(完整word版)《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課后題答案-劉建昌等科學(xué)出版社

1、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)和控制靈活，能實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和操作， 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)工作過程如下：電阻爐溫度這一物理量經(jīng)過熱電偶檢測后，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)（1-5V或4-20mA）從現(xiàn)場進(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

2、信號(hào)經(jīng)過計(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)彳T 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是通過編程的方法來實(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。還可以通過軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化， 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

3、，把生產(chǎn)過程的各個(gè)被控對(duì)象都管理起來，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、邏輯功能和判斷功能，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)可以通過人機(jī)對(duì)話等方式進(jìn)行人工干預(yù)，這些都是傳統(tǒng)模擬控制無法勝任的。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)的控制算法是通過軟件的方式來實(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

4、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)和被控對(duì)象、測量變送環(huán)節(jié)、采樣開關(guān)和 A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)等組成。被控對(duì)象的物理量經(jīng)過測量變送環(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。15解答:DI 74LS24

5、4D3.D21.4應(yīng)用邏輯器件設(shè)計(jì)一個(gè)指示燈經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線輸出的電路圖。解答:恰號(hào)信號(hào) 變權(quán)器破筐對(duì)多路槿擬開美盧接口4.：電路前胃段丈也路模擬量輸入通道組成與結(jié)構(gòu)圖1.6 設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)總線接口至一個(gè)420mA模擬信號(hào)輸出的結(jié)構(gòu)框圖。解答：總線接口口，制*我M1*婢渡附多路模擬4rdm ”府心信號(hào)輸出開關(guān)1.7 簡述并舉例說明內(nèi)部、外部和系統(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，是微處理器總線的延伸，是微處理器與外部硬件接口的通路，圖1.8所示是構(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)總線和控制總線三類。微

6、 處 理 器輸入接 口電路.地址總線數(shù)據(jù)總線1j<:控制總線存儲(chǔ)器輸出接 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，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所示。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線圖1.10系統(tǒng)總線及組成外部總

7、線指計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外部其他儀表或設(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，通過該總線和其他設(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。汽行諦布通信總戰(zhàn)C"部忌裁）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)換器的工作過程。解答：D/A轉(zhuǎn)換器是按照規(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)展開求和”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，然后通過運(yùn)算放大器求和，得到相應(yīng)模擬量輸出。Bn)相應(yīng)于無符號(hào)整數(shù)

8、形式的二進(jìn)制代碼，n位DAC的輸出電壓Vout遵守如下等式:(1.3)式中，Vfsr為輸出的滿幅值電壓，B1是二進(jìn)制的最高有效位，Bn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，則輸出電流的總和為：B1B2& B4Iout1（萬 了 亍 24）（1.4）我們可以用穩(wěn)定的參考電壓及不同阻值的電阻來替代圖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。圖中位切換開關(guān)的數(shù)量，就是D/A轉(zhuǎn)換器的字長。圖1.1

9、2 使用電流源的DAC概念圖(MSB)(LS 母B, 瓦 耳 B.圖1.13權(quán)電阻法D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖1.9 D/A轉(zhuǎn)換器誤差的主要來源是什么？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)和保持器(采樣點(diǎn)之間插值)的形式以及規(guī)定的時(shí)間間隔T來決定。1.10 詳述逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器的工作過程。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)測數(shù)據(jù)為1000被送到D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) V f ,后與輸入模擬電壓 Vg在比較器中相比較，若Vg Vf

10、,說明此位置“ 1”是對(duì)的，應(yīng)予保留，若 Vg Vf ,說明此位置“ 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)容就是輸入的模擬電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。VgVf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)換開始”信號(hào)輸入下，Vg在T時(shí)間內(nèi)充電幾個(gè)時(shí)鐘脈沖，時(shí)間 T 一到，控

11、制邏輯就把模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換到 Vref上，Vref與Vg極性相反，電容以固定的斜率開始放電。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。(a)(b)圖1.15雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理及波形圖1.12 A/D轉(zhuǎn)換器誤差的主要來源是什么？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）和轉(zhuǎn)換精度（量化誤差） 來決定。1.13 簡述操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答：操作指導(dǎo)系統(tǒng)白結(jié)構(gòu)如圖1.16所示。它不僅

12、提供現(xiàn)場情況和進(jìn)行異常報(bào)警，而且還按著預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型和控制算法進(jìn)行運(yùn)算和處理，將得出的最優(yōu)設(shè)定值打印和顯示出來，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、安全和可靠等優(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)。被拄對(duì)塞計(jì)管機(jī)外浮儲(chǔ)器*1顯示I調(diào)節(jié)器圖1.16操作指導(dǎo)系統(tǒng)框圖1.14 簡述直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答：直接數(shù)字控制系統(tǒng) DDC結(jié)構(gòu)如圖1.17所示。這類控制是計(jì)算機(jī)把運(yùn)算結(jié)果直接輸出去控制

13、生產(chǎn)過程，簡稱 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)過程各參量進(jìn)行檢測，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)其他的復(fù)雜DDC對(duì)計(jì)算機(jī)控制規(guī)律，如前饋控制、非線性控制等。它把顯示、打印、報(bào)警和設(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)督和控制給操作人員帶來了極大的方便。但可靠性要求很高，否則會(huì)影響生產(chǎn)。宿息第集計(jì)篁機(jī)外存儲(chǔ)器圖1.17直接數(shù)字控制系統(tǒng)1.15 簡述計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。 解答：監(jiān)督控制系統(tǒng)有兩種形式。(1) SCC加模擬調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)這種系統(tǒng)計(jì)

14、算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程各參量進(jìn)行檢測，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)過程調(diào)節(jié)，其構(gòu)成如圖1.18所示。sc< 計(jì) 算 機(jī)這類控制的優(yōu)點(diǎn)是能夠始終使生產(chǎn)過程處于最優(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)是仍然需采用模擬調(diào)詞 節(jié)SS圖1.18 SCC加調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)框圖(2) SCCJ口 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 可通過數(shù)據(jù)傳輸直接實(shí)現(xiàn)，其構(gòu)成如

15、圖1.19所示。這種系統(tǒng)通常一臺(tái) SCC十算機(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。信息系統(tǒng)被 控 對(duì) 象DCC計(jì)算機(jī)SCC計(jì)算機(jī)信息采集打印操作 控制臺(tái)外存儲(chǔ)器圖1.19 SCC力口 DCC的系統(tǒng)框圖1.16 簡述集中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答：這種系統(tǒng)是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成生產(chǎn)過程中多個(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， 通過電纜與生產(chǎn)過程中的多 種設(shè)備連接。集中控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、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

16、制系統(tǒng)高度集中的控制結(jié)構(gòu)，功能過于集中，計(jì)算機(jī)的負(fù)荷過重，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)開發(fā)周期越長，現(xiàn)場調(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 簡述DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答：集散型控制系統(tǒng)(DCS，Distributed Control System )是由以微型機(jī)為核心的過程控制 單元(PCU)、高速數(shù)據(jù)通道(DHW)、操作人員接口單元(OIU)和上位監(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)過程控制單元(PCU由許多模件(板)組成，每個(gè)控制模件是以微處

17、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和執(zhí)行機(jī)構(gòu)就近的地方，縮短了控制回路的長度，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)是本系統(tǒng)綜合展開的支柱，它將各個(gè) PCU OIU、監(jiān)控計(jì) 算機(jī)等有機(jī)地連接起來以實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制和集中控制。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)影響其他單元之間的通信聯(lián)系和正常工作。(3)操作人員接口( OIU)單元實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)視和集中操作，每個(gè)操作人員接口單元上都配有一臺(tái)多功能 C

18、RT屏幕顯示，生產(chǎn)過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)的畫面顯示，它可以取消全部儀表顯示盤， 大大地縮小了操作臺(tái)的尺寸，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行有效的集中監(jiān)視，此外利用鍵盤操作可以修改過程單元的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)集中操作。(4)監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制和管理，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)語言和外部設(shè)備，它的功能是存取工廠所有的信息和控制參數(shù)，能打印綜合報(bào)告，能進(jìn)行長期的趨勢分析以及進(jìn)行最優(yōu)化的計(jì)算機(jī)控制，控制各個(gè)現(xiàn)場過程控制單元 (PCU工作。工2> DHW7圖1.21 集散控制系統(tǒng)1.18 簡述NCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答：以太網(wǎng)絡(luò)為代表的網(wǎng)絡(luò)

19、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)層和傳輸層采用國際標(biāo)準(zhǔn)TCP/IR另外，嵌入式控制器、智能現(xiàn)場測控儀表和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)。圖1.23以太控制網(wǎng)絡(luò)組成1.19 簡述FCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCSS Fieldbus Control System）的體系結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在：現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備互連、控制功能分散、通信線供電、開放式互連網(wǎng)絡(luò)等方面。由于FCS底層產(chǎn)品都是帶有 CPU的智能單元，F(xiàn)CS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

20、元靠近現(xiàn)場設(shè)備，它們可以分別獨(dú)立地完成測量、校正、調(diào)整、診斷和控制的功能。由現(xiàn)場總線協(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t3）傳嫌控制緊質(zhì)示意見控制器I ANN現(xiàn)場息線靚字信號(hào)）智能普鎏器二一控BI勢能堪上山PID110A011II1.22 為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與 FCS的結(jié)構(gòu)對(duì)比。圖1.22傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比較1.23 *SPI總線中的

21、從控器應(yīng)滿足什么要求？ 解答：略。1.24 *智能儀表接入計(jì)算機(jī)有幾種途徑？解答：兩種，一種是485串行方式，另一種是以太網(wǎng)方式。1.25 *針對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所涉及的重要理論問題，舉例說明。解答：1.信號(hào)變換問題多數(shù)系統(tǒng)的被控對(duì)象及執(zhí)行部件、測量部件是連續(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)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

22、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，是一種混合信號(hào)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)形式上的 特點(diǎn)，使信號(hào)變換問題成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特有的、必須面對(duì)和解決的問題。2 .對(duì)象建模與性能分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)雖然是由純離散系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和純連續(xù)系統(tǒng)的被控對(duì)象而構(gòu)成的混合 系統(tǒng)，但是為了分析和設(shè)計(jì)方便， 通常都是將其等效地化為離散系統(tǒng)來處理。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變換和脈沖傳遞函數(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)方法和直接數(shù)字設(shè)計(jì)方法，它們基本上屬于古典控制理論

23、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)可以是線性的也可以是非線性的；可以是定常的，也可以是時(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)算超過預(yù)先規(guī)定的字長，必須作舍入或截?cái)嗵幚恚?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)

24、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)的控制精度和它的動(dòng)態(tài)性能，因此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)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？max時(shí),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*米樣函數(shù)f (t)的頻譜已變成連續(xù)頻譜，重疊部分的頻譜中沒有哪部分與原連續(xù)函數(shù)頻譜* .F(j )相似，這樣，采樣信號(hào)f (t)再不能通過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max的頻率分量(

25、連續(xù)信號(hào)中所含頻率分量的最高頻率為 max),那么就完全可以用周期T / max的均勻采樣值來描述?；蛘哒f，如果采樣頻率 s 2 max ,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)。2.3 D/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 DAC1208/1209/1210。2.4 D/A轉(zhuǎn)換器的字長如何選擇？解答：D/A轉(zhuǎn)換器的字長的選擇，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)范圍來選定。設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入為Umax,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)電壓為UR, D/A轉(zhuǎn)換器的字長為n,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Umax2n

26、1Ur所以n lg Umax / Ur 1 / lg2。2.5 簡述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(a)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、多路開關(guān)和相應(yīng)的采樣保持器，所以比較經(jīng)濟(jì)。W d-a 西道義=)D A 一誦 iMn拽口電器出口電跣方籍開關(guān)T保杼器通道工油苣北通逋I多D/A將樹g1共享DM結(jié)構(gòu)2.6 A/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。2.7 A/D轉(zhuǎn)換器的字長如何選擇？解答：根據(jù)輸入模

27、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umin應(yīng)大于Umin等于A/D轉(zhuǎn)換器的最低有效位。即有U max. n /21所以n 1g Umax / Umin 1 / lg2。2.8 簡述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 簡述A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間的含義及其與A/D轉(zhuǎn)換速率和位數(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

28、。A/D的轉(zhuǎn)換速率與 A/D的位數(shù)有關(guān)，一般來說， A/D的位數(shù)越大，則相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速 率就越慢。2.10 寫出f (t)的z變換的多種表達(dá)方式(如 Z(f(t)等)。 解答：_ _ * _Zf(t) Zf(t) F(z) f(kT)zk 02.11 證明下列關(guān)系式 Zak -1 az證明：令f(kT) eklna*Tln a*( kT) k . ln a*T 1 ln a*(2 T)2F(z) e z 1 e z e zk 0ln a*T 1lna*T 1 ln a*(2T)2e z F(z) e z e z L將兩式相減得：ln a*T 1lF (z)-e z F(z)=1,F(z)=d 1

29、 '1-az證畢。 k _ z(2) Za f(t)F(-)a證明:F(z)az k f(kT)(-) ka kf(kT)z kak0Zakf(t) Ztf(t)TzdzF(z)證明:由換定義得：F(z) f(kT)z k k 0對(duì)上式兩端進(jìn)行求導(dǎo)，得:.一 kdF(z) f(kT)也 dz k 0dz對(duì)上式進(jìn)行整理得：kkf (kT )zTzdFdkTf(kT)zdz k 0Ztf (t)211、7小T z (1 z ) Zt 1 3(1 z )1證明：Zt (1 z1)2Zt2 TzdZt TzdzTz(12(1 z1)z1)3211、T z (1 z )/A1 3(1 z )aT

30、 1at Te z(5) Zte 丁力(1 e aTz 1)2證明：Zeat1 e1aT 1zZte atTze atdzTz- (1aT zaTz.aT 1Te z1)2aT(1 e z1)2(6) Zatf(t)F(a Tz證明：F(aTz)f(kT)(a Tk 0z) kf(kT)akTz kk 0Zatf(t)2.12用部分分式法和留數(shù)法求下列函數(shù)的z變換s(s 1)(1) F(s)16解答:部分分式法：將F (s)分解成部分分式:F(s)與1相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的 sz變換是A相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng) s+1的z變換是11F(z) 11 z4T，因而 e z1- T11 e z(

31、11(1 ze T)z 1)(1 eTz1)留數(shù)法：上式有兩個(gè)單極點(diǎn),1Si0, S2F(z)ss(s 1)z-sT s 0( s1,m 2,則11)s(s 1)z esTsz(1 eT)(z 1)(z e T)(2) F(s)(s 3)(s 2)解答:部分分式法：將F (s)分解成部分分式:F(s)上2 ,相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的s 31,相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的s+2z變換是z變換是-13T 1 ；1 e z1,一L，因而I e z匚2F .3T 11 e z1 2e 2Tz 1 11_ '1 e2T3T 1 e z2T 13T 1、2(1 e z ) (1 e z )(1 e

32、 3Tz 1)(1 e2T 1z )3T 12T 1、(1 e z )(1 e z )留數(shù)法：上式有兩個(gè)單極點(diǎn)，s12F(z) (s2z3t z e F(s)解答:3,s22,m 2,則3) sT s -3( s(s 3)(s 2) z ez z(z 2e 2Tz e 2T (z e 3T)(zs 1(s 2)2(s 1)2) .c、/ c、sT s 2(s 3)(s 2) z e3T e )2T、 e )69部分分式法：將F (s)分解成部分分式：F(s)(sBs-2求 A,B,C :sr(s (s 2)2(s 1)'2)2s所以d dss 32(s 2)2(s(s1)2)2(s1)

33、 (s 3) (s 1)2(s 2)2(s 1)(s1)sF(s)(s上式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)不常見，查后續(xù)表2.2,得到F(z)Te(1 e2T 1z2T 172z )留數(shù)法：F(s)的極點(diǎn)s1F(z) 丁d / (s 1 ! ds(T 2)e 2Tz2T 12(1 e z )2T2(T 2)e z 2z2(z2T )22zT1 ,s2,32)2(s(s2,3)2,2sT2)2(s 1) z esT(s 1)(s(s3)2sT2)2(s 1)z esT s 1ddsszsz 3zsT sesT e2zT z esTz(sz sesTe )(szsT丁sT3z)(z e TsesTTe )sT(s

34、z sesT 2 e )2zT八 2 c 2T 2 2T2z 2ze z e z2T2T2z 3z)(z e 2Te2TTe )2 c 2T2Tz 2ze ze(2z 2e 2T2T ze2T)22zT z eTe2Tzz 2T、2(e z)2zT z e(T 2)e 2Tz 2z2(z2T 2 e )2zT z e F(s)s 3(s 2)2(s 1)解答:部分分式法:1將F (s)分解成部分分式：F(s) 2(s 2)相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的z變換是2TTe z2T 1、(1 e z )2，一 ，、相對(duì)應(yīng)s+2的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的z變換是工21 I1 e z2 ,，且相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)

35、相應(yīng)的s+1z變換是-1因而2T 1F(7)2 ZF(z)小 2T 1、2(1 e z )2T(2 T)e 2T(12e Tz2Te z2-2T1! z(T 2)e3TzT 1z24T 22e z1)2(1 eTz1)留數(shù)法：上式有兩個(gè)單極點(diǎn),6,2d2F ds(s 2)2,s231,m 2,n2sT s -2(s 2) (s 1) z e(s1)2(s 2)2(s 1)z esT s(2 T)e2T 2eTz2 (T 2)e3T 2e 4Tz2TX2 /(z e ) (zeT)(5) F(s)sT1 e s(s 1)2留數(shù)法:ZF(s) (1(11)3dds s(121)1)Z 2s(s 1

36、)7)s 1 z eTTze Tze1(s 1)2z(T、2 (z e )e T Te T 1) e T/T72(z e )zTeT2T e部分分式法:ZF(s)(1z1)Z(1 z1)1 sz( e T Te1)Y1 s(s 1)- (1 (s 1)2J e T Te T Tz1)-1 z2Te(1T 1Te zT iT2 e z )(6) F(s)d sT1 es2(s 1)留數(shù)法:ZF(s) (1z1)Zs2(s 1)(1 z1)囁s 1z esT )s 01T、2 / Tz ( 1 T e ) z ( eTe-st )se1)1(1z1)z Tz(z 1)2(1部分分式法：1)(1 e

37、1)ZF(s) (1z1)Z(1 z1)J sz1( 1 T1s 1 e T)2s (s1 sz2(11)TeTz1(1 z1)2T 1)(1 z 1)(1 e Tz2.13用級(jí)數(shù)求和法求下列函數(shù)的1)Z變換 f(k) ak解答:kF(z) Za 1 az11 az(2) f(k)解答:F(z) Zak12 az1a"111 a z f(t) ta解答:由于的 TzdZF， f(k) akWz變換為_ 01_ 12_ 23F(z) Ta z 2Ta z3Ta z_1 2 2F1(z) aF(z) Taz 2Ta z12 23 3所以 az F1(z) Ta z 2Ta z1 一一 1

38、_ 22(1 az )F(z) Taz Ta z .F1Taz 11 2(1 az )F(z)1-F1(z) aTz 1(1 az1)22 5t f (t) t e解答：由于d Ztf(t) Tz-F(z), dzf(kT) e5kT的z變換為10T215T3：e z e z L5t5kT k5T 1F z) Ze e z 1 e z k 0將兩邊同時(shí)乘以e5Tz;得：5T 15T 110T215T3.e z F(z)=e z e z e z L將上兩式相減，得：F(z); 1 e z5TdZte5T Tz-F(z)dz2 5Td 5TlZt e Tz te dz5T 1Te z(1 e5Tz

39、 1)2T2e 5Tz 1(15T(1 e z5T 1 e z )：1)32.14用長除法、部分分式法、留數(shù)法對(duì)下列函數(shù)進(jìn)行z反變換F(z)(11aT、z (1 e )1aTz )(1 e z1)解答:長除法原式=1aT、z (1 e )aT 11 (1 e )z1 (1aT e)zaTe z(1 e2aT、1)z2aT、23aT(1 e )z (1 eaT e)z31aT、z (1 e )aT、12aT.2(1 e )z (1 e )z (1 eaT、 aT 3)e z部分分式法:F(z)F(z) z * f (t) 留數(shù)法：(12aT、e )z2aT(1 e22aT(1 ez(1 eaT)

40、(z 1)(z eaT)zatZ2aTResF(z)1z1(z 1)aT e)z23aT e(t)(1 e aT)eaT 3)z3 (1 ez2aT、 aT 4)e z(1eaT) (t T) LkResF(z)z1zeaTate*(t) 1at(2)F(z)解答:長除法F(z)z(1 eaT、z(1 e )(z 1)(z eaT)(z eaT)aT)(z 1)(z eaT)2z(z 1)(z 2)1z1z(1 eaT)(z 1)(z eaT)1zeaT原式=2z 11 3z 11 3z 12z 1 6z2z 22z 22 L2z 12z 1 6z2 4z 36z 2 4z 3c 2346z

41、18z12zL_ *f (t) 2(t T) 6 (t2T)L部分分式法:F(z) z f(kT)2z 2k2*2(2k 1o2) (tkT)留數(shù)法:Zl1,Z2k 1ResF(z)z z(zk 1ResF(z)z z(Z2z1) (z 1)(z 2)2z2) (z 1)(z 2)z11z22k 1f(kT)2k 1(2k02) (tkT) F(z)2z 1-122z z解答：長除法1 2z 16 10z6 2z 16 12z 1 6z2 10z 1 6z 212310z20z10zL _ * . f (t)6 (t) 10 (t T) L部分分式法:F(z) 64z z 1 (z 1)2f

42、(kT)6 4k_ *f (t)( 6 4k) (t kT)k 0留數(shù)法： 4,212ResF(z)zk6 4k1d2 6z 2z k 1z 1(z 1) -z z 1ds(z 1)f (kT)6 4k_ *f (t)( 6 4k) (t kT)k 0 F(z)0.5z 11.5z 1 0.5z 2解答：長除法12 .0.5z0.75z L1 1.5z 1 0.5z 20.5z 11230.5z0.75z0.25z0.75z 2 0.25z 30.75z2 1.125z 3 0.375z4L0.5 (t T) 0.75 (t 2T)L部分分式法：F(z)F(z)z0.5z(z 1)(z 0.5

43、)11f (kT) 1 (0.5)_ *kf (t)(1 (0.5) ) (t kT)k 0留數(shù)法：z 1 z 0.5 kz11,z20.5ResF(z)zk130.5z k 1,(z 1)z z 1(z 1)(z 0.5)_ k 10.5zResF(z)zk1z 0,5 (z 0.5)z(z 1)(z 0.5)k1z1(0.5)kf(kT) 1 (0.5)kf (t)(1 (0.5)k) (t kT)k 0(5) F(z)1 2z 1解答：長除法3 5z 1 L1 2z 1 z23 z3 6z 1 3z 25z 1 3z 21235z 10z 5zL_ * .f (t)3 (t T) 5 (

44、t 2T) L部分分式法：F(z) 322z z 1 (z 1) f (kT) 3 2k_ *f (t)( 3 2k) (t kT)k 0留數(shù)法：z1,21ResF(z)zk1z1(z 1)05zzkds (z 1)(z 0.5)1z12k 3f (kT) 2k 3_ *f (t)( 2k 3) (t kT)k 0(6) F(z)z(z 2)(z 1)2解答：長除法:4z2 5z 21 4z 1 5z 2 2z 3z 2 4z 3 L 12321 4z 5z 2zz2434 c 5z 4z 5z 2z334-54z 5z 2z.345 c (4z 16z20z 8zL_ * .f (t) (t

45、 2T) 4 (t 3T) L部分分式法：F(z) 111z z 2 z 1 (z 1)2F(z)z(z 1)2f(kT) 2k 1 kf*(t)(2k 1 k) (t kT)k 0留數(shù)法：F(z)中有一個(gè)單極點(diǎn)和兩個(gè)重極點(diǎn)z12 ,z2,3利用式(2.85)求出z 乙 2時(shí)的留數(shù)ResF(z)zk1zz1(zz2)2(z 2)(z 1)22k2利用式(2.86)求出zz2,31的留數(shù)，其中n 2。ReSF(z)zk 1zz23,3d / (z 1 ! dz1)2(z 2)(z 1)k 12z1z 1d dzk z (1kzk1(z 2) zk""(z1根據(jù)式(2.84)有

46、f(kT) 2k k 1從而_ *kf (t)(2 k 1) (t kT)k 02.15 舉例說明，z變換有幾種方法？解答：級(jí)數(shù)求和法，部分方式法，留數(shù)計(jì)算法。舉例見書上例題。2.16 簡述z變換的線性定理，并證明之。解答：線性定理： 線性函數(shù)滿足齊次性和迭加性，若Z f1(t)F1(z) ， Z f2(t) F2(z)a、b為任意常數(shù)，f(t) afi(t) bf2(t),則F (z) aF1(z) bF2(z)F(z)af1(kT)k0bf2(kT)zk證明： 根據(jù) z 變換定義f1(kT)z k b f2(kT)z k0k0aZ f1(t) bZ f2(t) aF1(z) bF2(z)證

47、畢。2.17 簡述z 變換的滯后定理，并證明之。解答：滯后定理(右位移定理)如果f (t)0 ，則Z f(t nT) z nF(z)證明： 根據(jù) z 變換定義Z f(t nT)f(kTk0k nT)zz n f(kTk0nT)z(k n)令 k n m ，則Z f(t nT) z n f(mT)zmnt 0 時(shí)，f (t) 0 (物理的可實(shí)現(xiàn)性) ，上式成為Z f(t nT) z n f(mT)z m z nF(z)m0證畢。2.18 簡述 z 變換的超前定理，并證明之。解答：超前定理(左位移定理)n1Z f(t nT)znF(z) znf(jT)zj0如果f(0T) f (T) L f (n 1)T0則Z f(t nT)znF(z)證明： 根據(jù) z 變換定義Z f(t nT)f (kT nT )zznf(kTk 0nT)z(k n)Z f(t nT)znf (rT)z rr nn 1znf(rT)zr f(rT)zrr 0r 0n 1znF(z)f(jT)z jj 0當(dāng) f(0T) f (T) Lf