计算机控制技术课后习题答案.doc

第一章1微型计算机控制系统与连续控制系统的主要异同点是什么？答：将连续控制系统中的控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机系统。控制系统中引入微型计算机后，控制规律便可由程序实现，微型计算机执行相应的程序，实现对被控参数的控制。在连续控制系统中，系统的控制规律是由硬件电路实现的，改变控制规律就要改变硬件；而在微型计算机控制系统中，控制规律是通过程序实现，改变控制规律只需改变程序。在微型计算机控制系统中，微型计算机的输入和输出都是数字信号，而变换发送单元送出的信号，以及大多数执行机构所能接收的信号，都是模拟信号。因此，系统中需要有A/D转换器和D/ A转换器。连续控制系统不断地测量，经过反馈及补偿后，对生产过程产生连续不断的控制。微型计算机控制系统是采样控制系统。微型计算机每隔一个采样周期T会对被控参数进行一次测量，根据一定控制规律算出控制量后，去控制生产过程。在两次采样时刻之间，微型计算机对被控参数不进行测量，其输出控制量自然也保持不变。当用一台微型计算机控制多个参数时，微型计算机按巡回测量控制方式工作。2.从微型计算机参与控制的方式上，微型计算机控制系统可分为哪几类？各有什么特点？答:可分为数据采集系统（DAS）、直接数字控制系统（DDC）、监督算机控制系统（SCC）、分散型控制系统（DCS）。数据采集系统（DAS）：数据采集系统中微型计算机通过模拟量、开关量输入通道进行数据采集，将采集到的数据进行分析处理，以实现生产过程中的集中监视及实现生产过程的操作指导。该系统中的微型计算机不直接参与生产过程控制，不会对生产过程产生直接影响。直接数字控制系统（DDC）：微型计算机通过模拟量输入通道、数字量输入通道进行数据采集，然后按照一定的控制规律进行实时决策，最后通过模拟量输出通道、数字量输出通道输出控制信号，实现对生产过程的直接控制。由于该系统中夺得微型计算机直接参与生产过程的控制，故要求微型计算机系统实时性好、可靠性高和环境适应性好。监督计算机控制系统（SCC）：SCC系统是一种两级微型计算机控制系统，其中DDC级微型计算机完成生产过程的直接数字控制；SSC级微型计算机则根据生产过程的工作状况和已定的数学模型，进行最优化分析计算，产生最优给定值，交由DDC级微型计算机执行。分散型控制系统（DCS）：DCS系统利用多台微型计算机，采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上而下分为过程控制级、控制管理级、生产管理级等若干级，形成分布式控制。3微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：由四部分组成。图1.1微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。(4)检测与执行机构a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(05V或420mA)后，再送入微机。b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。4工业控制微型计算机与主要用于科学计算方面的微型计算机有何异同点？答：工业控制微型计算机与主要用于科学计算方面的信息处理机是两类不同用途的计算机。二者都是以微型计算机为核心所构成的装置。与信息处理计算机相比，工控机具有可靠性高、环境适应性强、可维护性好、硬件配置上的可装配性和可扩充性好、丰富的过程输入/输出能力、应用软件丰富等特点。5何谓微型计算机系统的实时性？如何保证微型计算机系统的实时性？答：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。实时性指标涉及一系列时间延迟，如仪表延迟、输入延迟、运算处理延迟、输出延迟等。另外，中断是微型计算机控制系统实现实时控制的一个十分重要的功能。6简述DDC和SCC系统的工作原理。答：直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(Direct Digital Control)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。其原理框图如下图所示。计算机监督控制系统(SCC系统)：SCC(Supervisory Computer Control)系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。其原理框图如下图所示。7进一步查阅资料，了解计算机控制系统的发展趋势。答：大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面：a.普及应用可编程序控制器 b.采用集散控制系统 c.研究和发展智能控制系统第二章1在模拟量输入输出通道中，采样保持器起何作用？是否在所有的模拟量输入输出通道中都需要采样保持器？为什么？答：采样保持器的作用：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。不是在所有的模拟量输入输出通道中都需要采样保持器。当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，则可以不加采样保持器。2A/D转换器的转换速度主要根据系统模拟量输入点数和输入模拟量的最高频率来选择。现假设模拟量输入点数为8，最高信号频率分别为2kHz和10kHz，则A/D转换器的转换速度各为多少？答：当最高信号频率为2KHz时A/D转换器的转换速度至少为：当最高信号频率为10KHz时A/D转换器的转换速度至少为：3A/D转换器的分辨率和线性误差两技术指标含义上有何不同？答：分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。线性误差是指A/D转换器的理想转换特性应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。4设计一块PC总线或其他总线的32路单输入12位A/D转换模板。A/D转换器选AD574A，所需的多路开关、运算放大器、采样保持器和其他器件自选，要考虑总线驱动。转换结束后用中断方式通知主机，系统分配给该模板的地址为2C8H2CFH（或另行分配）。1）设计该模板的硬件原理图。2）设计数据采集程序，系统每隔一个采样周期T=2s，对32路输入巡回采样一遍，采集到得数据送以BUFE为首地址的内存缓冲区中。3）计算出该模块的最高数据采集频率（各器件的有关参数可通过查阅手册得到）。解：1）2）AD574 PROC NEAR MOV CX,32MOV BL,00000000BLEA SI,BUFNEXTCH:MOV DX,212HMOV AL,BLOUT DX,ALNOPNOPOR AL,01000000BOUT DX,ALNOPAND AL,10111111BOUT DX,ALMOV DX,210HPOLING:IN AL,DXTEST AL,80HJNZ POLINGMOV AL,BLOR AL,00010000BMOV DX,212HOUT DX,ALOR AL,01000000HOUT DX,ALMOV DX,210HIN AL,DXAND AL,0FHMOV AH,ALINC DXIN AL,DXMOV SI,AXINC SIINC SIINC BLLOOP NEXTCHMOV AL,00111000BMOV DX,212HOUT DX,ALRETAD574 END3）AD574速度：25s;AD625速度：40nsLF398速度:10sCD4051速度：500 ns故该模块的最高数据采集频率为40K.5.设ADC0809与CPU的连接如图2-45所示。要求用查询方式采样来自IN4通道的输入信号，采样100点，采样数据存入ADBUF缓冲区，试编程实现。解：编程：OUT 84H,ALMOV R1，#64HLOOP: DEC R1WAIT: IN AL,70HTEST AL,01HJZ WAITIN R0,60HDEC R0CJNE R1,#00H,LOOP6.试设计一个数据采集电路，要求该电路能对8路模拟信号进行连续巡回检测，电压转换范围010V，相对精度0.05%，采样间隔为1s，按此要求画出巡回检测系统的电路原理图，并回答以下问题：1）在该电路中A/D转换器至少应采用多少位的？2）该电路的A/D转换器转换完成，采用何种方式了解？3）编写启动A/D转换器及读取转换结果的程序段。4）画出实现8路巡回采样的程序流程图。解：电路图如下：1）7位 2）STS，A/D转换器转换结束标志 3）启动：OR AL,01000000B OUT DX,ALNOP读转换结果：MOV DX,210HPOLING:IN AL,DXTEST AL,80HJNZ POLINGMOV AL,BLOR AL,00010000BMOV DX,212HOUT DX,ALOR AL,01000000HOUT DX,ALMOV DX,210HIN AL,DXAND AL,0FHMOV AH,ALINC DXIN AL,DXMOV SI,AX4）程序流程图：7.某热处理炉温度变化范围为01350，经温度变送器变换为15V电压送至ADC0809.当T=kT时，ADC0809的转换结果为6AH，问此时的炉内温度为多少度？解：炉内温度8编制一个能完成中值加均值滤波的子程序，设m=8,8个采样值排序后，取中间的四个采样值平均。采样值为12位2进制数。MOVCX,8DECCXLOP1：MOVDX,CXLOP2：MOVAX,DATABXCMPAX,DATABX+2JBECONTIXCHGAX,DATABX+2MOVDATABX,AXCONTI:ADDBX,2LOOPLOP2MOVCX,DXMOVBX,0LOOPLOP1MOVCX,3MOVAX,DATABX+4LOP3：ADDBX,2ADCAX,DATABX+4LOOPLOP3MOVDL,4DIVDL9DAC0832用做波形发生器。试根据图2-46中的接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序，产生的波形如图2-47所示。解：三角波程序：MOVAL,0LOP1：MOVDX,230HOUTDX,ALMOVDX,ALINCALCMPAL,FFHJBLOP1LOP2：MOVDX,230HOUTDX,ALMOVDX,240HMOVDX,ALDECALCMPAL,0JALOP2JMPLOP1 方波程序：MOVAL,FFHSTART:MOVDX,230HOUTDX,ALMOVDX,240HOUTDX,ALMOVCX,0LOP1：NOPNOPLOOPLOP1XORAL,FFHJMPSTART锯齿波程序：MOVAL,0START:MOVDX,230HOUTDX,ALMOVDX,240HOUTDX,ALINCALJMPSTART10.欲利用两片DAC0832控制执行机构实现X-Y绘图仪功能。设所测待绘曲线的数据分别存入ARRAY1和ARRAY2数据区中，数据区中长度为30H，请编程实现将ARRAY1和ARRAY2两片数据区中的数据分别从1#和2#DAC0832同时绘出，控制X-Y绘图仪绘出所测曲线（DAC0832与总线接口电路如图2-48所示，设1#和2#DAC0832的端口输入寄存器地址为320H、321H，DAC寄存器地址为323H）。MOVCX,30HMOVBX,0LOP1：MOVAL,ARRAY1BXMOVDX,320HOUTDX,ALMOVAL,ARRAY2BXMOVDX,321HOUTDX,ALMOVDX,323HOUTDX,ALINCBXLOOPLOP1第三章作业1. 数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？ 答：1）数字滤波不需要硬件设备，可靠性高、稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题； 2）数字滤波用程序实现，多个输入通道可“共用”同一个滤波程序、不需要增加硬件设备，降低了成本；3）对于不同的干扰，通过修改数字滤波程序或改变其中的参数，可以实现不同滤波方法，与模拟滤波器只能改变硬件相比更加灵活和方便；4）数字滤波能对频率很低（如0.01Hz）的干扰进行处理，克服了模拟滤波器受电容容量的限制，频率不能太低的补偿。2. 常用的数字滤波方法有几种？他们各自有什么优缺点？答：1）算术平均数滤波：算术平均数滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，采用算术平均数滤波后，信噪比提高了，但它对脉冲干扰的抑制效果不够理想，不适合脉冲性干扰比较严重的场合；2）加权算术平均值滤波：它适用于系统纯延迟时间常数 较大而采样周期较短的情况。一般是越新的采样值赋给较大的比例，增加新采样值在滤波结果中的比例，尽量真实的反映系统所受干扰的影响情况。但采用加权算术平均值滤波方法需要测试不同过程的纯延迟时间常数 ，并不断计算各加权系数，增加了计算量，降低了控制速度，因而其实际应用不如算术平均值滤波方法；3）滑动平均值滤波：滑动平均值滤波方法对周期性干扰有良好的抑制作用，既少占用时间，又能达到较好的滤波效果，但对偶然出现的脉冲干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差，因此不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统；4）中值滤波：中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉冲干扰比较有效，对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此方法能收到良好的滤波效果，但对流量、速度等快速电话的被测参数一般不易采用；5）防脉冲干扰的算术平均值滤波：这种方法兼有算术平均值滤波和中值滤波的优点，对快变和慢变参数都有抑制干扰的作用，有利于提高采样的真实性，但对运算工作量较大，会影响系统的实时性。当采样点数为3时，它便是中值滤波。在实际应用中，为了加快测量计算速度， n一般不能太大；6）程序判断滤波：程序判断滤波对抑制带有随机性的干扰较为有效，具体应用时的关键问题是最大变化量 的选取，对不同的对象特性，使用不同的采样周期、系统不同的给定输入形式（阶跃、等速或加速），都影响到 值的选择；7）惯性滤波：这种方法模拟了具有较大惯性的低通滤波功能，当目标参数为变化很慢的物理量时，效果很好，但带来了相位滞后，滞后相位角度的大小与 的选择有关。该方法不能滤除频率高于采样频率的1/2的干扰信号。出惯性滤波外，同样可用软件来模拟高通滤波和带通滤波。3. 算术平均值滤波、加权算术平均值滤波及滑动平均值滤波三者的区别是什么？ 答：算术平均值滤波和加权算术平均值滤波有一个共同点，即每个计算输出1次有效采样值必须连续采样n 次。对于采样速度较慢或要求数据计算速率较高的实时系统，需要对滤波方法进行改进。采用滑动平均值滤波方法时，每进行一次采样可以计算出一个新的有效采样值，从而加快数据处理的速度。4. 标度变换在工程上有什么意义？在什么情况下使用标度变换程序？答：标度变换在工程上意义：为了能直接诶显示或打印被测工程量值，必须将它们转换成为有量纲的数值。对于一般的线性仪表来说，参数值与A/D 转换结果之间是线性关系时使用线性标度变换公式；有时微型计算机从模拟量输入通道得到的有关过程参数的数字信号与该信号所代表的物理量不一定成线性关系，则其标度变换公式应使用非线性标度变换公式。5. 数字控制器的连续化设计步骤是什么？答：1）求出模拟控制器的传递函数D(s)； 2）选择合适的采样周期； 3）将D(s)离散化，求出数字控制器的脉冲传递函数D(z)。6. 数字控制器的离散化设计步骤是什么？ 答：1）已交给你被控对象的传递函数(s) ,可以求出广义对象的脉冲传递函数G(z) ； 2）根据系统的性能指标要求和其他约束条件，确定系统的闭环脉冲传递函数； 3）根据式（3-34）解析求出数字控制器的脉冲传递函数D(z)； 4） 验证D(z) 能否满足系统的性能指标要求，如果不满足，则进行修正； 5）根据验证合格的D(z) ，求出对应的差分方程，编写程序实现； 6）与硬件连接，进行系统调试。7. 某连续控制器设计为 使用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(z).答：双线性变法:把代入，则 前向差分法：把 代入，则 后向差分法：把代入，则 8. 在PID控制器中，系数、各有什么作用？它们对控制品质有什么影响？ 答：1、系数 为比例系数，提高系数 可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境的提高系数 最终导致系统不稳定。比例调节可以保证系统的快速性。2、系数 为积分常数， 越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过度过程时间加长。积分调节可以消除偏差，提高控制精度。3、系数 为微分常数， 越大微分作用越强。微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响。9. 什么是数字PID位置式控制算法和增量式控制算法？是比较它们的优缺点。答：为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算法，为此，在采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似（T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近）： 于是有： u(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置（如控制阀门的开度）一一对应，所以称之为位置型PID算法。在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u(k)不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电机调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。与位置算法相比，增量型PID算法有如下特点：1）位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。2）为实现手动自动无忧切换，切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度 ，若采用增量算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现 项，所以易于实现从手动到自动的无忧动切换。3）采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。10. 有哪几种改进的数字PID控制算法？答：有四种。（1）.积分分离PID控制算法；（2）不完全微分PID控制算法；（3）带死区的PID控制算法；（4）消除积分不灵敏区的PID控制算法。11. 什么是积分饱和现象？它是怎么被引起的？通常采用什么方法克服积分饱和？答：所谓积分饱和现象是指若系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致u(k)达到极致位置。此后若控制器输出继续增大，u(k)也不会再增大，即系统输出超出正常运行范围而进入了饱和区。一旦出现反向偏差，u(k)逐渐从饱和区退出。进入饱和区愈深则退饱和时间愈长。此段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随着偏差反向立即作出相应的改变，这时系统就像失去控制一样，造成控制性能恶化。这种现象称为积分饱和现象。积分饱和现象产生的原因：（1）调节器长期处于开环状态；（2）调节器具有积分控制作用；（3）调节器输入偏差长期得不到校正。对标准数字PID控制算法中积分项进行约束，可以防止积分饱和现象的发生，方法之一是进行积分分离。12. 简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。答：扩充临界比例度法：(1）选择一个足够短的采样周期，它一般应为被控对象的纯滞后时间的1/10以下；(2）用选定的采样周期使系统工作在纯比例控制方式下，直到系统发生持续等幅震荡，记下使系统发生震荡的临界比例系数及系统的临界震荡周期;（3）选择控制度。扩充响应曲线法：1）数字控制器不接入控制系统，用手动操作，把被调量调到给定值附近，并使之稳定下来，然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号；2）用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线；3）在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间，被控对象时间常数以及它们的比值;4）由求得的、及查表3-3，即可求得数字PID控制器的有关参数、及采样周期。13. 采样周期的选择需要考虑哪些因素？答：（1）从品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在95%的系统的过渡过程内，采样6次15次即可； （2）从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时； （3）从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间，当被控对象的纯滞后时间较大时，常选T=(1/41/8) ; （4）从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，当主机字长较小时，若T过短，将是前后两次采样值差别小，调节作用因为会减弱。另外，若执行机构的速度较低，会出现这样情况，即新的控制量已输出，而前一次控制还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因次T必须大于执行机构的调节时间。14. 什么是最小拍数字控制系统？在最少拍数字控制系统的设计中应当考虑哪些因素？答：最小拍数字控制系统就是一种时间最优控制。 在最少拍数字控制系统的设计中应当考虑的因素：(1) 最少拍数字控制器的输入：1)3种典型的输入型号；2)闭环误差脉冲传递函数的初步确定；3)3种输入信号下的误差序列。(2)最少拍数字控制器的稳定性设计；(3)最少拍控制系统的局限性；15. 什么是振铃现象？如何消除振铃现象？答：振铃现象是指数字控制器的输出以接近1/2采样频率的频率，大幅度衰减震荡。消除振铃现象的方法：先找出数字控制器中产生振林现象的极点，令其中z=1。这样便取消了该极点，即可消除振铃现象。16. 与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？答：与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点：（1） 模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统；（2） 模糊控制不用建立对象精确的数字模型；（3） 模糊控制系统的鲁棒性好；（4） 模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。17. 已知模拟控制器的传递函数为试写出相应数字控制器的位置式和增量式控制算式，设采样周期T=0.2s。解：根据，T=0.2s得：又 得数字控制器位置式控制算式类推得数字控制器增量式控制算式18. 被控对象的传递函数为采样周期T=1s，要求采用大林算法设计数字控制器D(z)，并求取u(k)的递推形式。解：由题可知则设又得：19. 被控对象的传递函数为采样周期T=1s，采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，设计：1）最少拍控制器D(z);2）画出数字控制器的输出和系统的输出曲线解：（1）广义对象脉冲传递函数，即根据中与输入形式有关得到由此得，数字控制器的数学模型为：（2） 数字控制器的输出和系统的输出曲线如图：20. 已知控制系统的被控对象传递函数为已知采样周期T=1s，使用大林算法设计D(z)。解：由题可知令又其中则：21. 在题20中，若选闭环系统的时间常数，是否会出现振铃现象？如何消除？解：当时如上式可知会出现震铃现象，只有消除项才能消除，即当z=1带入原式得22. 设广义被控对象的脉冲传递函数为试针对单位速度输入，设计最少拍吴文博数字控制器，并计算数字控制器输入和系统输出。当参数变化，使得时，若D(z)保持不变么系统输出响应如何变化？解：根据最少拍无纹波设计原则：零点包含的零点，包含项，得根据中与输入形式有关，方次与相同，得到解联立方程，得 由此，数字控制器的数学模型为：闭环系统的输出序列为：数字控制器的输出序列为：当参数变化时不变，不变，所以系统输出响应不会变化。第四章（5） 工业现场存在哪些干扰，其传播途径是什么？答：工业现场存在的干扰主要噪声干扰、过程通道干扰和供电系统干扰。噪声干扰是电磁信号通过空间辐射进入系统的。过程通道干扰是通过与系统相连的前向通道、后向通道以及与其他系统的互联通道进入系统的。供电系统干扰则是电磁信号通过供电线路进入系统的。（6） 如何抑制串、共模干扰和长线传输干扰？答：在输入和输出通道上采用光隔离器来抑制串模干扰；在多路转换器输入端接入共模扼流圈，可抑制共模干扰；配置总线驱动器可抑制长线传输干扰。（7） 微型计算机控制系统中的地一般分为几种？答：微型计算机控制系统中地线一般分为：信号地线、噪声地线、金属件地线。（8） 在微型计算机系统中，采用容错设计有何意义？答:容错技术是允许系统发生故障，借助冗余技术使其自动抵消，在故障存在的情况下也能使系统正常运行，大大提高系统的可靠性。（9） 有几种容错结构？各种容错结构有何区别？答：两种容错结构，分别为N中取K容错结构和双模结构。它们的区别在于双模结构是有人维修的。（10） 隔离放大器有哪些特点？答：隔离放大器可以隔断通路的线路连接，从而信号的抑制串模干扰。（11） 简述看门狗（Wathchdong）技术。答：看门狗技术就是在程序“跑飞”或死机时，对系统进行重新置位或复位，使系统恢复正常运行的一种技术。（12） 简述提高软件设计可靠性的措施。答：提高软件设计可靠性的措施有：1）凡不用的EPROM和RAM区，一律写成FFH或00H 2）采用尖峰检测来实现存储器的写禁止。 3）输出刷新 4）采用看门狗技术等。第五章1. 简述基带传输和频带传输的特性？ 答：基带传输不需要调制解调器，设备花费少，适用于短距离小范围的数据传输，分级分布式控制系统通常采用这种方式连接各级微型计算机。频带传输使用调制解调技术，发送方对待发送的二进制数据进行先行编码，将编码后的数字信号调制到一个更高频率载波信号上，通信信道上传输的是调制后的模拟信号。接受方接收模拟信号后，通过解调从模拟信号中提取出数字信息送至目的设备。2. 信号调制的方法有哪几种？答：3种方法，幅值调制（ASK）、频率调制（FSK）和相位调制（PSK）。3. 简述异步传输和同步传输的差异？答：异步传输将数据位流划分为字节，每次传送一个字节（即8个二进制位），独立传输每个字节，即后一个字节的传输与前一个字节的传输无关，同时，收发双方同样需要进行时钟同步。同步传输一次可以传输多个字节的数据，收发双方使用同一个时钟信号，规定时钟信号的某个特定状态(下降沿时)，数据信号线上的信号有效。4. 简述常用网络拓扑结构类型及其优缺点。答：1.网状拓扑结构，优点是：任意两个设备间有自己专用的通信通道，不会产生网络冲突，当某个设备发生故障时，不会影响网络中其他设备的通信。缺点是：硬件实现比较困难，需要的电缆多，n个结点的网络至少需要n(n-1)/2条连接电缆，安装成本高，向网络中添加或删除结点都非常困难。2.星形拓扑结构，优点是：硬件安装比较简单成本，向网络中添加或删除结点简便。缺点是：如果中心结点发生故障，整个网络通信将完全瘫痪；另外，由于网络各设备间不能直接通信，需要通过中心结点转发，因此通信时会带来一定的时间延迟。总线型拓扑结构，优点是：安装简单，所需要电缆数比星型网络少，可以较方便地在网络中添加或删除结点。缺点是：如果主干电缆发生故障，那么整个网络将瘫痪，并且很难确定出现故障的位置。3.环形拓扑结构，优点是：环状网络的硬件安装相对简单，发生故障时比较容易确定故障位置。缺点是：环中任意一个节点发生故障都会导致整个网络瘫痪;虽然比较容易实现在网络添加和删除结点，但添加或删除结点时整个网络不能工作。5. 简述OSI参考模型的层次结构以及各层次功能。答：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层。物理层功能：物理层是通信网上各设备之间的物理接口，它主要定义了通信设备的机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。数据链路层：数据链路层功能是将物理层从一个原始的传输工具转变成一个可靠的链路，它负责将被传送的数据按帧格式化，完成介质访问控制，差错控制，以及物理层的管理等。网络层：网络层功能就是实现节电的交换功能，实现端节点和端节点之间实现正确无误的信息传送。传输层：主要是完成从终端端点到另一种短短点的可靠传输服务。应用层：应用层是向网络使用者提供一个方便有效的网络应用环境。6. 常用介质访问技术有哪些？各有什么特点？答：带冲突检测的载波侦听多路访问、令牌传递、查询和时分多址等。 带冲突检测的载波侦听多路访问：多路访问技术规定，链路上的所有结点都可以随时发送数据帧；令牌传递：能够确定哪个节点获得总线使用权；查询：主结点控制链路，依次询问所有从结点是否需要发送选择帧；时分多址：时分多址技术将链路的整个通信带宽作为一个通信信道，链路上所有结点分时间共享这一信道。7. 列举采用CSMA/CD技术的网络。答：实时以太网、PROFINET、EtherNet/IP、高速以太网HSE8. 说明流控制的作用。答：流控制是确保接收方不会被发送方连续发来的数据帧“淹没”的机制。9. 详细说明选择重传协议的工作机制。答：重传协议只重发没有正确接收的帧，而不是重发所有的帧。发送方为每个发送的帧设置一个定时器，收到应答就停止计时，超时未收到应答，说明帧丢失或出错，重发该帧。接收方收到序号正确的帧，就向发送方发送ACK应答信号，如果发现序号不连接，有丢失帧现象，就向发送方发送NAK信号，请求重发制定序号的帧。10. 列举3种采用数据报交换技术的协议。答：HDLC协议、TCP/IP协议、UPD协议。11. 简述ARP和RARP的功能。答：ARP提供一种高效又便于维护的动态地址绑定机制，通信前发送方先广播一个特殊的分组，请求某个IP地址的主机响应，该主机应答时恢复自己的物理地址，发送方收到物理地址后就可以进行通信了。RARP功能与ARP相反，是根据网络硬件的物理地址，请求获得IP地址的协议。12. 简述UDP和TCP的特点及适用场合。答：UDP提供不可靠无连接的数据报传输服务，使用IP实现报文传输，根据协议端口号确定收发双方的应用程序，适用于一个服务器需要对多个客户端频繁的小数据请求进行服务的情况。TCP提供可靠的面向连接的数据流传输服务，TCP偏重于可靠性，而不是实时性，适用于一对一的传输大量数据的场合。第六章22. 微型计算机控制系统设计原则中，最重要的是什么？答：可靠性是系统设计最重要的原则，因为一旦系统出现故障，将引起整个生产过程混乱，造成严重后果。23. 微型计算机控制系统设计的步骤通常包括哪些内容？答：主要包括确定系统的控制任务和总体设计方案，建立系统的数学模型和确定控制算法，系统硬、软件设计，系统硬、软件的分调与联调，系统模拟测试，系统现场投运等。24. 微型计算机控制系统总体方案的设计应从哪几方面考虑？答：1）确定控制方案；根据系统要求，确定采用开环控制还是混合控制。2）确定系统的构成方式；控制方案确定之后，需要选择微处理器，确定系统的构成方式。3）现场设备选择；现场设备选择主要包括传感器、变送器和执行机构的选择，以及人机联系方式确定等。4）确定软硬件分工；对系统的软硬件功能作出划分。25. 微型计算机控制系统设计中，其控制算法的选择应考虑哪些因素？答： 控制算法的选定应满足系统控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。可以在控制系统中设计多种控制算法，通过数字仿真或试验进行分析对比，选择最佳的控制算法。5微型计算机控制系统设计中，其软、硬件的设计应分别从哪几方面进行考虑？答：软件设计应从以下几方面考虑：1）实时性；2）灵活性和通用性；3）可靠性。硬件设计应从以下几方面考虑：1)根据控制任务的复杂程度、控制精度以及实时性要求等选择主机板。2)根据程序和数量的大小等选择存储器板。3)根据模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）点数、分辨率和精度，以及采集速度等选A/D、D/A板。4)根据开关量输入通道（DI）、开关量输出通道（DO）点数和其他要求选择开关量输入输出板。5)根据人机联系方式选择相应的接口板。6)根据需要选择各种外设接口板、通信板、滤波板。第七章1. 什么是DCS?其基本设计思想是什么?答:DCS是一种结合了仪表控制系统和直接数字控制系统（DDC）两者的优势而出现的全新控制系统，它很好地解决了DDC将所有的控制回路都集中在主CPU中而引起的两个问题，即可靠性问题和实时性问题。其基本设计思想是：集中管理、分散控制。2. 简述DCS的体系结构及各层次的主要功能。答：DCS体系结构分为四层结构，即现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。1）现场控制级的功能：一是完成过程数据采集与处理，把现场的各种物理信号转变成电信号或数字信号，并进行一些必要的处理；二是直接输出操作命令、实现分散控制，把各种控制输出信号转变成物理变量；三是完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享；四是完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。2）过程控制级主要功能有：一是采集过程数据，进行数据转换与处理；二是对生产过程进行监测与控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能；三是现场设备及I/O口卡件的自诊断；四则是与过程操作管理级进行数据通信。3）过程管理级功主要功能有：操作战功能、工程站功能和监控计算机功能。4）经营管理级主要功能有：监测企业各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，实现计划