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计算机控制
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王建华
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计算机控制技术第二版课后习题答案王建华主编,计算机控制,技术,第二,课后,习题,答案,谜底,王建华,主编
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计算机控制技术课后习题答案第一章 绪论1.计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：P2(1)实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入(2)实时决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取的控制策略。(3)实时控制：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。2 . 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。P3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作用：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。3. 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？P2(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)在计算机控制系统中要考虑实时性，因为根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；该事件要求计算机在多长的时间以内必须作出反应，否则，将对生产过程造成影响甚至造成损害。4. 计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？P47（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，不能控制多个对象。（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。DCS是积木式结构，构成灵活；易于扩展；系统的可靠性高；操作、监视方便；处理信息量大；与计算机集中控制方式相比，电缆和敷缆成本较低，便于施工。（5） 现场总线控制系统优点：FCS用二层结构完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。（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2章1.什么是工业控制计算机？它们有哪些特点？P1011 工业控制计算机是“应用在国民经济发展和国防建设的各个领域，具有恶劣 环境适应能力，能长期稳定稳定工作的加固型计算机”. 其特点是：可靠性高 实时性好 环境适应性强 模块化设计，完善的IO通道 系统扩充性好 系统开放性好 控制软件包功能强。2. 总线（BUS）：是功能部件之间实现互连的一组公共信号线，用作相互间信息交换的公共信道。P12总线分为内部总线和外部总线。P13外部总线：串行总线 、 并行总线内部总线:1.数据总线 2.地址总线 3.控制总线 4.电源线与地线3. 工业控制机分类P14.PC总线工控机 .STD总线工控机 .VME总线工控机 .多总线工控机4. 总线标准P15.STD总线 .ISA总线 .PCI总线 .PC/104总线国际上总线标准主要有：VME总线、MultiBus总线、STD总线、PC总线及PCI总线等第3章1. A/D转换的主要性能指标:：转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等。P322. 模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。(P39图3.4)3. 一个10位A/D转换器（量化精度0.1%），孔径时间为10us，如果要求转换误差在转换器的转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为P43 一个8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？P854. 隔离方式：变压器隔离、继电器隔离和光电隔离。P4648 常用的隔离放大器：1.变压器耦合隔离放大器光耦合隔离放大器 2.数字量光耦合隔离放大器5. 模拟量输入通道的隔离主要有 模拟隔离 和 数字隔离P496. DA性能的主要参数：1.分辨率 2.转换时间 3.精度 4.线性度P517. 模拟量输出通道由接口电路、D/A转换器、U/I变换等组成。P578. 开关量:按类型分有电平式和触点式两种.P61 按电源分有有源和无源两种.9. 无论是A/D转换还D/A转换其分辨率可表示为 D=1/（2n1）P71 若所要求的分辨率为D, 则字长 Eg: 某温度控制系统的温度范围为0600，要求分辨率为0.5，求出 A/D转换器 字长： 因此，取A/D转换器字长为12bit。10.为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，进场要将测量元件的输出信号经变送器变送器，如：温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成010mA或420mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。P3811、数字量输入（DI）通道中，信号调整电路的功能有两个，一是克服开关或触点通断是的抖动；二是进行信号隔离。12、信号调理是指将现场输入信号经过隔离放大，成为工控机能够接收到的统一信号电平以及将计算机输出信号经过放大、隔离转换成工业现场所需的信号电平的处理过程。P69第4章1. 数字滤波P8690中位值滤波法中位值滤波就是对某一被测参数连续采样n次(一般n取奇数)，然后把n次采样值按大小排队，取中间值为本次采样值。假如，采样值是：y1、y2、y3，且有y1y2y3，则y2作为本次采样的有效信号。中位值滤波能有效地克服脉冲干扰,对缓慢变化的过程有良好的效果。 递推平均滤波法把N个采样数据看成一个队列，长度固定为N，每次采样，把采样结果放入队尾，扔掉队首的数据，把队列中的N个数据进行算术平均其数学表达式为:式中，n第n次采样值经滤波后的输出； y n-i 未经滤波的第n-i次采样值； N 递推平均项数。对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；不易消除脉冲干扰，而适用于高频振荡的系统。 加权递推平均滤波法加权递推平均滤波算法；对不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近现时刻的数据；权取得越大,N项加权递推平均滤波算法为 式中，C0 ,C1,，CN-1为常数，且满足如下条件C0十C1+CN-11 并 C0C1CN-10常系数C0，C1，CN-1选取有多种方法，其中最常用的是加权系数法。设为对象的纯滞后时间，且 R1+e-+e-2+e -(N-1)越大，R越小，则给予新的采样值的权系数就越大，提高新的采样值在平均过程中的比重。适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统。 一阶惯性滤波法 一阶惯性滤波算法为 式中：yn 未经滤波的第n次采样值； Tf 滤波时间常数； T 采样周期。根据一阶惯性滤波的频率特性，若滤波系数越大，则带宽越窄，滤波频率也越低。 2 . 标度变换P91线性参数的标度变换：一次仪表测量值与AD转换结果具有线性关系标度变换公式为： 式中： A0 一次测量仪表的下限； Am 一次测量仪表的上限； Ax 实际测量值（工程量）； N0 仪表下限对应的数字量； Nm 仪表上限对应的数字量， Nx 测量值所对应的数字量。其中A0，Am，N0，Nm对于某一个固定的被测参数来说是常数， Eg1：某热处理炉温度测量仪表的量程为200800,在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0CDH.求此时温度值为多少？(设仪表量程为线性,A/D转换为8位)解：已知A0200，Am800，Nx0CDH205，Nm0FFH255，根据式(4.10)，此时温度为:Eg2：某热处理炉温度变化的范围为01350,在某一时刻计算机采样并经AD574A转换后的数字量为56AH.求此时炉内的温度值为多少？(设仪表量程为线性的）P36 解：已知A00，Am1350，Nx56AH1386，NmFFFH4095，则此时温度为:3. 积分饱和抑制常用的方法是积分分离PID控制和抗积分饱和算法。P9596 区别：积分分离算法进行分离的依据是PID控制器的输入偏差e（k),而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）。“大偏差时不积分（积分分离），输出超限时也不积分（抗饱和）”。4.控制规律的选择P113114 对于特性为一阶惯性纯滞后、二阶惯性纯滞后的控制对象，PID控制是一种最优的控制算法。根据分析可以得出如下几点结论：(1)一阶对象，负荷变化不大，工艺要求不高，可采用P控制；如，压力、液位、串级副回路等。 (2)一阶与纯滞后串联的对象，负荷变化不大，要求精度较高,可采用PI控制。如，压力、流量、液位控制。 (3)纯滞后时间较大，负荷变化也较大，控制要求高的场合，可采用PID控制。如，过热蒸汽温度控制，PH值控制。(4)对象为高阶(二阶以上)又有纯滞后特性，负荷变化较大，控制要求也高时，应采用串级控制，前馈一反馈、前馈一串级或纯滞后补偿控制。5.PID归一参数的整定法是一种简易的整定法。P116位置式PID算法：设PID的增量算式为 式中 KP 为比例系数； T为采样周期；Ti为积分时间常数；TD为微分时间常数;Ki=KP/Ti为积分系数；KD=KP*TD为微分系数。据上表的Ziegler-Nichols整定式可得： T01TsTi05Ts Td0125Ts 式中Ts是纯比例控制时的临界振荡周期。则有: 第5章1.干扰信号的来源：P138工业控制计算机系统的干扰可以分为三类，即: 电源干扰、空间干扰、设备干扰。电源干扰主要有：浪涌、尖峰、噪声和断电。空间干扰：静电和电场的干扰、磁场干扰、电磁辐射干扰。设备干扰：工模干扰或差模干扰。2.干扰信号的耦合方式：P139、静电耦合方式；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；在设备外部，当两根导线在较长的距离内敷设或架设时，将会生产电磁耦合干扰。、共阻抗耦合方式；当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，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来。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，她们既能接收干扰波，又能辐射干扰波。3.空间抗干扰的措施：P141空间隔离：使敏感设备或信号线远离干扰源。 屏蔽：对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层。 电气布线：合理选择信号线，并在实际施工中正确地敷设信号线来抑制干扰。4. 过程通道的干扰时如何产生的？如何对它们抑制？ 1）强烈的干扰往往沿着过程通道进入计算机，其主要原因是过程通道与计算机之间存在公共地线。 2）干扰的作用方式，一般可分为串模干扰和共模干扰。P146149 抑制串模干扰的主要措施：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 抑制共模干扰的主要措施：采用差分放大器作信号前置放大 采用隔离技术将地电位隔开 利用浮地屏蔽5. 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？ 可靠性是指机器、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。狭义的可靠性是指一次性使用的机器、零件或系统的使用寿命。计算机控制系统的可靠性是指广义的可靠性。它是可修复的机器、零件或系统，在使用中不发生故障，一旦发生故障又易于修复，使之具有经常使用的性能。P1571.提高计算机控制系统硬件可靠性的措施：P160161(1)冗余结构设计(2)不易发生故障的硬件设计：对元部件进行严格筛选，使用可靠的单个元件，并对元件进行多道老化和严格检验, 按可靠性标准检查全部元器件；充分重视元部件安装的机械强度，以使机械运动(如振动)不会引起导线或焊接区的断裂。此外，对必要的元部件应机械加固；对组件采取涂漆和浇注处理可进一步提高机械紧固性；插座是发生故障的最常见因素，因此，应尽量少用插座，并采用大的插座；抗温升保护，多数电子器件对温度变化比较敏感，设计足够的通风系统和采用温度补偿措施。2 .提高计算机控制系统软件可靠性的措施 ：P161163(1）分散结构设计；（2）容错技术。实现软件容错的基本活动有四个：故障检测、损坏估计、故障恢复和缺陷处理。（3）指令亢余：是利用消耗时间资源来达到对系统的容错目的。（4）信息亢余（5）标准化：采用标准化软件可以提高软件运行的可靠性。6. 噪声感应电压的计算公式为 P140 式中j为虚数单位；=2f；M为互感系数；Ing为回路感应电流I=P/U Eg：某信号线与电压为220V、负荷为10kVA的输电线的距离为1.2m，并平行走线10m，连线之间互感为3.6H，计算出信号线上感应的干扰电压为 第6章1. 控制网络与IT网络的区别：P168 1）控制网络的实时性：IT网络不考虑实时性，但在控制网络中实时性是基本的要求； 2）网络结构线状化：IT网络的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的但在大多数控制网络中，从一点到另外一点的通信路径大多是固定的。 3）工业环境使用场合：IT网络一般在办公室、家庭等环境非常好的场所使用，而控制网络是在环境恶劣的工业环境下使用的。 4）控制网络的技术特点：控制网络与IT网络比较还具有以下技术特点： 良好的实时性与时间确实性。 转送信息多为短帧信息，且信息交换频繁。 容错能力强，可靠性、安全性好。 控制网络协议简单实用，工作效率高。 控制网络结构具有高度分散性。 控制设备的智能化与控制功能的自治性。 与信息网络之间有高效率的通信，易于实现与信息系统的集成。2. 计算机网络的基本功能： 数据通信 资源共享 增加系统的可靠性 提高系统处理能力 实现分布式处理3. TCP/IP协议共分4层：网络接口层 、网际层 、
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