計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 習(xí)題解答 第一章 1 1 什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由哪幾部分組成 答 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī) 通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 簡稱工業(yè)控制機(jī) 來實(shí) 現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī) 工業(yè)控制機(jī) 和生產(chǎn)過程兩大部分組 成 1 2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么 微機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動控制系統(tǒng)相比 具有如下特點(diǎn) a 控制規(guī)律靈活多樣 改動方便 b 控制精度高 抑制擾動能力強(qiáng) 能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制 c 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示 控制效率高 d 控制與管理一體化 進(jìn)一步提高自動化程度 1 3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有哪些分類 指出這些分類的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要應(yīng)用場合 答 1 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 控制靈活 安全 缺點(diǎn) 由人工操作 速度受到限制 不能控制多個對象 2 直接數(shù)字控制系統(tǒng) DDS 優(yōu)點(diǎn) 實(shí)時性好 可靠性高 適應(yīng)性強(qiáng) 3 監(jiān)督控制系統(tǒng) SCC 優(yōu)點(diǎn) 生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況 4 分散控制系統(tǒng) DCS 優(yōu)點(diǎn) 分散控制 集中操作 分級管理 分而自治和綜合協(xié)調(diào) 5 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS 優(yōu)點(diǎn) 與 DCS 相比 降低了成本 提高了可靠性 國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后 可實(shí)現(xiàn)真正的 開放式互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1 4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個步驟 1 實(shí)時數(shù)據(jù)采集 對被控量的瞬時值進(jìn)行檢測 并輸入給計(jì)算機(jī) 2 實(shí)時決策 對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析 并按已定的控制規(guī)律 決定下 一步的控制過程 3 實(shí)時控制 根據(jù)決策 適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號 完成控制任務(wù) 1 5 實(shí)時 在線方式和離線方式的含義是什么 答 所謂實(shí)時 是指信號的輸入 計(jì)算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成 亦即計(jì)算機(jī) 對輸入信息 以足夠快的速度進(jìn)行控制 超出了這個時間 就失去了控制的時機(jī) 控制也 就失去了意義 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接 并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在線方式 或聯(lián)機(jī)方式 生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)相連 且不受計(jì)算機(jī)控制 而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng) 操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式 1 6 操作指導(dǎo) DDC 和 SCC 系統(tǒng)的工作原理如何 它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系 1 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中 計(jì)算機(jī)的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象 屬 于開環(huán)控制結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型 控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行處理 計(jì) 算出各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值 供操作員參考 這時計(jì)算機(jī)就起到了操作指導(dǎo) 的作用 其原理框圖如圖 1 2 所示 圖 1 2 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖 2 直接數(shù)字控制系統(tǒng) DDC 系統(tǒng) DDC Direct Digital Control 系統(tǒng)就是通過檢測元件對一 個或多個被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測 經(jīng)輸入通道送給微機(jī) 微機(jī)將檢測結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比 較 再進(jìn)行控制運(yùn)算 然后通過輸出通道控制執(zhí)行機(jī)構(gòu) 使系統(tǒng)的被控參數(shù)達(dá)到預(yù)定的要 求 DDC 系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng) 是微機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用形式 其原理框圖 如圖 1 3 所示 圖 1 3 DDC 系統(tǒng)原理框圖 3 計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng) SCC 系統(tǒng) SCC Supervisory Computer Control 系統(tǒng)比 DDC 系統(tǒng)更 接近生產(chǎn)變化的實(shí)際情況 因?yàn)樵?DDC 系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)只是代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制 系 統(tǒng)不能運(yùn)行在最佳狀態(tài) 而 SCC 系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行給定值控制 并且還可以進(jìn)行順序控制 最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等 SCC 系統(tǒng)的原理框圖如圖 1 4 所示 圖 1 4 SCC 系統(tǒng)原理框圖 SCC 是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和 DDC 系統(tǒng)的綜合與發(fā)展 1 7 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是什么 計(jì)算機(jī)控制將在以下方面得到發(fā)展 1 推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù) 普及應(yīng)用可編程序控 制器 PLC 廣泛使用智能調(diào)節(jié)器 采用新型的 DCS 和 FCS 2 大力研究和發(fā)展智 能控制系統(tǒng) 當(dāng)前最流行的控制系統(tǒng)有 分級遞階智能控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng) 專家控 制系統(tǒng) 學(xué)習(xí)控制系統(tǒng) 神經(jīng)控制系統(tǒng) 1 以工業(yè) PC 為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動化將成為主流 2 PLC 在向微型化 網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 3 面向測控管一體化設(shè)計(jì)的 DCS 系統(tǒng) 4 控制系統(tǒng)正在向現(xiàn)場總線 FCS 方向發(fā)展 5 計(jì)算機(jī)控制軟件正向先進(jìn)控制方向發(fā)展 6 第二章 2 1 什么是過程通道 過程通道有哪些分類 過程通道是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道 按信息傳遞的方向來分 過程通道可分為輸入過程通道和輸出過程通道 按所傳遞和交換 的信息來分 過程通道又可分為數(shù)字量過程通道和模擬量過程通道 2 2 數(shù)字量過程通道由哪些部分組成 各部分的作用是什么 數(shù)字量過程通道包括數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道 數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器 輸入調(diào)理電路 輸入地址譯碼電路 并行接口電路和 定時計(jì)數(shù)電路等組成 數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器 輸出驅(qū)動電路 輸出口地址譯 碼電路等組成 其中 輸入調(diào)理電路將來自控制裝置或生產(chǎn)過程的各種開關(guān)量 進(jìn)行電平 轉(zhuǎn)換 將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高 低電平 同時還要考慮對信號進(jìn)行濾波 保護(hù) 消 除觸點(diǎn)抖動 以及進(jìn)行信號隔離等問題 2 3 簡述兩種硬件消抖電路的工作原理 采用積分電路的硬件消抖電路 首先利用積分電路將抖動的高頻部分濾出 其次利用施密 特觸發(fā)器整形 采用 RS 觸發(fā)器的硬件消抖電路 主要是利用 RS 觸發(fā)器的保持功能實(shí)現(xiàn)消抖 2 4 簡述光電耦合器的工作原理及在過程通道中的作用 光電耦合器由封裝在一個管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組成 如下圖所示 輸入電流 流過二極管時使其發(fā)光 照射到光敏三極管上使其導(dǎo)通 完成信號的光電耦合傳送 它在 過程通道中實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離 光電耦合器電路圖 2 5 模擬量輸入通道由哪些部分組成 各部分的作用是什么 模擬量輸入通道一般由 I V 變換 多路轉(zhuǎn)換器 采樣保持器 A D 轉(zhuǎn)換器 接口及控制邏 輯電路組成 1 I V 變換 提高了信號遠(yuǎn)距離傳遞過程中的抗干擾能力 減少了信號的衰減 為與標(biāo)準(zhǔn) 化儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配提供了方便 2 多路轉(zhuǎn)換器 用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件 3 采樣保持器 A D 轉(zhuǎn)換器完成一次 A D 轉(zhuǎn)換總需要一定的時間 在進(jìn)行 A D 轉(zhuǎn)換時間 內(nèi) 希望輸入信號不再變化 以免造成轉(zhuǎn)換誤差 這樣 就需要在 A D 轉(zhuǎn)換器之前加入采 樣保持器 4 A D 轉(zhuǎn)換器 模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 能夠完成這一任務(wù)的器 件 稱為之模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 Analog Digital Converter 簡稱 A D 轉(zhuǎn)換器或 ADC 2 6 對理想多路開關(guān)的要求是什么 理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大 其接通時的導(dǎo)通電阻為零 此外 還希望切換速度 快 噪音小 壽命長 工作可靠 2 7 采樣保持器有什么作用 試說明保持電容的大小對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響 采樣保持器的作用 A D 轉(zhuǎn)換器完成一次 A D 轉(zhuǎn)換總需要一定的時間 在進(jìn)行 A D 轉(zhuǎn)換時 間內(nèi) 希望輸入信號不再變化 以免造成轉(zhuǎn)換誤差 這樣 就需要在 A D 轉(zhuǎn)換器之前加入 采樣保持器 保持電容對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣保持的精度有很大影響 保持電容值小 則采樣狀態(tài)時充電 時間常數(shù)小 即保持電容充電快 輸出對輸入信號的跟隨特性好 但在保持狀態(tài)時放電時 間常數(shù)也小 即保持電容放電快 故保持性能差 反之 保持電容值大 保持性能好 但 跟隨特性差 2 8 在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中 是不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器 為什么 不是 對于輸入信號變化很慢 如溫度信號 或者 A D 轉(zhuǎn)換時間較快 使得在 A D 轉(zhuǎn)換期 間輸入信號變化很小 在允許的 A D 轉(zhuǎn)換精度內(nèi) 就不必再選用采樣保持器 2 9 A D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號有什么作用 根據(jù)該信號在 I O 控制中的連接方式 A D 轉(zhuǎn)換 有幾種控制方式 它們在接口電路和程序設(shè)計(jì)上有什么特點(diǎn) A D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號的作用是用以判斷本次 AD 轉(zhuǎn)換是否完成 常見的 A D 轉(zhuǎn)換有以下幾種控制方式 各自特點(diǎn)如下 延時等待法 EOC 可不和 I O 口連接 程序設(shè)計(jì)時 延時大于 ADC 轉(zhuǎn)換時間后 取數(shù)據(jù) 保持等待法 EOC 與 READY 相連 EOC 無效時 自動插入等待狀態(tài) 直至 EOC 有效時 取 數(shù)據(jù) 查詢法 EOC 可以和任意 I O 口連接 程序設(shè)計(jì)時 反復(fù)判斷 EOC 是否有效 直至 EOC 有效時 取數(shù)據(jù) 中斷響應(yīng)法 EOC 與外部中斷相連 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束后 發(fā)中斷申請 在中斷服務(wù)程序中取數(shù)據(jù) 2 10 假設(shè)被測溫度變化范圍為 0oC 1200 oC 如果要求誤差不超過 0 4oC 應(yīng)選用分辨率 為多少位的 A D 轉(zhuǎn)換器 選擇依據(jù) 124 2lg n 2 11 設(shè)計(jì) 8 路模擬量采集系統(tǒng) 請畫出接口電路原理圖 并編寫相應(yīng)的 8 路模擬量數(shù)據(jù) 采集程序 本例給出用 8031 DAC0809 設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例 把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi) RAM 的 30H 37H 單元中 采樣完一遍后停止采集 其數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中斷服務(wù)程序如下 初始化程序 MOV R0 30H 設(shè)立數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針 MOV R2 08H 設(shè)置 8 路采樣計(jì)數(shù)值 SETB IT0 設(shè)置外部中斷 0 為邊沿觸發(fā)方式 SETB EA CPU 開放中斷 SETB EX0 允許外部中斷 0 中斷 MOV DPTR FEF8H 送入口地址并指向 IN0 LOOP MOVX DPTR A 啟動 A D 轉(zhuǎn)換 A 的值無意義 HERE SJMP HERE 等待中斷 中斷服務(wù)程序 MOVX A DPTR 讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 MOV R0 A 存入片內(nèi) RAM 單元 INC DPTR 指向下一模擬通道 INC R0 指向下一個數(shù)據(jù)存儲單元 DJNZ R2 INT0 8 路未轉(zhuǎn)換完 則繼續(xù) CLR EA 已轉(zhuǎn)換完 則關(guān)中斷 CLR EX0 禁止外部中斷 0 中斷 RETI 中斷返回 INT0 MOVX DPTR A 再次啟動 A D 轉(zhuǎn)換 RETI 中斷返回 2 12 模擬量輸出通道由哪幾部分組成 各部分的作用是什么 模擬量輸出通道一般由接口電路 D A 轉(zhuǎn)換器 功率放大和 V I 變換等信號調(diào)理電路組成 1 D A 轉(zhuǎn)換器 模擬量輸出通道的核心是數(shù) 模轉(zhuǎn)換器 Digital Analog Converter 簡稱 D A 轉(zhuǎn) 換器或 DAC 它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置 2 V I 變換 一般情況下 D A 轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓信號 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 當(dāng)計(jì) 算機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場 為了便于信號的遠(yuǎn)距離傳輸 減少由于傳輸帶來的干擾和衰減 需要采用 電流方式輸出模擬信號 許多標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一般是采用 0 10mA 或 4 20mA 的電流信號驅(qū)動的 因此 需要將模擬電壓信號通過電壓 電流 V I 變換技術(shù) 轉(zhuǎn) 化為電流信號 2 13 采用 74LS138 DAC0832 運(yùn)算放大器和 CD4051 等設(shè)計(jì) D A 轉(zhuǎn)換接口電路 設(shè)定 DAC0832 的端口地址為 200H CD4051 的端口地址為 201H 要求 1 畫出 D A 轉(zhuǎn)換 接口電路 2 編寫 D A 轉(zhuǎn)換程序 解 1 D A 轉(zhuǎn)換接口電路 地址線 A9 A8 A1 A0 10 00 時端口地址 0200H 選通 DAC0832 地址線 A9 A8 A1 A0 10 01 時端口地址 0201H 選通 CD4051 2 編寫 D A 轉(zhuǎn)換程序 DOUT PROC NEAR MOV DX 200H MOV CX 8 MOV AH 0 MOV BX OFFSET BUF NEXT MOV AL BX OUT DX AL INC DX MOV AL AH OUT DX AL CALL DELAY INC AH DEC DX INC BX LOOP NEXT RET DOUT ENDP 第三章 3 1 試求下列函數(shù)的 z 變換 1 25 etft 解 31 TZz 由位移定理 252552533 1 TTtzezeZ 2 t 1akf 解 TazFe 3 sinftt 由 Z 變換的性質(zhì) 2sin si co1 si zTddZttTzT 22 1 n cos 4 2 Fs 解 Tze 5 Ksa 解 將 F S 展開成部份分式 1 Fs 將上式進(jìn)行 z 反變換并整理即得 1 aTKe 6 2 sF 解 將上式進(jìn)行 Z 反變換得 22 1 z TzFe 3 2 試求下列函數(shù)的 z 反變換 1 0 1F 解 查表可得 k 0 1 2 kTf 2 1e TzF 答 k 0 1 2 kf 3 2 1z 解 將 F z z 展開為下列部份分式之和 2 rFzz 留數(shù)法 13 于是 2 1z z 反變換即得 k 0 1 2 3fkT 4 2 1zF 解 用長除法可得 123 3579zz 7 2 9 3 fkTtTttT 用部分分式法 2 1Fzz 3 etttT 0 02 3 23 k kTtkT 5 6 15 zFz 解 3 2zz 15F Z 反變換得 kTkf 3 3 求下列函數(shù)的終值 1 220 79 1 46 08 zFz 解 1 792lim li 14608zz zfF 2 2 0 1 8 答 li 0zf 3 4 用 z 變換法求解下列差分方程 0 2 1 2y 0 32 1 ykkyku 其中 為單位階躍序列 系統(tǒng)輸出的初始條件為 ukT 2 4T 解 對系統(tǒng)的差分方程進(jìn)行 Z 變換 于是有 22 z 0 1 2 0 3Y z 1 U zu0 YyzYy 由上式 系統(tǒng)的 Z 域表示式為 22 2 2 0 1031 3zsziuzUz Yzz 將 以及初始條件代入并進(jìn)行部份分式展開得 Uk 21 03 80 4zizzY 2 120 1 8zs zzz 對他們?nèi)?Z 反變換則可求得 系統(tǒng)的零輸入響應(yīng) 1 Y 20 8 4kziziyk 系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng) 1 1 0kkzszxykZ 故在輸入信號作用下 系統(tǒng)的時間響應(yīng)為 0 4 8 kkzizsy 3 5 已知線性離散系統(tǒng)的方框圖如圖所示 試求系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) 解 12110 0 TsTseGs e 于是 12 95 zz 由 12 095 0 95KGz Kzz z 3 6 已知離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示 當(dāng)求當(dāng) T 1 s 時 能使系統(tǒng)穩(wěn)定的 K 值的范圍 答 通過 Z 變換得開環(huán)傳遞函數(shù) 11222 1 4 pTTTGszKszZseze 因?yàn)?T 1 所以 22 1 4KezeGz 由上式可得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 2222 2 1 3 14 4 14 GzKezeKe 閉環(huán)方程為 22 DZ 由系統(tǒng)穩(wěn)定的條件 z 求解得 K 的取值范圍為 5 829 3 7 設(shè)有單位反饋誤差采樣系統(tǒng) 連續(xù)部份傳遞函數(shù)為 21 Gs 輸入 采樣周期 試求 1rt sT 1 輸出 z 變換 Y 2 采樣瞬時的輸出響應(yīng) yt 3 輸出響應(yīng)的終值 解 1 依題意得 255251 4 16GzZszeez 5252253 4 16 90 96254617 8Gezezzz 2432134 10 59 2 87086 7 45zYRzzz 2 2 0 8 3 1 25 4 yttTtTtTtT 3 判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性 32 2546 17 960 184Dzzz 奇數(shù) n D 1 4 9533 0 D 1 97 6397 0 列朱列表 01231 6842 964 75250 16843 7 zzzz 03aa 不穩(wěn)定 26 496 4bb 閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定 求終值無意義