微型计算机控制 第6章 数字滤波技术

计算机控制系统的数字滤波方法软件滤波器与硬件模拟滤波器相比，具有如下优点： .不需要增加硬件设备，因而系统的可靠性高，不存在阻抗匹配问题；.一般采用模拟滤波器时，需要给每个模拟输入通道配备一个硬件滤波器，系统造价较高，而数字滤器不存在这一问题；.截止频率极低的模拟滤波器实现困难而且造价极高，数字滤波则很容易实现；.可以根据需选择不同的滤波方法和滤波器参数，使用灵活、方便。

当然，数字滤波器也存在缺点，如存在计算延迟、不能对信号连续滤波、由于数据采用有限字长表示而引入舍入或截断误差等。

特别地，数字滤波不能解决连续信号中有频率高于奈奎斯特频率ωN的分量所引起的混淆问题，它只适用于对0~ωN的频率段的信号开展滤波（请参见2.6节有关内容）。

因此，数字滤波器不能完全取代硬件模拟滤波器，往往在模拟量信号输入通道配置硬件滤波器，同时在软件中采取数字滤波处理。

下面介绍几种常用的数字滤波方法。

1.限幅滤波方法限幅滤波方法用于因随机干扰和误检测或者变送器不稳定而引起采样信号严重失真的场合，其基本思想是：根据生产经验，确定相连两次采样输入信号可能出现的最大变化量ε；每次采样输入值均与上次采样值比较，若变化量大于ε则认为存在干扰而放弃，若变化量小于ε则认为是正常信号而留用。

该方法对变化比较缓慢的输入量如温度、液位信号的滤波效果较好。

2.中值滤波方法中值滤波方法在kT时刻开展n(一般为奇数)次连续采样，得到采样序列，按大小开展排序(升序或降序)，最后取中间值作为在kT时刻的采样值r(kT)送给控制程序。

该方法对于滤除脉动性质的干扰较有效，但对快速变化的过程参数(如流量)则不宜采用。

一般来说，n越大滤波效果越好，但n过大会导致采样与滤波时间增加，故一般n取值5～9较合适。

3.算术平均滤波方法类似中值滤波，算术平均滤波时，在采样时刻kT开展n 次连续采样，得到采样序列，并以其算术平均值作为在kT 时刻的采样值送给控制程序。

该方法主要对压力、流量等周期脉动的采样值开展平滑处理，平均次数n取决于平滑度和灵敏度要求。

稳定性。

原理：模拟量开关AS闭合时，进入采样状态（跟踪），由于A1输出阻抗小，A1输出端给电容快速充电，输出跟随输入变化；模拟开关AS断开时，进入保持状态，由于A2输入阻抗大，输入电流几乎为0，保持输出端的电压值不变。

不是，对于输入信号变化很慢，如温度信号；或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，就不必再选用采样保持器。

补充：模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：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)。

采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。

答：采样保持器的作用：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。

保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。

保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的跟随特性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差。

补充：A/D转换器的结束信号有什么作用？根据该信号在I/O控制中的连接方式，A/D 转换有几种控制方式？它们在接口电路和程序设计上有什么特点？答：A/D转换器的结束信号的作用是用以判断本次AD转换是否完成。

大学生《计算机控制技术》考试复习题及答案一．单选题1.由于计算机只能接收数字量,所以在模拟量输入时需经()转换。

A.A/D转换器B.双向可控硅C.D/A转换器D.光电隔离器参考答案：A2.若系统欲将一个D/A转换器输出的模拟量参数分配至几个执行机构,需要接入()器件完成控制量的切换工作。

A.锁存器锁存B.多路开关C.A/D转换器转换?D.反多路开关参考答案：D3.在LED显示系统中,若采用共阳极显示器,则将段选模型送至()。

A.阳极B.阴极C.阴极或阳极D.先送阴极再送阳极参考答案：B4.电机控制意味着对其转向和转速的控制,微型机控制系统的作法是通()实现的。

A.改变定子的通电方向和通电占空比B.改变转子的通电方向和通电占空比C.改变定子的通电电压幅值D.改变转子的通电电压幅值参考答案：B5.RS-232-C串行总线电气特性规定逻辑“1”的电平是()。

A.0．3伏以下B.0．7伏以上C.-3伏以下D.+3伏以上参考答案：C6.采用共阴极LED多位数码管显示时,应()。

A.位选信号为低电平，段选信号为高电平B.位选信号为高电平，段选信号为低电平C.位选信号、段选信号都是高电平D.位选信号、段选信号都是低电平参考答案：A7.关于微型计算机控制技术的叙述,正确的是()。

A.微型计算机控制技术只能用于单片机系统B.任何控制系统都可以运用微型计算机控制技术C.微型计算机控制技术不能用于自动化仪表D.微型计算机控制技术可用于计算机控制系统及自动化仪表参考答案：D8.计算机监督系统(SCC)中,SCC计算机的作用是()。

A.接受测量值和管理命令并提供给DDC计算机B.按照一定的数学模型计算给定值并提供给DDC计算机C.当DDC计算机出现故障时，SCC计算机也无法工作D.SCC计算机与控制无关参考答案：B9.闭环控制系统是指()。

A.系统中各生产环首尾相接形成一个环B.输出量经反馈环节回到输入端，对空置产生影响C.系统的输出量供显示和打印D.控制量只与控制算法和给定值相关10.下列缩写表示现场可编程控制逻辑阵列的是()。

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. DAC0832 的VREF 接-5V，IOUT1 接运算放大器异名端，输入为1000000B ，输出为（）。

+2.5V2. 采用ADC0809 构成模拟量输入通道,ADC0809 在其中起（）作用。

A. 模拟量到数字量的转换3. 系统采用程序判断滤波，实验发现总有一些杂波残留，原因是（）。

△Y 取值太大4. 当键盘与单片机间通过INT0 中断方式接口时，中断服务程序的入口地址是2040H，只有（）才能正常工作。

C．把AJMP 2040H 的机器码存入0003H5. 在PID 调节系统中，若想增强微分作用，正确的作法是（）。

加大系数KP6. 在计算机控制系统中，T 的确定十分重要，原因是（）。

A．T 太大，系统精度不够7. 在计算机交流电机控制系统中，需要解决的问题是（）。

设双向开关，使交流电通过并放大8. 在微型机控制系统中的模拟量输出通道中,最关键的器件是( )。

D/A 转换器9. 若系统中采样保持器的保持电容值比较小，则其（）。

A．采样速度快但保持性能差10．RS—232C 的电气特性规定使用 ( )。

逻辑电平1.下面关于微型计算机控制技术的叙述，正确的是微型计算机控制技术可用于计算机控制系统及自动化仪表2.计算机监督系统（SCC）中，SCC计算机的作用是（）。

按照一定的数学模型计算给定值并提供给DDC计算机3．关于现场总线控制系统，下面的说法中，不正确的是（C）。

C．只有同一家的FCS产品才能组成系统4.闭环控制系统是指（B）。

B．输出量经反馈环节回到输入端，对空置产生影响5．下列缩写表示现场可编程控制逻辑阵列的是（D）。

D．FPGA6.多路开关的作用（A）。

A．完成模拟量的切换7.采样-保持器的逻辑端接+5V，输入端从2.3V变至2.6V，输入端为（A）。

A．从2.3V变至2.6V8.CD4051的INH端接地，C、B、A端依次接101B，（C）被选通。

C．IN/OUT5通道9.CD4097的INH端接+5V，C、B、A端依次接111B，（D）被选通。

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。

武汉理工大学华夏学院信息工程课程设计报告书课程名称计算机控制技术课程设计课程设计总评成绩学生姓名、学号学生专业班级自动化1092指导教师姓名课程设计起止日期2012/1/7——2012/1/13课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。

课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。

为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。

1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。

2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。

课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。

3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。

项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。

4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。

项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。

5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。

文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。

自动控制原理数字滤波知识点总结自动控制原理——数字滤波知识点总结数字滤波是自动控制原理中的一个重要领域，它利用数字信号处理的方法对信号进行滤波，以达到去除噪声、增强信号等目的。

本文将对数字滤波的相关知识点进行总结，包括数字滤波的基本原理、常见的数字滤波器类型以及其应用场景。

1. 数字滤波的基本原理数字滤波的基本原理是利用数字信号处理的方法对连续信号进行数字化处理，从而实现滤波的目的。

数字滤波的主要步骤包括采样、量化和离散化。

首先，需要将连续信号转换为离散信号，即采样过程；其次，对采样后的信号进行量化，将连续信号的幅度近似为离散值；最后，进行离散化处理，实现数字信号的滤波操作。

2. 常见的数字滤波器类型2.1 IIR滤波器IIR（Infinite Impulse Response）滤波器是一种递归滤波器，其输出不仅与当前输入有关，还与之前的输入和输出有关。

IIR滤波器具有较好的频率选择特性和相位响应特性，常用于需要较高精度要求的信号滤波场景。

其中，Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器和Elliptic滤波器是常见的IIR滤波器类型。

2.2 FIR滤波器FIR（Finite Impulse Response）滤波器是一种非递归滤波器，其输出只与当前输入有关，与之前的输入和输出无关。

FIR滤波器具有线性相位和稳定性的特点，常用于需要较为简单的滤波条件下。

其中，矩形窗滤波器、哈明窗滤波器和高斯窗滤波器是常见的FIR滤波器类型。

3. 数字滤波器的应用场景3.1 信号降噪在信号采集、传输与处理过程中，通常会受到各种噪声的干扰，如白噪声、高斯噪声等。

数字滤波器可以有效地对信号进行去噪处理，提高信号质量与可靠性。

在音频处理、图像处理等领域，数字滤波器广泛应用于信号降噪方面。

3.2 信号增强有时候需要对信号进行增强处理，以提高信号的强度、清晰度等特性。

数字滤波器可以根据信号处理的需求，设计出相应的增强滤波器，对信号进行增强处理。

计算机控制技术练习题（附答案）一、填空题（每空2分，共20分）1．闭环负反馈控制的基本特征是。

2．闭环控制系统里，不同输出与输入之间的传递函数分母。

3．惯性环节的主要特点是，当其输入量发生突然变化时，其输出量不能突变，而是按变化。

4．静态误差系数是系统在典型外作用下精度的指标，静态误差系数越大，精度。

5．系统的相稳定裕度γM，定义为开环频率特性在截止频率ωc处。

6．离散系统稳定性与连续系统不同，它不仅与系统结构和参数有关，还与系统的有关。

7．零阶保持器是一个相位滞后环节，它的相频特性φ(ω)= 。

8．若已知闭环系统自然频率为ωn，经验上，采样频率ωs应取。

9．通常把叠加在被测信号上的干扰信号称为。

10．为使传感器特性与A/D变换器特性相匹配，通常应在传感器与A/D之间加入。

二、选择题(每题2分，共10分)1．在计算机控制系统里，通常当采样周期T减少时，由于字长有限所引起的量化误差将。

A 增大；B 减小；C 不变。

2．控制算法直接编排实现与串联编排实现相比，有限字长所引起的量化误差。

A 较大；B 较小；C 相当。

3．某系统的Z传递函数为G(z) = 0.5(z+0.5) / (z+1.2)(z-0.5) ，可知该系统是。

A稳定的；B不稳定的；C 临界稳定的。

4．若以电机轴的转角为输入量，电机轴的转速为输出量，则它的传递函数为环节。

A 积分；B 微分；C 惯性。

5．在确定A/D变换器精度时，通常要求它的精度应传感器的精度。

A 大于；B 小于；C 等于。

三、简答题（每小题5分，共20分）1．图1为水箱水位自动控制系统，试说明基本工作原理。

图12．已知单位负反馈闭环控制系统的单位阶跃响应的稳态误差为0.1，试问该系统为几型系统，系统的开环放大系数为多少?3．试简单说明系统稳定性与稳态误差相互矛盾的关系。

4．试表述采样定理，并说明若一高频信号采样时不满足采样定理，采样后将会变成何种信号。

四、（10分）已知单位负反馈系统开环传递函数为G(s)=ωn 2/s(s+2ζωn )实测求得单位阶跃响应的σ%=4.3%，t s =2.5秒，试写出闭环传递函数并求ωn ，ζ为多少。

可编辑修改精选全文完整版第一章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。