2025年计算机控制技术期末试卷及答案

2025年计算机控制技术》期末试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列微控制器中，适合作为高精度温度控制系统核心的是（）。A.8051（8位）B.STM32F103（32位）C.树莓派4（ARMCortex-A72）D.ESP8266（Wi-Fi模块）2.某12位A/D转换器参考电压为5V，其分辨率为（）。A.1.22mVB.2.44mVC.4.88mVD.9.76mV3.实时操作系统（RTOS）的核心特性是（）。A.多任务并行B.任务优先级抢占C.图形化界面支持D.大容量存储管理4.在计算机控制系统中，抑制共模干扰最有效的措施是（）。A.单点接地B.双绞线传输C.光电隔离D.增加滤波电容5.增量式PID控制算法的输出量是（）。A.控制量的绝对值B.控制量的增量C.误差的积分项D.误差的微分项6.工业现场中，ModbusRTU协议通常采用（）传输方式。A.单工B.半双工C.全双工D.异步全双工7.下列不属于计算机控制技术中“实时性”指标的是（）。A.任务响应时间B.A/D转换时间C.数据库查询延迟D.控制周期8.设计电机转速闭环控制系统时，若要求超调量小于5%，应优先调整PID的（）参数。A.比例系数KpB.积分系数KiC.微分系数KdD.采样周期T9.某系统采样周期T=100ms，若采用Z变换离散化连续传递函数G(s)=1/(s+1)，其离散形式G(z)的分母为（）。A.z-0.905B.z-0.951C.z-0.819D.z-0.74110.物联网边缘计算在计算机控制中的典型应用是（）。A.将所有数据上传云端处理B.在本地完成实时控制决策C.依赖5G网络实现低延迟D.仅用于数据采集二、填空题（每空1分，共10分）1.计算机控制系统的典型结构包括______、执行机构、被控对象、检测变送装置和______。2.A/D转换器的转换精度由______和______共同决定。3.实时任务调度的常用策略有______和______（列举两种）。4.模糊控制的核心步骤是______、模糊推理和______。5.工业以太网与普通以太网的主要区别是增加了______机制以满足实时性要求。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述计算机控制系统中“前向通道”和“后向通道”的功能及组成。2.说明PID控制中积分环节（I）的作用，并举出两种积分饱和的抑制方法。3.比较RS-485总线与CAN总线在工业控制中的优缺点。4.什么是“零阶保持器”？其在离散控制系统中的作用是什么？5.列举三种计算机控制软件设计中常用的抗干扰措施，并说明其原理。四、分析题（每题10分，共20分）1.某温度控制系统采用PT100热电阻（0~100℃对应100~138.5Ω）作为传感器，信号调理电路输出0~5V电压（对应0~100℃）。现使用12位A/D转换器（参考电压5V）采样，CPU通过查表法将采样值转换为温度值。（1）计算A/D转换后的数字量范围（十六进制表示）；（2）若某次采样得到数字量为0x680，计算对应的温度值（保留1位小数）。2.某步进电机控制系统采用“位置式PID”算法，已知系统传递函数为G(s)=1/(s(s+2))，采样周期T=0.1s。（1）写出位置式PID的离散表达式；（2）若实测系统响应超调量过大，分析可能的PID参数设置问题及调整方向。五、综合题（20分）设计一个基于STM32的智能温室温度控制系统，要求实现25±1℃的恒温控制。需完成以下内容：（1）硬件方案：画出简化硬件框图（标注关键模块），并说明各模块选型依据；（2）软件流程：设计主程序流程图（包含初始化、数据采集、控制算法、输出控制环节）；（3）控制算法：选择一种适合的控制策略（如PID、模糊PID等），说明选择理由及参数整定方法。答案一、单项选择题1.B2.A（5V/4096≈1.22mV）3.B4.C5.B6.B7.C8.C（微分抑制超调）9.A（e^(-T)=e^(-0.1)≈0.905）10.B二、填空题1.计算机（控制器）；人机界面（HMI）2.分辨率；转换误差3.固定优先级抢占；时间片轮转4.模糊化；清晰化（去模糊化）5.实时通信（或“确定性调度”）三、简答题1.前向通道（输入通道）：功能是将被控对象的状态信号（如温度、压力）转换为计算机可处理的数字信号。组成包括传感器、信号调理电路（放大、滤波）、A/D转换器。后向通道（输出通道）：功能是将计算机输出的控制信号转换为执行机构可接受的模拟或数字信号。组成包括D/A转换器（或PWM模块）、功率放大电路、执行机构（如电机、阀门）。2.积分环节作用：消除稳态误差，提高系统无差度。积分饱和抑制方法：（1）积分分离：当误差较大时暂停积分，误差小于阈值时恢复；（2）限幅积分：对积分项输出限制上限和下限，避免过积。3.RS-485优点：结构简单、成本低，支持多节点（最多32个）；缺点：无错误检测机制，可靠性低，传输速率（≤10Mbps）和距离（≤1200m）有限。CAN总线优点：支持多主通信、带CRC校验和错误帧重传，传输速率（1Mbps时≤40m，5Kbps时≤10km）和节点数（最多110个）更优；缺点：协议复杂，开发成本较高。4.零阶保持器（ZOH）是将离散信号恢复为连续信号的装置，其输出在两个采样点之间保持前一时刻的采样值不变。作用：（1）近似重构连续信号；（2）引入相位滞后（约-ωT/2），需在设计时补偿；（3）滤除高频分量（高于采样频率/2的成分）。5.（1）软件滤波：如中值滤波、滑动平均滤波，通过算法消除随机干扰；（2）指令冗余：在关键指令后插入NOP或重复指令，防止程序跑飞；（3）看门狗（WDT）：定时复位，若程序失控导致WDT超时则强制重启；（4）数据校验：对传输数据添加CRC或校验和，检测错误。四、分析题1.（1）0℃对应0V→数字量0x000；100℃对应5V→数字量0xFFF（4095）。范围：0x000~0xFFF。（2）0x680=1664（十进制）；电压值=1664×5V/4096≈2.03125V；温度=2.03125V×(100℃/5V)=40.6℃（保留1位小数为40.6℃）。2.（1）位置式PID离散表达式：u(k)=Kp[e(k)+(T/Ki)Σe(j)+(Kd/T)(e(k)-e(k-1))]，j=0到k。（2）超调量过大可能原因：比例系数Kp过大（导致响应过冲），或微分系数Kd过小（未有效抑制超调）。调整方向：减小Kp，增大Kd；若积分系数Ki过大（积分作用过强），也可适当减小Ki（但需注意稳态误差）。五、综合题（1）硬件框图：STM32主控芯片→PT100热电阻（温度传感器）→信号调理电路（恒流源、差分放大、低通滤波）→A/D转换模块→主控；主控→D/A转换（或PWM）→固态继电器→加热/制冷装置；附加模块：LCD显示屏（显示温度）、按键（设置目标温度）、RS-485接口（与上位机通信）。选型依据：STM32选择F4系列（浮点运算能力强，适合PID计算）；PT100精度高（±0.1℃），适合温室高精度需求；信号调理电路采用AD620仪表放大器（高共模抑制比，抗干扰）；固态继电器无机械触点，寿命长，适合频繁通断控制。（2）软件流程图：①初始化：GPIO、A/D、D/A、定时器（设置100ms采样周期）、LCD、串口；②进入主循环：a.数据采集：读取A/D值→信号调理（线性化、温度换算）；b.计算误差：e(k)=设定温度（25℃）-实测温度；c.控制算法：调用PID函数计算输出u(k)（增量式PID，避免积分饱和）；d.输出控制：将u(k)转换为PWM占空比（0~100%）→驱动固态继电器调节加热/制冷功率；e.显示与通信：更新LCD温度值，通过RS-485上传数据至上位机；f.等待下一个采样周期（100ms），循环执行。（3）控制算法选择增量式PID：理由：增量式输出为控制量的变化量（Δu(k)），误动作时对系统影响小（仅改变当前输出），适合执行机构为继电器（需避免大幅突变）的场景；且无需保存过去所有误差值，节省内存。