRT屏幕显示,生产过程的全部信息都集中到本接口单元,可以在CRT上实现多种生产状态的画面显示,它可以取消全部仪表显示盘,大大地缩小了操作台的尺寸,对生产过程进行有效的集中监视,此外利用键盘操作可以修改过程单元的控制参数,实现集中操作;4监控计算机实现最优控制和管理,监控机通常由小型机或功能较强的微型机承担,配备多种高级语言和外部设备,它的功能是存取工厂所有的信息和控制参数,能打印综合报告,能进行长期的趋势分析以及进行最优化的计算机控制,控制各个现场过程控制单元PCU工作;图集散控制系统简述NCS控制系统的结构和特点;解答：以太网络为代表的网络控制结构如图所示;以太控制网络最典型应用形式为顶层采用Ethernet,网络层和传输层采用国际标准TCP/IP;另外,嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器可以很方便地接入以太控制网;以太控制网容易与信息网络集成,组建起统一的企业网络;图以太控制网络组成简述FCS控制系统的结构和特点;解答：现场总线控制系统FCS,Fieldbus Control System的体系结构主要表现在：现场通信网络、现场设备互连、控制功能分散、通信线供电、开放式互连网络等方面;由于FCS底层产品都是带有CPU的智能单元,FCS突破了传统DCS底层产品4-20mA模拟信号的传输;智能单元靠近现场设备,它们可以分别独立地完成测量、校正、调整、诊断和控制的功能;由现场总线协议将它们连接在一起,任何一个单元出现故障都不会影响到其它单元,更不会影响全局,实现了彻底的分散控制,使系统更安全、更可靠;传统模拟控制系统采用一对一的设备连线,按照控制回路进行连接;FCS采用了智能仪表智能传感器、智能执行器等,利用智能仪表的通信功能,实现了彻底的分散控制;图为传统控制系统与FCS的结构对比;图传统控制系统与现场总线控制系统结构的比较SPI总线中的从控器应满足什么要求解答：略;智能仪表接入计算机有几种途径解答：两种,一种是485串行方式,另一种是以太网方式;针对计算机控制系统所涉及的重要理论问题,举例说明;解答：1.信号变换问题多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的,而计算机控制系统在结构上通常是由模拟与数字部件组成的混合系统;同时,计算机是串行工作的,必须按一定的采样间隔称为采样周期对连续信号进行采样,将其变成时间上是断续的离散信号,并进而变成数字信号才能进入计算机；反之,从计算机输出的数字信号,也要经过D/A 变换成模拟信号,才能将控制信号作用在被控对象之上;所以,计算机控制系统除有连续模拟信号外,还有离散模拟、离散数字等信号形式,是一种混合信号系统;这种系统结构和信号形式上的特点,使信号变换问题成为计算机控制系统特有的、必须面对和解决的问题; 2.对象建模与性能分析计算机控制系统虽然是由纯离散系统的计算机和纯连续系统的被控对象而构成的混合系统,但是为了分析和设计方便,通常都是将其等效地化为离散系统来处理;对于离散系统,通常使用时域的差分方程、复数域的z 变换和脉冲传递函数、频域的频率特性以及离散状态空间方程作为系统数学描述的基本工具;3.控制算法设计在实际工程设计时,数字控制器有两种经典的设计方法,即模拟化设计方法和直接数字设计方法,它们基本上属于古典控制理论的范畴,适用于进行单输入、单输出线性离散系统的算法设计;以状态空间模型为基础的数字控制器的设计方法,属于现代控制理论的范畴,不仅适用于单输入、单输出系统的设计,而且还适用于多输入、多输出的系统设计,这些系统可以是线性的也可以是非线性的；可以是定常的,也可以是时变的;4.控制系统实现技术在计算机控制系统中,由于采用了数字控制器而会产生数值误差;这些误差的来源、产生的原因、对系统性能的影响、与数字控制器程序实现方法的关系及减小误差影响的方法,如A/D 转换器的量化误差；当计算机运算超过预先规定的字长,必须作舍入或截断处理,而产生的乘法误差；系统因不能装入某系数的所有有效数位,而产生的系数设置误差；以及这些误差的传播,都会极大的影响系统的控制精度和它的动态性能,因此计算机控制系统的工程设计是一项复杂的系统工程,涉及的领域比较广泛;举例略;第二章 信号转换与z 变换习题与思考题什么叫频率混叠现象,何时会发生频率混叠现象解答：采样信号各频谱分量的互相交叠,称为频率混叠现象;当采样频率max 2s ωω<时,采样函数*()f t 的频谱已变成连续频谱,重叠部分的频谱中没有哪部分与原连续函数频谱 ()F j ω相似,这样,采样信号*()f t 再不能通过低通滤波方法不失真地恢复原连续信号;就会发生采样信号的频率混叠现象;简述香农采样定理;解答：如果一个连续信号不包含高于频率max ω的频率分量连续信号中所含频率分量的最高频率为max ω,那么就完全可以用周期max /T πω<的均匀采样值来描述;或者说,如果采样频率max 2s ωω>,那么就可以从采样信号中不失真地恢复原连续信号; D/A 转换器有哪些主要芯片解答：8位DAC0832,12位D/A 转换器DAC1208/1209/1210; D/A 转换器的字长如何选择 解答：D/A 转换器的字长的选择,可以由计算机控制系统中D/A 转换器后面的执行机构的动态范围来选定;设执行机构的最大输入为u max ,执行机构的死区电压为u R ,D/A 转换器的字长为n ,则计算机控制系统的最小输出单位应小于执行机构的死区,即 所以[]max lg /1/lg2R n u u ≥+;简述D/A 输出通道的实现方式; 解答：常用的两种实现方式;图 a 由于采用了多个D/A 转换器,硬件成本较高,但当要求同时对多个对象进行精确控制时,这种方案可以很好地满足要求;图 b 的实现方案中,由于只用了一个D/A 转换器、多路开关和相应的采样保持器,所以比较经济; 2.6 A/D 转换器有哪些主要芯片解答：8位8通道的ADC0809,12位的AD574A; 2.7 A/D 转换器的字长如何选择解答：根据输入模拟信号的动态范围可以选择A/D 转换器位数;设A/D 转换器的位数为n ,模拟输入信号的最大值u max 为A/D 转换器的满刻度,则模拟输入信号的最小值u min 应大于等于A/D 转换器的最低有效位;即有 所以[]max min lg /1/lg2n u u ≥+;简述A/D 输入通道的实现方式;解答：查询方式,中断方式,DMA 方式简述A/D 的转换时间的含义及其与A/D 转换速率和位数的关系;解答：设A/D 转换器已经处于就绪状态,从A/D 转换的启动信号加入时起,到获得数字输出信号与输入信号对应之值为止所需的时间称为A/D 转换时间;该时间的倒数称为转换速率;A/D 的转换速率与A/D 的位数有关,一般来说,A/D 的位数越大,则相应的转换速率就越慢; 写出()f t 的z 变换的多种表达方式如(())Z f t 等; 解答：*[()][()]()()k k Z f t Z f t F z f kT z ∞-====∑;证明下列关系式1 11[]1k Z a az-=- 证明：ln *()k a Tf kT e =令将两式相减得： 证毕;2 [()]()k z Z a f t F a =证明：3 [()]()dZ tf t Tz F z dz=- 证明：4 211213(1)[](1)T z z Z t z ---+=- 5 112[](1)aT ataT Te z Z tee z -----=-6 [()]()t TZ a f t F a z -=用部分分式法和留数法求下列函数的z 变换 1 1()(1)F s s s =+解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：11()1F s s s =-+ 1111111111;1+11,111(1)()11(1)(1)T T T T s z s e z e z F z z e z z e z --------------=-=----与相对应的连续时间函数相应的z 变换是与相对应的连续时间函数相应的z 变换是因而留数法： 2 1()(3)(2)s F s s s +=++解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：21()32F s s s =-++ 留数法： 3 21()(2)(1)s F s s s +=++解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：2()(2)21A B CF s s s s =+++++ 求,,A B C ：所以上式中等号右边第一项不常见,查后续表,得到 留数法:()F s 的极点11s =-,2,32s =-,2m =,2n = 4 23()(2)(1)s F s s s +=++ 解答：部分分式法：将()F s 分解成部分分式：2122()(2)21F s s s s -=-++++留数法：5 21()(1)sTe F s s s --=+留数法： 部分分式法:6 21()(1)sTe F s s s --=+留数法:部分分式法：用级数求和法求下列函数的Z 变换1 ()kf k a =解答：2 1()k f k a -=解答：3 1()k f t ta -=解答：所以122331()2...az F z Ta z Ta z ---=++4 25()tf t t e -=解答：用长除法、部分分式法、留数法对下列函数进行z 反变换1 111(1)()(1)(1)aT aT z e F z z e z ------=-- 解答：长除法 部分分式法： 留数法：2 (1)()(1)()aT aTz e F z z z e ---=-- 解答：长除法 部分分式法： 留数法：3 11262()12z F z z z ----+=-+解答：长除法 部分分式法： 留数法：4 1120.5()1 1.50.5z F z z z---=-+ 解答：长除法 部分分式法： 留数法：5 1123()12z F z z z----+=-+ 解答：长除法 部分分式法： 留数法： 6 2()(2)(1)zF z z z =--解答： 长除法：部分分式法： 留数法：()F z 中有一个单极点和两个重极点12z =,2,31z =,2m =,2n =利用式求出12z z ==时的留数利用式求出2,31z z ==的留数,其中2n =;根据式有 ()21kf kT k =--从而 *()(21)()kk f t k t kT δ∞==---∑举例说明,z 变换有几种方法解答：级数求和法,部分方式法,留数计算法;举例见书上例题; 简述z 变换的线性定理,并证明之;解答：线性定理：线性函数满足齐次性和迭加性,若[]11()()Z f t F z =,[]22()()Z f t F z =a 、b 为任意常数,12()()()f t af t bf t =±,则证明：根据z 变换定义 证毕;简述z 变换的滞后定理,并证明之; 解答：滞后定理右位移定理如果()0f t =,则 证明：根据z 变换定义令k n m -=,则因为0t <时,()0f t =物理的可实现性,上式成为 证毕;简述z 变换的超前定理,并证明之; 解答：超前定理左位移定理 如果 [](0)()(1)0f T f T f n T ===-=则证明：根据z 变换定义 令k n r +=,则当[](0)()(1)0f T f T f n T ===-=零初始条件时,上式成为证毕;简述z 变换的初值定理,并证明之; 解答：初值定理如果()f t 的z 变换为()F z ,而lim ()z F z →∞存在,则证明：根据z 变换定义当z →∞时,上式两端取极限,得 证毕;简述z 变换的终值定理,并证明之; 解答：终值定理如果()f t 的z 变换为()F z , 而1(1)()z F z --在z 平面以原点为圆心的单位圆上或圆外没有极点,则证明：根据z 变换定义 因此,有当1z →时,上式两端取极限,得111lim[()()]lim(1)()kk z z k k f kT zf kT T z z F z ∞∞---→→==--=-∑∑由于0t <时,所有的()0f t =,上式左侧成为 因此有 证毕;简述z 变换的求和定理,并证明之; 解答：求和定理叠值定理在离散控制系统中,与连续控制系统积分相类似的概念叫做叠分,用()kj f j =∑来表示;如果 0()()(0,1,2,)kj g k f j k ===∑则证明：根据已知条件,()g k 与(1)g k -的差值为： 当0k <时,有()0g k =,对上式进行z 变换为1()()()G z z G z F z --=,11()()1G z F z z -=-即 101()()1k j Z f j F z z-=⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦∑ 证毕;简述z 变换的复域位移定理,并证明之; 解答：复域位移定理如果()f t 的z 变换为()F z ,a 是常数,则位移定理说明,像函数域内自变量偏移aT e ±时,相当于原函数乘以ate ;证明：根据z 变换定义令1aTz ze ±=,上式可写成 代入1aTz ze ±=,得证毕;简述z 变换的复域微分定理,并证明之; 解答：复域微分定理如果()f t 的z 变换为()F z ,则 证明：由z 定义对上式两端进行求导得 对上式进行整理,得 证毕;简述z 变换的复域积分定理,并证明之; 解答：复域积分定理如果()f t 的z 变换为()F z ,则 证明：由z 变换定义,令 利用微分性质,得对上式两边同时积分,有()1()zz dG z dz F z dz dz Tz ∞∞=-⎰⎰,()()lim ()z z F z G z G z dz Tz ∞→∞-=⎰ 根据初值定理所以 证毕;简述z 变换的卷积和定理,并证明之; 解答：卷积定理两个时间序列或采样信号()f k 和()g k ,相应的z 变换为()F z 和()G z ,当0t <时,()()0f k g k ==,0t ≥的卷积记为()()f k g k *,其定义为。