计算机控制系统参考答案机工版

计算机控制系统参考答案

第一章课后参考答案

1-1简述计算机控制系统的控制过程。

计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下三个步骤：

1）实时数据采集：对被控量进行采样测量，形成反馈信号；

2）实时控制计第：根据反馈信号和给定信号，按一定的控制规律，计算出控制量：

3）实时控制输出，向执行机构发出控制信号，实现控制作用。

1-2什么是实时性？有哪些因素影响系统的实时性？

硬件：

1）控制器计算速度

2）传感器采集速度

3）执行器反应时间

4）A/D、D/A转换速度

软件：

1）操作系统调度

2）中断响应处理方式（包括定时器）

3）延时函数的设置

实时性：即信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内即时完成的，超出这个时间

就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

1-3计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分作用是什么？

计算机的硬件主要包括主机、输入输出通道和外部设备。

主机：主机是计算系统的核心，通过接口向系统的各个部分发出各种指令，对被控对象

进行检测和控制。

输入输出通道：输入输出通道是计算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计算机可以接收的数字信号，过程输出通道把计算

机输出的控制命令和数据，转化成可以对生产对象进行控制的的信号。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。

外部设备：外部设备是实现计算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，

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

键或开关，完成系统的启、停等功；操作台还要保证操作错误也不会造成恶劣后果，即应有

保护功能。

1-4计算机控制系统的软件由哪几部分组成？各部分作用是什么？

计算机控制系统软件分为系统软件、应用软件及数据库。

系统软件是有计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说,

系统软件只是用来开发应用软件的工具，不需要自己设计。

应用软件是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序

数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检索，相应的软件设计指如何建立

数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据等。

1-5计算机控制系统有哪些特点？

1）计算机控制系统为模拟和数字混合的系统。

2）在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的，具有很大的灵活性和适应

性。

3）计算机控制系统能实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

4）计算机控制系统不是连续控制的，而是离散控制的。

5）可以采用分时控制，同时控制多个I可路。

6）计算机控制系统，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。

1-6计算机控制系统有哪些类型？

1）操作指导控制系统。

2）直接数字控制系统（DDC）o

3）监督计算机控制系统（SCC）o

4）分布式控制系统（DCS）o

5）现场总线控制系统CCS）。

1-7计算机控制系统的发展趋势如何？

1）应用成熟的先进技术；

2）智能控制系统；

3）嵌入式的学习将更加深入；

4）网络控制系统。

1-8如何认识计算机控制系统课程的特点？

1）集中描述了自动化学科的知识结构；

2）具有综合性、应用型和实际性。

1-9什么是创新学习？如何在本课程的学习过程中培养仓J新学习能力？

创新学习以培养创新精神和创新能力为目标，以问题为主线，以乐于学习、善于思考、

勤于实践为重要方法和渠道。

1）始于问题；

2）乐于兴趣；

3）勇于突破；

4）善于转化；

5）巧于综合；

6）重于创新：

7）精于挖掘；

8）勤于实践。

第二章课后参考答案

2-2已如离散系统的差分方程为y(k十2)十3y(k+l)+2y(k)=u(k)+3u(k-l),设u(k)为单位阶跃序歹U,

y(O)=O,y(l)=l,试求输出量的Z变换。

对上式两边取z变换，有

Z2Y(Z)-Z2Y(O)-zY(l)+3zY(z)-3zY(0)+2y(z)=U(z)+3z-V(z)

zU⑶+3U(z)+z?

所以：zFzFz

2-3设离散系统的差分方程为y(k+2)+2y(k+l)+1.4y(k)=4u(k+l)+u(k),试求其脉冲传递函数。

在零初始条件下对上式两边取z变换，有

z2y(z)+2zY(z)+1.4Y(z)=4zU(z)+U(z)

Y(z)_4z+l

所以：EZ2+2Z+L4

2-4求下列差分方程相应的Z传递函数：

(1)y(k)-2y(k-2)+3y(k-4)=u(k)+u(k-l)

在零初始条件下对上式两边取z变换，有

Y(z)-2Z2Y(Z)+3Z4Y(Z)=U(z)+z''U(z)

Y(z)_z-'+l

所以:G3Z-*+1

(2)y(k)+y(k-3)=u(k)-2u(k-2)

在零初始条件下对上式两边取z变换，有

Y(z)+Z3Y(Z)=U(z)-2Z2U(Z)

第三章课后参考答案

3-1简述数字控制器的模拟化设计步骤。

1)设计模拟控制器D(s)；

2)选择合适的采样周期T；

3)模拟控制器D(s)的离散化：

4)仿真校验是否达到检验要求；

5)数字控制器的计算机实现。

3-2模拟控制器的离散化方法有哪些？各有什么特点？

后向差分法和双线性变换法

后向差分法具有以下特点：1)稳定的D(s)变换后仍为稳定的D(z)；2)变换计算简

单，不要求对传递函数进行因式分解。

双线性变换法具有以下特点：1)将整个s平面的左半平面映射到z平面的单位圆内；2)

稳定的D(s)变换后仍为稳定的D(z)。

3-3计算机控制系统中，采用周期的选择需要注意什么问题？

1)从被控对象的特性方面考虑；

2)从控制系统的响应怏速性和抗干扰性能方面考虑；

3)从系统的控制品质方面考虑；

4)从计算机的工作量和回路成本方面考虑。

3-4用后向差分法求下列控制模拟器等效的数字模拟器，设采样周期T为Iso

100(1+2s+2/)

(1)。⑸二

s(s+l)

D(z)=D(s),.^=5：：2j

I-L7.-7.

D(s)=—

⑵s+1

O(z)=D(s),=二=三

2-z

0.8s+1

(3)D(s)=

s(s+1)

1.8-0.8z-1

O(z)=D(s)».

-2-3z''+z'2

用双线性变换法求下列控制模拟器等效的数字模拟器，设采样周期

3-5T=0.5so

D(j)=5(l+—+5)

(1)2s

41-78z-1+47z-2

。⑵=D(s),J"

8-8z-2

.40$+1

D(s)=——

(2)3s

Q(z)=/)(s),二；二=⑹"59：

12-12Z-1

1

D(s)=

s(s+2)

(3)

3-6已知某控制模拟器的传递函数为Q(S)=2±2A,试用双线性变换法求出相应的等效

(5+1)2

数字控制器的脉冲传递函数，设采样周期为T=ls。

£)(z)-£)(s)2小_2$+z-1.5z

⑵⑸，rx-9-6Z」+Z-2

1

。缶)二

S?+0.2s+1,设采样周期为T=is,试用一阶后

3-7已知某控制模拟器的传递函数为

向差分法求出相应的等效数字控制器D(x)及输出的差分方程。

O(z)=D(s)一:=--------：-r

2.2-2.2z-'+z-2

v4-1

3-8已知某控制模拟器的传递函数为。(s)=」-L,设采样周期为T=0.25s,试用一双线

0.15+1

性变换法求出相应的等效数字控制器D(x)及输出的差分方程。

9-7z-'

O(z)=O(s)-；W=

1.8+0.2z-1

3-9试写出数字PID控制的位置式和增量式，比较他们的优缺点。

位置式：u(k)=Kpe(k)++Kd[e(^)-e(k-1)]

六o

式中，e(k)是数字PID控制器的输入，为第k个采样时刻的偏差值；u(k)是第k个采样时

刻数字PID控制器的输出；叫=/^工为积分系数；(二■为微分系数

F「T

增量式:Au(k)=q[}e[k}+q}e(k-\)+q2c(k-2)

式中，q0=Kp+Ki+Ku=KpQ+*+、）；q=-K厂2（,=—K4+争;

q2=勺=1^

优缺点：

1）位置式算法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

生较大的累计计算误差。而在增量式算法中由于取消积分项，从而可消除控制器的积分饱和,

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结果；

2）增量式易于实现手动到自动的无干扰切换；

3）采用增量式算法时所用的执行器本身都具有保持功能，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；

4）增量式算法的积分截断效应较大，有静态误差，且溢出的影响较大。

3-10试说明PI；SD控制器中比例、积分、微分环节的作用。

比例环节作用：成比例的反应控制系统的偏差信号，偏差一旦出现，控制器立即产生控制

作用，以便减少偏差，保证系统的快速性。

积分环节的作用：.主要用于消除静差，提高系统的控制精度和无差度。

微分环节作用：反应偏差的变化趋势，并能在偏差信号变得过大之前，在系统中引入一个

早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少偏差时间。

3-11试描述PID控制器中二匕例系数，积分时间常数和微分时间常数的变化对闭环系统的动态

特性和稳态特性的影响。

比例系数：比例调节虽然简答简单快速，但对于系统响应为有限值得控制对象存在静差，加

大比例系数Kp可以减小静差，但是过大时，会使系统动态质量变坏，引起输出量震荡，甚

至导致闭环系统不稳定。

积分时间常数：积分时间常数Ti大，则枳分作用弱，反之强。增大Ti将减慢消除静差的过

程，但可以减小超调，提高稳定性，引入积分调节付出的代价是降低系统的快速性。

微分时间常数：微分时间常数Td越大，微分作用越强，反之弱。适当选择微分时间常数，

可有助于减少超调克服震荡，改善系统动态性能，缩短过度过程时间，过大会引起震减或出

现误动作，甚至不稳定。

3-12要消除系统的稳态误差，通常选用哪种控制规律？

积分作用可以消除稳态误差。通常选用PI或PID控制规律。

3-13什么叫积分饱和？它是怎样引起的？如何消除？

积分饱和：当系统有较大的扰动或给定值有较大变化时，由于系统的惯性，偏差e将随

之增大，标准PID算法中的积分项将有较大的积累值，以致使位置式PID的计算结果超出执

行器限定的范围

消除：对PID控制算法计算出的控制量进行约束，即大于某个门限值时，删除积分作用，

在门限值之内时加入积分作用。也就是对积分项进行改进，形成各种改进的PID控制算法。

3-14不完全微分数字PID算法解决了标准数字PID控制算法中什么问题？试推导出不完全微

分数字PID的增量式。

不完全微分数字PID算法解决了标准数字PID控制算法中：

微分项的输出仅在第一个周期起到激励作用，不能按照偏差变化的趋势在整个控制过程中起

作用，对时间常数较大的系统，起调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的。

若采样周期很小，会使微分项输出的幅值较大，容易造成饱和效应，系统产生溢出效应。

不完全微分数字PID的增量式：

△U（k）=ocAU（k-l）+（l-oc）AU〈k）

Tf

式中3为T+Tf,AUlk）为标准PID增量算式的输出。

1）微分项的输出仅在第一个周期内起到作用，不能按照偏差的变化趋势在整个控制过程

中起作用。对于时间常数较大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的

2）若采样周期很小，会使得微分项输出的幅值较大，容易造成饱和效应，系统产生溢出

现象。

3-15带死区的PID控制算法有什么优点？

在满足系统控制要求下，控制作用不过于频繁，控制器输出平稳。

3-16对PID控制器参数整定的目的是什么？叙述扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。它试

用于什么类型的被控对象？

对PID控制器参数整定的三的：使系统揄出稳定，具有良好的动态性能和静态特性。

响应曲线法整定PID参数的步骤：

1）断开数字控制器，让系统处于手动操作状态，并使之稳定，然后突然改变给定值，给

被控对象一个阶跃输入信号；

2）记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线；

3）在曲线最大斜率处作切线，求出等效的滞后时间T和等效的时间常数以及他们的

比例

4）由「、丁「、7；/r的值求出数字控制器的T、J7；和7；；

5）按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制结果，再适当调整参数，直到获得满

意的控制效果为止。

适用于多容自平衡系统，不需要被控对象的数学模型.

3-17设临界震荡周期为25s,临界比例系数为6,控制度为L5,试用扩充临界比例度法确

定数字PID控制器的参数。

由题意可知Tr=2.5s,Kr=6o

根据表3-2得：

<5r=—

Kr

T=O.O9Tr=O.225s,Kp=0.34（Vr=0.06,Ti=0.43Tr=0.85,Td=0.2Tr=0.5.

3-18查阅文献，了解PID控制器参数的其他整定方法。

临界比例度法（又称稳定边界法）、反应曲线法、衰减曲线法、仪表参数自整定法。

3；9已知。（s）J+W其中采样周期T=0.5s,写出等效的数字PID控制器位置式和增

0.05s

量式的差分形式。

U(s)C/、1+0.155r1

-------=D(s)=---------=3+——

E(s)0.05.5-0.05s

得：

义伏)=3e(2)+K)Ee(」)

j=0

u(k-1)=3e(k-})+

J=o

△u(攵)=u(Z)-u*-1)=13e(k)-3e(k-1)

03="0j7s

3-20已知某连续控制器的传递函数为1+8085S现用数字PID控制器控制算法实

现它，设采样周期T=ls,试写出相应的PID控制算法的位置式。

U(s)-、1+0.175

------=D(s)=----------

E(s)1+0.085

得

u(&)+0.085[u(Q-u(^-l)]=e(A)+0.17\e(k)-e(k-1)]

u伏)=L08e(Z)-0.1&(I)-0.08ua-l)

3-21简述Smith预估补偿器的基本思想。

针对纯滞后系统闭环特征方程含的影响系统控制品质的纯滞后问题，在PID反馈控制器上

引入一个预估计补偿环节，使闭环特征方程不含有纯滞后项，以提高控制质量。

3-22设被控制而象的传递函数为G(S)二」一"S,闭环反馈采用PID控制器，传递函数

25+1

D(s)=0.3(1+—)

为0.55,采样周期为T=0.5s,试设计Smith预估补偿器，并画出计算机

实现的流程图。

根据3-61有Smith补偿器:

s

Dr(s)=L\-^e~-

25+1

得—3“1

0.5s

u(k)=0.3e(^)+0.3^e(j)

J=o

w(^-1)=0.3e(k-1)+0.3£

j=O

△u(攵)=u(Z)-u(k-1)=0.6e(k)-0.3e(k-1)

开始

IW」

e(k-\)=e(k-2)=0

W

＞将A/D结果赋给Y(k)

J

e⑹=i•⑹・y⑹

W

Au⑻=0.阳%)・0.阳"1)

W

将u(k)结果输给D/A

▽

第四章课后参考答案

4-1简述数字控制器宜接数字化设计步骤。

（1）求系统广义脉冲传递函数G（z）,即对带有零阶保持器的被控对象传递函数进行Z

-1_-ST1r.

变换。G（z）=ZG（s）=（l-z-'）Z-G（s）

sJ\_s_

（2）根据对控制系统性能指标的要求和其他约束条件，构造系统的闭环脉冲传递函数

中（2工构造小（Z）的过程就是确定其增益、极点和零点的过程。在构造中（Z）时，要注

意下面几点：

1）构造的①（z）应该是稳定的，因此，G（z）的单位圆上或单位圆外极点，不应该包

含在中（Z）的极点中；

2）数字控制器。（z）应该是稳定的，因此，G（z）的单位圆上或单位圆外零点，不应

该包含在。（z）的极点中；

3）为了保证数字控制器。（z）是物理可实现的，①（z）的分子与分母阶次差应与

G（z）的分子与分母阶次差相同；

4）为了使数字控制器。（z）在某个采样时刻的输出只与该时刻以及以前时刻的输出有

关，D（z）的分了的阶数要小丁等丁分母的阶数

（3）将G（Z）和①（Z）代入式（4-2）求出数字控制器。（Z）；

（4）利用计算机仿真软件，对求出的数字控制器。（Z）进行校验。若达到设计要求，进

行下一个步骤，否则进行再设计；

（5）将数字控制器。（z）变成易于计算机编程的差分方程的形式。

4-2什么是最小拍系统？最小拍控制的性能指标是什么？最小拍系统有什么不足之处？

最小拍系统是指系统在典型输入信号（如阶跃信号、速度信号、加速度信号等）作用下,

经过最少个采样周期使系统输出的稳态误差为零。

最小拍控制的性能指标就是系统的调节时间最短或尽可能短

最小拍控制系统对输入信号变化的适应性较差

G（s）=---------!--------

4-3某被控对象传递函数为5（0.15+1）（0.055+1）,设采样周期T为0.1S,针对单

位速度输入设计最小拍控制器，计算采样瞬间数字控制器和系统的输出响应，并绘制图形。

]____二_0.399ZT+0.148Z-2

5(015+1X0.05.V+1)-1-O.5O3ZT+0.553z1-0.0497Z-3

单位速度输入时：

0(z)=2z-,-z-2

_①⑵_吐式力-0.50?z」+0.553Z、-0.野97z1

乙-G(z)[l-0)(z)]"(1-2z1-z2)(0399z-1+0.148z-2)

,2

y(z)=R(z)①(z)=(2Z--Z-I7~~

所以:

y（z）=2TZ-2+37r3+4及Y+57z-5+…

即y（o）=o,y（1）=0,y（2）=2T,y（3）=3T…

图略。

4-4已知被控对象传递函数为G(s)=——,设采样周期T=ls,设计单位速度输入信号

s(s+1)

卜的最小拍控制器，计算出输出响应y(k),控制信号u(k),并画出它们的波形。

110.638z-2

&⑵=[ss(s+l)『(l-z-W-0.638z」)

单位速度输入时：

O(z)=2z-,-z-2

d(7)=①⑵=(2-々为了吸-0.63¥")

G(z)[l-(D(z)]0.638z-2(1-2z'+z-2)

r（z）=/?（z）（n（z）=（2z-,

所以：

r（z）=2Tz-2+37r3+4及Y+57rs+…

即y（o）=o,r（i）=o,y（2）=2T,r（3）=3T---

图略。

4-5给定被控对象传递函数为G(z)J265j|(1：干心+?2zI),针对单位阶跃输

(1—z)(I—0.286z)

入设计最小拍控制器，并计算采样瞬间数字控制器和系统的输出响应，并绘制图形。

在单位阶跃输入时

①(Z)=Z-1

D(z}=①⑵=「(1了吸-0誉z1

G(z)[l-O(z)]0.265z/(l+2.78zf+0.2z」j

y(z)=R(z)①(z)=zI----r

1-z

Y(z)=Z-l+Z-2+Z-3+z"+…

gpy(o)=o,r(i)=i,y(2)=i,y(3)=i…

图略。

4-6Dahlin算法的设计目标是什么？

Dahlin算法的设计目标：设计一个合适的数字控制器。(z),使整个闭环系统的传递函

数6(S)相当于一个一阶惯性纯滞后环节，即：①(s)="i=—二，式中，7为被控

R⑹@+1

对象的纯滞后时间，r=ATo为简单起见，设「为采样周期T的整数倍，即N为整数。4

为期望闭环传递函数的时旬常数。

4-7什么是振铃现象？振铃是如何引起的？如何消除振铃现象？

振铃现象是指数字控制器的输出以接近二分之一的采样频率大幅度大幅度上卜摆动。

振铃现象与被控对象的特性、闭环时间常数、采样周期、纯滞后时间的大小等有关。

振铃现象的消除：1)参数选择法；2)消除振铃因子法

4-8设被控对象传递函数为G(S)==^"3s,期望的闭环系统时间常数T0=4.5s,取采样

45+1

周期T=ls,试用Dahlin算法设计数字控制器。

N===3

0.442z~2

G(z)=Z-

S4.5+1l-0.779z-'

q)Z---------------e。=---------

kz)=s4.55+1Jl-0.8z-1

八小①⑵0.2Z-2(13779Z/)

—G(z)[l-①(z)]-0.442z2(1-0.8z"-0.2z-2)

4-9设被控对象传递函数为G(s)=------1------6一5,期望的闭环系统时间常数TO=O.ls,

(2s+1)(5+1)

取采样周期T=ls,试用Dahlin算法设计数字控制器。判断有无振铃现象，若有计算振铃幅

度，并消除振铃现象。

yv=—=I

T

2

[\-e-Ts1Z-(2.212+1.434Z-')

G(z)=Z———；

s(s十+1)(l-0.368z")(l-0.6()6z')

\1-ec-八=-3.5Z-2

-l-4.5z",

①⑵_3.5(l-0.368z])(l_O.6O6z1

Z-G(z)[l-O(z)]-(2.212+1.434z)(1-4.5z+3.5z-2)

有z=-0.64的极点，接近z=-l,所以会产生振铃现象。

U(z)①⑵

丽一记

U(z)*R⑶二-----------------、°叱+3-2-----------?

G(z)2.212-10.732z+2.0668z-2+6.4532z-3

由长除法得

U(0)=0.47,31)=1.83

R4=W)-U(0)=1.36

按消除振铃因子法，令z=i,得

=①⑵=0.96(l・0.368z")(1-0.606z")

Z-G(z)[l.①(z)]-4.5z-,-3.5z-2-l

4-10设被控对象传递函数为G(s)=」一e-L8s,取采样周期T=o.9s,期望的闭环系统时

25+1

间常数T0=0.5s,试用Dahlin算法设计数字控制器。绘制系统的单位阶跃响应曲线。判断有

无振铃现象？若有，如何修改控制器。

二二2

1-^3-1.8slL36z~3

G(z)=Zc

s2s+1-l-0.637z-1

H110.835z-3

(j)(z)=Z

s0.5s+1-1-0.165Z-'

①(z)二0.07(l・0.637z"):07(l-0.637z")

Z-3

—G(z)[l-①(z)]l-0.165z0.835z--(1-z")(l+0.835z」-0「5z9

极点为：z=-0.8±1.62j

和极点：z=l.

不产生振铃现象。

O.835Z~31

K(z)=7?(z)<I)(z)=-

-0.165z-,1-z_1

y(o)=o,r(i)=o,y（2）=0,y（3）=0.835y（4）=0.97-«

第五章课后参考答案

5-1简要说明模糊控制系统的工作原理。

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊推理为基础的智能控制方法。它模拟人的思

维推理过程，构造一种非线性控制，以满足复杂的、不确定的过程控制需要。

5-2模糊控制有哪些优点？什么情况下可以考虑采用模糊控制系统？

5-3分析量化因子L、k,：.和比例因子k“对系统性能的影响。

5-4模糊化的功能有哪些？

5-5反模糊化的方法有哪些？

1）最大隶属度法；2）最大平均法；3）面积均分法（中位数法）；4）重心法

5-6请杳阅文献，给出你所了解的模糊控制技术的新发展。

近年来，模糊集理论及应用研究不断深入，取得了一系列成功的应用和理论成果，在自

动控制、信号处理、模式识别通信等领域得到了广泛的应用。目前，模糊控制已成为智能控

制的一个主要分支（模糊控制与PID控制的结合、与神经网络控制的结合）。

第六章课后参考答案

6-1简述工业控制计算机的组成和特点。

工业控制计算机的组成：1）主板机；2）各类输入/输出接口模板；3）人-机接口；4）硬

盘；5）工业电源；6）加固型工业机箱。

工业控制计算机的特点：1）具有较完善的过程通道；2）具有比较完善的中断系统和高速

数据通道；3）具有高可靠性；4）具有人机联系功能；5）能够实现复杂的控制算法；6）具

有适于控制用的软件系统，

6-2简述ARM处理器的特点及应用领域。

ARM处理器的特点：1）体积小、低功耗、低成本、高性能；2）支持Thumb（16位）/ARM

（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；3）大量使用寄存器，指令执行速度更

快；4）大多数数据操作都在寄存器中完成；5）寻址方式灵活方便，执行效率高；6）指令长

度固定。

ARM处理器的应用领域：1）工业控制领域；2）无线通信领域；3）网络应用；4）消费

类电子产品；5）成像和安全产品。

6-3什么是过程通道？过程通道分哪几类？

过程通道即在计算机和被控对象之间设置信息传递和转换的连接通道。

过程通道分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字输入通道、数字输出通道四种。

6-4简述数字量输入通道的基本组成。

数字量输入通道的基本组成：内部或外部定时器/计数器、接口电路、信号调理电路、开

关状态信号或脉冲信号。

6-5开关量输入信号调理的主要任务是什么？

将现场输入的状态信号采用转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接受的逻辑信

号。

6-6模拟量输入通道有哪几种类型？各有何特点？

模拟电压输入：传输距离近，抗干扰能力差。

模拟电流输入：传输距离投远，抗干扰能力强。

6-7多路模拟量输入通道一般包括哪些环节？各环节有何作用？

信号调理：滤波、保护等，再将电信号变成0-10mA或4-20mA或1-5V。

多路切换器：根据控制逻辑选择将某路模拟信号送入采样保持器。

采样保持器：保持模拟信号的瞬时值不发生变化。

A/D转换器：将模拟信号转化为数字信号。

6-8对理想多路开关的要求是什么？

接通时的导通电阻足够小，而且其阻值随所使用的电源电压不同而变化。

6-9试说明采样保持器的工作原理及保持电容的大小对数据采集系统的影响。

采样保持器的工作原理：采样保持电路由输入缓冲放大器A、逻辑开关S、保持电容

和输出缓冲放大器4组成。A、4是运算放大器，都接成了电压跟随器形式，使A?得输

入阻抗很大，A的输入阻抗很低。

保持电容的大小对数据采集系统的影响：电容c〃对采样保持精度影响很大，应选取漏电

阻抗较大的电容，同时在保证采样速度的同时，可适当增加的电容最

6-10在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什么？

不是

只有在信号变化频率较高而A/D转换速度乂不高，以致孔径误差影响转换速度时，或者要

求同时多路采样的情况下，才需要设置采样保持，对于一些变化缓慢的生产过程可以不设置

保持电路。

6-11设被测温度变化范围为0C~1200C,如果要求误差不超过0.4C,应选用分辨率为

多少位的A/D转换器？

12000C-QOC<()40C

2n

得n>ll,可取12位AD转换器。

6-12试设计一个数据采集系统，要求可实现广8路单端模拟量输入，输入电压范围O-lOV,

分辨率为12位。

STC12C5A60S2,P1口自带12位AD。

6-13模拟量输出通道有哪几种基本结构？各有何特点？

多个通路设置独立D/A转换器的结构形式。优点为转换速度快，精度高，工作可靠。缺点为

输出通路数量很多，将使用较多的D/A转换器。

多个通路共享D/A转换器的结构形式。优点为节省转换器。缺点为需要多路开关，只适用于

通路数多且速度要求不高的场合，对保持器要求高，可靠性差。

6-14模拟量输出通道由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、功率放大和V/I变换等信号调理电路组成。

D/A转换器：将数字信号转换成模拟信号。

V/I变换：将电压信号转於成电流信号。

6-15某执行机构的输入变化范围为0~10mA,灵敏度为0.05mA,试满足上述要求的D/A转换

器和V/I变换器。

0.05mA1

------------〉---

K）mA-0mA2n

得n>=8,可选8位D/A。

选择AD694集成U/I芯片，接0-20mA输出。

6-16简述开关量输出通道的基本结构。

数字量输出通道是由输出锁存器、光电隔离器、输出驱动器、地址译码器等组成。输出锁

存器用于锁存CPU输出数据，光电隔离器保证计算机安全可靠的工作，将CPU与驱动电路

的之间的强电及干扰信号隔离。输出驱动器是用来驱动继电器或执行器的功率放大器。

6-17简述气动执行器和电动执行器的组成及工作原理。

气动执行器的组成及工作原理：气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行

机构有薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条式。当压缩空气从A管咀进入气动执行器时，

气体推动双活塞向两端（缸盖端）直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴上的齿轮逆时针方向转

动90度，阀门即被打开。此时气动执行阀两端的气体随B管咀排出。反之，当压缩空气从

B官咀进入气动执行器的两端时，气体推动双塞向中间直线运动，活塞上的齿条带动旋转轴

上的齿轮顺时针方向转动90度，阀门即被关闭。此时气动执行器中间的气体随A管咀排出

电动执行器的组成及工作原理：伺服放大器DFC、电动操作器DFD、位置发送器WF、伺

服电动机SM、减速器J等组成；其工作过程是:来自控制器的输出信号送到伺服放大器，与

位置发送器的反馈信号相比较，其差值（正或负）经放大后控制伺服电动机正转或反转，经

过减速器后使输出轴产生直线位移或角位移。输出轴的位移又经位置发送器转换成4~20mA

信号，作为位置指示和反馈信号。若反馈信号和输入信号相等时，电动机停止转动。比时，

轴输出就稳定在与输入信号成比例的位置上。电动机也可以通过电动操作器进行手动调整。

6-18常见的步进电动机的驱动电路有几种？各有什么特点？

三种：1）单电压功率放大电路：结构简单：2）双电压功率放大电路：功耗较低，效率较

高，高频工作时有较大的转动力矩；3）斩波型功率放大电路：高频性能好，电动机运行平

稳，低频震荡得到有效抑制

6-19光电耦合器使用时应注意什么？

输入与输出不公用一个电源。

第七章课后参考答案

7-1何谓总线？总线有什么功能?总线标准是怎样形成的？

总线是一组信号线的集合。

总线功能：把各种数据和命令传送到各自要去的地方。

总线标准的形成：为了使计算机系统插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须

对各插件和各系统的连接制定严格的规约，为各产商设计和生产插件模块的标准提供统•的

依据。

7-2简述总线的分类、各类总线间的关系？

（1）根据总线不同的结构和用途分类：1）专用总线；2）非专用总线

（2）根据总线的用途和应用环境分类：1）局部总线；2）系统总线；3）外总线

（3）根据总线传送信号的形式分类：1）并行总线；2）串行总线。

7-3简述RS-485总线的特点。

1）RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信；2）RS-485更适用于多站互联；3）

有极强的抗共模干扰能力

7-4简述RS-232c总线的特点。

1）通信距离可达12M。

2）传输速率可任意调整。

3）存在共地噪声和不能抑制共模干扰。

7-5简述尸。总线的特点。

1）简单性和有效性，占用空间非常小，减少了电路板的空间和芯片引脚的数量，降低了

互联成本；

2）支持多主控模式。

7-6简述SPI总线的特点。

SPI总线的使用可以简亿电路设计，省掉了很多常规电路中的接口器件，提高设计的可靠

性。

7-7什么是现场总线？有哪几种典型的现场总线？他们的特点是怎样的？

现场总线是迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决现场的智能化仪器仪表、控制

器、执行机构等现场设备之间的数字通讯以及这些现场控制设备与高级控制系统之间的信息

传递问题。

局部操作网络：基金会现场总线、局部操作网络、过程现场总线

基金会现场总线：采用ISO/OSI开放系统互联模型为基他，取其物理层、数据链路层、应用

层为FF通信模型的相应层次，并在应用层增加了用户层。通信距离达1900米。

局部操作网络：采用ISO/OSI模型的全部七层通信协议，采用的面向对象的设计方法。通

信速率从300bit/s至1.5Mbit/s。通信距离达2700米。

过程现场总线：采用OSI模型的物理层、数据链路层。传输速率为9.6kbit/s-l2Mbit/$,最

大传输距离为10km。

第八章课后参考答案

8-1简述应用软件的设计步骤。

1）问题定义；2）程序设计；3）手编程序；4）差错；5）调试；6）维护和再设计

8-2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？

A/D转换器传送的数字量只是表示一个代表参数大小的数值，不一定等于原来带有物理量纲

的参数值，将其转换成带有物理量纲的参数才能进行运算、打印、显示或输出。

系统中的检测结果需要显示、打印以便人员观察和了解时需要标度变换。

8-3简述线性化处理的计算机实现步骤。

1）用实验法测量输入输出的非线性关系曲线y=/（x）。一般应反复测量多次，以便求出

一条比较精确的输入输出曲线；

2）将测量得到的曲线进行分段，选择插值基点；

3）确定并计算出各插值点的修、力值及两相邻插值点间拟合直线段的斜率并在程序

中以数据表的形式存放：

4）通过查表找出X所在的区间，取出该段直线的斜率左和基点值再、y,.；

5）根据插值公式y=x+ki（x-％,计算出x点所对应的y值。

8-4对比常用的几种杳表法的特点及应用范围。

1）顺序查表法针对无序排列表格，比较“笨&

2）计算查表法针对用于要搜索的内容与表格的排列有一定关系的表格，适用于某些数值

计算程序：速度快；

3）对分查表法针对表格较长，满足从大到小或从小到大的排列顺序，且难以用计算查表

法进行查找的表格：快速有效。

匕5数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？

1）由于数字滤波是用程序实现的，因而不需要添加硬件设备，很容易实现，同时，多个

输入通道还可以共用一个滤波程序；

2）由于数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高，稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等

问题；

3）数字游波可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟泄波器在低频段滤波难以取得好的'滤

波效果；

4）通过改写数字滤波程序，可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，它比改变模拟滤波

器的硬件方便的多。

8-6常用的数字滤波方法芍哪几种？他们各自有什么特点？

1）程序判断滤波：对偶然脉冲干扰信号有良好的滤波作用：2）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。若变量变化比较

缓慢，采用中值滤波；3）算术平均值滤波：适用于一般的具有随机干扰信号的滤波；4）逆

推平均值滤波：对周期性干扰具有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低，对偶然出现的脉

冲性干扰的抑制作用差。适用于脉冲干扰比较严重的场合；5）加权递推平均值滤波：适用

于有较大纯滞后时间常数7的对象和采样周期较短的系统；6）一阶惯性滤波：对周明性干

扰具有良好的抑制作用，适用于波动频繁的参数滤波；7）复合滤波：既可以去掉脉冲干扰，

又可以对采样进行平滑加工，在快慢系统中都能削弱干扰，提高控制质量。

8-7算术平均值淀波、加双平均值滤波以及滑动平均滤波三者的区别是什么？

算术平均值滤波：适用于•般的具有随机干扰信号的滤波；

加权递推平均值滤波：适用于有较大纯滞后时间常数r的对象和采样周期较短的系统；

滑动平均值谑波：每采样一次，移动一次数据块，然后求出新一组数据之和，再求平均值。

滑动平均值滤波程序有两种，一种是滑动算术平均值滤波，一种是滑动加权平均值滤波。不

管是算术平均值滤波，还是加权平均值滤波，都需连续采样N个数据，然后求算术平均值

或加权平均值。

8-8某压力测量系统，其测量范围为0~1000mm”2。柱，经A/D转换后对应的数字量为

OO-FFHo试编写一标度变换子程序，使其能对该测量值设行线性标度变换。

u32shift（u32Nx）

（

N0=0；

Nm=FF；

Ym=1000；

Y0=0；

yx=ro+（Kn-ro）Nx-Ns

Nm-No

returnYx;

）

8-9某加热炉温度变化范围为0~1600C,经温度变送器和调理电路输出电压为广5V,再经

ADC0809转换（ADC0809的输入范围为0~5V）,试计算