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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。
微型计算机控制技术课后答案及解析习题⼀1，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？答：CPU，接⼝电路及外部设备组成。
CPU，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。
接⼝电路，微机和⽣产对象之间进⾏信息交换的桥梁和纽带。
外部设备：这是实现微机和外界进⾏信息交换的设备2，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。
答：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。
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。
3，常⽤⼯业控制机有⼏种？它们各有什么⽤途？4，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？答：(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。
(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。
(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是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。
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。
第二章 第三章第十二章 输入输出接口技术和输入输出通道何谓I/O 接口？在计算机控制系统中为什么要有I/O 接口电路？ 答：是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。
2. 一个微处理机（CPU ）采用程序控制查询方式时，管理50个键盘显示中断，要求将各终端打入的任一字符在显示器上立即显示出来。
已知CPU 查询每个终端并完成每一字符的接收和处理时间需200μs ，若程序员以每秒打10个字符的速度同时连续打入字符，问CPU 是否能按要求，可靠的管理全部50个终端？又问CPU 最多能管理多少个这种终端？ 答：5003. 在本章第二节，查询式I/O 方式应用举例中，假设X 、Y 、Z 三轴服务子程序的执行时间分别为100μs 、150μs 、120μs ，主程序执行时间（执行查询指令等）为80μs ，试估算不造成控制失误三轴所能达到的最高速度是多少？（速度以脉冲/s 计算） 答：27024. 某微机实时控制系统有1#、2#、3#三个外围设备。
由一个CPU 进行管理，已知各外围设备的最短响应时间和服务时间分别是：C1=5ms S1=300μs C2=8ms S2=1.3ms C3=1ms S3=400μs问若采用查询方式是否能可靠管理这三个外围设备？为什么？若不行的话，试提出改进方答：不行。
可采用中断嵌套的方式解决。
6. 计算机与外围设备交换信息有哪几种控制方式？它们各有什么优缺点》 答：见教材7. 某8086 最大模式系统中，需扩展8255A 、8253和DAC0832芯片各一片。
采用74LS138 译码器，若已指定给各芯片的地址范围是：8255A E0H 、E2H 、E4H 、E6H 、 8253 E1H 、E3H 、E5H 、E7H 、 DAC0832 F0H试设计接口扩展的译码电路（除74LS138 外, 可增加必要的其他逻辑电路芯片。
8某8088最大模式系统中，需扩展8255A 四片，指定各芯片的地址范围分别是90~93H 、94~97H 、98~9BH 、9C~9FH, 采用74LS 译码器，试设计接口地址译码电路。
第二章 输入输出过程通道1.什么是过程通道？过程通道有哪些分类？过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。
按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。
2.数字量过程通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。
数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。
数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。
其中：输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量，进行电平转换，将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题。
4.简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。
光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图2.1所示。
输入电流流过二极管时使其发光，照射到光敏三极管上使其导通，完成信号的光电耦合传送，它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离。
图2.1光电耦合器电路图5.模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？模拟量输入通道一般由I/V 变换、多路转换器、采样保持器、A/D 转换器、接口及控制逻辑电路组成。
(1)I/V 变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。
(2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。
(3)采样保持器：A/D 转换器完成一次A/D 转换总需要一定的时间。
在进行A/D 转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。
这样，就需要在A/D 转换器之前加入采样保持器。
(4)A/D 转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模/数转换器(Analog/Digital Converter ，简称A/D 转换器或ADC)。
6-1 数字控制器与模拟调节器相比较有什么优点？答：1、一机多用。
由于计算机运行速度快，而被控对象变化一般都比较缓慢，因此，可以用一台计算机控制几个到十几个，甚至几十个回路，从而可大大节省设备造价。
2、控制算法灵活，便于在线修改控制方案。
使用计算机控制不仅能实现经典的PID控制，而且还可以采用直接数字控制，如大林算法，以及最优控制等。
即使采用常用的PID控制，也可以根据系统的需要进行算法的改进，增强控制的效果。
3、可靠性高。
由于计算机控制算法是用软件编写的一段程序，因此比用硬件组成的控制算法电路具有更高的可靠性，且系统维护简单。
4、可改变调节品质，提高产品的产量和质量。
由于计算机运行速度快，且计算机控制是严格按照某一特定规律进行的，不会由于人为的因素造成失调，因而使调节品质和产量都大为提高，从而提高了经济效益。
5、便于实现控制与管理及通信相结合，使工业企业的自动化程度进一步提高。
6、生产安全，改善工人劳动条件。
6-2 在PID调节器中，比例、积分、微分项各有什么作用？K P，T I，T D对系统调节性能有什么影响？答：1、比例作用即时成比例的对偏差e作出响应，即偏差一旦产生，调节器立即产生成比例的控制作用，以减小偏差；积分调节的目的主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分作用在偏差出现或变化的瞬间对偏差量的变化速率作出反应，即按偏差变化的趋势进行控制，使偏差消灭于萌芽状态，加快响应速度。
简要概括如下：比例作用是保证调节过程的“稳”，积分作用是保证调节过程的“准”，微分作用是促进调节过程的“快”。
2、比例作用的强弱取决于比例系数K p的大小，增大K p可以增强比例作用，减小静差，但K p值过大，会引起调节过程振荡，导致系统不稳定；积分作用的强弱取决于积分时间常数T I，T I 越大，积分作用越弱，反之则越强；微分作用的强弱取决于微分时间常数T D，T D 越大，微分作用越强，反之则越弱。
6-3 增量式PID算法与位置式PID算法有何区别？它们各有什么优缺点？1、位置式PID 算法是全量输出，每次输出与整个过去状态有关，算式中含有所有过去偏差的累加值∑=kj jT e 0)(，容易产生较大的积累误差。
微型计算机控制技术课后答案(第二版)-潘新民第一章1.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分作用?(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.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。
4、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，这时计算机就起到操作指导的作用(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。
1. 什么是计算机控制系统？它由哪几部分组成？计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。
它是工业控制机构生产过程的大部分组成，工业控制机是指生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件部分，生产过程包括被控对象，测量变送，执行机构，电气开关等。
2. 计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么优缺点？计算机控制系统的典型形式:(1)操作指导控制系统。
优点：结构简单，控制灵活和安全，缺点是由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
（2）直接数字控制系统（DDC），实时性好，可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SSC），是生产过程始终处于最优工况。
（4）分型控制系统（DCS），分散控制，集中操作，分级管理。
（5）现场总线控制系统（FCS），降低成本，提高可靠性，可实现真正的开放式互连系统结构3. 实时，在线方式和离线方式的含义是什么？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，即计算机对输入信息以足够快的速度进行控制，超出这个时间就失去控制时机，控制也就失去意义。
在线方式：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。
离线方式：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作相应操作的方式。
4. 工业控制机有哪几部分组成？工业控制机包括硬件和软件两部分。
硬件包括：主机（CPU、RAM、ROM）板，人--机接口，外部总线和内部总线，系统支持板，磁盘系统通信接口，输入、输出通道。
软件包括系统软件、支持软件和应用软件。
5. 什么是总线，内部总线和外部总线？总线是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电机、机械特性，使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传送和通信。
内部总线：就是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽，但按功能仍要分为数据总线DB，地址总线AB，控制总线CB，电源总线PB。
6-1 数字控制器与模拟调节器相比较有什么优点？
答：1、一机多用。
由于计算机运行速度快，而被控对象变化一般都比较缓慢，因此，可以用一台计算机控制几个到十几个，甚至几十个回路，从而可大大节省设备造价。
2、控制算法灵活，便于在线修改控制方案。
使用计算机控制不仅能实现经典的PID控制，而且还可以采用直接数字控制，如大林算法，以及最优控制等。
即使采用常用的PID控制，也可以根据系统的需要进行算法的改进，增强控制的效果。
3、可靠性高。
由于计算机控制算法是用软件编写的一段程序，因此比用硬件组成的控制算法电路具有更高的可靠性，且系统维护简单。
4、可改变调节品质，提高产品的产量和质量。
由于计算机运行速度快，且计算机控制是严格按照某一特定规律进行的，不会由于人为的因素造成失调，因而使调节品质和产量都大为提高，从而提高了经济效益。
5、便于实现控制与管理及通信相结合，使工业企业的自动化程度进一步提高。
6、生产安全，改善工人劳动条件。
6-2 在PID调节器中，比例、积分、微分项各有什么作用？K P，T I，T D对系统调节性能有什么影响？
答：1、比例作用即时成比例的对偏差e作出响应，即偏差一旦产生，调节器立即产生成比例的控制作用，以减小偏差；积分调节的目的主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分作用在偏差出现或变化的瞬间对偏差量的变化速率作出反应，即按偏差变化的趋势进行控制，使偏差消灭于萌芽状态，加快响应速度。
简要概括如下：比例作用是保证调节过程的“稳”，积分作用是保证调节过程的“准”，微分作用是促进调节过程的“快”。
2、比例作用的强弱取决于比例系数K p的大小，增大K p可以增强比例作用，减小静差，但K p值过大，会引起调节过程振荡，导致系统不稳定；积分作用的强弱取决于积分时间常数T I，T I 越大，积分作用越弱，反之则越强；微分作用的强弱取决于微分时间常数T D，T D 越大，微分作用越强，反之则越弱。
6-3 增量式PID算法与位置式PID算法有何区别？它们各有什么优缺点？
1、位置式PID 算法是全量输出，每次输出与整个过去状态有关，算式中含有所有过去偏差的累加值∑=k
j jT e 0)(，容易产生较大的积累误差。
而增量式PID 算
法只需计算增量，计算误差对控制量的影响较小。
2、增量式PID 控制，由于计算机只输出控制增量Δu (k )，对应执行机构位置的变化部分，因此，当计算机误动作时，对系统的影响小。
3、位置式控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，即u (k -1)，才能保证手动/自动无扰动切换，这将给程序设计带来困难。
而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动无扰动切换。
6-4 在数字PID 中，采样周期是如何确定的？它与哪些因素有关？采样周期的大
小对调节品质有何影响？
答：根据香农（Shannon ）采样定理，采样周期必须满足max
ωπ<T ，其中max ω 为被采样的连续信号的最高频率。
因此香农（Shannon ）采样定理给出了选择采样周期的上限。
采样周期的选择方法有两种：计算法和经验法。
影响采样周期T 的因素有：
1、加至被控对象的扰动频率：扰动频率愈高，采样频率也应相应提高，即采样周期缩短。
2、对象的动态特性：主要是与被控对象的纯滞后时间θ及时间常数τ有关。
当纯滞后比较显著时，采样周期T 与纯滞后时间θ基本相等。
3、数字控制器D （Z ）所使用的算式及执行机构的类型：如采用大林算法及应用气动执行机构时，其采样周期比较长，而最快无波纹系统及使用步进电机等时采样周期就比较短。
4、控制的回路数：控制的回路越多，则T 越大，否则T 越小。
5、对象要求的控制质量：一般来说，控制精度要求越高，采样周期越短，以减小系统的纯滞后。
从理论上讲，采样周期越小，失真越小。
但是从控制器本身而言，大都是依靠偏差信号e （k ）进行调节计算的。
当采样周期T 太小时，偏差信号e （k ）也会过小，此时计算机将会失去调节作用，采样周期T 过长又会引起误差。
6-5 试述试凑法确定PID 参数的方法与步骤。
答：凑试法是通过模拟实验或系统闭环运行（允许的条件下）记录观察系统对典型输入信号的响应曲线，如阶跃响应曲线。
然后根据控制效果及各参数对系统的控制影响，反复凑试参数，以达到满意的系统响应，从而确定PID 控制参数。
在使用凑试法确定PID 参数时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对各参数按先比例，后积分，再微分的步骤进行整定。
1、首先整定比例部分。
即只采用比例控制，将比例系数K p 由小变大，并观察相应的系统响应曲线，直到得到反应快，超调小的响应曲线。
如果系统不存在静差，或静差在允许范围之内，并且响应曲线亦理想，那么系统只须采用比例控制。
2、其次整定积分部分。
若系统存在静差，则需加入积分环节。
整定时，先将积分时间常数T I 置为一个较大值，并将经第一步整定好的比例系数略为缩小（如缩小到原值的80%），然后减小积分时间常数，在保持系统良好动态性能的情况下，使静差得到消除。
在减小积分时间常数的过程中，由于积分控制对比例控制有补偿作用，所以应根据响应曲线情况，适当修改比例系数，以获得满意的控制效果。
3、最后整定微分部分。
若使用PI 控制，动态响应和稳态精度经反复凑试PI 参数仍不能兼顾，则可加入微分控制。
在第二步整定的基础上，将微分时间常数T D 从零逐渐增大，分析系统的控制性能，再相应的调整PID 参数，逐步凑试，以获得满意的控制效果和相应的控制参数。
6-6 试写出不完全微分控制算法，它有何优点？
答：不完全微分的PID 位置算式为
])()([)]1()([)1()(0
I P S D P D ∑=++--+-=k
i i e T T k e K k e k e T T K k k u u α 不完全微分PID 增量式算式为
)1(2)([)()]1()([)(S
D P I P --++--=∆k e k e T T K k e T T K k e k e Kp k u )]2()1([)]2(D D -+-+-+k k k e u u α
在不完全微分系统中，微分输出信号按指数规律逐渐衰减到零，因而系统变
化比较缓慢，故不易引起振荡。
