計算機控制系統(tǒng)

第1章

緒論1.什么是計算機控制系統(tǒng)？計算機控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？答：計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機（通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機）來實現(xiàn)生產過程自動控制的系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的組成：計算機控制系統(tǒng)由計算機（工業(yè)控制機）和生產過程兩大部分組成。

2.計算機控制系統(tǒng)的典型型式有哪些？答：計算機控制系統(tǒng)的典型型式包括：操作指導控制系統(tǒng)；直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）；監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC，也稱設定值控制）；集散控制系統(tǒng)（DCS）；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）和綜合自動化系統(tǒng)。

3.實時、在線方式和離線方式的含義是什么？答：所謂實時，是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義。在計算機控制系統(tǒng)中，生產過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；生產過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并做相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。

4.討論計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。答：網絡化、扁平化、智能化、綜合化。第2章

計算機控制系統(tǒng)的硬件設計技術5.請分別畫出一路有源I/V變換電路和一路無源I/V變換電路圖，分別說明各元器件的作用。

6.什么是采樣過程、量化、孔徑時間？答：按一定的時間間隔T，把時間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬信號，轉變成在時刻0、T、2T、……、kT的一連串脈沖輸出信號的過程稱為采樣過程。

所謂量化，就是采用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉換為數(shù)字信號。

在模擬量輸入通道中，A/D轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號總需要一定的時間，完成一次A/D轉換所需要的時間稱為孔徑時間。

7.采樣保持器的作用是什么？是否所有的模擬量輸入通道中都需要采樣保持器？為什么？

答：為了提高模擬量輸入信號的頻率范圍，以適應某些隨時間變化較快的信號的要求，可采用帶有保持電路的采樣器，即采樣保持器（為了防止在A/D轉換之前信號就發(fā)生了變化，致使A/D轉換的結果出錯，因而采用采樣保持器來使得信號維持一段時間）。

并不是所有的模擬量輸入通道都需要采樣保持器的，因為采樣保持器是為了防止在A/D轉換之前信號就發(fā)生了變化，致使A/D轉換的結果出錯，所以只要A/D轉換的時間比信號變化的時間短就不需要。

8.一個8位A/D轉換器，孔徑時間為100us,如果要求轉換誤差在A/D轉換器的轉換精度（0.4%）內，求允許轉換的正弦波模擬信號的最大頻率是多少？

12.請分別畫出D/A轉換器的單極性和雙極性電壓輸出電路，并分別推導出輸出電壓與輸入數(shù)字量之間的關系式。答：

14.基于RS-485串行總線的主從分布式測控系統(tǒng)的結構形式是怎樣的？答：基于RS-485總線可構成下圖所示的主從分布式測控系統(tǒng)，其中可編程控制器（PLC）、智能調節(jié)器、智能遠程I/O模塊的等裝置大都具有RS-485總線，可作為測控系統(tǒng)的從站，實現(xiàn)控制功能；PC或IPC作為系主站，并配有RS-232/485轉換器，實現(xiàn)對系統(tǒng)定的監(jiān)控與管理。

15.什么是串模干擾和共模干擾？如何抑制？

答：所謂串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲。抑制方法：濾波器、雙積分式A/D轉換器、前置放大或者隔離屏蔽等、利用元器件的特性來抑制、選擇帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號線（具體見書64頁）。所謂共模干擾是指模/數(shù)轉換器兩個輸入端上公有的干擾電壓。抑制方法：變壓器隔離、光電隔離、浮地屏蔽、采用儀表放大器提高共模抑制比。16.MAX1232有哪些主要功能？

答：主要功能有：電源監(jiān)控、按鈕復位輸入、監(jiān)控定時器（看門狗）。

17.計算機控制系統(tǒng)中一般有哪幾種地線？請畫出回流法接地和一點接地示意圖。

答：在計算機控制系統(tǒng)中，一般有以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、安全地、系統(tǒng)地、交流地。

18.什么叫信號調理？畫出小功率輸入調理電路原理圖，并說明工作原理。答：為了將外部開關量信號輸入到計算機，必須將現(xiàn)場輸入的狀態(tài)信號經轉換、保護、濾波、隔離等措施轉換成計算機能夠接收的邏輯信號，這些功能稱為信號調理。

19.簡要分析和說明RS-232C、RS-422A、RS-485三種標準串行通信接口的性能（不同）。答：RS-232C采用單端驅動單端接受電路，多線傳輸是有公共地線，方法簡單，但是不能區(qū)分有驅動電路產生的有用信號和外部引入的干擾信號。RS-422A采用驅動和差分接收方法，從根本上消除了地線。在實現(xiàn)兩點之間的遠程通信時，需要采用兩對平衡差分電路形成全雙工傳輸電路。RS-485是RS-422A的變型，它與RS-422A一樣都是采用平衡差分電路，但RS-485為半雙工工作方式，可用一對平衡差分信號線來連接。

20.什么是平衡傳輸方式和不平衡傳輸方式？答：平衡方式是用雙絞線傳輸信號，信號在雙絞線中自成回路不通過地線，接收器是用雙端差動方式輸入信號的。

不平衡方式是用單線傳輸信號，以地線作為信號的回路，接收器是用單線輸入信號的。3數(shù)字控制技術

2.什么是逐點比較法插法？直線和圓弧插補計算過程各有哪幾個步驟？答：所謂逐點比較法插補，就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行比較，看這點在給定軌跡的上方或下方，或是給定軌跡的里面或外面，從而決定下一步的進給方向。直線插補計算過程的4個步驟：偏差判別、坐標進給、偏差計算、終點判斷。圓弧插補計算過程的5個步驟：偏差判別、坐標進給、偏差計算、坐標計算、終點判斷。

4.若加工第一象限直線OA，起點O（0,0），終點A（11,7）。要求：（1）按逐點比較法插補進行列表計算；（2）作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。解：（1）坐標進給的總步數(shù)，，，，。插補計算過程如下表3-1所示：（2）走步軌跡圖5.設加工第一象限逆圓弧，起點A（6,0），終點B（0,6）。要求：（1）按逐點比較法插補進行列表計算；（2）作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。解：（1）坐標進給的總步數(shù)，，，，，，。插補計算過程如下表3-2所示：（2）走步軌跡圖6.三相步進電動機有哪幾種工作方式？畫出每種工作方式的各相通電順序和電壓波形圖。答：有三種工作方式，分別是：單三拍，雙三拍，三相六拍各種工作方式的通電順序及波形圖：（1）單三拍、通電方式：，波形如圖（a）（2）雙三拍、通電方式：，波形如圖（b）（3）三相六拍、通電方式：，波形如圖（c）7.采用PC（ISA或PCI）總線和8255A設計x軸步進電機和y軸步進電機的控制接口，要求：（1）畫出接線電路原理圖；（2）分別列出x軸y軸步進電機在三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍方式下的輸出字表。答：（1）接線電路原理圖第4章

常規(guī)及復雜控制技術

1.數(shù)字控制器的連續(xù)化設計步驟是什么？答：設計步驟為：（1）設計假想的連續(xù)控制器D（s）

（2）選擇采樣周期T

（3）將D（s）離散化為D（Z）

（4）設計由計算機實現(xiàn)的控制算法

（5）校驗

8.數(shù)字控制器的離散化設計步驟是什么？答：設計步驟為：（1）根據控制系統(tǒng)的性能指標要求和其它約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

（2）根據式求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)

（3）根據式求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)

（4）根據式求取控制量的遞推傳遞函數(shù)計算公式9.數(shù)字控制器的工程實現(xiàn)包括那幾個部分？主要是指：給定值和被控量，偏差處理，控制算法的實現(xiàn)，控制量處理以及手動自動切換。10.選擇采樣周期要考慮哪些因素？答:（1）首要要考慮的因素：香農采樣定理給出了采樣周期的上限。采樣周期的下限為計算機執(zhí)行控制程序和輸入輸出所耗費的時間，系統(tǒng)的采樣周期只能在和之間選擇。

（2）其次要考慮以下給方面的因素：

1）給定值的變化頻率；2）被控對象的特性；3）執(zhí)行機構的類型；4）控制算法的類型；5）控制的回來數(shù)11.數(shù)字PID增量型控制算法

12.增量式算法與位置式算法相比的優(yōu)點是：①增量算法不需要累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關，計算誤差或者計算精度問題，對控制量的計算影響較小。而位置算法要用到過去的誤差的累加值，容易產生大的累加誤差。②增量式算法得出的是控制量的增量，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴重影響系統(tǒng)的工作。而位置算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響較大。③采用增量算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。

13.為消除積分不靈敏區(qū)，通常采用以下措施：答：措施為：①增加D/A和A/D轉換位數(shù)，加長運算字長，這樣可以提高運算精度。②當積分項連續(xù)幾次出現(xiàn)輸出精度的情況時，不要把它們作為“零”舍掉，而是把它們一次次累加起來，即，直到累加值大于時，才輸出，同時把累加單元清零。15.后差分法計算（P104）第7章

計算機控制系統(tǒng)軟件設計5.某爐溫度變化范圍為0～1500，要求分辨率為5，溫度變送器輸出范圍為0～5V。若A/D轉換器的輸入范圍為0～5V，則求A/D轉換器的字長應為多少位？若A/D轉換器的字長不變，現(xiàn)在通過變送器零點遷移而將信號零點遷移到800，此時系統(tǒng)對爐溫變化的分辨率為多少？

6.某執(zhí)行機構的輸入變化范圍為4～20mA,靈敏度為0.05mA，應選D/A轉換器的字長為多少位？7.溫度-20～+50，溫度變送器變換為1～5V電壓，送至12位A/D轉換器AD574（0～5V），計算：（1）若AD574的轉換結果為800H時，對應的系統(tǒng)溫度為多少？8.中位值濾波法是怎樣的？該濾波法適用于什么情況？答：中位值濾波法的原理是對被測參數(shù)連續(xù)采樣m次（）且是奇數(shù)，并按大小順序排列；再取中間值作為本次采樣的有效數(shù)據。中位值濾波法和平均值濾波法結合起來使用，濾波效果更好。即在每個采樣周期，先采用中位值濾波法得到m個濾波值，再對這m個濾波值進行算術平均，得到可用的被測參數(shù)。第8章

分布式測控網絡技術1.工業(yè)局部網絡通常有哪4種拓補結構？各有什么特點？答：4種拓補結構：星形、環(huán)形、總線型和樹形。

各自特點：

（1）星形：1）網絡結構簡單，便于控制和管理，建網容易

2）網絡延遲時間短，傳輸錯誤率較低

3）網絡可靠性較低，一旦中央節(jié)點出現(xiàn)故障將導致全網癱瘓

4）網絡資源大部分在外圍點上，相互之間必須經過中央節(jié)點中轉才能傳送消息

5）通信電路都是專業(yè)線路，利用率不高，故網絡成本較高

（2）環(huán)形：1）信息流在網絡中式沿固定的方向流動，故兩節(jié)點之間僅有唯一的通路，簡化了路徑選擇控制

2）環(huán)路中每個節(jié)點的收發(fā)信息均由環(huán)路口控制，因此控制軟件較簡單

3）環(huán)路中，當某節(jié)點故障時，可采用旁路環(huán)的方法，提高了可靠性

4）環(huán)結構其節(jié)點數(shù)的增加將影響信息的傳輸效率，故擴展受到一定的限制

（3）總線型：1）結構簡單靈活，擴展方便

2）可靠性高，網絡響應速度快

3）共享資源能力強，便于廣播式工作

4）設備少，價格低，安裝和使用方便

5）由于所有節(jié)點共用一條總線，因此總線傳送的信息容易發(fā)生沖突和碰撞，故不易用在實時性要求高的場合

（4）樹形：樹形結構是分層結構，使用與分級管理和控制系統(tǒng)。與星形結構相比，由于通信線路總長度較短，故它的連網成本低，易于維護和擴展，但結構較星形復雜。網絡中除葉節(jié)點及其連線外，任一節(jié)點或連線的故障均影響其所在支路網絡的正常工作。2.工業(yè)局部網絡常用的傳輸訪問控制方式有哪三種？各有什么優(yōu)缺點？答：3種控制方式：沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）、令牌環(huán)（Token

Ring）、令牌總線（Token

Bus）各自的優(yōu)缺點：（1）沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）：CSMA/CD方式原理較簡單，且技術上較易于實現(xiàn)。網絡中各節(jié)點出于同等地位，無需集中控制，但不能提供優(yōu)先級控制，所有節(jié)點都有平等競爭的能力，在網絡負載不重情況下，有較高的效率，但當網絡負載增大時，發(fā)送信息的等待時間加長，效率顯著降低。（2）令牌環(huán)（Token

Ring）：優(yōu)點是能夠提供可調整的訪問控制方式，能提供優(yōu)先權服務，有較強的實用性。缺點是需要對令牌進行維護，且空閑令牌的丟失將會降低環(huán)路利用率；控制電路復雜。（3）令牌總線（Token

Bus）：優(yōu)點：1）吞吐能力大，吞吐量隨數(shù)據傳輸速率的提高而增加

2）控制功能不隨電纜線長度的增加而減弱

3）不需沖突檢測，故信號電壓可以有較大的動態(tài)范圍

4）具有一定的實時性缺點是節(jié)點獲得令牌的時間開銷較大，一般一個節(jié)點都需要等待多次無效的令牌傳送后才能獲得令牌。3.什么是現(xiàn)場總線？有哪幾種典型的現(xiàn)場總線？它們的特點怎樣的？答：現(xiàn)場總線是連接工業(yè)過程現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字化、雙向、多站點的串行通信網絡，與控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表聯(lián)用，組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

5種典型的現(xiàn)場總線：CAN、Lonworks、ProfiBUS、HART、FF。

各自的特點：

（1）CAN（控制器局域網絡）：

1）CAN通信速率為、，節(jié)點數(shù)110個，傳輸介質為雙絞線或光纖等

2）CAN采用點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據

3）CAN可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)且無主、從機之分，每個節(jié)點均主動發(fā)送報文，用此特點可方便的構成多機備份系統(tǒng)。

4）CAN采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網絡上發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息；按節(jié)點類型分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。

5）CAN支持4類報文幀：數(shù)據幀，遠程幀，出錯幀，超載幀。采用短幀結構，每幀有效字數(shù)為8個。這樣傳輸?shù)臅r間短，受干擾的概率低，且具有較的檢錯效果。

6）CAN采用循環(huán)冗余檢驗CRC（Cyclic

Redundancy

Check）及其它檢錯措施，保證了極低的消息出錯率

7）CAN節(jié)點具有自動關閉功能，當節(jié)點錯誤嚴重時的情況下，則自動切斷與總線的聯(lián)系，這樣不影響總線正常工作。

8）CAN單片機：Motorola公司生產的帶CAN模塊的MC68HC05x4，Philips公司生產82C200，Intel公司生產帶CAN模塊的P8XC592

9）CAN控制器：Philips公司生產的82C200，Intel公司生產的82527

10）CANI/O器件：Philips公司生產的82C150，具有數(shù)字和模擬I/O接口

（2）LONWORKS（局部操作網絡）：1）LONWORKS通信速率為，，節(jié)點數(shù)為32000個，傳輸介質為雙絞線、同軸電纜、光纖、電源線等2）LONWORKS采用Lon

Talk通信協(xié)議，該協(xié)議遵守國際標準化組織ISO定義的開放系統(tǒng)互連OSI（Open

System

Interconnection）全部7層模型3）LONWORKS的核心是Neuron（神經元）芯片，內含了3個8位的CPU：第1個CPU為介質訪問控制處理器，實現(xiàn)Lon

Talk協(xié)議的第1層和第2層；第2個CPU為網絡處理器，實現(xiàn)Lon

Talk協(xié)議的第3層至第6層；第3個CPU為應用處理器，實現(xiàn)Lon

Talk協(xié)議的第7層，執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調用的操作系統(tǒng)服務4）Neuron芯片的編程語言為Neuron

C，它是從ANSI

C派生出來的。LONWORKS提供了一套開發(fā)工具LonBuilder和NodeBuilder5）Lon

Talk協(xié)議提供了5種基本類型的報文服務：確認（Acknowledged），非確認（Unacknowledged）,請求/響應（Request/Response），重復（Repeated），非確認重復（Unacknowledged

Repeated）6）Lon

Talk協(xié)議的介質訪問控制子層（MAC）對CSMA作了改進，采用一種新的稱作Predictive

P-Persistent

CSMA，根據總線負載隨機調整時間槽n(1～63)，從而在負載較輕時使介質訪問延遲最小化，而在負載較重時使沖突的可能最小化

（3）PROFIBUS（過程現(xiàn)場總線）1）PROFIBUS-PA（Process

Automation）用于過程自動化，通過總線供電，提供本質安全型，可用于危險爆炸區(qū)域2）PROFIBUS-FMS（Fieldbus

Message

Specification）用于一般自動化3）PROFIBUS-DP用于工業(yè)自動化，適用于分散的外圍設備PROFIBUS引入功能模塊的概念，不同的應用需要使用不同的模塊。在一個確定的應用中，按照PRO