《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課后題答案-劉建昌

第一章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

習(xí)題與思考題

1.1什么就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)？計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)較模擬系統(tǒng)有何優(yōu)點(diǎn)？舉例說(shuō)明。

解答:由計(jì)算機(jī)參與并作為核心環(huán)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng),被稱為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。與模擬系統(tǒng)相

比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)與控制靈活，能實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視與操作，能實(shí)現(xiàn)綜合控制，可靠性高,

抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。例如，典型的電阻爐爐溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),如下圖所示：

爐溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工作過(guò)程如下:電阻爐溫度這一物理量經(jīng)過(guò)熱電偶檢測(cè)后,變成電

信號(hào)（毫伏級(jí)），再經(jīng)變送器變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（15V或4-20mA）從現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)入控制室;經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器

采樣后變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，與計(jì)算機(jī)內(nèi)部的溫度給定比較,得到偏差信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)

計(jì)算機(jī)內(nèi)部的應(yīng)用軟件，即控制算法運(yùn)算后得到一個(gè)控制信號(hào)的數(shù)字量，再經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器將

該數(shù)字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量;控制信號(hào)模擬量作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸發(fā)器，進(jìn)而控制雙向晶閘

管對(duì)交流電壓（220V）進(jìn)行PWM調(diào)制，達(dá)到控制加熱電阻兩端電壓的目的;電阻兩端電壓的高

低決定了電阻加熱能力的大小，從而調(diào)節(jié)爐溫變化，最終達(dá)到計(jì)算機(jī)內(nèi)部的給定溫度。

由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)字控制器的控制算法就是通過(guò)編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以很容

易實(shí)現(xiàn)多種控制算法，修改控制算法的參數(shù)也比較方便。還可以通過(guò)軟件的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化,

這些控制軟件可以反復(fù)、多次調(diào)用。又由于計(jì)算機(jī)具有分時(shí)操作功能,可以監(jiān)視幾個(gè)或成十

上百個(gè)的控制量,把生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)被控對(duì)象都管理起來(lái),組成一個(gè)統(tǒng)一的控制系統(tǒng),便于集

中監(jiān)視、集中操作管理。計(jì)算機(jī)控制不僅能實(shí)現(xiàn)常規(guī)的控制規(guī)律，而且由于計(jì)算機(jī)的記憶、

邏輯功能與判斷功能，可以綜合生產(chǎn)的各方面情況,在環(huán)境與參數(shù)變化時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行判斷、選

擇最合適的方案進(jìn)行控制，必要時(shí)可以通過(guò)人機(jī)對(duì)話等方式進(jìn)行人工干預(yù)，這些都就是傳統(tǒng)模

擬控制無(wú)法勝任的。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，可以利用程序?qū)崿F(xiàn)故障的自診斷、自修復(fù)功能，使

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可維護(hù)性。另一方面,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法就是通過(guò)軟件

的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，程序代碼存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，一般情況下不會(huì)因外部干擾而改變，因此計(jì)算機(jī)

控制系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有上述優(yōu)點(diǎn).

1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？各部分的作用如何？

解答:計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)由數(shù)字控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被控對(duì)象、測(cè)量變

送環(huán)節(jié)、采樣開(kāi)關(guān)與A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)等組成。

被控對(duì)象的物理量經(jīng)過(guò)測(cè)量變送環(huán)節(jié)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（1-5V或4-20mA）;再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器

采樣后變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)利用其內(nèi)部的控制算法運(yùn)算后得到一個(gè)控制信號(hào)的

數(shù)字量，再經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器將該數(shù)字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量;控制信號(hào)模擬量作用于執(zhí)行機(jī)

構(gòu)觸發(fā)器,進(jìn)而控制被控對(duì)象的物理量，實(shí)現(xiàn)控制要求。

1.3應(yīng)用邏輯器件設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線接入計(jì)算機(jī)的電路圖。

解答：

1KG)*81K?*8

口口

《D2

74LS244TLP-521-4

口—O

DO

口

J+5V,=■

1.4應(yīng)用邏輯器件設(shè)計(jì)一個(gè)指示燈經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線輸出的電路圖

解答：

個(gè)1KC>*8

D3口

74LS273

,DO口

6

+5V

1.5設(shè)計(jì)一個(gè)模擬信號(hào)輸入至計(jì)算機(jī)總線接口的結(jié)構(gòu)框圖。

解答:

接口—A/D轉(zhuǎn)采樣前置

模擬量BL電路*保持器,放大電路輸入通道

L換器多

心I

組成與路被結(jié)構(gòu)圖

線：

模控

1.6設(shè)計(jì)擬一個(gè)

接，

計(jì)算開(kāi)對(duì)機(jī)總

控制關(guān)

線接電路象口至

一個(gè)

4~20mA模擬信號(hào)輸出的結(jié)構(gòu)框圖。

解答：

多

總D/A轉(zhuǎn)換器

路

線

模

接4~20mA模擬信

擬—號(hào)輸出

開(kāi)

口

控制電路關(guān)

1.7簡(jiǎn)述并舉例說(shuō)明內(nèi)部、外部與系統(tǒng)總線的功能。

解答:內(nèi)部總線指計(jì)算機(jī)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級(jí)的互連,就是微

處理器總線的延伸，就是微處理器與外部硬件接口的通路，圖1、8所示就是構(gòu)成微處理器或子

系統(tǒng)內(nèi)所用的并行總線。內(nèi)部并行總線通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線與控制總線三類。

微地址總線

處9

理數(shù)據(jù)總線

器

9控制總線

輸入接輸出接

存儲(chǔ)器

口電路口電路

輸入設(shè)備輸出設(shè)備

圖1、8內(nèi)部并行總線及組成

系統(tǒng)總線指計(jì)算機(jī)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線（如Multibus總線、STD總線、PC

總線），用于插件板一級(jí)的互連,為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所特有,就是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總線。由于微處

理器芯片總線驅(qū)動(dòng)能力有限，所以大量的接口芯片不能直接掛在微處理器芯片上。同樣，如果

存儲(chǔ)器芯片、I/O接口芯片太多,在一個(gè)印刷電路板上安排不下時(shí),采用模塊化設(shè)計(jì)又增加了

總線的負(fù)載,所以微處理器芯片與總線之間必須加上驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)總線及組成如圖1、10所

不o

圖1、10系統(tǒng)總線及組成

外部總線指計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外部其她儀表或設(shè)備之間進(jìn)行連接通信的總

線。計(jì)算機(jī)作為一種設(shè)備，通過(guò)該總線與其她設(shè)備進(jìn)行信息與數(shù)據(jù)交換,它用于設(shè)備一級(jí)的互

連?外部總線通常通過(guò)總線控制器掛接在系統(tǒng)總線上，外部總線及組成如圖1、11所示。

圖1、11外部總線及組成

1.8詳述基于權(quán)電阻的D/A轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程。

解答:D/A轉(zhuǎn)換器就是按照規(guī)定的時(shí)間間隔T對(duì)控制器輸出的數(shù)字量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的。D/A轉(zhuǎn)

換器的工作原理，可以歸結(jié)為“按權(quán)展開(kāi)求與”的基本原則，對(duì)輸入數(shù)字量中的每一位，按權(quán)值

分別轉(zhuǎn)換為模擬量，然后通過(guò)運(yùn)算放大器求與，得到相應(yīng)模擬量輸出。

相應(yīng)于無(wú)符號(hào)整數(shù)形式的二進(jìn)制代碼,n位DAC的輸出電壓吃，“遵守如下等式：

2%“=4$虱3+*+爭(zhēng)++爭(zhēng)）（1、3）

式中,為輸出的滿幅值電壓,用就是二進(jìn)制的最高有效位,乩就是最低有效位。

以4位二進(jìn)制為例，圖1、12給出了一個(gè)說(shuō)明實(shí)例。在圖1、12中每個(gè)電流源值取決于

相應(yīng)二進(jìn)制位的狀態(tài)，電流源值或者為零，或者為圖中顯示值，則輸出電流的總與為：

心=/母+爭(zhēng)+等+爭(zhēng)）a、4）

我們可以用穩(wěn)定的參考電壓及不同阻值的電阻來(lái)替代圖1、12中的各個(gè)電流源,在電流

的匯合輸出加入電流/電壓變換器，因此，可以得到權(quán)電阻法數(shù)字到模擬量轉(zhuǎn)換器的原理圖如

圖1、13所示。圖中位切換開(kāi)關(guān)的數(shù)量,就就是D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。

圖1、12使用電流源的DAC概念圖

圖1、13權(quán)電阻法D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖

1、9D/A轉(zhuǎn)換器誤差的主要來(lái)源就是什么？

解答:D/A轉(zhuǎn)換的誤差主要應(yīng)由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度（轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)）與保持器（采樣點(diǎn)之間插值）

的形式以及規(guī)定的時(shí)間間隔T來(lái)決定。

1、10詳述逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程。

解答:逐次逼進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖如圖1,14所示,當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令并清除n位

寄存器后,控制邏輯電路先設(shè)定寄存器中的最高位為“1”其余位為“0”，輸出此預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為

100-0被送到D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)匕,后與輸入模擬電壓匕在比較器中相比較，若

匕NV-說(shuō)明此位置“1”就是對(duì)的，應(yīng)予保留，若匕＜匕，說(shuō)明此位置“1”不合適，應(yīng)置“0”。

然后對(duì)次高位按同樣方法置“1"，D/A轉(zhuǎn)換、比較與判斷，決定次高位應(yīng)保留“1”還就是清

除。這樣逐位比較下去,直到寄存器最低一位為止。這個(gè)過(guò)程完成后,發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束命令。這

時(shí)寄存器里的內(nèi)容就就是輸入的模擬電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

圖1、14逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖

1、11詳述雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程。

解答:雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換原理框圖如圖1、15(a)所示,轉(zhuǎn)換波形如圖1、15(b)所示。當(dāng)

t=0,“轉(zhuǎn)換開(kāi)始”信號(hào)輸入下，匕在T時(shí)間內(nèi)充電幾個(gè)時(shí)鐘脈沖，時(shí)間T一到，控制邏輯就把模

擬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換到Vref±.,Vref與匕極性相反,電容以固定的斜率開(kāi)始放電。放電期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),

脈沖的多少反映了放電時(shí)間的長(zhǎng)短，從而決定了輸入電壓的大小。放電到零時(shí),將由比較器動(dòng)

作，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并由控制邏輯發(fā)出“轉(zhuǎn)換結(jié)束”信號(hào)。這時(shí)計(jì)數(shù)器中得到的數(shù)字即為模

擬量轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量，此數(shù)字量可并行輸出。

“積分輸出%

時(shí)鐘轉(zhuǎn)換

并始轉(zhuǎn)束

(a)(b)

圖1、15雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理及波形圖

1、12A/D轉(zhuǎn)換器誤差的主要來(lái)源就是什么？

解答:A/D轉(zhuǎn)換的誤差主要應(yīng)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率(孔徑時(shí)間)與轉(zhuǎn)換精度(量化誤差)來(lái)決定。

1、13簡(jiǎn)述操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。

解答:操作指導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1、16所示。它不僅提供現(xiàn)場(chǎng)情況與進(jìn)行異常報(bào)警，而且還按

著預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型與控制算法進(jìn)行運(yùn)算與處理，將得出的最優(yōu)設(shè)定值打印與顯示出來(lái)，操

作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)給出的操作指導(dǎo)，并且根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)分析判斷,由人直接改變調(diào)節(jié)器

的給定值或操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型了解不夠徹底時(shí)，采用這種控制能夠得

到滿意結(jié)果，所以操作指導(dǎo)系統(tǒng)具有靈活、安全與可靠等優(yōu)點(diǎn)。但仍有人工操作、控制速度

受到限制，不能同時(shí)控制多個(gè)回路的缺點(diǎn)。

顯示

計(jì)

篁

打印

機(jī)

被

控

對(duì)

象

外存儲(chǔ)器

*------------1調(diào)節(jié)器|

圖1、16操作指導(dǎo)系統(tǒng)框圖

1、14簡(jiǎn)述直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。

解答:直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC結(jié)構(gòu)如圖1、17所示。這類控制就是計(jì)算機(jī)把運(yùn)算結(jié)果直接輸

出去控制生產(chǎn)過(guò)程，簡(jiǎn)稱DDC系統(tǒng)。這類系統(tǒng)屬于閉環(huán)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各參量進(jìn)

行檢測(cè)，根據(jù)規(guī)定的數(shù)學(xué)模型，如PID算法進(jìn)行運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號(hào)，直接控制生產(chǎn)過(guò)程。它

的主要功能不僅能完全取代模擬調(diào)節(jié)器，而且只要改變程序就可以實(shí)現(xiàn)其她的復(fù)雜控制規(guī)律,

如前饋控制、非線性控制等。它把顯示、打印、報(bào)警與設(shè)定值的設(shè)定等功能都集中到操作控

制臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)督與控制給操作人員帶來(lái)了極大的方便。但DDC對(duì)計(jì)算機(jī)可靠性要求很

高，否則會(huì)影響生產(chǎn)。

信息采集

被.畫(huà)

計(jì)

控

算

對(duì)網(wǎng)

機(jī)

歙

控制控制臺(tái)

［外存儲(chǔ)髭|

圖1、17直接數(shù)字控制系統(tǒng)

1、15簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。

解答:監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種形式。

⑴SCC加模擬調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)

這種系統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各參量進(jìn)行檢測(cè),按工藝要求或數(shù)學(xué)模型算出各控制回路的

設(shè)定值，然后直接送給各調(diào)節(jié)器以進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程調(diào)節(jié)，其構(gòu)成如圖1、18所示。

這類控制的優(yōu)點(diǎn)就是能夠始終使生產(chǎn)過(guò)程處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài),與操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)比較,

它不會(huì)因手調(diào)設(shè)定值的方式不同而引起控制質(zhì)量的差異。其次就是這種系統(tǒng)比較靈活與安全,

一旦SCC計(jì)算機(jī)發(fā)生故障,仍可由模擬調(diào)節(jié)器單獨(dú)完成操作。它的缺點(diǎn)就是仍然需采用模擬

調(diào)節(jié)器。

反饋

調(diào)設(shè)定值

被

控控制器

對(duì)

象操作

捽制臺(tái)

信息采集

,I外存儲(chǔ)器|

圖1、18SCC加調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)框圖

(2)SCC加DDC的系統(tǒng)

在這種系統(tǒng)中,SCC計(jì)算機(jī)的輸出直接改變DDC的設(shè)定值，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的信息聯(lián)系可

通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸直接實(shí)現(xiàn)，其構(gòu)成如圖1、19所示。

這種系統(tǒng)通常一臺(tái)SCC計(jì)算機(jī)可以控制數(shù)個(gè)DDC計(jì)算機(jī)，一旦DDC計(jì)算機(jī)發(fā)送故障時(shí),

可用SCC計(jì)算機(jī)代替DDC的功能，以確保生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

圖1、19SCC加DCC的系統(tǒng)框圖

1,16簡(jiǎn)述集中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。

解答:這種系統(tǒng)就是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成生產(chǎn)過(guò)程中多個(gè)設(shè)備的控制任務(wù),即控制多個(gè)控制回路

或控制點(diǎn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？刂朴?jì)算機(jī)一般放置在控制室中,通過(guò)電纜與生產(chǎn)過(guò)程中的多

種設(shè)備連接。

集中控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于構(gòu)建系統(tǒng)造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此計(jì)算機(jī)應(yīng)用初期得到了

較為廣泛的應(yīng)用。但由于集中控制系統(tǒng)高度集中的控制結(jié)構(gòu)，功能過(guò)于集中，計(jì)算機(jī)的負(fù)荷過(guò)

重，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的任何故障都會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果,所以該系統(tǒng)較為脆弱，安全可靠性得不

到保障。而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越龐大，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期越長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，布線施工等費(fèi)時(shí)費(fèi)力不，很難滿足

用戶的要求。

1、17簡(jiǎn)述DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。

解答:集散型控制系統(tǒng)(DCS,DistributedControlSystem)就是由以微型機(jī)為核心的過(guò)程控制單

元(PCU)、高速數(shù)據(jù)通道(DHW)、操作人員接口單元(OIU)與上位監(jiān)控機(jī)等幾個(gè)主要部分組成,

如圖1、21所示。各部分功能如下：

(1)過(guò)程控制單元(PCU)由許多模件(板)組成，每個(gè)控制模件就是以微處理器為核心組成的

功能板，可以對(duì)幾個(gè)回路進(jìn)行PID、前饋等多種控制。一旦一個(gè)控制模件出故障，只影響與之

相關(guān)的幾個(gè)回路，影響面少,達(dá)到了“危險(xiǎn)分散”的目的。此外,PCU可以安裝在離變送器與執(zhí)

行機(jī)構(gòu)就近的地方，縮短了控制回路的長(zhǎng)度，減少了噪聲，提高了可靠性,達(dá)到了“地理上”的分

散。

(2)高速數(shù)據(jù)通道(DHW)就是本系統(tǒng)綜合展開(kāi)的支柱，它將各個(gè)PCU、OIU、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等

有機(jī)地連接起來(lái)以實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制與集中控制。掛在高速數(shù)據(jù)通道上的任何一個(gè)單元發(fā)生故障,

都不會(huì)影響其她單元之間的通信聯(lián)系與正常工作。

⑶操作人員接口(OIU)單元實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)視與集中操作，每個(gè)操作人員接口單元上都配有

一臺(tái)多功能CRT屏幕顯示，生產(chǎn)過(guò)程的全部信息都集中到本接口單元,可以在CRT上實(shí)現(xiàn)多種

生產(chǎn)狀態(tài)的畫(huà)面顯示，它可以取消全部?jī)x表顯示盤(pán),大大地縮小了操作臺(tái)的尺寸，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程

進(jìn)行有效的集中監(jiān)視，此外利用鍵盤(pán)操作可以修改過(guò)程單元的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)集中操作。

⑷監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制與管理，監(jiān)控機(jī)通常由小型機(jī)或功能較強(qiáng)的微型機(jī)承擔(dān)，配

備多種高級(jí)語(yǔ)言與外部設(shè)備，它的功能就是存取工廠所有的信息與控制參數(shù)，能打印綜合報(bào)告,

能進(jìn)行長(zhǎng)期的趨勢(shì)分析以及進(jìn)行最優(yōu)化的計(jì)算機(jī)控制,控制各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制單元(PCU)工

作。

圖1、21集散控制系統(tǒng)

1、18簡(jiǎn)述NCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。

解答:以太網(wǎng)絡(luò)為代表的網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)如圖1、23所示。以太控制網(wǎng)絡(luò)最典型應(yīng)用形式為頂

層采用Ethernet,網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP。另外，嵌入式控制器、智能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控

儀表與傳感器可以很方便地接入以太控制網(wǎng)。以太控制網(wǎng)容易與信息網(wǎng)絡(luò)集成，組建起統(tǒng)一

的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

PLC嵌人式控制器

圖1、23以太控制網(wǎng)絡(luò)組成

1、19簡(jiǎn)述FCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。

解答:現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS,FieldbusControlSystem)的體系結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在:現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連、控制功能分散、通信線供電、開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)等方面。

由于FCS底層產(chǎn)品都就是帶有CPU的智能單元,FCS突破了傳統(tǒng)DCS底層產(chǎn)品4-20mA模

擬信號(hào)的傳輸。智能單元靠近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，它們可以分別獨(dú)立地完成測(cè)量、校正、調(diào)整、診斷

與控制的功能。由現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議將它們連接在一起，任何一個(gè)單元出現(xiàn)故障都不會(huì)影響到其

它單元，更不會(huì)影響全局，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，使系統(tǒng)更安全、更可靠。

傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備連線，按照控制回路進(jìn)行連接。FCS采用了智能儀表

(智能傳感器、智能執(zhí)行器等)，利用智能儀表的通信功能，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。圖1、22

為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與FCS的結(jié)構(gòu)對(duì)比。

例場(chǎng)總線(數(shù)字信號(hào))

模擬■輸入------

功能塊PID110控制功能塊

偉能傳感器急型+■模拉量輸出

―i——I11-------智能執(zhí)行器！功能塊

___________I

(a)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)示意圖(b)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)示意圖

圖1、22傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比較

1、20*SPI總線中的從控器應(yīng)滿足什么要求？

解答:略。

1、21*智能儀表接入計(jì)算機(jī)有幾種途徑？

解答:兩種，一種就是485串行方式，另一種就是以太網(wǎng)方式。

1、22*針對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所涉及的重要理論問(wèn)題，舉例說(shuō)明。

解答：1、信號(hào)變換問(wèn)題

多數(shù)系統(tǒng)的被控對(duì)象及執(zhí)行部件、測(cè)量部件就是連續(xù)模擬式的，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在結(jié)

構(gòu)上通常就是由模擬與數(shù)字部件組成的混合系統(tǒng)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)就是串行工作的，必須按一定

的采樣間隔(稱為采樣周期)對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，將其變成時(shí)間上就是斷續(xù)的離散信號(hào)，并進(jìn)

而變成數(shù)字信號(hào)才能進(jìn)入計(jì)算機(jī);反之，從計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，也要經(jīng)過(guò)D/A變換成模擬

信號(hào)，才能將控制信號(hào)作用在被控對(duì)象之上。所以，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)除有連續(xù)模擬信號(hào)外，還有

離散模擬、離散數(shù)字等信號(hào)形式，就是一種混合信號(hào)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與信號(hào)形式上的特

點(diǎn)，使信號(hào)變換問(wèn)題成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特有的、必須面對(duì)與解決的問(wèn)題。

2、對(duì)象建模與性能分析

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)雖然就是由純離散系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)與純連續(xù)系統(tǒng)的被控對(duì)象而構(gòu)成的混

合系統(tǒng)，但就是為了分析與設(shè)計(jì)方便,通常都就是將其等效地化為離散系統(tǒng)來(lái)處理。對(duì)于離散

系統(tǒng),通常使用時(shí)域的差分方程、復(fù)數(shù)域的z變換與脈沖傳遞函數(shù)、頻域的頻率特性以及離

散狀態(tài)空間方程作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述的基本工具。

3、控制算法設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí),數(shù)字控制器有兩種經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法，即模擬化設(shè)計(jì)方法與直接數(shù)字設(shè)

計(jì)方法，它們基本上屬于古典控制理論的范疇,適用于進(jìn)行單輸入、單輸出線性離散系統(tǒng)的算

法設(shè)計(jì)。以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)的數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法，屬于現(xiàn)代控制理論的范疇，不僅適

用于單輸入、單輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且還適用于多輸入、多輸出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這些系統(tǒng)可以就

是線性的也可以就是非線性的;可以就是定常的,也可以就是時(shí)變的。

4、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于采用了數(shù)字控制器而會(huì)產(chǎn)生數(shù)值誤差。這些誤差的來(lái)源、產(chǎn)

生的原因、對(duì)系統(tǒng)性能的影響、與數(shù)字控制器程序?qū)崿F(xiàn)方法的關(guān)系及減小誤差影響的方法,

如A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差;當(dāng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算超過(guò)預(yù)先規(guī)定的字長(zhǎng)，必須作舍入或截?cái)嗵幚?，而產(chǎn)

生的乘法誤差;系統(tǒng)因不能裝入某系數(shù)的所有有效數(shù)位，而產(chǎn)生的系數(shù)設(shè)置誤差;以及這些誤

差的傳播,都會(huì)極大的影響系統(tǒng)的控制精度與它的動(dòng)態(tài)性能，因此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

就是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的領(lǐng)域比較廣泛。

舉例略。

第二章信號(hào)轉(zhuǎn)換與z變換

習(xí)題與思考題

2、1什么叫頻率混疊現(xiàn)象，何時(shí)會(huì)發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象？

解答:采樣信號(hào)各頻譜分量的互相交疊,稱為頻率混疊現(xiàn)象。當(dāng)采樣頻率％<201rax時(shí),采樣函

數(shù)/*(/)的頻譜已變成連續(xù)頻譜,重疊部分的頻譜中沒(méi)有哪部分與原連續(xù)函數(shù)頻譜F(j-)

相似，這樣，采樣信號(hào)/*(/)再不能通過(guò)低通濾波方法不失真地恢復(fù)原連續(xù)信號(hào)。就會(huì)發(fā)生采

樣信號(hào)的頻率混疊現(xiàn)象。

2、2簡(jiǎn)述香農(nóng)采樣定理。

解答:如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)不包含高于頻率綜的的頻率分量(連續(xù)信號(hào)中所含頻率分量的最高

頻率為/我),那么就完全可以用周期T/0m,x的均勻采樣值來(lái)描述?；蛘哒f(shuō)，如果采樣頻

率4>241ax，那么就可以從采樣信號(hào)中不失真地恢復(fù)原連續(xù)信號(hào)。

2、3D/A轉(zhuǎn)換器有哪些主要芯片？

解答:8位DAC0832,12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC12041209/1210。

2,4D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)如何選擇？

解答:D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)的選擇，可以由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中D/A轉(zhuǎn)換器后面的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)

范圍來(lái)選定。設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入為如的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)電壓為UR,D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)為

則計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的最小輸出單位應(yīng)小于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)，即

2"-iR

所以

〃之啜〃皿/%+1]/愴2。

2、5簡(jiǎn)述D/A輸出通道的實(shí)現(xiàn)方式。

解答:常用的兩種實(shí)現(xiàn)方式。圖⑶由于采用了多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，硬件成本較高,但當(dāng)要求同時(shí)

對(duì)多個(gè)對(duì)象進(jìn)行精確控制時(shí)，這種方案可以很好地滿足要求。圖(b)的實(shí)現(xiàn)方案中，由于只用

了一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器、多路開(kāi)關(guān)與相應(yīng)的采樣保持器，所以比較經(jīng)濟(jì)。

二)|D/A—通道[一｛,保持器—通道?

多

接

接

路

口

口=]D/A卜一通道2T保將需1一通道2

開(kāi)

電

電

關(guān)

路

路

二)|D/A通道”T保持器一通道”

(a)多D/A結(jié)構(gòu)(b)共享D/A結(jié)構(gòu)

2、6A/D轉(zhuǎn)換器有哪些主要芯片？

解答:8位8通道的ADC0809;12位的AD574A。

2、7A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)如何選擇？

解答:根據(jù)輸入模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍可以選擇A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n,模

擬輸入信號(hào)的最大值Umax為A/D轉(zhuǎn)換器的滿刻度,則模擬輸入信號(hào)的最小值。而〃應(yīng)大于等于

A/D轉(zhuǎn)換器的最低有效位。即有

所以

“Nlg[%ax/"min+l]/lg2。

2、8簡(jiǎn)述A/D輸入通道的實(shí)現(xiàn)方式。

解答:查詢方式,中斷方式,DMA方式

2、9簡(jiǎn)述A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間的含義及其與A/D轉(zhuǎn)換速率與位數(shù)的關(guān)系。

解答:設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)處于就緒狀態(tài)，從A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)加入時(shí)起,到獲得數(shù)字輸出信號(hào)

(與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)之值)為止所需的時(shí)間稱為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。該時(shí)間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。A/D

的轉(zhuǎn)換速率與A/D的位數(shù)有關(guān)，一般來(lái)說(shuō),A/D的位數(shù)越大,則相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率就越慢。

2、10寫(xiě)出_/??)的z變換的多種表達(dá)方式(如Z(/Q))等)。

解答：

Z"⑺]==F(z)=￡f(kT)z-k。

k=O

2、11證明下列關(guān)系式

(1)zH]=二二

\-az

證明:今/'(ZT)=*n"*T

F(z)=Ye'Mz-k=1+e'natTz-'+e,naf(2T)z-2+

k=0

4(Z)=+*"S)z-2+

將兩式相減得：

F(z)-elnfl*rz-1F(z)=l,

證畢。

(2)Z[akf(t)]=F(~)

a

證明：

F(-)=Yf(kT)(.-yk=^f(kT)z-kak=Z[akf(t)]

ajt=oak=o

⑶Z[tf(t)]=-Tz-^-F(z)

az

證明：

由z變換定義得：

F(z)=￡f*T)zT

k=0

對(duì)上式兩端進(jìn)行求導(dǎo),得：

竽4/⑺亨

dzk=0dzk=0

對(duì)上式進(jìn)行整理得：

rz-,(i+z-1)

(4)Zr>----、「'

(1-z-1)3

Tz

證明：Z[r]=",

(1—7)2

,d-7Z-2(1+Z-,)T2Z-,(1+Z-1)

Z[r]^-Tz—Z[t]^-Tz

dz(l—z-y(1-Z-1)3

Te~aTz~]

(5)Z[te-at]=----------

(l-e-arz-')2

證明：

1—ez

-dr__2

—ez

Z[te-a']=-Tz—[e-a']=-Tz

dz(l-e"zT)2

(6)Z[a'f(t)]=F(aTz)

證明：Fg-Tz)=Ef(kT)(a"z)-k=Ef(kT)akTz-k=z@fQ)]

A=0k=Q

2、12用部分分式法與留數(shù)法求下列函數(shù)的z變換

1

(1)尸(s)=

s(s+l)

解答:

部分分式法:將E(s)分解成部分分式:F(5)=--——

S5+1

與，相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的z變換是一二；與二-相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)

S1-Z-15+1

)?,因而

的z變換是一

1-ez

1(一"

F(z)=—

1-z-'\-e-Tz-x(l-z-|)(l-e-rz-1)

留數(shù)法：

上式有兩個(gè)單極點(diǎn)，》=0,S2=T，加=2,則

F⑶=[s二])z：J°+[G+D1z

5(5+1)z-e""-'

zzz(l—e")

z-1z-e'l(z-l)(z-e-7)

5+1

(2)F(5)

(s+3)(5+2)

解答：

21

部分分式法:將尸(s)分解成部分分式:b(s)=—-----—

s+3s+2

與一2相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的Z變換是一?

5+3\-e-3Tz-'

與，相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的z變換是一■，因而

5+2l-e-2Tz-l

p21=2(1—)—(1—/々T)

37,,

⑵-l-e-z-'――十-a-e^z-)a-e^z~)

l-2e-2Tz-'+e-3Tz-'

~(I-e-3Tz-')(1-e-2Tz-')

留數(shù)法:

上式有兩個(gè)單極點(diǎn)，Si=-3,S2=-2,m=2,則

2z

F(Z)=[(5+3)(5+3)(5+2)z-e'」=-2

2zzz(z-2產(chǎn)+0-37)

—..5+1

(3)F(5)=-~~-j-—

(s+2)(s+1)

解答：

AR「

部分分式法:將F(s)分解成部分分式:F(s)=------彳+——+——

(5+2)5+25+1

求ABC：

A=―——(s+2)=—1

(S+2)2(S+1)

所以

-I22

F（5）---------1--------

(s+2)25+25+1

上式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)不常見(jiàn)，查后續(xù)表2、2,得到

22

F(z)=

1—ez1—ez

(一7+2)/2Tz7-22

(l-e-2rz-')2-+l-e-rz-'

(-T+2)e-2rz-2z22z

(z-e-2r)2+

留數(shù)法：尸（5）的極點(diǎn)S[=-1,$2,3=-2,加=2,〃=2

(s+2)2(s+(U+i)z：'"_2+”+D(sJ；W+l)z，"

產(chǎn)(z)

dsz+3z2z

—tcT"-T

ds\_sz-se+z-e]x=_2z-e

s,s,)一(s,s,s,

—-z-(-s-z-----s-e----+--z--—--e--------s-z-+--3--z-)-(-z----e-----T--s-e-------T-e----)----2--z---

sTsTT

{sz-se+z-ey?=2z-e~

一2z?+2ze~rr+z2-*z一(一2z+3z)(z-e~2r+2Te-2T-Te-2T)2z

=--------------------------------------------------------------------------------------------------------1-------------

(~2z+2”2T+z-e-2T)2z-e-r

_-z2+2ze~2T-ze~1T-z2+ze17-Te~2Tz2z

=(e-2r-z)2

(-T+2)e-2rz-2z22z

CT.C+T

(4)F(5)=-一~-7-_-

(s+2)(s+1)

解答：

-122

部分分式法:將尸(s)分解成部分分式:F(5)=-----彳------+——

($+2)~s+2s+1

_1_-2T-1_r\

與」■方相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的Z變換是一/ez與二巳相對(duì)應(yīng)

2T

(s+2)2(l-e-z-')5+2

的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)

的z變換是一與一丁;與2相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的z變換是一J

l-e-2Tz-'5+1l-e-Tz-'

因而

-Te-2Tz-'22

⑶二(1一產(chǎn)z-1—\-e-2Tz-'+1-e-V

_[(-2-7)產(chǎn)+2e力zT+(T—2)/22+26-2

一(1—12)2(1—邛2)

留數(shù)法：

上式有兩個(gè)單極點(diǎn)，號(hào),2=-2,$2=-1,機(jī)=2,〃=2則

/⑶*+2)2s+3zs+3z

(s+2)2(s+l)z-e、j2+g+%+2)2(S+1)Z"'=T

[(—2—7)eR+2中,上2+[(T—2)/7+2e*]z

(z-e-2T)2(z-e-r)

1i-e

(5)F(s)=

s(s+l)2

留數(shù)法：

z"(T)z—]

一z2+,ze-T-Tze-Tz

=(i—z-y]

(-Z+"7j2Z-T

z(-e-r-TeJ+1)-eT+Te-T+e~2T

(一Z+L)2

部分分式法:

Z[^]=(1_z-)Z[___]

s5+1(5+1)1-z1-ez(1-ez)

z(—e"—Te」+1)—e-r+7T7+小

(一z+e")2

\-e-sr

⑹？)=E

留數(shù)法：

-z2+z+7zz

=(D哈2+T

(z-1)z-e-

z-\-l+T+e~T)+z~\-e~T-Te~T+1)

(l-z-'Xl-^z-')

部分分式法：

Z[E(s)]=(l-zT

5(5+1)

7z-'

=(l-Z-')[4+

S(1-z-1)2

z-'(-1+T+e-T)+z-2(-e'r-7e-r+1)

(l-z-'Xl-e-V)

2、13用級(jí)數(shù)求與法求下列函數(shù)的Z變換

⑴f(k)=ak

解答:

尸&)=4力=2八"

A=0

1

=l,+az-1+2a-z2+a3z-3'+=--------

\-az-'r

(2)f(k)=ai

解答：

F(z)=Z[ak-']=Yak~'z~k

k=0

1-1-22-3a'1

=—+z+az+az+=-----：~r=-----；~-

al-a-'z-1a-a2z''

(3)

解答：

由于

Z[tf(t)]=-Tz-^F(z),

于(k)=/t的z變換為

F(z)=7a°z-1+2Taz-2+3Ta2z-3+...

6(z)=aF(z)=Taz~'+2Ta2z~2+...

所以絲76(z)=T^z-z+2n/zT+...

(I-az"(z)=Taz-'+Ta1^2+...

Taz-'

6(z)=a—az-y

F(z)=，片(z)=Tz-'

aa-az-y

(4)/(f)=屋3

解答：

由于

Z[tf(t)]=-Tz^F(z),

az

于(kT)=產(chǎn)，的z變換為

5,e5krzkor25T3

F^=Z[e-]=X~'=1+二=|+e-'z~+e-'z-+

k=0

將兩邊同時(shí)乘以e-5Tz，得:

e-5Tz-'F(z)=e-5Tz-'+e-'0Tz-2+e'15rz-3+

將上兩式相減，得：

F(z)=匕尸

1—ez

dTe~5Tz^

Z[/e5]=一]彳/⑶:：

az(l-ez)

71,2“5]dT2e-5Tz-X1+e-5Tz-')

Z，[te\--lTz7——[te5rJ----------------—~-------

dz(l-e-5Tz-')3

2、14用長(zhǎng)除法、部分分式法、留數(shù)法對(duì)下列函數(shù)進(jìn)行z反變換

⑴F(z)=

(l-z-'Xl-e^z-1)

解答:長(zhǎng)除法

-'(1_-aT)

原式=ze

l-(l+e-aT)z-'+e-aTz-2

(I?zix3.

(/\1—e~iT\)z+(1—e-2aT)\z——2+.(/l1—e-3aT)z+

i/1.^.-oT\-1.--aT--2VaT

l-(l+e)z+ez]z-\[-e-)

(/\1—e-oT\)z—-1—(zi1—e-2aT\)z2+.(z1i—e-tiT\)ez-3

/1-2aT\-2/1—tzTx_-3

(1—e)z—(1—e)ez

(z1i—e-2aT\)z-2—(zi1-e-2aT+.e-ciT—e-3aT\)_z-34.-z(i1—e-2aT\)-eaTz-4

/*(r)=(l-e-ar)J(r-T)+

部分分式法:

(z-l)(z-e-ar)

F(z)=1_]

zz-1z-e~aT

留數(shù)法：

Ge