完整版計算機控制系統(tǒng)課后題答案-劉建昌等科學(xué)出版社

1、第一章計算機限制系統(tǒng)概述習(xí)題與思考題1.1什么是計算機限制系統(tǒng)計算機限制系統(tǒng)較模擬系統(tǒng)有何優(yōu)點舉例說明.解答：由計算機參與并作為核心環(huán)節(jié)的自動限制系統(tǒng), 被稱為計算機限制系統(tǒng).與模擬系統(tǒng) 相比,計算機限制系統(tǒng)具有設(shè)計和限制靈活, 能實現(xiàn)集中監(jiān)視和操作, 能實現(xiàn)綜合限制,可 靠性高,抗干擾水平強等優(yōu)點.例如,典型的電阻爐爐溫計算機限制系統(tǒng),如以下列圖所示：爐溫計算機限制系統(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,變成電信號毫伏級,再經(jīng)變送器變成標準信號1-5V或4-20mA從現(xiàn)場進入限制室；經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器采樣后變成數(shù)字信號進入計算機,與計算機內(nèi)部的溫度給定比較,得到偏差信號,該信

2、號經(jīng)過計算機內(nèi)部的應(yīng)用軟件,即限制算法運算后得到一個限制信號的數(shù)字量,再經(jīng)由 D/A轉(zhuǎn)換器將該數(shù)字量限制信號轉(zhuǎn)換成模擬量；限制信號模擬量作用于執(zhí)行機構(gòu)觸發(fā)器,進而限制雙向晶閘管對交流電壓220V進行PWM調(diào)制,到達限制加熱電阻兩端電壓的目的；電阻兩端電壓的上下決定了電阻加熱水平的大小,從而調(diào)節(jié)爐溫變化,最終到達計算機內(nèi)部的給定溫度.由于計算機限制系統(tǒng)中, 數(shù)字限制器的限制算法是通過編程的方法來實現(xiàn)的,所以很容易實現(xiàn)多種限制算法,修改限制算法的參數(shù)也比較方便.還可以通過軟件的標準化和模塊化, 這些限制軟件可以反復(fù)、屢次調(diào)用.又由于計算機具有分時操作功能,可以監(jiān)視幾個或成十上百個的限制量,把生產(chǎn)過

3、程的各個被控對象都治理起來,組成一個統(tǒng)一的限制系統(tǒng),便于集中監(jiān)視、集中操作治理.計算機限制不僅能實現(xiàn)常規(guī)的限制規(guī)律,而且由于計算機的記憶、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,能及時進行判斷、 選擇最適宜的方案進行限制,必要時可以通過人機對話等方式進行人工干預(yù),這些都是傳統(tǒng)模擬限制無法勝任的.在計算機限制系統(tǒng)中,可以利用程序?qū)崿F(xiàn)故障的自診斷、自修復(fù)功能,使計算機限制系統(tǒng)具有很強的可維護性.另一方面,計算機限制系統(tǒng)的限制算法是通過軟件的方式來實現(xiàn)的,程序代碼存儲于計算機中,一般情況下不會因外部干擾而改變,因此計算機限制系統(tǒng)的抗干擾水平較強.因此,計算機限制系統(tǒng)具有上述

4、優(yōu)點.1.2計算機限制系統(tǒng)由哪幾局部組成各局部的作用如何 解答：計算機限制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)由數(shù)字限制器、D/A轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機構(gòu)和被控對象、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.被控對象的物理量經(jīng)過測量變送環(huán)節(jié)變成標準信號1-5V或4-20mA;再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器采樣后變成數(shù)字信號進入計算機,計算機利用其內(nèi)部的限制算法運算后得到一個限制信號 的數(shù)字量,再經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器將該數(shù)字量限制信號轉(zhuǎn)換成模擬量；限制信號模擬量作用于執(zhí)行機構(gòu)觸發(fā)器,進而限制被控對象的物理量,實現(xiàn)限制要求.1.3應(yīng)用邏輯器件設(shè)計一個開關(guān)信號經(jīng)計算機數(shù)據(jù)總線接入計算機的電路圖.解答:1.4應(yīng)用邏輯器件設(shè)計一個指示燈經(jīng)過計算機

5、數(shù)據(jù)總線輸出的電路圖.1.5設(shè)計一個模擬信號輸入至計算機總線接口的結(jié)構(gòu)框圖.解答:被:在: / I南: I I I I I模擬量輸入通道組成與結(jié)構(gòu)圖1.6設(shè)計一個計算機總線接口至一個420mA模擬信號輸出的結(jié)構(gòu)框圖.解答：V 一 總線接口0局炭涉波囂多路模擬開關(guān)420mA|r號輸出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)部總線指計算機內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線,用于芯片一級的互連,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)總線和限制總線三類.微處理器地址總線ffi存儲器 1輸

6、入接口電路輸出接 口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備數(shù)據(jù)總線 I:限制總線圖1.8內(nèi)部并行總線及組成系統(tǒng)總線指計算機中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線如Multibus總線、STD總線、PC總線,用于插件板一級的互連,為計算機系統(tǒng)所特有,是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的總線.由于微 處理器芯片總線驅(qū)動水平有限,所以大量的接口芯片不能直接掛在微處理器芯片上.同樣, 如果存儲器芯片、I/O接口芯片太多,在一個印刷電路板上安排不下時,采用模塊化設(shè)計又 增加了總線的負載,所以微處理器芯片與總線之間必須加上驅(qū)動器.系統(tǒng)總線及組成如圖 1.10所示.計算機系統(tǒng)總線圖1.10系統(tǒng)總線及組成外部總線指計算機和計算機之間、計算機與外部其他儀表

7、或設(shè)備之間進行連接通信的總線.計算機作為一種設(shè)備,通過該總線和其他設(shè)備進行信息與數(shù)據(jù)交換,它用于設(shè)備一級的互連.外部總線通常通過總線限制器掛接在系統(tǒng)總線上,外部總線及組成如圖1.11所示.迪信總戲L可部思理圖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)換器是根據(jù)規(guī)定的時間間隔T對限制器輸出的數(shù)字量進行 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)展開求和的根本原那么,對輸入數(shù)字量中的每一位,按 權(quán)值分別轉(zhuǎn)換為模擬量,然后通過運算放大器求和,得到相應(yīng)模擬量輸出.相應(yīng)于無符號整數(shù)形式的二進制代碼,n位DAC的輸出電壓Vout遵守如下等式:(1.3)

8、Bn是最低有效位.式中,Vfsr為輸出的滿幅值電壓,B是二進制的最高有效位,以4位二進制為例,圖1.12給出了一個說明實例.在圖 1.12中每個電流源值取決于相 應(yīng)二進制位的狀態(tài),電流源值或者為零,或者為圖中顯示值,那么輸出電流的總和為：BiB2 B3 B4Iout I(5 歹尹 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中的各個電流源,在電流的集合輸出參加電流/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1.12 使用電流源的DAC概念圖(MSB)ri-S5>B, 亳 耳

9、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(采樣點之間插值)的形式以及規(guī)定的時間間隔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：逐次逼進式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖如圖1.14所示,當(dāng)計算機發(fā)出轉(zhuǎn)換開始命令并去除n位存放器后,限制邏輯電路先設(shè)定存放器中的最高位為“1其余位為“ 0,輸出此預(yù)測數(shù)據(jù)為100 0被送到D/A轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成電壓彳t號 V f,后與輸入模擬電壓 Vg在比較器中相比較,假設(shè)Vg Vf ,說明此位置“ 1是對的,應(yīng)予保存,假設(shè) Vg Vf ,說明此位

10、置“ 1不適宜,應(yīng)置“ 0.然后對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)保存“1還是去除.這樣逐位比較下去,直到存放器最低一位為止.這個過程完成后,發(fā) 出轉(zhuǎn)換結(jié)束命令.這時存放器里的內(nèi)容就是輸入的模擬電壓所對應(yīng)的數(shù)字量.VVf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"信號輸入下,Vg在T時間內(nèi)充電幾個時鐘脈沖,時間 T 一到,限制邏輯就把模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換到 Vref上,Vref與Vg極性相反,電

11、容以固定的斜率開始放電.放電期間計數(shù)器計數(shù),脈沖的多少反映了放電時間的長短,從而決定了輸入電壓的大小.放電到零時, 將由比較器動作,計數(shù)器停止計數(shù),并由限制邏輯發(fā)出“轉(zhuǎn)換結(jié)束信號.這時計數(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(孔徑時間)和轉(zhuǎn)換精度(量化誤差) 來決定.1.13簡述操作指導(dǎo)限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點.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)場情況和進行異常報警,而且還按著預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型和限制算法進

12、行運算和處理,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)計算機給出的操作指導(dǎo),并且根據(jù)實際經(jīng)驗, 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)行機構(gòu).當(dāng)對生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型了解不夠徹底時,采用這種限制能夠得到滿意結(jié)果,所以操作指導(dǎo)系統(tǒng)具有靈活、平安和可靠等優(yōu)點.但仍有人工操作、限制速度受到限制,不能同時限制多個回路的缺點.信息恐被左對篆計尊機調(diào)辛器外存儲器I朦示II打印I操作I國制魚圖1.16操作指導(dǎo)系統(tǒng)框圖1.14簡述直接數(shù)字限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點.解答：直接數(shù)字限制系統(tǒng) DDC結(jié)構(gòu)如圖1.17所示.這類限制是計算機把運算結(jié)果直接輸出 去限制生產(chǎn)過程,簡稱 DDC系統(tǒng).這類系統(tǒng)屬于閉環(huán)

13、系統(tǒng),計算機系統(tǒng)對生產(chǎn)過程各參量 進行檢測,根據(jù)規(guī)定的數(shù)學(xué)模型,如PID算法進行運算,然后發(fā)出限制信號,直接限制生產(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現(xiàn)其他的復(fù)雜限制規(guī)律,如前饋限制、非線性限制等.它把顯示、打印、報警和設(shè)定值的設(shè)定等功能都集 中到操作限制臺上,實現(xiàn)集中監(jiān)督和限制給操作人員帶來了極大的方便.但DDC對計算機可靠性要求很高,否那么會影響生產(chǎn).圖1.17直接數(shù)字限制系統(tǒng)1.15簡述計算機監(jiān)督限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點.解答：監(jiān)督限制系統(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)計算機對生產(chǎn)過程各參量進行檢測,按工藝要求或數(shù)學(xué)模型算出各限制回路的

14、設(shè)定值,然后直接送給各調(diào)節(jié)器以進行生產(chǎn)過程調(diào)節(jié),其構(gòu)成如圖1.18所示.這類限制的優(yōu)點是能夠始終使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)運行狀態(tài),與操作指導(dǎo)限制系統(tǒng)比較, 它不會因手調(diào)設(shè)定值的方式不同而引起限制質(zhì)量的差異.其次是這種系統(tǒng)比較靈活與平安, 一旦SCC計算機發(fā)生故障,仍可由模擬調(diào)節(jié)器單獨完成操作.它的缺點是仍然需采用模擬調(diào)SCX 計 算 IJ1.圖1.18 SCC加調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)框圖(2) SCC DDC 的系統(tǒng)在這種系統(tǒng)中,SCC計算機的輸出直接改變 DDC的設(shè)定值,兩臺計算機之間的信息聯(lián)系 可通過數(shù)據(jù)傳輸直接實現(xiàn),其構(gòu)成如圖1.19所示.這種系統(tǒng)通常一臺 SCC十算機可以限制數(shù)個 DDC計算機,一旦D

15、DC計算機發(fā)送故障時, 可用SCC計算機代替DDC的功能,以保證生產(chǎn)的正常進行.打印信息系統(tǒng)被 控 對 象DCC計算機SCC計算機信息米集外存儲器操作 限制臺圖1.19 SCC力口 DCC的系統(tǒng)框圖1.16簡述集中限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點.解答：這種系統(tǒng)是由一臺計算機完成生產(chǎn)過程中多個設(shè)備的限制任務(wù),即限制多個限制回路或限制點的計算機限制系統(tǒng).限制計算機一般放置在限制室中, 通過電纜與生產(chǎn)過程中的多 種設(shè)備連接.集中限制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于構(gòu)建系統(tǒng)造價低等優(yōu)點,因此計算機應(yīng)用初期得到了 較為廣泛的應(yīng)用.但由于集中限制系統(tǒng)高度集中的限制結(jié)構(gòu),功能過于集中,計算機的負荷過重,計算機出現(xiàn)的任何故障都會

16、產(chǎn)生非常嚴重的后果,所以該系統(tǒng)較為脆弱, 平安可靠性 得不到保證.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,布線施工等費時費力不, 很難滿足用戶的要求.1.17簡述DCS限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點.解答：集散型限制系統(tǒng)(DCS Distributed Control System )是由以微型機為核心的過程限制 單元(PCUD、高速數(shù)據(jù)通道(DHW)、操作人員接口單元(OIU)和上位監(jiān)控機等幾個主要 局部組成,如圖1.21所示.各局部功能如下：1 過程限制單元PCU由許多模件板組成,每個限制模件是以微處理器為核心組成的功能板,可以對幾個回路進行PID前饋等多種限制.一旦一個限制模件出故障,只影

17、響與之相關(guān)的幾個回路,影響面少,到達了 “危險分散的目的.此外,PCU可以安裝在離變送器和執(zhí)行機構(gòu)就近的地方,縮短了限制回路的長度,減少了噪聲,提升了可靠性, 到達了 “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PCU OIU、監(jiān)控計算機等有機地連接起來以實現(xiàn)高級限制和集中限制.掛在高速數(shù)據(jù)通道上的任何一個單元發(fā)生故障,都不會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單元實現(xiàn)了集中監(jiān)視和集中操作,每個操作人員接口單元上都配有一臺多功能 CRT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上實現(xiàn)多種生產(chǎn)狀態(tài)的畫面顯示,它可以取消全部儀表

18、顯示盤, 大大地縮小了操作臺的尺寸,對生產(chǎn)過程進行有效的集中監(jiān)視,此外利用鍵盤操作可以修改正程單元的限制參數(shù),實現(xiàn)集中操作.4 監(jiān)控計算機實現(xiàn)最優(yōu)限制和治理,監(jiān)控機通常由小型機或功能較強的微型機承擔(dān),配備多種高級語言和外部設(shè)備,它的功能是存取工廠所有的信息和限制參數(shù),能打印綜合報告,能進行長期的趨勢分析以及進行最優(yōu)化的計算機限制,限制各個現(xiàn)場過程限制單元 PCU工作.監(jiān)控計堂機4 i H32> DHW7圖1.21 集散限制系統(tǒng)1.18簡述NCS限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點.解答：以太網(wǎng)絡(luò)為代表的網(wǎng)絡(luò)限制結(jié)構(gòu)如圖1.23所示.以太限制網(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

19、國際標準TCP/IR另外,嵌入式限制器、智能現(xiàn)場測控儀表和傳感器可以很方便地接入以太限制網(wǎng).以太限制網(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以太限制網(wǎng)絡(luò)組成1.19簡述FCS限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點.解答：現(xiàn)場總線限制系統(tǒng)FCS 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、限制功能分散、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,FCS突破了傳統(tǒng)DCS底層產(chǎn)品4-20mA模 擬信號的傳輸.智能單元靠近現(xiàn)場設(shè)備,它們可以分別獨立地完成測量、校正、調(diào)整、診斷 和限制的功能.由現(xiàn)場總線協(xié)議將它們連接在

20、一起,任何一個單元出現(xiàn)故障都不會影響到其它單元,更不會影響全局,實現(xiàn)了徹底的分散限制,使系統(tǒng)更平安、更可靠.傳統(tǒng)模擬限制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線,根據(jù)限制回路進行連接.FCS采用了智能儀if愕絞捽制孕芒亍苜KPID110A011II表智能傳感器、智能執(zhí)行器等,利用智能儀表的通信功能,實現(xiàn)了徹底的分散限制.圖 1.22為傳統(tǒng)限制系統(tǒng)與 FCS的結(jié)構(gòu)比照.圖1.22傳統(tǒng)限制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線限制系統(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*智能儀表接入計算機有幾種途徑解答：兩種,一種是485申行方式,另一種是以太網(wǎng)方式.1.22*針對計算機限制系統(tǒng)所涉及的重要理論問題,

21、舉例說明.解答：1.信號變換問題多數(shù)系統(tǒng)的被控對象及執(zhí)行部件、測量部件是連續(xù)模擬式的,而計算機限制系統(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,計算機是串行工作的, 必須按一定的采樣間隔稱為采樣周期對連續(xù)信號進行采樣,將其變成時間上是斷續(xù)的離散信號,并進而 變成數(shù)字信號才能進入計算機；反之,從計算機輸出的數(shù)字信號,也要經(jīng)過D/A變換成模擬信號,才能將限制信號作用在被控對象之上.所以,計算機限制系統(tǒng)除有連續(xù)模擬信號外, 還有離散模擬、離散數(shù)字等信號形式,是一種混合信號系統(tǒng).這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號形式上的 特點,使信號變換問題成為計算機限制系統(tǒng)特有的、必須面對和解決的問題.2. 對象建模與性

22、能分析計算機限制系統(tǒng)雖然是由純離散系統(tǒng)的計算機和純連續(xù)系統(tǒng)的被控對象而構(gòu)成的混合 系統(tǒng),但是為了分析和設(shè)計方便, 通常都是將其等效地化為離散系統(tǒng)來處理.對于離散系統(tǒng),通常使用時域的差分方程、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)描述的根本工具.3. 限制算法設(shè)計在實際工程設(shè)計時,數(shù)字限制器有兩種經(jīng)典的設(shè)計方法,即模擬化設(shè)計方法和直接數(shù)字設(shè)計方法,它們根本上屬于古典限制理論的范疇,適用于進行單輸入、單輸出線性離散系統(tǒng)的算法設(shè)計.以狀態(tài)空間模型為根底的數(shù)字限制器的設(shè)計方法,屬于現(xiàn)代限制理論的范疇, 不僅適用于單輸入、 單輸出系統(tǒng)的設(shè)計, 而且還適用于多輸入、

23、多輸出的系統(tǒng)設(shè)計,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,也可以是時變的.4. 限制系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)在計算機限制系統(tǒng)中,由于采用了數(shù)字限制器而會產(chǎn)生數(shù)值誤差.這些誤差的來源、產(chǎn)生的原因、對系統(tǒng)性能的影響、與數(shù)字限制器程序?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)計算機運算超過預(yù)先規(guī)定的字長,必須作舍入或截斷處理, 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,都會極大的影響系統(tǒng)的限制精度和它的動態(tài)性能,因此計算機限制系統(tǒng)的工程設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及的領(lǐng)域比較廣泛.舉例略.第二章信號轉(zhuǎn)換與z變換習(xí)題與思考

24、題2.1什么叫頻率混疊現(xiàn)象,何時會發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象max時,解答：采樣信號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,重疊局部的頻譜中沒有哪局部與原連續(xù)函數(shù)頻譜F(j )相似,這樣,采樣信號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.就會發(fā)生采樣信號的頻率混疊現(xiàn)象.2.2簡述香農(nóng)采樣定理.解答：如果一個連續(xù)信號不包含高于頻率max的頻率分量(連續(xù)信號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.或者說,如果采樣頻率 s 2 max ,那么就可以從采樣信號中不失真地恢復(fù)原連續(xù)信號.2.3

25、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,可以由計算機限制系統(tǒng)中D/A轉(zhuǎn)換器后面的執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)范圍來選定.設(shè)執(zhí)行機構(gòu)的最大輸入為Umax,執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū)電壓為UR, D/A轉(zhuǎn)換器的字長為n,那么計算機限制系統(tǒng)的最小輸出單位應(yīng)小于執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū),即Umax2n1UR所以n lg Umax / UR 1 / lg2.2.5簡述d/a輸出通道的實現(xiàn)方式.解答：常用的兩種實現(xiàn)方式.圖(a)由于采用了多個 D/A轉(zhuǎn)換器,硬件本錢較高,但當(dāng)要求同時對多個對象進行

26、精確限制時,這種方案可以很好地滿足要求.圖(b)的實現(xiàn)方案中,由于只用了一個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.aln電脫多翌汗美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)輸入模擬信號的動態(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,模擬輸入信號的最大值 Umax為A/D轉(zhuǎn)換器的滿刻度,那么模擬輸入信號的最小值umin應(yīng)大于等于A/D轉(zhuǎn)換器的最低有效位.即有UminU max-n .21所以n lg Umax/ Umin 1 / 場2.2.8簡述A/D輸入通道的

27、實現(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)換的啟動信號參加時起,到獲得數(shù)字輸 出信號(與輸入信號對應(yīng)之值)為止所需的時間稱為A/D轉(zhuǎn)換時間.該時間的倒數(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),一般來說,A/D的位數(shù)越大,那么相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率就越慢.2.10寫出f(t)的z變換的多種表達方式(如 Z(f(t)等).解答：_ _ *Zf(t) Zf(t)F(z)kf (kT)z k.02.11證實以下關(guān)系式(1) Zak1 az證實：令 f(kT) eklna*Tln

28、a*( kT) k ln a*T 1 ln a*(2 T)2F (z) e z 1 e z e z Lk 0ln a*T 1lna*T 1 ln a*(2T)2ezF(z)eze z L將兩式相減得：ln a*T 1lF(z)-e z F(z)=1,F(z)=1-az1'證畢. k 一- z Za f(t)F(-)a證實:F(z)az k f(kT)(-) ka kf(kT)z kak 0Zakf(t)證實:Tz*F F(z) f(kT)z k k 0對上式兩端進行求導(dǎo),得:.- k哄 f(kT)虹dz k 0dz對上式進行整理得：kkf (kT )zTzW)kTf (kT)zdz k

29、 0Ztf (t)211、Zt2牛項(1 z )1證實：Zt 3(1 z1)2Zt2 Tz Zt TzTzdz(12(1 z1)z1)3211、T z (1 z )/A 1、3(1 z )aT 1at Te zZte 證實：Zeat 11 e'Zte at Tz§ eat dzaT 1zTz-(1aT 2e zaTe z1)2十 aT 1Te zaT(1 e z1)2(6) Zatf (t) F(a Tz證實：F(a Tz)f(kT)(a T k 0z)kf (kT)akTz k k 0Zatf(t)2.12用局局部式法和留數(shù)法求以下函數(shù)的z變換 F(s)s(s 1)解答:,

30、一11局局部式法：將F (s)分解成局局部式：F(s)- s s 1與1相對應(yīng)的連續(xù)時間函數(shù)相應(yīng)的sz變換是-;與二相對應(yīng)的連續(xù)時間函數(shù)相應(yīng)1 z 1s+1的z變換是,因而1 e z1F(z) 11 z_(1(1 zT 1e )z1T )(1 e z )留數(shù)法:上式有兩個單極點,& 0, &1,m 2,那么F(z)1ss(s 1)zsT s 0( sz e1 zbsz(1 eT)(z 1)(z eT) F(s)s 1(s 3)(s 2)解答:局局部式法：將F (s)分解成局局部式:F(s)z變換是-1,2 .與相對網(wǎng)的連續(xù)時間函數(shù)相網(wǎng)的s 3,1與相對網(wǎng)的連續(xù)時間函數(shù)相網(wǎng)的s+

31、21z變換正-,因而1 e2Tz 12T 13T 1、2 12(1 e z ) (1 e z )F (z) . 3T 1. 2T 13T 1八 2T1、1 e z 1 e z (1 e z )(1 e z )2T 1 3T 11 2e z e z3t2T1T(1 e z )(1 e z )留數(shù)法：上式有兩個單極點,s12F(z) (s2z3t z e(3) F(s)3,s22,m 2,那么z3)7 sT s -3 ( s(s 3)(s 2) z ez z(z 2e 2Tz e 2T (z e 3T)(zz 2)/c、/_.sT s 2(s 3)(s 2) z e3T、 e )2Te )s 1(

32、s 2)2(s 1)解答:局局部式法：將F (s)分解成局局部式：F(s)(s求 A,B,C :M(s (s 2)2(s 1)'2)2s所以d dss 32(s 2)2(s(s1)2)2(s(s 1)21) (s 3)2 (s (s 2)2(s 1)'1)sF(s)上式中等號右邊第一項不常見,查后續(xù)表F(z)Te留數(shù)法:F(s)的極點§F(z)成1 d , (s1 ! ds(s2.2,得到2T 1z2T 1T2z )(T 2)e2Tz2T 1、2 (1 e z )2T2(T 2)e z 2z2(z2T )22zT2)2 (s(s2,2,3)2 -zsT2) (s 1)

33、 z e(s 1她(s3)2 ,2) (s 1)z eddsszsz 3zsT sesT e2zT z e/sTz(sz sesTe )(szzsT(sz sesT十sT3z)(z e TsesTTe )sT 2 e )2zTc 2 c 2T 2 2T2z 2ze z e z2z 3z)(z e2T 2Te 2T (2z 2e 2T2T 2 e )2TTe )2zT z e2 八 2T2Tz 2ze ze2T(e z)2T zeTe2Tz2zT z e(T 2)e 2Tz 2z2/2TT2(z e )2zT z e F(s)s 3(s 2)2(s 1)解答:局局部式法:1將F (s)分解成局局

34、部式：F(s) 2(s 2)匕 1與2(s 2)2的連續(xù)時間函數(shù)相應(yīng)相對應(yīng)的連續(xù)時間函數(shù)相應(yīng)的z變換是1 z2T 17(1 e z )2TTe2,一 ,、相對網(wǎng)s+2的z變換是J 21 I 1 e z2相對網(wǎng)的連續(xù)時間函數(shù)相網(wǎng)的s+1z變換是-21因而2T 1F(7)也 ZF(z)2T 1、2(1 e z )2T(2 T)e2T2- 2T 11 e z12T 11 e z2eTz1 (T 2)e3Tz2 2e4Tz2(12Te z1)2(1 eTz1)留數(shù)法：上式有兩個單極點, d2F(z) -(s 2)上；ds (s 2) (s 1) z e(2 T)e2T 2eTz2 (T 2)e3T 2

35、e 4Tz5,22,8231,m 2,nst s -2( s(5) F(s)留數(shù)法:ZF(s) (1(1(1z(2W1),(s 2) (s 1)z esT s2T2 /(z e ) (zsT尚eT)1)Z= 2 s(s 1)T)s 1z eTTze Tze1(s 1)2冊 ds s21)二)(z eT)21) eTz%TTTT 2Te Te 1) e Te e/2(z e )局局部式法:11Z F(s) (1 z1)Z2 s(s 1)(111 z )-11 (1 z1)111(s八2(1z)L1 AT 1ss1)21 z 1 1 e 'z 1z(e T TeT1)eTT2TTe e(z

36、T e)2(1 eTz1)2 sT 冷T 1Te z(6) F(s)留數(shù)法:11ZF(s) (1 z1)Zs (s 1)1d 1z1z(1 z1)(Fs0 (二一)s 1ds s 1z eszez 1(1T eT)z2(eTTeT1)(1 z1)(1 eTz1)局局部式法：(1z1)z2 z Tz(z 1)2ZF(s) (1z1)Z s (s1s(11)z!_)(1 z1)211 eTz1L1T2 TTz 1( 1 T eT) z2( eT TeT 1)(1 z1)(1 eTz1)2.13用級數(shù)求和法求以下函數(shù)的Z變換(1) f(k) ak解答：kF(z) Za 1 az 1k k a zk

37、02233.a z a z L11 az 1 f(k) ak1解答：F(z) Zak1k 1 k a zk 011223,az a z La11z/1121ak 1(3) f(t) ta1 a z a az解答:由丁F(z)0 1Ta z2Ta1z 2233Ta zFi(z)aF(z)Taz 1222Ta z所以azRz)Ta2z 2332Ta z(1 az1 _)F1(z)Taz 122Ta z .Fi(z)Taz1(1 az1)2F(z)1 -Fi(z) aTz1(1 az1)22 5t f (t) t e解答：由丁dZtf(t) Tz 丁 F(z), dzf (kT) e5kT的z變換為

38、5t5kT k5T 110T215T3F z) Ze e z 1 e z e z e z k 0將兩邊同時乘以e 5Tz 1,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 二 F(z) dz5TTe z(1 e5Tz 1)22 5Td 5T iZte 此確"2 5T 15T 1、T e z (1 e z )/人 5T 1、3(1 e z )2.14用長除法、局局部式法、留數(shù)法對以下函數(shù)進行z反變換F(z)(11aT、z (1 e )1aTz )(1 e z1)解答:長除法1 (1aT e

39、)zaTe z(1 e2aT、1)z1aT、原式=筆I)邳2 ai 1 ai 21 (1 e)z ez2aT23aT3(1 e )z(1 e)zL1aT、z (1 e )局局部式法:F(z)F(z)z*f (t)留數(shù)法：z11,(12aT、e )zaT、1(1 e )z(1 e22aT(1 ez(1 eaT)(z 1)(z eaT)11aTeZ2ResF(z)kResF(z)zate*(t) 1F(z)解答：長除法zataT1z11zeaTatz(1 eaT、 aT 3)e z3 z一 2aT、 aT 4(1 e )e z2aT2(1 e )z (1 e2aT、 2 T.a aT 3)z (1

40、 e )e -aT 3 aT、3e e )zLf(t)(1eaT) (t T) LaT、z(1 e )k aT z(z 1)(z e )(z eaT)z(1 eaT)(z 1)1z1aT)(z 1)(z eaT)2zF(z)(z 1)(z 2)k aT z(z 1)(z e )原式=年21 3z 2z2z 1 6z 2 L1 3z 1 2z22z 12z 1 6z2 4z 36z 2 4z 3c 2346z 18z12zL一 * .f (t) 2 (t T) 6 (t 2T)L局局部式法:F(z) 22z f(kT)z 2 z 1k2*22*f (t)(2k 1 2) (t kT)k 0留數(shù)法

41、:z/2k 1ResF (z)z »k 1ResF (z)z z22k1k 1f (kT) 22(z(z1)2z(z 1)(z 2)z12)2z(z 1)(z 2)1z2f (t)(2k 1 2) (t kT)k 0 F(z)2z 12z解答：長除法1 2z 16 10z21 L6 2z 16 12z 1 6z2 10z 1 6z 2 10z 1 20z 2 10z 3L_ * .f (t)6 (t) 10 (t T) L局局部式法:F(z)64zz 1 (z 1)2f(kT)6 4k*f (t)(6 4k) (t kT) k 0留數(shù)法：石,21ResF(z)zk21d2 6z 2z

42、 k 1,z 1(z 1) z z 1ds(z 1)4kf (kT)6 4k_ *f (t)( 6 4k) (t kT) F(z)0.5z 11.5z 1 0.5z 2k 0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 3 0.75z2 1.125z 3 0.375z4L _ * . f (t) 0.5 (t T) 0.75 (t 2T)L局局部式法:F(z)F(z)zf(kT)0.5z(z 1)(z 0.5)111 z 0.5(0.5)k*f (t)k(1 (0.5) ) (t kT)k 0留

43、數(shù)法:z11,z20.5ResF(z)zk1zi (z 1)0zk1zi1(z 1)(z 0.5)k1z1(0.5)k_ k 10.5zResF(z)zk1z 0.5 (z 0.5)z(z 1)(z 0.5)f(kT)1 (0.5)k*f (t)(1 (0.5)k) (t kT) k 0 F(z)1 2z 1解答：長除法3 5z 1 L1 2z 1 z23 z3 6z 1 3z '5z 1 3z 25z 1 10z2 5z：L _ * . f (t)3 (t T) 5 (t 2T) L局局部式法:F(z) 322z z 1 (z 1)f (kT)3 2k_ *f (t)( 3 2k)

44、(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 2 1 4z 1 5z2 2z 3z 2 4z 3 L12321 4z 5z 2zz2.34-5z 4z5z2z3454z 5z 2z.345(4z 16z20z 8zL一 * .f (t) (t 2T) 4 (t 3T) L局局部式法：F(z) 111r2 n (z 1)2F(z)z zr2 nz(z 1)2f(kT) 2k 1 k

45、f*(t)(2k 1 k) (t kT)k 0留數(shù)法：F(z)中有一個單極點和兩個重極點z12 ,z2,3利用式(2.85)求出zz12時的留數(shù)ResF (z)zk1zz(z2k2z2)2(z 2)(z 1)2利用式(2.86)求出zz2,31的留數(shù),其中n 2.ReSF(z)zk 1zz23,31 d , (z1 ! dzk 12z根據(jù)式(2.84)有f(kT)d dz2kkz"z111)2(z 2)(z 1) zikzk1(z 2) zk (z1從而f*(t)(2k k 1) (t kT)k 02.15舉例說明,z變換有幾種方法解答：級數(shù)求和法,局部方式法,留數(shù)計算法.舉例見書上

46、例題.2.16簡述z變換的線性定理,并證實之.解答：線性定理： 線性函數(shù)滿足齊次性和迭加性,假設(shè)Z fi(t)F1,Z f2(t)F2(z)a、b為任意常數(shù),fta") bf2(t),那么F(z)aFi(z) bF2(z)bf2(kT)z kf1(kT)z k bf2 (kT) z k0k0證實：根據(jù)z變換定義F(z)afJkT)k0 aZf1(t) bZf2(t) aR(z) bF2(z)證畢.2.17簡述z變換的滯后定理,并證實之.解答：滯后定理右位移定理如果f t 0 ,那么Z f(tnT)znF(z)證實：根據(jù)z變換定義Z f(t nT)f(kTk nT)zf(kT nT)z

47、(kn)k0f(tnT)f (mT)z mmn由于t 0時,f(t)0 物理的可實現(xiàn)性f(t nT) z n f(mT)zm0nF(z)證畢.2.18簡述z變換的超前定理, 解答：超前定理左位移定理并證實之.f(t nT)znF(z)1f(jT)z j0如果f(0T)f(T) Lf (n1)TZ f(tnT)znF(z)證實：根據(jù)z變換定義Z f(t nT)f (kT nT )zznf (kT nT)zk 0(k n)Z f(t nT)f(rT)zrznf(rT)zrf(rT)zrr 0r 0n 1znF(z)f(jT)z jj 0當(dāng) f (0T) f (T)f (n 1)T0 (零初始條件)

48、時,上式成為f(t nT)znF(z)證畢.并證實之.2.19簡述z變換的初值定理, 解答：初值定理如果f(t)的z變換為F (z),而lim F (z)存在,那么 zf(0)lim F(z) z證實：根據(jù)z變換定義F(z) f(kT)zk 01 一 2.f (0T) f(T)z f (2T)z L當(dāng)z 時,上式兩端取極限,得lim F(z) f(0)zf(kT)證畢.2.20簡述z變換的終值定理,并證實之.解答：終值定理如果f (t)的z變換為F(z),而(11、)F(z)在z平面以原點為圓心的單位圓上或圓外沒有極點,那么lim f (t) lim f(kT) lim(1z1)F(z) limZF(z)z 1 z證實：根據(jù)z變換定義Z f(t) F(z)f(kT