计算机控制技术第4版俞光昀习题答案

计算机控制技术第4版俞光昀习题答案第1章计算机控制系统概述该系统可能受到的干扰影响有:被加热流体的流量变化、入口温度变化;蒸汽压力变化、流量变化;环境温度变化等。闭环控制与开环控制的不同在于闭环控制有反馈环节，能根据输出与给定值的偏差进行控制;开环控制无反馈环节，控制作用与输出无关。自动控制系统采用负反馈的闭环控制方式是因为它能有效减小偏差，提高系统的控制精度和抗干扰能力。按给定值的不同，自动控制可分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。一个简单的控制系统主要由给定环节、比较环节、控制器、执行器和被控对象组成。给定环节给出系统的给定值;比较环节将给定值与反馈信号比较得出偏差;控制器根据偏差进行控制运算;执行器将控制信号转换为操作量;被控对象是被控制的生产过程或设备。给定环节输入为系统的设定值，输出为给定信号;比较环节输入为给定信号和反馈信号，输出为偏差信号;控制器输入为偏差信号，输出为控制信号;执行器输入为控制信号，输出为操作量;被控对象输入为操作量，输出为被控变量系统的输入是给定值，输出是被控变量。被控对象特性是指被控对象的输出变量随输入变量变化的规律。描述一个有自衡非振荡被控对象的特性参数有放大系数K、时间常数T和纯滞后时间T。放大系数K表示对象的稳态增益，反映对象在稳态下的控制能力;时间常数T表示对象的惯性大小，反映对象输出变化的快慢;纯滞后时间T表示对象的纯滞后特性，反映对象输出响应的延迟时间。控制通道是指从控制器输出到被控对象输入的信号传递通道;扰动通道是指从扰动作用点到被控对象输出的信号传递通道。当出水量突然增大时，储水槽水位会下降，浮球随水位下降，通过杠杆使针形阀开度增大，进水量增加，从而使水位回升，当水位回升到设定值附近时，浮球:带动杠杆使针形阀开度回到合适位置，保持进水量与出水量平衡，维持水位稳定。(1)具体组成框图需自行绘制，包含被控对象(换热器)、检测元件(温度检测元件TT)、变送器、控制器(TC)、执行器(蒸汽调节阀)、设定值(SV)等，检测元件检测出料温度信号传送给变送器，变送器将信号转换后传送给控制器，控制器将测量值与设定值比较后输出控制信号给执行器，执行器调节蒸汽流量。(2)被控对象:换热器;被控变量:换热器出料温度;操作变量:蒸汽流量。(3)当蒸汽压Ps突然增大后，蒸汽流量会增大，导致换热器内热量增加，出料温度升高。温度检测元件TT检测到出料温度升高，将信号传送给变送器，变送器将信号转换后传送给控制器TC，控制器将测量值与设定值比较，发现测量值大于设定值，根据控制规律输出控制信号，使蒸汽调节阀开度减小，从而减小蒸汽流量，降低换热器内热量，使出料温度降低，逐渐恢复到设定值，实现自动控制。11．最大偏差(或超调量)、余差(静差)、衰减比、调节时间(过渡时间)、振荡周期(或振荡频率)。这些指标分别反映系统的动态准确性、稳态准确性、稳定性、快速性及振荡特性。

第2章传感器1.传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器一般包括敏感元件、转换元件和测量电路三部分。不是所有传感器都包括这三部分，有些简单传感器敏感元件和转换元件是一体的。2.对传感器主要的技术要求有灵敏度、线性度、迟滞、重复性、精度、分辨率、稳定性、可靠性、响应特性、抗干扰能力等。3.与日常生活、工作有关的物理量有温度、湿度压力、光照强度、声音强度、位移、速度、加速度、流量等。4.自动测量控制装置中使用的传感器有温度传感器如热电偶、热敏电阻)、压力传感器(如应变式压力传感器)、液位传感器(如电容式液位传感器)、流量传感器(如涡轮流量计)等。5.不同传感器测量的物理量不同，如温度传感器测温度，压力传感器测压力，光敏传感器测光强度等。6.光传感器突出优点有响应速度快、灵敏度高、可靠性高、寿命长、非接触测量等。7.半导体传感器突出优点有灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、功耗低、成本低、易于集成等。8.光敏三极管只有两个引脚是因为它的基极一般是内部连接，通过集电极和发射极两个引脚实现信号输出。9.光敏开关管具有开关速度快、抗干扰能力强等特点，相比光敏三极管更适合用于开关控制电路。10.可用烟雾传感器、温度传感器等组成防火报警装置。11.可使用红外传感器，在图书馆入口两侧分别安装红外发射和接收装置，当读者进入时，红外信号被遮挡，触发计数电路进行计数。12.夜视镜中使用了红外传感器。13.光敏电阻光照特性为非线性，响应速度较慢;光电池能将光能直接转换为电能，有一定输出电压;光敏二极管响应速度快，线性度好;光敏三极管灵敏度高，但响应速度相对较慢。14.可使用红外传感器，在路灯附近安装红外发射和接收装置，当有人靠近时，红外信号被遮挡，触发控制电路打开路灯，人离开后一段时间关闭路灯丁。15.数字式传感器输出数字信号，模拟传感器输出模拟信号。16.数字式传感器优点有抗干扰能力强、精度高、便于与计算机接口、易于实现自动化测量和控制等。

第3章执行器1.气动执行器优点:结构简单、价格便宜、维护方便、防火防爆;缺点:输出力较小、动作较慢有泄漏。电动执行器优点:精度高、响应快、信号便于远传、便于与计算机连接;缺点:结构复杂、价格高、易受电磁干扰。液动执行器优点:输出力大、动作平稳、可靠性高;缺点:结构复杂、成本高、维护困难、有泄漏。2.执行机构的作用是将来自控制器的信号转换为驱动调节机构动作的力或力矩;调节机构的作用是改变工艺介质的流量，以实现对生产过程的控制3.电磁阀是利用电磁力来控制阀门的开启和关闭，般用于两位式控制，动作迅速;调节阀是通过调节阀门的开度来连续改变介质流量，实现对过程参数的精确控制。4.伺服电动机能精确地跟随控制信号的变化而转动，具有响应快、精度高、调速范围宽等特点;普通电动机主要用于提供动力，一般不具备精确的位置、速度控制能力。5.直流伺服电动机的控制方式有电枢控制和磁场控制两种。电枢控制使用更普遍。6.交流伺服电动机可用幅值控制、相位控制和频率控制三种方式进行控制。7.步进电动机有整步、半步和微步三种类型的步距角。选择步距角应根据系统的精度要求、运行速度、负载特性等原则。8.三相双拍式是每次同时给相邻的两相绕组通电;三相单三拍式是每次只给一相绕组通电。三相双拍式的优点是运行平稳、转矩较大。9.安全火花仪表在正常和故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃爆炸性混合物，从本质上保证了安全性，所以是本质安全防爆仪表。10.手动/自动切换实现无扰动切换可以避免在切换过程中引起系统的波动，保证生产过程的稳定运行。11.对位操作是指在手动操作时，使手动输出信号与自动输出信号相等，以便在手动/自动切换时实现无扰动切换。

第4章计算机过程输入/输出技术1.模拟信号在施加到A/D转换器之前需要进行采样、保持、量化和编码处理。2.略。3.常见的模拟多路开关有CMOS模拟多路开关、双极性晶体管模拟多路开关等。CMOS模拟多路开关优点是功耗低、开关速度快、抗干扰能力强;缺点是导通电阻较大。双极性晶体管模拟多路开关优点是导通电阻小;缺点是功耗大、开关速度慢。4.ADC主要技术指标有分辨率、精度、转换速度量程等;DAC主要技术指标有分辨率、精度、线性度、建立时间等。5.ADC的分辨率和精度不一样。分辨率是指ADC能够分辨的最小模拟输入量的变化，而精度是指ADC的实际输出与理想输出之间的接近程度。6.采样保持器的作用是在采样时间内对模拟信号进行采样，并在A/D转换期间保持采样值不变。模拟量输入通道不一定非要用采样保持器，当模拟信号变化缓慢且A/D转换速度较快时可以不用。7.当需要对不同幅度的模拟信号进行A/D转换，且要求转换结果具有相同的有效位数时，需要使用程控增益放大器。8.CPU读取A/D转换结果常用的方法有查询法、中断法和DMA法。查询法优点是简单;缺点是CPU利用率低。中断法优点是CPU利用率高;缺点是硬件电路较复杂。DMA法优点是数据传输速度快;缺点是硬件成本高。9.略。10.略。11.略。12.8.A/D、D/A转换模板要考虑通用性，包括硬件通用性和软件通用性。硬件通用性体现在可与多种CPU接口、可适应多种模拟信号等;软件通用性体现在可使用通用的驱动程序等。13.D/A转换器常用的隔离方法有光电隔离和变压器隔离。光电隔离优点是隔离效果好、抗干扰能力强;缺点是线性度较差。变压器隔离优点是线性度好;缺点是体积大、成本高。14.在需要远距离传输模拟信号、对信号进行频率调制或需要与频率计等设备配合使用时，应该采用V/F转换器组成A/D转换器。

第5章数据处理技术1.不同数字滤波法原理、方法及适用场合需结合具体章节内容总结，常见的如算术平均滤波法原理是对连续采样值求平均以减小随机误差，方法是对多个采样值求和后除以采样个数，适用于周期性干扰;中值滤波法原理是将采样值排序取中间值，适用于偶然脉冲干扰等。2.不同数字滤波法系数确定方式不同，如算术平均滤波法系数为采样个数的倒数;加权平均滤波法系数根据各采样值的重要程度确定。3.进行工程量转换(标度变换)是为了将传感器输出的电信号转换为实际的工程量，方便后续处理和使用4.对数字信号进行线性化处理是因为很多传感器的输出与被测量之间是非线性关系，线性化处理可使输出与被测量呈线性关系，便于处理和分析。5.线性化处理方法有多项式拟合法、分段线性插值法等。多项式拟合法适用于非线性特性较复杂的场合;分段线性插值法适用于非线性特性可分段近似为线性的场合。6.采用查表法可简化计算过程，提高处理速度，对于一些复杂的函数关系，通过查表可快速得到结果。7.顺序查表法只适用于数据记录个数较少的表格。折半查表法适用于关键字按大小顺序排列的有序表。计算查表法适用于记录的关键字与存储地址之间存在某种函数关系。8.需要报警的情况如测量值超出正常范围、设备出现故障等。报警方式有声光报警、语音报警、短信报警等9.报警处理包括判断是否达到报警条件、发出报警信号、记录报警信息等内容。10.语音报警优点有直观、及时传达信息，可在复杂环境中引起注意，无需人员时刻查看显示界面。

第6章微机测控系统抗干扰技术1.常态干扰。常态干扰是叠加在被测信号上的干扰信号由于它和输入信号所处的地位相同，因此又称为串模干扰，也叫正态干扰。共模干扰。共模干扰是在两根信号线上产生相同方向的干扰信号。2.根据干扰的来源，干扰可分成内部干扰和外部干扰。3.内部干扰:电源波动、电路元件的热噪声、数字电路的开关噪声等;外部干扰:雷电、电网波动、无线电信号干扰、机械振动等;共模干扰:电源线上的共模电压、两根信号线对地的干扰电压等;串模干扰:空间电磁辐射在信号线上感应出的电压、传感器输出信号中的噪声等。4.干扰窜入微机测控系统的途径主要有:通过电源系统窜入，如电网中的干扰电压通过电源变压器耦合到系统;通过接地系统窜入，不同设备的接地电位差产生干扰电流;通过I/O接口窜入，外部信号线上的干扰直接进入系统;通过传输线窜入，空间电磁辐射在传输线上感应出干扰信号。5.抗干扰的基本原则是抑制干扰源、切断干扰传播途径、提高系统对干扰的免疫力。6.抑制电源系统干扰的方法有:采用隔离变压器使用滤波器、安装稳压器、采用UPS电源等。7.抑制接地系统干扰的方法有:采用单点接地、隔离接地、屏蔽接地等方式，合理选择接地电阻，避免不同设备的接地回路相互耦合。8.抑制/O接口干扰的方法有:采用光电隔离器、使用滤波器、增加驱动能力、进行信号调理等。9.抑制输入/输出传输线引起干扰的方法有:采用屏蔽线、双绞线、同轴电缆等传输线，合理布线，减少传输线的长度，增加终端匹配电阻等。10.抑制静电和电磁干扰的方法有:采用静电放电保护器件、安装电磁屏蔽罩、合理接地、控制环境湿度等。11.可以用软件方法加以抑制的干扰有:采样平均值法、中值滤波法、限幅滤波法、程序判断滤波法等。

第7章数字PID控制1.PID控制在计算机控制中广泛应用，因其原理简单、鲁棒性好、适应性强，能满足多数工业过程控制要求，且参数调整相对容易。2.Ti长;Ti变短，但可能导致系统稳定性变差。Td增大，微分作用增强，响应速度加快，但对噪声敏感;Td3.有本质区别。位置式PID输出是全量输出，与过去:所有误差有关;增量式PID输出是相邻两次采样时刻输出的差值，只与最近几次误差有关。4.优点:计算量小，对计算机内存和运算速度要求低;系统出现故障时，影响小，恢复快。适用于执行机构需要频繁动作的场合。5.要保存k、k一1、k一2三个采样时刻的采样值。通常用数组或变量依次保存，每次采样更新。6.为适应不同控制对象和提高控制性能。如积分分离PID适用于有较大初始偏差的系统;微分先行PID适用于给定值频繁变化的系统。7.当系统存在较大偏差时，积分项不断累积，导致控制量超出执行机构限制，出现积分饱和。克服方法有积分限幅、积分分离、遇限削弱积分等。8.定点运算速度快，硬件实现简单，成本低，能满足多数工业控制实时性要求。9.补码运算可将减法运算转化为加法运算，简化硬件电路设计，减少运算时间，提高运算速度。10.积累积分作用的整量化误差可避免误差在每次运算中累积，保证积分作用的连续性和准确性。11.对PID运算进行输出限幅可防止控制量超出执行机构的限制范围，避免系统失控。不处理可能导致执行机构损坏，系统不稳定。12.配置比例因子可将不同量程的物理量统一到计算机能处理的范围内，保证运算精度。不处理可能导致运算结果溢出或精度降低。13.积分分离值过大，积分作用过早退出，消除稳态误差时间变长;积分分离值过小，积分作用退出过晚，可能导致系统超调增大。14.理想微分PID算法对噪声敏感，会产生较大的控制波动，影响系统稳定性，因此需要改进。15.死区大小过大，系统响应变慢，控制精度降低;死区大小过小，系统频繁动作，增加执行机构磨损。16.Bang-Bang控制在误差大时输出最大控制量误差小时输出最小控制量，能快速消除误差，因此称为快速控制法。17.在线确定或修改PID参数可根据系统运行状态实时调整，提高系统的适应性和控制性能，使系统在不同工况下都能达到较好的控制效果。16.Bang-Bang控制在误差大时输出最大控制量，误差小时输出最小控制量，能快速消除误差，因此称为快速控制法。17.在线确定或修改PID参数可根据系统运行状态实时调整，提高系统的适应性和控制性能，使系统在不同工况下都能达到较好的控制效果。18.KP小，可能无法找到合适的KP时间处于不稳定状态。

第8章可编程序控制器1.PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能完善、组合灵活、安装调试方便、维修容易等特点。2.PLC是用于工业环境下的专用计算机，因为它采用了专门为工业环境设计的硬件结构和软件系统，能适应工业现场的恶劣环境，具备高可靠性、抗干扰能力强等特点，且有专门的编程语言和指令系统，适用于工业控制任务。3.应用场合及理由如下:工业自动化生产线:可实现对生产过程的精确控制，提高生产效率和产品质量。机械制造:控制机床、机器人等设备的运动和操作，实现自动化加工。电力系统:对电力设备进行监测和控制，保障电力系统的安全稳定运行。交通领域:用于交通信号灯控制、地铁列车运行控制等，提高交通管理效率。4.PLC的工作过程包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。输入采样阶段，PLC读取输入端子的状态并存入输入映像寄存器;程序执行阶段，按用户程序的顺序对指令进行扫描执行;输出刷新阶段，将输出映像寄存器的状态传送到输出端子。5.硬件设计上，采用了隔离、滤波、冗余设计等措施;软件设计上，采用了故障诊断、容错技术、抗干扰程序等措施来保证适合工业应用。6.略。7.略。8.略。9.略。

第9章集散系统和CIMS系统简介1.分布式控制系统的基本设计思想是将一个复杂的控制系统分解为多个相对独立又相互协作的子系统，通过通信网络连接，实现分散控制、集中管理。保证实现的措施有合理的系统结构设计、可靠的通信网络、标准化的接口等。例如化工生产中，将不同的生产环节作为子系统，通过网络连接实现整体控制。2.可以利用Internet进行传输，但存在一定问题。Internet具有开放性、资源丰富等优点，但也存在:安全性、实时性难以保证等缺点。在对实时性和安全性要求不高的分布式控制系统中可以使用，如一些远程监控系统。3.DCS具有分散控制、集中管理、可靠性高、灵活性好、扩展性强等特点。4.CIMS具有集成化、信息化、智能化、自动化等特点。5.DCS主要应用于大规模、连续生产的工业过程控制，如化工、电力等行业;CIMS适用于多品种、小批量生产的制造企业，如机械制造、电子等行业。6.CIMS能提高企业的生产效率、产品质量和市场竞争力，适应全球化市场竞争的需要，所以受到世界各国重视。7.CIMS建立在计算机技术、自动化技术、信息技术、现代管理技术等基础技术之上。8.CIMS主要包括管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统、质量保证系统等组成部分9.我国发展CIMS可以提高制造业的整体水平，增强企业竞争力，促进产业升级。我国应发展适合国情的、具有自主知识产权的、以中小企业为主要服务对象的CIMS。

第10章飞速发展的机器人技术1.机器人三原则是阿西莫夫提出的，内容为:第一，机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手不管;第二，机器人必须服从人类的命令，除非这条命令与第一条相矛盾;第三，机器人必须保护自己，除非这种保护与以上两条相矛盾。2.我国国家标准规定工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、多自由度、可操作并能完成各种作业的操作机。3.机器人系统包括机械结构系统、驱动系统、感知系统、控制系统和智能系统。4.工业机器人可按臂部的运动形式、控制方式、驱动方式、应用领域等分类。如按臂部运动形式可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型等5.机器人行业采用的前沿技术有人工智能、机器学习、计算机视觉、力传感器技术、仿生技术等。6.内部传感器用于检测机器人自身状态，如位置。速度、加速度等;外部传感器用于感知机器人周围环境信息，如距离、温度、光线等。7.机器人常使用的传感器有位置传感器、速度传感器、加速度传感器、视觉传感器、力传感器、触觉传感器等Fo8.对机器人驱动系统的要求有:精度高、响应快、调速范围宽、体积小、重量轻、效率高、可靠性好等9.机器人使用的新型驱动器有形状记忆合金驱动器、超声波电动机、静电驱动器、压电驱动器等。10.形状记忆合金驱动器特点:具有形状记忆效应、驱动力大、响应速度快、结构简单、无噪声等，但存在能量转换效率低、易疲劳等问题。11.超声波电动机特点:低速大转矩、响应速度快、定位精度高、无电磁干扰、体积小、重量轻等。12.静电驱动器特点:响应速度快、分辨率高、功耗低、无磨损、寿命长等，但输出力和力矩较小。13.机器人控制系统类型有集中控制型、分散控制型、分层递阶控制型、智能控制型等。14.机器人控制系统特点:具有多变量、强耦合、非线性、时变性等特点，需要具备高精度、快速响应、良好的适应性和鲁棒性。15.机器人控制系统的运动控制方式有位置控制、速度控制、力控制、混合控制等。16.机器人技术大致经历了三代发展过程:第一代是示教再现型机器人，第二代是带感觉的机器人，第三代是智能机器人。17.近年来国内外机器人领域发展趋势:向智能化、协作化、轻量化、微型化、柔性化发展，应用领域不断拓展，人机协作更加紧密。

第11章微机测控系统实例1.微机测控系统开发设计时要遵循的基本原则包括:可靠性原则、实时性原则、精确性原则、通用性与兼容性原则、可扩展性原则、经济性原则、安全性原则等。2.微机测控系统开发调试的流程一般为