计算机控制技术王建华主编第二版第三章课后答案.doc

第一章答案1计算机控制系统是由哪几部分组成？画出方块图并说明各部分的作用。答：（1）计算机控制系统是由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成。 （2）方块图如下图1.1所示：被控对象内部总线电气开关测量变送执行机构电气开关数字量输出（DO）通道数字量输入（DI）通道模拟量输出（AO）通道磁盘适合器系统支持版人-机接口CPU/MEM模拟量输入（AI）通道 工业计算机 PIO设备 生产过程图1.1 计算机控制系统的组成框图1、 工业控制机软件由系统软件、支持软件和应用软件组成。其中系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台；支持软件用于开发应用软件；应用软件是控制和管理程序；过程输入输出设备是计算机与生产过程之间信息传递的纽带和桥梁。生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。2. 计算机控制系统的实时性、在线方式、与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？（1） 实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。（2） 实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。4、 计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？（1） 操作指导系统（OIS）优点：结构简单、控制灵活和安全。缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。（2） 直接数字控制系统(DDC)优点：实时性好、可靠性高和适应性强。（3） 监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最有工况。（4） 集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。（5） 现场总线控制系统优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。（6） PLC+上位系统优点：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是现代灵活性、功能及可靠性。第二章答案3计算机总线大致可分为几类？其中内部总线又可分为几类？解：按传送数据可分为串行总线和并行总线；按应用的场合可分为芯片总线、版内总线、机箱总线、设备互联总线、现场总线及网络总线；按用途可分为:计算机总线、外部设备总线、和控制总线；按总线的作用域可分为全局总线和本地总线；按标准化程度可分为标准总线和费标准总线等。内部总线可分为：数据总线、地址总线、控制总线、电源线与地线。6说明ISA总线中AEN、IOR、IOW信号的作用。解：ANE:为地址允许信号，用于把微处理器及其他装置从I/O通道上释放以便能够执行DMA传送；IOR：为I/O读信号，它指示I/O装置把数据传送到数据总线上；IOW：为I/O写信号，它指示I/O装置读取数据总线上的数据。8 PCI总线的主要优点是什么？解：高性能，通用性好，成本低，使用方便第三章答案2、 A/D转换的主要性能指标有哪些？ 答：转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等。3、 计算机与模拟量输入接口交换信息有哪几种控制方式？它们各有什么优缺点？ 答：程序查询式：程序设计比较简单，可靠性高，但实时性差； 延时采样方式：硬件设计简单，但信息传递较前述方式慢； 中断方式：提高了系统的工作效率； DMA方式：传输速率大大提高。3、模拟量输入接口设计主要解决那几个方面的问题？ 答：数据输出线的连接方式，选通信号、启动转换及读出控制信号的连接方法，电源和地线的处理，与计算机信息传递的方式。5、 模拟量输入通道由那几部分组成？ 答：模拟量输入通道一般由I/U变换，多路转换器、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑等组成。6、 采样/保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样/保持器？为什么？ 答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器（为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，因而采用采样保持器来使得信号维持一段时间）。并不是所有的模拟量输入通道都需要采样保持器的，因为采样保持器是为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，所以只要A/D转换的时间比信号变化的时间短就不需要。7、 在模拟量输入通道中，为何通常要使用可编程放大器？ 答：因为在模拟输入通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到模数转换器的同一量程范围内获取适合的分辨力，所以常要使用可编程放大器。8、 隔离放大器有几种形式？各有什么特点？ 答：（1）变压器耦合隔离放大器：线性和稳定性好，隔离电压和共模抑制比高，应用电路简单，频带较宽； （2）主要起到抗共模干扰和良好的安全保障作用。9、 一个八位A/D转换器，孔径时间为100us，如果要求转换误差在A/D转换器的转换精度（0.4%）内，求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？第四章答案1滤波的作用是什么？数字滤波与硬件滤波相比有和特点？答：通过模拟量输入通道采集到生产过程的各种物理参数，如温度、压力、流量、料位和成分等。这些原始数据中可能混杂了干扰噪声，需要进行数字滤波；也可能与实际物理量成非线性关系需要进行线性化处理。为了能到真实有效的数据，有必要度采集的原始数据进行数字滤波和数据处理。所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入的信号进行数学处理，以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性。这种滤波方法不需要增加硬设备，只需要根据预定的滤波算法编制相应的程序即可可达到信号滤波的目的2常用的数字滤波方法有哪几种？分别使用于什么场合？怎样综合运用这几种滤波方法？答：常用的数字滤波方法有：限幅滤波法，中位滤波法，平均值滤波法和惯性滤波法。平均值滤波法使用于周期性干扰，中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰，惯性滤波法适用于高频及低频的干扰信号，加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控制对象。如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤波法或限幅滤波法，然后再用平均值滤波法3某热处理炉温度变化的范围为01350C，在某一时刻计算机采样并经AD574A转换后的数字量为56AH，问此时炉温内的温度为多少度？(设仪表量程为线性的)解：AO=0C， Am=1350C, NX=56AH=(1386)D, Nm=0FFH=255AX=NX/Nm（Am-AO）+AO=1386/255(1350-0)+0C =7337C4数字PID控制算法的位置式算式和增量式算式的本质是否一样，试分析两者的区别。答：位置式PID数字控制器的输出时全量输出，是执行机构所应达到的位置，数字控制器的输出跟过去的状态有关，计算机的运算工作量大，需要对e(k)作累加，而且，计算机的故障有肯能使输出作大幅度的变化，这种情况在往往在生产实践中不允许的，而且有些场合可能造成严重的事故。增量式PID数字控制器是位置式的一种改进。该方法较为安全，在计算时不需要进行累加，仅需要最近几次误差的采样值5数字PID控制为何采用积分分离，采用积分分离有时又会出现残差是和原因，怎样避免？答：系统中加积分校正以后，会产生积分饱和和过大的超调量，这对某些生产过程是绝对不允许的，引进积分分离算法，既保持了积分的作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。积分分离算法要设置积分分离阀Eo,当e(k)Eo时，也即偏差值e(k)比较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度6数字PID控制为何采用抗积分饱和？怎样防止积分饱和？答：当控制量进入饱和区后，只执行消弱积分项的累加，而不进行增大积分项的累加。抗积分饱和算法的抗积分饱和依据是抗积分饱和算法系统最终的控制输出u(k)13多变量控制系统解耦的条件是什么？答：系统的闭环传递矩阵Wb(s)为对角线矩阵。如wb(s)=第五章答案1干扰信号的来源可分为哪几种？答：依据干扰的来源不同，工业控制计算机系统的外部干扰可以分为三类，即电源干扰、空间干扰、设备干扰2干扰信号进入到计算机控制系统中的主要耦合方式有哪几种？各有何特点？答：可分为四类：静电耦合方式、电磁耦合方式、共阻抗耦合方式、电磁场辐射耦合方式。静电耦合方式：当两根导线平行的放置一定距离时，该两根导线之间的电容就构成了它们相互间的电容性耦合。其作用机理是一根导线在另一根导线的静电场中时，必然受到该电场的影响。电磁耦合方式：在设备内部，线圈或变压器的漏磁就是一个很大的干扰源；在设备外部，当两根导线在较长的距离内敷设或架设时，将会产生电磁干扰。共阻抗耦合方式：当两个电路的电流经一个公阻抗时，一个电路在该阻抗上所产生的电压降会影响到另一个电路，该种耦合方式称为公共阻抗耦合方式。电磁场辐射耦合方式:电磁场辐射干扰是一种无规则的干扰，它极易通过电源而耦合到系统中。另外，过长的信号输入线和输出线以及控制线具有天线效应，它们既能接收干扰波，又能辐射干扰波3简述空间干扰的措施？答：主要采取的措施有：空间隔离：使敏感设备或信号线远离干扰源（如大型动力设备及大变压器等）。屏蔽：对敏感电路加屏蔽盒或对信号叫屏蔽层。电气布线：合理地选择信号线，并在实际施工中正确的敷设信号线来抑制干扰4如何选择信号线，信号线的敷设要注意哪些事项？答：模拟信量信号：对高频的脉冲信号的抗干扰能力很差的，建议用屏蔽双绞线连接，且这些信号线必须单独占用电线管或电缆槽，不可与其他信号在同一电缆管（或槽）中走线。低电平的开关信号（干接点信号）：数据通信线路（RS-232、RS485等），对低频的脉冲信号的抗干扰能力比模拟信号要强，但建议最好采用屏蔽双绞线连接。此信号也要单独走线，不可和动力线及大负载信号线在一起平行走线。高电平（或大电流）的开关量输入/输出及其他继电器输入/输出信号：这类信号的干扰能力又强于以上两种，但这些信号会干扰别的信号，因此建议用双绞线连接，也单独走电缆管或电缆槽5过程通道的干扰是如何产生的？如何对它们进行抑制？答：主要原因是过程通道与计算机之间存在公共地线，而且首当其冲是A/D和各种输入装置。串模干扰采用以下措施：采用输入滤波器，进行电磁屏蔽和良好的接地，选择合适的A/D转换器，使用电流信号传输。共模干扰采用以下措施：采用差分放大器作信号前置放大，采用隔离技术将地点位隔开，利用浮地屏蔽6什么是系统的可靠性，提高计算机控制系统的可靠性有哪些主要途径？答：可靠性指机器、零件或系统，在规定的工作条件下，在规定的时间内具有正常工作性能的能力。提高计算机系统硬件可靠性的措施有：冗余结构设计，不易发生故障的硬件设计。提高计算机控制系统软件可靠性的措施有：分散结构设计，容错技术，指令冗余，信息冗余，标准化7计算机控制系统中一般有哪几种地线？怎样正确处理这几种地线？答：主要分为以下几类：模拟地、数字地、安全地、防雷接地、系统地、交流地。低频电路（频率小于1MHZ）应单点接地，高频电路（频率大于10MHZ）应就近多点接地。介于低频与高频之间时，单点接地的地线长度不得超过波长的二十分之一，否则应采用多点接地。在计算机控制系统中，各种地一般应采用分别回流法单点接地。为兼顾噪声标准和接地方法的简单易行，一般在低频时采用串联一点接地的综合接法，即分组接法；将低电平电路经一组共同的地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地，也就是说在同一组中的电路功率、噪声电平均相差不大名词解释：1自动控制：就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动按照预定的规律运行。2总线：是功能部件之间实现互连的一组公共信号线，用作相互间信息交流的公共频道。3 AD转换器：是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。4分辨率：表示AD转换器输出数字量最低位变化所需输入模拟电压的变化。5线性误差：在满量程输入范围内，偏离理想转特性的最大误差定义为线性误差。6采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、1T、2TkT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。7香农采样定理：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f大于等于2fmax进行采样，那么采样信号y#（t）就能唯一的复现y(t)8量化：所谓量化就是采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成为数字信号。9数字滤波：就是在计算机中用某种计算方法对输入信号进行数学处理，以便减少干扰在有用信号中的比值，提高信号的真实性。10标注变换：将对应的参数值大小转换，转换为直接显示有量纲的被测工程值。11耦合：变量间存在相互制约或影响12解耦：通过适当方法消除系统各控制回路间的相互耦合关系13干扰：