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(jiǎn)稱工業(yè)控制機(jī)）來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)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(dòng)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(dòng)方便b.控制精度高，抑制擾動(dòng)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(dòng)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(chǎng)合。答：（1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)對(duì)象。（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDS） 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)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(jí)管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)。（5）現(xiàn)場(chǎng)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(guó)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(gè)步驟：(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并輸入給計(jì)算機(jī)。(2)實(shí)時(shí)決策：對(duì)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(shí)控制：根據(jù)決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。1.5.實(shí)時(shí)、在線方式和離線方式的含義是什么？答：所謂實(shí)時(shí)，是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，亦即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)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(duì)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(duì)檢測(cè)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(shí)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(cè)元件對(duì)一個(gè)或多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，經(jīng)輸入通道送給微機(jī)，微機(jī)將檢測(cè)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)樵贒DC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(shì)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(jí)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(dòng)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(cè)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(chǎng)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(shí)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(dòng)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(shí)還要考慮對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、保護(hù)、消除觸點(diǎn)抖動(dòng)，以及進(jìn)行信號(hào)隔離等問題。2.3 簡(jiǎn)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(dòng)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(jiǎn)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(gè)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(shí)使其發(fā)光，照射到光敏三極管上使其導(dǎo)通，完成信號(hào)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(hào)遠(yuǎn)距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號(hào)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(hào)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(shí)間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，希望輸入信號(hào)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(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)。2.6 對(duì)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(shí)的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長(zhǎng)、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(duì)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(shí)間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，希望輸入信號(hào)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(duì)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(shí)充電時(shí)間常數(shù)小，即保持電容充電快，輸出對(duì)輸入信號(hào)的跟隨特性好，但在保持狀態(tài)時(shí)放電時(shí)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(duì)于輸入信號(hào)變化很慢，如溫度信號(hào)；或者A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較快，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號(hào)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(hào)有什么作用？根據(jù)該信號(hào)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?cè)诮涌陔娐泛统绦蛟O(shè)計(jì)上有什么特點(diǎn)？A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)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(shí)等待法:EOC可不和I/O口連接，程序設(shè)計(jì)時(shí)，延時(shí)大于ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間后，取數(shù)據(jù)。保持等待法:EOC與READY相連,EOC無效時(shí),自動(dòng)插入等待狀態(tài)。直至EOC有效時(shí)，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(shí)，反復(fù)判斷EOC是否有效，直至EOC有效時(shí)，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(qǐng),在中斷服務(wù)程序中取數(shù)據(jù)。2.10 假設(shè)被測(cè)溫度變化范圍為0oC1200oC，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)：2.11 設(shè)計(jì)8路模擬量采集系統(tǒng)。請(qǐng)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(wù)程序如下：初始化程序：MOV R0，#30H ；設(shè)立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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IN0LOOP： MOVX DPTR，A ；啟動(dòng)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(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)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(hào)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(jiǎn)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(hào)。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(chǎng)，為了便于信號(hào)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(hào)。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010mA或420mA的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。因此，需要將模擬電壓信號(hào)通過電壓/電流(V/I)變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。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 A8A1 A0=1000時(shí)端口地址0200H，選通DAC0832地址線A9 A8A1 A0=1001時(shí)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 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(zhì) （4）解： （5）解 將F(S)展開成部份分式 將上式進(jìn)行z反變換并整理即得（6） 解： 將上式進(jìn)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(zhǎng)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(duì)系統(tǒng)的差分方程進(jìn)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(jìn)行部份分式展開得 對(duì)他們?nèi)反變換則可求得：系統(tǒng)的零輸入響應(yīng) 系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng) 故在輸入信號(hào)作用下，系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖所示，當(dāng)求當(dāng)T = 1 s時(shí)，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?yàn)門=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(shè)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(shí)的輸出響應(yīng)；（3）輸出響應(yīng)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。