微機控制技術習題

-.z第一章1．微型計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)的主要異同點是什么.

答：將續(xù)控制系統(tǒng)中的控制器用微型計算機來代替，就可以構成微型計算機系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中引入微型計算機后，控制規(guī)律便可由程序實現(xiàn)，微型計算機執(zhí)行相應的程序，實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制規(guī)律是由硬件電路實現(xiàn)的，改變控制規(guī)律就要改變硬件；而在微型計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是通過程序實現(xiàn)，改變控制規(guī)律只需改變程序。

在微型計算機控制系統(tǒng)中，微型計算機的輸入和輸出都是數(shù)字信號，而變換發(fā)送單元送出的信號，以及大多數(shù)執(zhí)行機構所能接收的信號，都是模擬信號。因此，系統(tǒng)中需要有A/D轉換器和D/A轉換器。連續(xù)控制系統(tǒng)不斷地測量，經過反響及補償后，對生產過程產生連續(xù)不斷的控制。

微型計算機控制系統(tǒng)是采樣控制系統(tǒng)。微型計算機每隔一個采樣周期T會對被控參數(shù)進展一次測量，根據(jù)一定控制規(guī)律算出控制量后，去控制生產過程。在兩次采樣時刻之間，微型計算機對被控參數(shù)不進展測量，其輸出控制量自然也保持不變。當用一臺微型計算機控制多個參數(shù)時，微型計算機按巡回測量控制方式工作。2.從微型計算機參與控制的方式上，微型計算機控制系統(tǒng)可分為哪幾類.各有什么特點.

答:可分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)〔DAS〕、直接數(shù)字控制系統(tǒng)〔DDC〕、監(jiān)視算機控制系統(tǒng)〔SCC〕、分散型控制系統(tǒng)〔DCS〕。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)〔DAS〕：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中微型計算機通過模擬量、開關量輸入通道進展數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)進展分析處理，以實現(xiàn)生產過程中的集中監(jiān)視及實現(xiàn)生產過程的操作指導。該系統(tǒng)中的微型計算機不直接參與生產過程控制，不會對生產過程產生直接影響。

直接數(shù)字控制系統(tǒng)〔DDC〕：微型計算機通過模擬量輸入通道、數(shù)字量輸入通道進展數(shù)據(jù)采集，然后按照一定的控制規(guī)律進展實時決策，最后通過模擬量輸出通道、數(shù)字量輸出通道輸出控制信號，實現(xiàn)對生產過程的直接控制。由于該系統(tǒng)中奪得微型計算機直接參與生產過程的控制，故要求微型計算機系統(tǒng)實時性好、可靠性高和環(huán)境適應性好。

監(jiān)視計算機控制系統(tǒng)〔SCC〕：SCC系統(tǒng)是一種兩級微型計算機控制系統(tǒng)，其中DDC級微型計算機完成生產過程的直接數(shù)字控制；SSC級微型計算機則根據(jù)生產過程的工作狀況和已定的數(shù)學模型，進展最優(yōu)化分析計算，產生最優(yōu)給定值，交由DDC級微型計算機執(zhí)行。

分散型控制系統(tǒng)〔DCS〕：DCS系統(tǒng)利用多臺微型計算機，采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調的設計原則，把系統(tǒng)從上而下分為過程控制級、控制管理級、生產管理級等假設干級，形成分布式控制。3．微型計算機控制系統(tǒng)的硬件由哪幾局部組成.各局部的作用是什么.

答：微型計算機系統(tǒng)有硬件和軟件組成。其中

微型計算機控制系統(tǒng)硬件主要由主機〔控制器〕、過程輸入輸出通道〔設備〕、操作設備、常規(guī)外部設備、通信設備、系統(tǒng)支持功能等組成。組成如下圖：

圖1.1微機控制系統(tǒng)硬件組成框圖1．主機

由微處理器、內存貯器〔RAM和ROM〕和系統(tǒng)總線構成的主機是控制系統(tǒng)的核心。2．過程輸入輸出通道

過程輸入輸出通道，是在微型計算機和生產過程之間起信息傳遞和變換作用的裝置，

它包括：模擬量輸入通道〔簡稱AI通道〕、數(shù)字量輸入通道〔簡稱DI通道〕、模擬量輸

出通道〔簡稱AO通道〕和開關量輸出通道〔簡稱DO通道〕。3．操作設備

系統(tǒng)的操作設備是微型計算機控制系統(tǒng)中人機交互的關鍵設備。操作設備一般由

LCD顯示器〔或其它顯示器〕、鍵盤、開關和指示燈等構成。4．常規(guī)外部設備

常規(guī)外部設備指鍵盤、終端、打印機、繪圖機、U盤等一類微機輸入輸出設備。5．通信設備

通信設備用于完成微型計算機控制系統(tǒng)的信息交換。6．系統(tǒng)支持功能

系統(tǒng)支持功能主要包含以下幾局部?！?〕監(jiān)控定時器〔2〕電源掉電檢測〔3〕保護重要數(shù)據(jù)的后備存貯體〔4〕實時日歷鐘〔5〕總線匹配〔或端接〕

軟件包含系統(tǒng)軟件和應用軟件兩個局部。軟件的優(yōu)劣關系到硬件功能的發(fā)揮和對生產過程的控制品質和管理水平。4．工業(yè)控制微型計算機與主要用于科學計算方面的微型計算機有何異同點.

答：工業(yè)控制微型計算機與主要用于科學計算方面的信息處理機是兩類不同用途的計算機。二者都是以微型計算機為核心所構成的裝置。與信息處理計算機相比，工控機具有可靠性高、環(huán)境適應性強、可維護性好、硬件配置上的可裝配性和可擴大性好、豐富的過程輸入/輸出能力、應用軟件豐富等特點。5．何謂微型計算機系統(tǒng)的實時性.如何保證微型計算機系統(tǒng)的實時性.

答：所謂“實時〞，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間*圍內完成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進展處理，并在一定的時間內作出反響并進展控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。實時性指標涉及一系列時間延遲，如儀表延遲、輸入延遲、運算處理延遲、輸出延遲等。另外，中斷是微型計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)實時控制的一個十分重要的功能。6．簡述DDC和SCC系統(tǒng)的工作原理。

答：直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))：DDC(DirectDigitalControl)系統(tǒng)就是通過檢測元件對一個或多個被控參數(shù)進展巡回檢測，經輸入通道送給微機，微機將檢測結果與設定值進展比擬，再進展控制運算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構，使系統(tǒng)的被控參數(shù)到達預定的要求。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機在工業(yè)生產過程中最普遍的一種應用形式。其原理框圖如下列圖所示。

計算機監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))：SCC(SupervisoryputerControl)系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更接近生產變化的實際情況，因為在DDC系統(tǒng)中計算機只是代替模擬調節(jié)器進展控制，系統(tǒng)不能運行在最正確狀態(tài)，而SCC系統(tǒng)不僅可以進展給定值控制，并且還可以進展順序控制、最優(yōu)控制以及自適應控制等。其原理框圖如下列圖所示。

7．進一步查閱資料，了解計算機控制系統(tǒng)的開展趨勢。

答：大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的開展，提高了計算機的可靠性和性能價格比，從而使計算機控制系統(tǒng)的應用也越來越廣泛。為更好地適應生產力的開展，擴大生產規(guī)模，以滿足對計算機控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求，目前計算機控制系統(tǒng)的開展趨勢有以下幾個方面：a.普及應用可編程序控制器

b.采用集散控制系統(tǒng)

c.研究和開展智能控制系統(tǒng)

第二章1．在模擬量輸入輸出通道中，采樣保持器起何作用.是否在所有的模擬量輸入輸出通道中都需要采樣保持器.為什么.

答：采樣保持器的作用：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進展A/D轉換時間內，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉換器之前參加采樣保持器。

不是在所有的模擬量輸入輸出通道中都需要采樣保持器。當被測信號變化緩慢時，假設A/D轉換器轉換時間足夠短，則可以不加采樣保持器。2．A/D轉換器的轉換速度主要根據(jù)系統(tǒng)模擬量輸入點數(shù)和輸入模擬量的最高頻率來選擇?，F(xiàn)假設模擬量輸入點數(shù)為8，最高信號頻率分別為2kHz和10kHz，則A/D轉換器的轉換速度各為多少.

答：當最高信號頻率為2KHz時A/D轉換器的轉換速度至少為：當最高信號頻率為10KHz時A/D轉換器的轉換速度至少為

3．A/D轉換器的分辨率和線性誤差兩技術指標含義上有何不同.

答：分辨率是衡量A/D轉換器分辨輸入模擬量最小變化程度的技術指標。

線性誤差是指A/D轉換器的理想轉換特性應該是線性的，但實際轉換特性并非如此。在滿量程輸入*圍內，偏移理想轉換特性的最大誤差定義為線性誤差。4．設計一塊PC總線或其他總線的32路單輸入12位A/D轉換模板。A/D轉換器選AD574A，所需的多路開關、運算放大器、采樣保持器和其他器件自選，要考慮總線驅動。轉換完畢后用中斷方式通知主機，系統(tǒng)分配給該模板的地址為2C8H～2CFH〔或另行分配〕。1〕設計該模板的硬件原理圖。2〕設計數(shù)據(jù)采集程序，系統(tǒng)每隔一個采樣周期T=2s，對32路輸入巡回采樣一

遍，采集到得數(shù)據(jù)送以BUFE為首地址的內存緩沖區(qū)中。3〕計算出該模塊的最高數(shù)據(jù)采集頻率〔各器件的有關參數(shù)可通過查閱手冊得到〕。

解：1〕硬件原理圖如下列圖所示：2〕

AD574

PROC

NEAR

MOV

C*,32MOVBL,00000000BLEASI,BUFNE*TCH:MOVD*,212HMOVAL,BL

OUTD*,AL

NOP

NOP

ORAL,01000000B

OUTD*,AL

NOP

ANDAL,10111111B

OUTD*,AL

MOVD*,210HPOLING:INAL,D*

TESTAL,80H

JNZPOLING

MOVAL,BL

ORAL,00010000B

MOVD*,212H

OUTD*,AL

ORAL,01000000H

OUTD*,AL

MOVD*,210H

INAL,D*

ANDAL,0FH

MOVAH,AL

INCD*

INAL,D*

MOV[SI],A*

INCSI

INCSI

INCBL

LOOPNE*TCH

MOVAL,00111000B

MOVD*,212H

OUTD*,AL

RET

AD574

END

3〕AD574速度：

25μs;

AD625速度：

40ns

LF398速度:

10μs

CD4051速度：500ns故該模塊的最高數(shù)據(jù)采集頻率為40K.5.設ADC0809與CPU的連接如圖2-45所示。要求用查詢方式采樣來自IN4通道的輸入信號，采樣100點，采樣數(shù)據(jù)存入ADBUF緩沖區(qū)，試編程實現(xiàn)。解：編程：OUT84H,ALMOVR1，*64HLOOP:

DECR1WAIT:

INAL,70HTESTAL,01HJZWAITINR0,60HDECR0CJNER1,*00H,LOOP6.試設計一個數(shù)據(jù)采集電路，要求該電路能對8路模擬信號進展連續(xù)巡回檢測，電壓轉換*圍0～10V，相對精度0.05%，采樣間隔為1s，按此要求畫出巡回檢測系統(tǒng)的電路原理圖，并答復以下問題：1〕在該電路中A/D轉換器至少應采用多少位的.2〕該電路的A/D轉換器轉換完成，采用何種方式了解.3〕編寫啟動A/D轉換器及讀取轉換結果的程序段。4〕畫出實現(xiàn)8路巡回采樣的程序流程圖。解：電路圖如下：1〕7位2〕STS，A/D轉換器轉換完畢標志3〕啟動：ORAL,01000000B

OUT

D*,ALNOP

讀轉換結果：MOV

D*,210HPOLING:INAL,D*TESTAL,80HJNZPOLINGMOVAL,BLORAL,00010000BMOVD*,212HOUTD*,ALORAL,01000000HOUTD*,ALMOVD*,210HINAL,D*ANDAL,0FHMOVAH,ALINCD*INAL,D*MOV[SI],A*4〕程序流程圖：

7.*熱處理爐溫度變化*圍為0～1350℃，經溫度變送器變換為1～5V電壓送至ADC0809.當T=kT時，ADC0809的轉換結果為6AH，問此時的爐內溫度為多少度.解：爐內溫度

8．編制一個能完成中值加均值濾波的子程序，設m=8,8個采樣值排序后，取中間的四個采樣值平均。采樣值為12位2進制數(shù)。MOV

C*,8DEC

C*LOP1：

MOV

D*,C*LOP2：

MOV

A*,DATA[B*]CMP

A*,DATA[B*+2]E

CONTI*CHG

A*,DATA[B*+2]MOV

DATA[B*],A*CONTI:

ADD

B*,2LOOP

LOP2MOV

C*,D*MOV

B*,0LOOP

LOP1MOV

C*,3MOV

A*,DATA[B*+4]LOP3：

ADD

B*,2ADC

A*,DATA[B*+4]LOOP

LOP3MOV

DL,4DIV

DL

9．DAC0832用做波形發(fā)生器。試根據(jù)圖2-46中的接線，分別寫出產生鋸齒波、三角波和方波的程序，產生的波形如圖2-47所示。解：三角波程序：MOV

AL,0LOP1：

MOV

D*,230HOUT

D*,ALMOV

D*,ALINC

ALCMP

AL,FFH

LOP1LOP2：

MOV

D*,230HOUT

D*,ALMOV

D*,240HMOV

D*,ALDEC

ALCMP

AL,0JA

LOP2JMP

LOP1

方波程序：MOV

AL,FFHSTART:

MOV

D*,230HOUT

D*,ALMOV

D*,240HOUT

D*,ALMOV

C*,0LOP1：

NOPNOPLOOP

LOP1*OR

AL,FFHJMP

START

鋸齒波程序：MOV

AL,0START:

MOV

D*,230HOUT

D*,ALMOV

D*,240HOUT

D*,ALINC

ALJMP

START

10.欲利用兩片DAC0832控制執(zhí)行機構實現(xiàn)*-Y繪圖儀功能。設所測待繪曲線的數(shù)據(jù)分別存入ARRAY1和ARRAY2數(shù)據(jù)區(qū)中，數(shù)據(jù)區(qū)中長度為30H，請編程實現(xiàn)將ARRAY1和ARRAY2兩片數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)分別從1*和2*DAC0832同時繪出，控制*-Y繪圖儀繪出所測曲線〔DAC0832與總線接口電路如圖2-48所示，設1*和2*DAC0832的端口輸入存放器地址為320H、321H，DAC存放器地址為323H〕。MOV

C*,30HMOV

B*,0LOP1：

MOV

AL,ARRAY1[B*]MOV

D*,320HOUT

D*,ALMOV

AL,ARRAY2[B*]MOV

D*,321HOUT

D*,ALMOV

D*,323HOUT

D*,ALINC

B*LOOP

LOP1

第三章

1.數(shù)字濾波與模擬濾波相比有什么特點.

答：1〕數(shù)字濾波不需要硬件設備，可靠性高、穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題；

2〕數(shù)字濾波用程序實現(xiàn)，多個輸入通道可“共用〞同一個濾波程序、不需要增加硬件設備，降低了本錢；3〕對于不同的干擾，通過修改數(shù)字濾波程序或改變其中的參數(shù)，可以實現(xiàn)不同濾波方法，與模擬濾波器只能改變硬件相比更加靈活和方便；4〕數(shù)字濾波能對頻率很低〔如0.01Hz〕的干擾進展處理，克制了模擬濾波器受電容容量的限制，頻率不能太低的補償。2.常用的數(shù)字濾波方法有幾種.他們各自有什么優(yōu)缺點.答：1〕算術平均數(shù)濾波：算術平均數(shù)濾波對周期性干擾有良好的抑制作用，采用算術平均數(shù)濾波后，信噪比提高了，但它對脈沖干擾的抑制效果不夠理想，不適合脈沖性干擾比擬嚴重的場合；2〕加權算術平均值濾波：它適用于系統(tǒng)純延遲時間常數(shù)較大而采樣周期較短的情況。一般是越新的采樣值賦給較大的比例，增加新采樣值在濾波結果中的比例，盡量真實的反映系統(tǒng)所受干擾的影響情況。但采用加權算術平均值濾波方法需要測試不同過程的純延遲時間常數(shù)，并不斷計算各加權系數(shù)，增加了計算量，降低了控制速度，因而其實際應用不如算術平均值濾波方法；3〕滑動平均值濾波：滑動平均值濾波方法對周期性干擾有良好的抑制作用，既少占用時間，又能到達較好的濾波效果，但對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾的抑制作用差，不易消除由于脈沖干擾引起的采樣值偏差，因此不適用于脈沖干擾比擬嚴重的場合，而適用于高頻振蕩系統(tǒng)；4〕中值濾波：中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈沖干擾比擬有效，對溫度、液位等變化緩慢的被測參數(shù)采用此方法能收到良好的濾波效果，但對流量、速度等快速的被測參數(shù)一般不易采用；5〕防脈沖干擾的算術平均值濾波：這種方法兼有算術平均值濾波和中值濾波的優(yōu)點，對快變和慢變參數(shù)都有抑制干擾的作用，有利于提高采樣的真實性，但對運算工作量較大，會影響系統(tǒng)的實時性。當采樣點數(shù)為3時，它便是中值濾波。在實際應用中，為了加快測量計算速度，

n一般不能太大；6〕程序判斷濾波：程序判斷濾波對抑制帶有隨機性的干擾較為有效，具體應用時的關鍵問題是最大變化量的選取，對不同的對象特性，使用不同的采樣周期、系統(tǒng)不同的給定輸入形式〔階躍、等速或加速〕，都影響到值的選擇；7〕慣性濾波：這種方法模擬了具有較大慣性的低通濾波功能，當目標參數(shù)為變化很慢的物理量時，效果很好，但帶來了相位滯后，滯后相位角度的大小與

的選擇有關。該方法不能濾除頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號。出慣性濾波外，同樣可用軟件來模擬高通濾波和帶通濾波。3.算術平均值濾波、加權算術平均值濾涉及滑動平均值濾波三者的區(qū)別是什么.

答：算術平均值濾波和加權算術平均值濾波有一個共同點，即每個計算輸出1次有效采樣值必須連續(xù)采樣n

次。對于采樣速度較慢或要求數(shù)據(jù)計算速率較高的實時系統(tǒng)，需要對濾波方法進展改良。采用滑動平均值濾波方法時，每進展一次采樣可以計算出一個新的有效采樣值，從而加快數(shù)據(jù)處理的速度。4.標度變換在工程上有什么意義.在什么情況下使用標度變換程序.答：標度變換在工程上意義：為了能直接誒顯示或打印被測工程量值，必須將它們轉換成為有量綱的數(shù)值。對于一般的線性儀表來說，參數(shù)值與A/D

轉換結果之間是線性關系時使

用線性標度變換公式；有時微型計算機從模擬量輸入通道得到的有關過程參數(shù)的數(shù)字信號與該信號所代表的物理量不一定成線性關系，則其標度變換公式應使用非線性標度變換公式。5.數(shù)字控制器的連續(xù)化設計步驟是什么.答：1〕求出模擬控制器的傳遞函數(shù)D(s)；

2〕選擇適宜的采樣周期；

3〕將D(s)離散化，求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。6.數(shù)字控制器的離散化設計步驟是什么.

答：1〕已交給你被控對象的傳遞函數(shù)(s)

,可以求出廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)

G(z)

；

2〕根據(jù)系統(tǒng)的性能指標要求和其他約束條件，確定系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)；

3〕根據(jù)式〔3-34〕解析求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)；

4〕

驗證D(z)能否滿足系統(tǒng)的性能指標要求，如果不滿足，則進展修正；

5〕根據(jù)驗證合格的D(z)，求出對應的差分方程，編寫程序實現(xiàn)；

6〕與硬件連接，進展系統(tǒng)調試。7.*連續(xù)控制器設計為

使用雙線性變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器D(z).答：雙線性變法:把

代入，則

前向差分法：把

代入，則

后向差分法：把

代入，則

8.在PID控制器中，系數(shù)、、各有什么作用.它們對控制品質有什么影響.

答：1、系數(shù)

為比例系數(shù)，提高系數(shù)可以減小偏差，但永遠不會使偏差減小到

零，而且無止境的提高系數(shù)最終導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速性。2、系數(shù)為積分常數(shù)，越大積分作用越弱，積分調節(jié)器的突出優(yōu)點是，只要被調量存在偏差，其輸出的調節(jié)作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零。在被調量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點，輸出將停留在新的位置而不回復原位，因而能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點，其動作過于緩慢，因而在改善靜態(tài)品質的同時，往往使調節(jié)的動態(tài)品質變壞，過度過程時間加長。積分調節(jié)可以消除偏差，提高控制精度。3、系數(shù)為微分常數(shù)，越大微分作用越強。微分調節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的相應速度，減小超調，克制振蕩，消除系統(tǒng)慣性的影響。9.什么是數(shù)字PID位置式控制算法和增量式控制算法.是比擬它們的優(yōu)缺點。答：為了實現(xiàn)微機控制生產過程變量，必須將模擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字

PID算法，為此，在采樣周期T遠小于信號變化周期時，作如下近似〔T足

夠小時，如下逼近相當準確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近〕：

于是有：

u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構的位置〔如控制閥門的開度〕一一對應，所以稱之為位置型PID算法。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量u(k)不僅與本次偏差有關，還與過去歷次采樣偏差有關，使得u(k)產生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以實際中當執(zhí)行機構需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可以采用增量型PID算法。當控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進電機、電機調節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一般均采用增量型PID控制算法。

與位置算法相比，增量型PID算法有如下特點：1〕位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調節(jié)器的積分飽和，在精度缺乏時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。2〕為實現(xiàn)手動——自動無憂切換，切換瞬時，計算機的輸出值應設置為原始閥門開度

，假設采用增量算法，其輸出對應于閥門位置的變化局部，即算式中不出現(xiàn)

項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無憂動切換。3〕采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具有存放作用，所以即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產造成惡劣影響。10.有哪幾種改良的數(shù)字PID控制算法.答：有四種?！?〕.積分別離PID控制算法；〔2〕不完全微分PID控制算法；〔3〕帶死區(qū)的PID控制算法；〔4〕消除積分不靈敏區(qū)的PID控制算法。11.什么是積分飽和現(xiàn)象.它是怎么被引起的.通常采用什么方法克制積分飽和.答：所謂積分飽和現(xiàn)象是指假設系統(tǒng)存在一個方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而加大，從而導致u(k)到達極致位置。此后假設控制器輸出繼續(xù)增大，u(k)也不會再增大，即系統(tǒng)輸出超出正常運行*圍而進入了飽和區(qū)。一旦出現(xiàn)反向偏差，u(k)逐漸從飽和區(qū)退出。進入飽和區(qū)愈深則退飽和時間愈長。此段時間內，執(zhí)行機構仍停留在極限位置而不能隨著偏差反向立即作出相應的改變，這時系統(tǒng)就像失去控制一樣，造成控制性能惡化。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象。積分飽和現(xiàn)象產生的原因：〔1〕調節(jié)器長期處于開環(huán)狀態(tài)；〔2〕調節(jié)器具有積分控制作用；〔3〕調節(jié)器輸入偏差長期得不到校正。對標準數(shù)字PID控制算法中積分項進展約束，可以防止積分飽和現(xiàn)象的發(fā)生，方法之一是進展積分別離。12.簡述擴大臨界比例度法、擴大響應曲線法整定PID參數(shù)的步驟。答：擴大臨界比例度法：(1〕選擇一個足夠短的采樣周期，它一般應為被控對象的純滯后時間的1/10以下；(2〕用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作在純比例控制方式下，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅震蕩，記下使系統(tǒng)發(fā)生震蕩的臨界比例系數(shù)及系統(tǒng)的臨

界震蕩周期;〔3〕選擇控制度。擴大響應曲線法：1〕數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，用手動操作，把被調量調到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來，然后突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號；2〕用記錄儀表記錄被調量在階躍輸入下的整個變化過程曲線；3〕在曲線最大斜率處做切線，求得滯后時間，被控對象時間常數(shù)以及它們

的比值;4〕由求得的、及查表3-3，即可求得數(shù)字PID控制器的有關參數(shù)、

、及采樣周期。13.采樣周期的選擇需要考慮哪些因素.答：〔1〕從品質上看，希望采樣周期短，以減小系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度。通常保證在95%的系統(tǒng)的過渡過程內，采樣6次~15次即可；

〔2〕從快速性和抗擾性方面考慮，希望采樣周期盡量短，這樣給定值的改變可以迅速地通過采樣得到反映，而不致產生過大的延時；

〔3〕從計算機的工作量和回路本錢考慮，采樣周期T應長些，尤其是多回路控制時，應使每個回路都有足夠的計算時間，當被控對象的純滯后時間較大時，常選T=(1/4~1/8)

;

〔4〕從計算精度方面考慮，采樣周期T不應過短，當主機字長較小時，假設T過短，將是前后兩次采樣值差異小，調節(jié)作用因為會減弱。另外，假設執(zhí)行機構的速度較低，會出現(xiàn)這樣情況，即新的控制量已輸出，而前一次控制還沒完成，這樣采樣周期再短也將毫無意義，因次T必須大于執(zhí)行機構的調節(jié)時間。14.什么是最小拍數(shù)字控制系統(tǒng).在最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)的設計中應當考慮哪些因素.答：最小拍數(shù)字控制系統(tǒng)就是一種時間最優(yōu)控制。

在最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)的設計中應當考慮的因素：(1)最少拍數(shù)字控制器的輸入：1)3種典型的輸入型號；2)閉環(huán)誤差脈沖傳遞函數(shù)的初步確定；3)3種輸入信號下的誤差序列。(2)最少拍數(shù)字控制器的穩(wěn)定性設計；(3)最少拍控制系統(tǒng)的局限性；15.什么是振鈴現(xiàn)象.如何消除振鈴現(xiàn)象.答：振鈴現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出以接近1/2采樣頻率的頻率，大幅度衰減震蕩。消除振鈴現(xiàn)象的方法：先找出數(shù)字控制器中產生振林現(xiàn)象的極點，令其中

z=1。這樣便取消了該極點，即可消除振鈴現(xiàn)象。16.與PID控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制具有哪些優(yōu)點.答：與PID控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制具有哪些優(yōu)點：〔1〕模糊控制可以應用于具有非線性動力學特征的復雜系統(tǒng)；〔2〕模糊控制不用建立對象準確的數(shù)字模型；〔3〕模糊控制系統(tǒng)的魯棒性好；〔4〕模糊控制是以人的控制經歷作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語

言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法。

17.模擬控制器的傳遞函數(shù)為試寫出相應數(shù)字控制器的位置式和增量式控制算式，設采樣周期T=0.2s。解：根據(jù)，T=0.2s得：又

得數(shù)字控制器位置式控制算式類推得數(shù)字控制器增量式控制算式18.

被控對象的傳遞函數(shù)為

采樣周期T=1s，要求采用大林算法設計數(shù)字控制器D(z)，并求取u(k)的遞推形式。解：由題可知則設又得：19.被控對象的傳遞函數(shù)為

19.采樣周期T=1s，采用零階保持器，針對單位速度輸入函數(shù)，設計：1〕最少拍控制器D(z);2〕畫出數(shù)字控制器的輸出和系統(tǒng)的輸出曲線解：〔1〕廣義對象脈沖傳遞函數(shù)，即根據(jù)中與輸入形式有關得到由此得，數(shù)字控制器的數(shù)學模型為：〔2〕數(shù)字控制器的輸出和系統(tǒng)的輸出曲線如圖：20.控制系統(tǒng)的被控對象傳遞函數(shù)為采樣周期T=1s，使用大林算法設計D(z)。解：由題可知令又其中則：21.在題20中，假設選閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)，是否會出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象.如何消除.解：當時如上式可知會出現(xiàn)震鈴現(xiàn)象，只有消除項才能消除，即當z=1帶入原式得22.

設廣義被控對象的脈沖傳遞函數(shù)為

試針對單位速度輸入，設計最少拍吳文博數(shù)字控制器，并計算數(shù)字控制器輸入和系統(tǒng)輸出。當參數(shù)變化，使得

時，假設D(z)保持不變么系統(tǒng)輸出響應如何變化.解：根據(jù)最少拍無紋波設計原則：零點包含的零點，包含項，得根據(jù)中與輸入形式有關，方次與一樣，得到解聯(lián)立方程，得

由此，數(shù)字控制器的數(shù)學模型為：閉環(huán)系統(tǒng)的輸出序列為：數(shù)字控制器的輸出序列為：當參數(shù)變化時不變，不變，所以系統(tǒng)輸出響應不會變化。

第四章1.工業(yè)現(xiàn)場存在哪些主要干擾，其傳播途徑什么.答：噪聲干擾，過程通道干擾和供電系統(tǒng)。其傳播途徑有：噪聲干擾時電磁信號通過空間輻射進入系統(tǒng)的。過程通道干擾是通過與系統(tǒng)相連的前向通道，后向通道以其他系統(tǒng)的互聯(lián)通道進入系統(tǒng)供電系統(tǒng)干擾則是電磁信號通過供電線路進入系統(tǒng)的2.如何抑制串共模干擾和長線傳輸干擾.答：在多路轉換器輸入端接入共模扼流圈，可抑制外部傳感器引入的高頻共模噪聲。而轉換器高頻采樣時產生的高頻噪聲，應在CPU與A/D芯片之間采用光電耦合器隔離。抑制長線傳輸干擾：阻抗匹配，隔離技術，合理布配線3.微型計算機控制系統(tǒng)中的地一般分為幾種.答：低電平電路地線〔稱為“信號〞地線〕，繼電器，電動機等的地線〔稱為“噪聲〞地線〕。設備機殼地線〔稱為“金屬件〞地線〕4.在微型計算機控制系統(tǒng)中，采用容錯設計有何意義.答：容錯就是允許系統(tǒng)發(fā)生故障，借助冗余技術使其自動抵消，在故障存在的情況下也能使系統(tǒng)正常運行。未采用容錯技術的微機控制系統(tǒng)，不管它的規(guī)模大小，元器件的焊接點的多少，只要一處發(fā)生故障就有可能引起全系統(tǒng)的失效，以前的容錯在微機控制系統(tǒng)根本上都是構造比擬特殊、專用性很強的系統(tǒng)，由于容錯代價太大，限制了容錯系統(tǒng)的應用。當目前計算機硬件本錢大大降低，同時，計算機已經進入社會的各個領域，人們對計算機的依賴越來越大，在許多場合下計算機的故障會帶來巨大的損失。5.有幾種容錯構造.各種構造有何區(qū)別.答：2種，〔1〕N中取K容錯構造：N中取K構造，是用硬件實現(xiàn)容錯系統(tǒng)的根底構造；構造中總共有N份一樣的模塊，其中至少有K個是正常的，構造才能運行。構造能夠容忍〔N—K〕個獨立的故障，分別出現(xiàn)在N—K個模塊之中?；蛘哒f，構造容忍故障的能力n=N—K，這是在保證構造還能運行的條件下構造中可以失效的最多模塊數(shù)?！?〕有人維修的高可靠率雙模系統(tǒng)：前面講述的N中取K容錯構造，是指在無人維修條件下要求執(zhí)行長期任務的系統(tǒng)，所以要采用多套設備。對于有人維修的系統(tǒng)，如果一有故障就能排除，則兩個模塊就足以起到無窮多模塊的作用，因此雙模冗余系統(tǒng)備受人們的重視。6隔離放大器有哪些特點.答：隔離放大器是一種輸入電路和輸出電路之間電氣絕緣的放大器，一般采用變壓器或光耦合傳遞信號對模擬信號進展隔離,并按照一定的比例放大。在這個隔離、放大的過程中要保證輸出的信號失真要小，線性度、精度、帶寬、隔離耐壓等參數(shù)都要到達使用要求。對被測對象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以隔離,從而提高共模抑制比,同時保護電子儀器設備和人身平安。

7簡述看門狗〔watchdog〕技術.答：在由單片機構成的微型計算機系統(tǒng)中，由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，造成程序的跑飛，而陷入死循環(huán)，程序的正常運行被打斷，由單片機控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作，會造成整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài)，發(fā)生不可預料的后果，所以出于對單片機運行狀態(tài)進展實時監(jiān)測的考慮，便產生了一種專門用于監(jiān)測單片機程序運行狀態(tài)的芯片，俗稱"看門狗"是一個定時器電路，一般有一個輸入，叫喂狗，一個輸出到MCU的RST端，MCU正常工作的時候，每隔一段時間輸出一個信號到喂狗端，給WDT清零，如果超過規(guī)定的時間不喂狗，〔一般在程序跑飛時〕，WDT定時超過，就會給出一個復位信號到MCU，使MCU復位.防止MCU死機.看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。工作原理：在系統(tǒng)運行以后也就啟動了看門狗的計數(shù)器，看門狗就開場自動計數(shù)，如果到了一定的時間還不去清看門狗，則看門狗計數(shù)器就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復位。8.簡述提高軟件設計可靠性的措施.答：1.采用面向對象的系統(tǒng)開發(fā)方法2.選用適宜的開發(fā)工具3.采用構造化的程序設計方法4.程序設計風格化5.經過嚴格的測試6．設置必要的錯誤處理和錯誤陷阱7.選擇典型的單位試運行

第五章1.簡述基帶傳輸和頻帶傳輸?shù)奶匦?

答：基帶傳輸不需要調制解調器，設備花費少，適用于短距離小*圍的數(shù)據(jù)傳輸，分級分布式控制系統(tǒng)通常采用這種方式連接各級微型計算機。頻帶傳輸使用調制解調技術，發(fā)送方對待發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)進展先行編碼，將編碼后的數(shù)字信號調制到一個更高頻率載波信號上，通信信道上傳輸?shù)氖钦{制后的模擬信號。承受方接收模擬信號后，通過解調從模擬信號中提取出數(shù)字信息送至目的設備。2.信號調制的方法有哪幾種.答：3種方法，幅值調制〔ASK〕、頻率調制〔FSK〕和相位調制〔PSK〕。3.簡述異步傳輸和同步傳輸?shù)牟町?答：異步傳輸將數(shù)據(jù)位流劃分為字節(jié)，每次傳送一個字節(jié)〔即8個二進制位〕，獨立傳輸每個字節(jié)，即后一個字節(jié)的傳輸與前一個字節(jié)的傳輸無關，同時，收發(fā)雙方同樣需要進展時鐘同步。同步傳輸一次可以傳輸多個字節(jié)的數(shù)據(jù)，收發(fā)雙方使用同一個時鐘信號，規(guī)定時鐘信號的*個特定狀態(tài)(下降沿時)，數(shù)據(jù)信號線上的信號有效。4.簡述常用網(wǎng)絡拓撲構造類型及其優(yōu)缺點。答：1.網(wǎng)狀拓撲構造，優(yōu)點是：任意兩個設備間有自己專用的通信通道，不會產生網(wǎng)絡沖突，當*個設備發(fā)生故障時，不會影響網(wǎng)絡中其他設備的通信。缺點是：硬件實現(xiàn)比擬困難，需要的電纜多，n個結點的網(wǎng)絡至少需要n(n-1)/2條連接電纜，安裝本錢高，向網(wǎng)絡中添加或刪除結點都非常困難。2.星形拓撲構造，優(yōu)點是：硬件安裝比擬簡單本錢，向網(wǎng)絡中添加或刪除結點簡便。缺點是：如果中心結點發(fā)生故障，整個網(wǎng)絡通信將完全癱瘓；另外，由于網(wǎng)絡各設備間不能直接通信，需要通過中心結點轉發(fā)，因此通信時會帶來一定的時間延遲?？偩€型拓撲構造，優(yōu)點是：安裝簡單，所需要電纜數(shù)比星型網(wǎng)絡少，可以較方便地在網(wǎng)絡中添加或刪除結點。缺點是：如果主干電纜發(fā)生故障，則整個網(wǎng)絡將癱瘓，并且很難確定出現(xiàn)故障的位置。3.環(huán)形拓撲構造，優(yōu)點是：環(huán)狀網(wǎng)絡的硬件安裝相對簡單，發(fā)生故障時比擬容易確定故障位置。缺點是：環(huán)中任意一個節(jié)點發(fā)生故障都會導致整個網(wǎng)絡癱瘓;雖然比擬容易實現(xiàn)在網(wǎng)絡添加和刪除結點，但添加或刪除結點時整個網(wǎng)絡不能工作。5.簡述OSI參考模型的層次構造以及各層次功能。答：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表達層和應用層。物理層功能：物理層是通信網(wǎng)上各設備之間的物理接口，它主要定義了通信設備的機械特性、電氣特性、功能特性和過程特性。數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層功能是將物理層從一個原始的傳輸工具轉變成一個可靠的鏈路，它負責將被傳送的數(shù)據(jù)按幀格式化，完成介質控制，過失控制，以及物理層的管理等。網(wǎng)絡層：網(wǎng)絡層功能就是實現(xiàn)節(jié)電的交換功能，實現(xiàn)端節(jié)點和端節(jié)點之間實現(xiàn)正確無誤的信息傳送。傳輸層：主要是完成從終端端點到另一種短短點的可靠傳輸效勞。應用層：應用層是向網(wǎng)絡使用者提供一個方便有效的網(wǎng)絡應用環(huán)境。6.常用介質技術有哪些.各有什么特點.答：帶沖突檢測的載波偵聽多路、令牌傳遞、查詢和時分多址等。

帶沖突檢測的載波偵聽多路：多路技術規(guī)定，鏈路上的所有結點都可以隨時發(fā)送數(shù)據(jù)幀；令牌傳遞：能夠確定哪個節(jié)點獲得總線使用權；查詢：主結點控制鏈路，依次詢問所有從結點是否需要發(fā)送選擇幀；時分多址：時分多址技術將鏈路的整個通信帶寬作為一個通信信道，鏈路上所有結點分時間共享這一信道。7.列舉采用CSMA/CD技術的網(wǎng)絡。答：實時以太網(wǎng)、PROFINET、EtherNet/IP、高速以太網(wǎng)HSE8.說明流控制的作用。答：流控制是確保接收方不會被發(fā)送方連續(xù)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀“淹沒〞的機制。9.詳細說明選擇重傳協(xié)議的工作機制。答：重傳協(xié)議只重發(fā)沒有正確接收的幀，而不是重發(fā)所有的幀。發(fā)送方為每個發(fā)送的幀設置一個定時器，收到應答就停頓計時，超時未收到應答，說明幀喪失或出錯，重發(fā)該幀。接收方收到序號正確的幀，就向發(fā)送方發(fā)送ACK應答信號，如果發(fā)現(xiàn)序號不連接，有喪失幀現(xiàn)象，就向發(fā)送方發(fā)送NAK信號，請求重發(fā)制定序號的幀。10.列舉3種采用數(shù)據(jù)報交換技術的協(xié)議。答：HDLC協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、UPD協(xié)議。11.簡述ARP和RARP的功能。答：ARP提供一種高效又便于維護的動態(tài)地址綁定機制，通信前發(fā)送方先播送一個特殊的分組，請求*個IP地址的主機響應，該主機應答時恢復自己的物理地址，發(fā)送方收到物理地址后就可以進展通信了。RARP功能與ARP相反，是根據(jù)網(wǎng)絡硬件的物理地址，請求獲得IP地址的協(xié)議。12.簡述UDP和TCP的特點及適用場合。

答：UDP提供不可靠無連接的數(shù)據(jù)報傳輸效勞，使用IP實現(xiàn)報文傳輸，根據(jù)協(xié)議端口號確定收發(fā)雙方的應用程序，適用于一個效勞器需要對多個客戶端頻繁的小數(shù)據(jù)請求進展效勞的情況。TCP提供可靠的面向連接的數(shù)據(jù)流傳輸效勞，TCP偏重于可靠性，而不是實時性，適用于一對一的傳輸大量數(shù)據(jù)的場合。

第六章1、微型計算機控制系統(tǒng)設計原則中，最重要的是什么.答：可靠性是系統(tǒng)設計最重要的原則，因為一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將引起整個生產過程混亂，造成嚴重后果。2、微型計算機控制系統(tǒng)設計的步驟通常包括哪些內容.答：主要包括確定系統(tǒng)的控制任務和總體設計方案，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型和確定控制算法，系統(tǒng)硬、軟件設計，系統(tǒng)硬、軟件的分調與聯(lián)調，系統(tǒng)模擬測試，系統(tǒng)現(xiàn)場投運等。3、微型計算機控制系統(tǒng)總體方案的設計應從哪幾方面考慮.答：1〕確定控制方案；根據(jù)系統(tǒng)要求，確定采用開環(huán)控制還是混合控制。2〕確定系統(tǒng)的構成方式；控制方案確定之后，需要選擇微處理器，確定系統(tǒng)的構成方式。3〕現(xiàn)場設備選擇；現(xiàn)場設備選擇主要包括傳感器、變送器和執(zhí)行機構的選擇，以及人機聯(lián)系方式確定等。4〕確定軟硬件分工；對系統(tǒng)的軟硬件功能作出劃分。4、微型計算機控制系統(tǒng)設計中，其控制算法的選擇應考慮哪些因素.答：控制算法的選定應滿足系統(tǒng)控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求?？梢栽诳刂葡到y(tǒng)中設計多種控制算法，通過數(shù)字仿真或試驗進展分析比照，選擇最正確的控制算法。5、微型計算機控制系統(tǒng)設計中，其軟、硬件的設計應分別從哪幾方面進展考慮.答：軟件設計應從以下幾方面考慮：1〕實時性；2〕靈活性和通用性；3〕可靠性。硬件設計應從以下幾方面考慮：1)根據(jù)控制任務的復雜程度、控制精度以及實時性要求等選擇主機板。2)根據(jù)程序和數(shù)量的大小等選擇存儲器板。3)根據(jù)模擬量輸入通道〔AI〕、模擬量輸出通道〔AO〕點數(shù)、分辨率和精度，以及采集速度等選A/D、D/A板。4)根據(jù)開關量輸入通道〔DI〕、開關量輸出通道〔DO〕點數(shù)和其他要求選擇開關量輸入\輸出板。5)根據(jù)人機聯(lián)系方式選擇相應的接口板。6)根據(jù)需要選擇各種外設接口板、通信板、濾波板。

第七章

1.什么是DCS?其根本設計思想是什么?答:DCS是一種結合了儀表控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)〔DDC〕兩者的優(yōu)勢而出現(xiàn)的全新控制系統(tǒng)，它很好地解決了DDC將所有的控制回路都集中在主CPU中而引起的兩個問題，即可靠性問題和實時性問題。其根本設計思想是：集中管理、分散控制。2.簡述DCS的體系構造及各層次的主要功能。答：DCS體系構造分為四層構造，即現(xiàn)場控制級、過程控制級、過程管理級和經營管理級。1〕現(xiàn)場控制級的功能：一是完成過程數(shù)據(jù)采集與處理，把現(xiàn)場的各種物理信號轉變成電信號或數(shù)字信號，并進展一些必要的處理；二是直接輸出操作命令、實現(xiàn)分散控制，把各種控制輸出信號轉變成物理變量；三是完成與上級設備的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫共享；四是完成對現(xiàn)場控制級智能設備的監(jiān)測、診斷和組態(tài)等。2〕過程控制級主要功能有：一是采集過程數(shù)據(jù)，進展數(shù)據(jù)轉換與處理；二是對生產過程進展監(jiān)測與控制，輸出控制信號，實現(xiàn)反響控制、邏輯控制、順序控制和批量控制功能；三是