計算機控制技術習題解答第一章1.1什么是計算機控制系統(tǒng)？計算機控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？答：計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機（通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的組成：計算機控制系統(tǒng)由計算機（工業(yè)控制機）和生產(chǎn)過程兩大部分組成。1.2、微型計算機控制系統(tǒng)的特點是什么？微機控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動控制系統(tǒng)相比，具有如下特點：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，能實現(xiàn)最優(yōu)控制c.能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，控制效率高d.控制與管理一體化，進一步提高自動化程度1.3 計算機控制系統(tǒng)結構有哪些分類？指出這些分類的結構特點和主要應用場合。答：（1）操作指導控制系統(tǒng) 優(yōu)點：結構簡單，控制靈活，安全。 缺點：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：實時性好，可靠性高，適應性強。（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC） 優(yōu)點：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：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：與DCS相比，降低了成本，提高了可靠性。國際標準統(tǒng)一后，可實現(xiàn)真正的開放式互聯(lián)系統(tǒng)結構。1.4.計算機控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的?計算機控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個步驟：(1)實時數(shù)據(jù)采集：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。(2)實時決策：對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。(3)實時控制：根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。1.5.實時、在線方式和離線方式的含義是什么？答：所謂實時，是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義。在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并做相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。1.6 操作指導、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)操作指導控制系統(tǒng)：在操作指導控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結構。計算機根據(jù)數(shù)學模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進行處理，計算出各控制量應有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時計算機就起到了操作指導的作用。其原理框圖如圖1.2所示。圖1.2操作指導控制系統(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)進行巡回檢測，經(jīng)輸入通道送給微機，微機將檢測結果與設定值進行比較，再進行控制運算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達到預定的要求。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應用形式。其原理框圖如圖1.3所示。圖1.3 DDC系統(tǒng)原理框圖(3)計算機監(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)變化的實際情況，因為在DDC系統(tǒng)中計算機只是代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，系統(tǒng)不能運行在最佳狀態(tài)，而SCC系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制，并且還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應控制等。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是操作指導控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。1.7 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是什么？計算機控制將在以下方面得到發(fā)展：（1）推廣應用成熟的先進技術，普及應用可編程序控制器（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)，學習控制系統(tǒng)，神經(jīng)控制系統(tǒng)。1 以工業(yè)PC 為基礎的低成本工業(yè)控制自動化將成為主流2 PLC在向微型化、網(wǎng)絡化發(fā)展3 面向測控管一體化設計的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 計算機控制軟件正向先進控制方向發(fā)展6第二章2.1 什么是過程通道？過程通道有哪些分類？過程通道是在計算機和生產(chǎn)過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。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)過程的各種開關量，進行電平轉換，將其通斷狀態(tài)轉換成相應的高、低電平，同時還要考慮對信號進行濾波、保護、消除觸點抖動，以及進行信號隔離等問題。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通，完成信號的光電耦合傳送，它在過程通道中實現(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、多路轉換器、采樣保持器、A/D轉換器、接口及控制邏輯電路組成。(1)I/V變換：提高了信號遠距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減，為與標準化儀表和執(zhí)行機構匹配提供了方便。(2)多路轉換器：用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。(3)采樣保持器：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉換器之前加入采樣保持器。(4)A/D轉換器：模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉換成數(shù)字量，能夠完成這一任務的器件，稱為之模/數(shù)轉換器(Analog/Digital Converter，簡稱A/D轉換器或ADC)。2.6 對理想多路開關的要求是什么？理想的多路開關其開路電阻為無窮大，其接通時的導通電阻為零。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轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉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轉換時間較快，使得在A/D轉換期間輸入信號變化很小，在允許的A/D轉換精度內(nèi)，就不必再選用采樣保持器。2.9 A/D轉換器的結束信號有什么作用？根據(jù)該信號在I/O控制中的連接方式，A/D轉換有幾種控制方式？它們在接口電路和程序設計上有什么特點？A/D轉換器的結束信號的作用是用以判斷本次AD轉換是否完成。常見的A/D轉換有以下幾種控制方式，各自特點如下延時等待法:EOC可不和I/O口連接，程序設計時，延時大于ADC轉換時間后，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，程序設計時，反復判斷EOC是否有效，直至EOC有效時，取數(shù)據(jù)。中斷響應法: EOC與外部中斷相連，AD轉換結束后,發(fā)中斷申請,在中斷服務程序中取數(shù)據(jù)。2.10 假設被測溫度變化范圍為0oC1200oC，如果要求誤差不超過0.4oC，應選用分辨率為多少位的A/D轉換器？選擇依據(jù)：2.11 設計8路模擬量采集系統(tǒng)。請畫出接口電路原理圖，并編寫相應的8路模擬量數(shù)據(jù)采集程序。本例給出用8031、DAC0809設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例。把采樣轉換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi)RAM的30H37H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程序如下：初始化程序：MOV R0，#30H ；設立數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針 MOV R2，#08H ；設置8路采樣計數(shù)值 SETB IT0 ；設置外部中斷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IN0LOOP： MOVX DPTR，A ；啟動A/D轉換，A的值無意義HERE： SJMP HERE ；等待中斷中斷服務程序： MOVX A，DPTR ；讀取轉換后的數(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路未轉換完，則繼續(xù) CLR EA ；已轉換完，則關中斷 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轉換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉換器(Digital/Analog Converter,簡稱D/A轉換器或DAC)。它是指將數(shù)字量轉換成模擬量的元件或裝置。(2)V/I變換：一般情況下，D/A轉換電路的輸出是電壓信號。在計算機控制系統(tǒng)中，當計算機遠離現(xiàn)場，為了便于信號的遠距離傳輸，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。許多標準化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機構，一般是采用010mA或420mA的電流信號驅動的。因此，需要將模擬電壓信號通過電壓/電流(V/I)變換技術，轉化為電流信號。2.13 采用74LS138、DAC0832運算放大器和CD4051等設計D/A轉換接口電路，設定DAC0832的端口地址為200H，CD4051的端口地址為201H。要求：（1）畫出D/A轉換接口電路；（2）編寫D/A轉換程序。解 (1) D/A轉換接口電路；地址線A9 A8A1 A0=1000時端口地址0200H，選通DAC0832地址線A9 A8A1 A0=1001時端口地址0201H 選通CD4051 (2) 編寫D/A轉換程序。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 DXINC BXLOOP NEXTRETDOUT ENDP第三章3.1試求下列函數(shù)的z變換（1）解 由位移定理 （2）解： （3） 由Z變換的性質 （4）解： （5）解 將F(S)展開成部份分式 將上式進行z反變換并整理即得（6） 解： 將上式進行Z反變換得 。3.2、試求下列函數(shù)的z反變換（1）解：查表可得 k=0,1,2,.（2） 答： k=0,1,2,.（3）解：將F(z)/z展開為下列部份分式之和 留數(shù)法 于是 z反變換即得： k=0,1,2,.（4）解： 用長除法可得 用部分分式法 （5） 解： Z反變換得： 3.3 求下列函數(shù)的終值。（1）解 （2）答： 3.4. 用z變換法求解下列差分方程其中為單位階躍序列，系統(tǒng)輸出的初始條件為。解：對系統(tǒng)的差分方程進行Z變換，于是有 由上式，系統(tǒng)的Z域表示式為 將 以及初始條件代入并進行部份分式展開得 對他們?nèi)反變換則可求得：系統(tǒng)的零輸入響應 系統(tǒng)的零狀態(tài)響應 故在輸入信號作用下，系統(tǒng)的時間響應為： 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 于是 由 3.6 已知離散控制系統(tǒng)的結構如圖所示，當求當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) 因為T=1所以 由上式可得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 閉環(huán)方程為 由系統(tǒng)穩(wěn)定的條件 求解得K的取值范圍為 3.7 設有單位反饋誤差采樣系統(tǒng)，連續(xù)部份傳遞函數(shù)為輸入，采樣周期，試求（1）輸出z變換；（2）采樣瞬時的輸出響應；（3）輸出響應的終值。解（1）依題意得 (2)(3)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性 (奇數(shù)) D(1)=4.9533>0, D(-1)=-97.6397<0列朱列表 (不穩(wěn)定)閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，求終值無意義。