计算机控制系统课后习题答案

1、计算机控制系统课后习题答案计算机控制系统课后习题答案2.1 在计算机控制系统中，为了获取系统的运行状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输入。2.2 把从控制对象检测到的模拟信号，转换成二进制数字信号，经I/O接口送入计算机。2.3 在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关(如对电磁阀的控制)或启/停(如各种交、直流电机的控制)，某些控制算法(如脉宽调制方法，最优控制中的乒乓控制算法等)也需要控制执行机构在一定时间T内全负荷工作一段时间t(0tT)，这些控制可通过计算机开关量输出通道来实现。2.4 把计算机输出的数字量转换成模拟量。2.5 光电耦合器的作用：从工业现场获取的开关量或数

2、字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。光电耦合器的用法：下图为原理图。当输入侧(即发光二极管)流过一定的电流IF时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通;当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。 2.5 光电耦合器的注意事项： 输入侧导通电流要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电隔离器件的导通电流也

3、不同，典型的导通电流IF=10mA。 频率特性受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔离器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。 输出端工作电流光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。2.5 光电耦合器的注意事项： 输出端暗电流这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。 隔离电压它是光

4、电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。 电源隔离光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。无论是输入隔离还是输出隔离，只要采取光电隔离措施，就必须保证被隔离部分之间电气完全隔离，否则就起不到隔离作用了。2.6 在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换器的孔径时间(即转换时间)而造成较大的转换误差，克服的方法是在A/D转换器之前设置采样保持电路。采样保持器平时处于采样状态，跟踪输入信号变化;进行A/D转换之前使其处于保持状态，则在A/D转换期间一直保持转换开始时刻的模拟输入电压值;转换结束后，又使其变为采样状态。2.6节中的采样指抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程

5、。2.7 多路A/D转换器电路有几种常见方案，各有什么优、缺点?采用集成多路A/D转换器，或选择内含集成多路A/D转换器的微处理器。这种方案的设计简洁、可靠性高，在转换精度、线性度、温度漂移、通道数等可以满足要求的情况下，应优先考虑采用;但也应注意有时各模拟量输入互相串扰的问题。每个模拟量输入配置一个A/D转换器。当系统中模拟量输入较多时，硬件费用会迅速增加、可靠性降低，一般不采用这种方案，仅在考虑转换速度、各模拟量互相串扰等情况下使用。采取多路模拟量输入复用一个A/D转换器的方案。2.8 实现多路的模拟量信号输出，一般有以下两种方案。第一种方案是为每一个通道设置一个独立的D/A转换器。这种方

6、案的优点是转换速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出现故障也不会影响其他通道的工作，相应软件的编制也比较简单。但是，如果模拟量信号输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的D/A转换器时，这一问题尤为严重。第二种方案是多通道复用一个D/A转换器，并辅以多路模拟开关和采样保持放大器来实现，如图2.34所示。这个方案是由计算机通过多路模拟开关分时地把一个D/A转换器的输出送至各个采样保持放大器，并由保持电容对模拟量信号进行保持。该方案优点是成本较低，缺点是电路结构复杂、精度低、可靠性差，受运算放大器的输入阻抗、模拟开关和保持电容的漏电阻等因素的影响，导致保持电容上的电压信号逐渐衰减

7、，需要计算机定时刷新输出，也因此占用了CPU的大量时间。此方案适用于输出通道不多且对速度要求不高的场合。2.9 完成采样操作的装置称为采样开关。根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。(1) 周期采样(2) 同步采样(3) 非同步采样(4) 多速采样(5) 随机采样2.10 d函数有下列性质 ： 。即在任意t0时刻， d函数的积分或d函数的强度为1。根据d函数的这个性质，对任意连续函数f(t)和任意整数k有 其中，T为采样周期。从上式可以看出， d(t-kT) 可以把f(t)在kT时刻的值提取出来，也就是说，d函数具有采样功能。2.11 d函数表示为： 。k为任意整数。那么理想采样开关

8、可以描述为理想单位脉冲函数序列：2.12 采样定理: 如果连续信号f(t)具有有限频谱，其最高频率为 ,则对f(t)进行周期采样且采样角频率 时，连续信号f(t)可以由采样信号 唯一确定，亦即 可以无失真地恢复f(t)。从理论上讲，采样频率越高就越能如实反映被采样的连续信号的特征信息。但是，从计算机控制系统角度来讲，选取过高的采样频率会使系统对硬件的要求过高，造成成本攀升，并且还会使干扰对系统的影响明显上升。因此，应该综合考虑计算机控制系统中采样周期的选择问题。2.13 推导略。零阶保持器在奈奎斯特频率以外的增益不为零，在相位上相当于引入T/2的时间延迟，因此其性能劣于理想低通滤波器，信号恢复

9、效果也稍差。2.14 随着保持器的阶数增加，信号恢复的效果越好，但带来的问题是实现复杂、相移增大，所以计算机控制系统中很少采用高阶保持器。高阶保持器主要用于没有闭环控制要求的通讯信号处理等领域。2.15 解：将系统的开环传递函数写成从而：T1=0.25秒，t1=0.04秒，q1=2p/32秒0.196秒。得tmin=0.04秒。2.16 答案略。3.1 解：y(0)=0 y(1)=1y(2)=r(2)+5y(1)-6y(0)=6y(3)=r(3)+5y(2)-6y(1)=25y(4)=r(4)+5y(3)-6y(2)=90y(5)=r(5)+5y(4)-6y(3)=301y(6)=r(6)+5y(5)-6y(4)=966y(7)=r(7)+5y(6)-6y(5)=3025y(8)=r(8)