《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》教材習(xí)題解答

..《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》習(xí)題解答第一章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)由哪幾部分組成？答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)〔通常稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī),簡(jiǎn)稱工業(yè)控制機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)〔工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程兩大部分組成。1.2、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？微機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相比,具有如下特點(diǎn)：a.控制規(guī)律靈活多樣,改動(dòng)方便b.控制精度高,抑制擾動(dòng)能力強(qiáng),能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制c.能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示,控制效率高d.控制與管理一體化,進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有哪些分類？指出這些分類的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要應(yīng)用場(chǎng)合。答：〔1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制靈活,安全。缺點(diǎn)：由人工操作,速度受到限制,不能控制多個(gè)對(duì)象?！?直接數(shù)字控制系統(tǒng)〔DDS優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性好,可靠性高,適應(yīng)性強(qiáng)?！?監(jiān)督控制系統(tǒng)〔SCC優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)過(guò)程始終處于最優(yōu)工況?！?分散控制系統(tǒng)〔DCS優(yōu)點(diǎn)：分散控制、集中操作、分級(jí)管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)?！?現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)〔FCS優(yōu)點(diǎn)：與DCS相比,降低了成本,提高了可靠性。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后,可實(shí)現(xiàn)真正的開(kāi)放式互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1.4.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程是怎樣的?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程可歸納為以下三個(gè)步驟：<1>實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè),并輸入給計(jì)算機(jī)。<2>實(shí)時(shí)決策：對(duì)采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析,并按已定的控制規(guī)律,決定下一步的控制過(guò)程。<3>實(shí)時(shí)控制：根據(jù)決策,適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào),完成控制任務(wù)。1.5.實(shí)時(shí)、在線方式和離線方式的含義是什么？答：所謂實(shí)時(shí),是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成,亦即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息,以足夠快的速度進(jìn)行控制,超出了這個(gè)時(shí)間,就失去了控制的時(shí)機(jī),控制也就失去了意義。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接,并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式；生產(chǎn)過(guò)程不和計(jì)算機(jī)相連,且不受計(jì)算機(jī)控制,而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。1.6操作指導(dǎo)、DDC和SCC系統(tǒng)的工作原理如何？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？<1>操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)的輸出不直接作用于生產(chǎn)對(duì)象,屬于開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型、控制算法對(duì)檢測(cè)到的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行處理,計(jì)算出各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值,供操作員參考,這時(shí)計(jì)算機(jī)就起到了操作指導(dǎo)的作用。其原理框圖如圖1.2所示。圖1.2操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖<2>直接數(shù)字控制系統(tǒng)<DDC系統(tǒng)>：DDC<DirectDigitalControl>系統(tǒng)就是通過(guò)檢測(cè)元件對(duì)一個(gè)或多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè),經(jīng)輸入通道送給微機(jī),微機(jī)將檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較,再進(jìn)行控制運(yùn)算,然后通過(guò)輸出通道控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),使系統(tǒng)的被控參數(shù)達(dá)到預(yù)定的要求。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng),是微機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍的一種應(yīng)用形式。其原理框圖如圖1.3所示。圖1.3DDC系統(tǒng)原理框圖<3>計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)<SCC系統(tǒng)>：SCC<SupervisoryComputerControl>系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實(shí)際情況,因?yàn)樵贒DC系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)只是代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制,系統(tǒng)不能運(yùn)行在最佳狀態(tài),而SCC系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行給定值控制,并且還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。SCC系統(tǒng)的原理框圖如圖1.4所示。圖1.4SCC系統(tǒng)原理框圖SCC是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是什么？計(jì)算機(jī)控制將在以下方面得到發(fā)展：〔1推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù),普及應(yīng)用可編程序控制器〔PLC,廣泛使用智能調(diào)節(jié)器,采用新型的DCS和FCS；〔2大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)。當(dāng)前最流行的控制系統(tǒng)有：分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng),模糊控制系統(tǒng),專家控制系統(tǒng),學(xué)習(xí)控制系統(tǒng),神經(jīng)控制系統(tǒng)。以工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動(dòng)化將成為主流PLC在向微型化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展面向測(cè)控管一體化設(shè)計(jì)的DCS系統(tǒng)控制系統(tǒng)正在向現(xiàn)場(chǎng)總線〔FCS方向發(fā)展計(jì)算機(jī)控制軟件正向先進(jìn)控制方向發(fā)展第二章2.1什么是過(guò)程通道？過(guò)程通道有哪些分類？過(guò)程通道是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。按信息傳遞的方向來(lái)分,過(guò)程通道可分為輸入過(guò)程通道和輸出過(guò)程通道；按所傳遞和交換的信息來(lái)分,過(guò)程通道又可分為數(shù)字量過(guò)程通道和模擬量過(guò)程通道。2.2數(shù)字量過(guò)程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？數(shù)字量過(guò)程通道包括數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定時(shí)計(jì)數(shù)電路等組成。數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：輸入調(diào)理電路將來(lái)自控制裝置或生產(chǎn)過(guò)程的各種開(kāi)關(guān)量,進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高、低電平,同時(shí)還要考慮對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、保護(hù)、消除觸點(diǎn)抖動(dòng),以及進(jìn)行信號(hào)隔離等問(wèn)題。2.3簡(jiǎn)述兩種硬件消抖電路的工作原理。采用積分電路的硬件消抖電路,首先利用積分電路將抖動(dòng)的高頻部分濾出,其次利用施密特觸發(fā)器整形。采用RS觸發(fā)器的硬件消抖電路,主要是利用RS觸發(fā)器的保持功能實(shí)現(xiàn)消抖。2.4簡(jiǎn)述光電耦合器的工作原理及在過(guò)程通道中的作用。光電耦合器由封裝在一個(gè)管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組成,如下圖所示。輸入電流流過(guò)二極管時(shí)使其發(fā)光,照射到光敏三極管上使其導(dǎo)通,完成信號(hào)的光電耦合傳送,它在過(guò)程通道中實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。光電耦合器電路圖2.5模擬量輸入通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？模擬量輸入通道一般由I/V變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯電路組成。<1>I/V變換：提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳遞過(guò)程中的抗干擾能力,減少了信號(hào)的衰減,為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配提供了方便。<2>多路轉(zhuǎn)換器：用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。<3>采樣保持器：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時(shí)間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi),希望輸入信號(hào)不再變化,以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣,就需要在A/D轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。<4>A/D轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,能夠完成這一任務(wù)的器件,稱為之模/數(shù)轉(zhuǎn)換器<Analog/DigitalConverter,簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC>。2.6對(duì)理想多路開(kāi)關(guān)的要求是什么？理想的多路開(kāi)關(guān)其開(kāi)路電阻為無(wú)窮大,其接通時(shí)的導(dǎo)通電阻為零。此外,還希望切換速度快、噪音小、壽命長(zhǎng)、工作可靠。2.7采樣保持器有什么作用？試說(shuō)明保持電容的大小對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響。采樣保持器的作用：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時(shí)間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi),希望輸入信號(hào)不再變化,以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣,就需要在A/D轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。保持電容對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣保持的精度有很大影響。保持電容值小,則采樣狀態(tài)時(shí)充電時(shí)間常數(shù)小,即保持電容充電快,輸出對(duì)輸入信號(hào)的跟隨特性好,但在保持狀態(tài)時(shí)放電時(shí)間常數(shù)也小,即保持電容放電快,故保持性能差；反之,保持電容值大,保持性能好,但跟隨特性差。2.8在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中,是不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器？為什么？不是,對(duì)于輸入信號(hào)變化很慢,如溫度信號(hào)；或者A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較快,使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號(hào)變化很小,在允許的A/D轉(zhuǎn)換精度內(nèi),就不必再選用采樣保持器。2.9A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)有什么作用？根據(jù)該信號(hào)在I/O控制中的連接方式,A/D轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？它們?cè)诮涌陔娐泛统绦蛟O(shè)計(jì)上有什么特點(diǎn)？A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)的作用是用以判斷本次AD轉(zhuǎn)換是否完成。常見(jiàn)的A/D轉(zhuǎn)換有以下幾種控制方式,各自特點(diǎn)如下?延時(shí)等待法:EOC可不和I/O口連接,程序設(shè)計(jì)時(shí),延時(shí)大于ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間后,取數(shù)據(jù)。?保持等待法:EOC與READY相連,EOC無(wú)效時(shí),自動(dòng)插入等待狀態(tài)。直至EOC有效時(shí),取數(shù)據(jù)。?查詢法:EOC可以和任意I/O口連接,程序設(shè)計(jì)時(shí),反復(fù)判斷EOC是否有效,直至EOC有效時(shí),取數(shù)據(jù)。?中斷響應(yīng)法:EOC與外部中斷相連,AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后,發(fā)中斷申請(qǐng),在中斷服務(wù)程序中取數(shù)據(jù)。2.10假設(shè)被測(cè)溫度變化范圍為0oC～1200oC,如果要求誤差不超過(guò)0.4oC,應(yīng)選用分辨率為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？選擇依據(jù)：2.11設(shè)計(jì)8路模擬量采集系統(tǒng)。請(qǐng)畫(huà)出接口電路原理圖,并編寫(xiě)相應(yīng)的8路模擬量數(shù)據(jù)采集程序。本例給出用8031、DAC0809設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例。把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi)RAM的30H~37H單元中。采樣完一遍后停止采集。其數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中斷服務(wù)程序如下：初始化程序：MOVR0,#30H ；設(shè)立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)指針MOVR2,#08H ；設(shè)置8路采樣計(jì)數(shù)值SETBIT0 ；設(shè)置外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式SETBEA ；CPU開(kāi)放中斷SETBEX0 ；允許外部中斷0中斷MOVDPTR,#FEF8H；送入口地址并指向IN0LOOP：MOVX@DPTR,A ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,A的值無(wú)意義HERE：SJMPHERE ；等待中斷中斷服務(wù)程序： MOVXA,@DPTR ；讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 MOV@R0,A ；存入片內(nèi)RAM單元 INCDPTR ；指向下一模擬通道 INCR0 ；指向下一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 DJNZR2,INT0 ；8路未轉(zhuǎn)換完,則繼續(xù) CLREA ；已轉(zhuǎn)換完,則關(guān)中斷 CLREX0 ；禁止外部中斷0中斷 RETI ；中斷返回INT0：MOVX@DPTR,A ；再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 RETI ；中斷返回2.12模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大和V/I變換等信號(hào)調(diào)理電路組成。<1>D/A轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器<Digital/AnalogConverter,簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC>。它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置。<2>V/I變換：一般情況下,D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓信號(hào)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,當(dāng)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng),為了便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸,減少由于傳輸帶來(lái)的干擾和衰減,需要采用電流方式輸出模擬信號(hào)。許多標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu),一般是采用0～10mA或4～20mA的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。因此,需要將模擬電壓信號(hào)通過(guò)電壓/電流<V/I>變換技術(shù),轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。2.13采用74LS138、DAC0832運(yùn)算放大器和CD4051等設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換接口電路,設(shè)定DAC0832的端口地址為200H,CD4051的端口地址為201H。要求：〔1畫(huà)出D/A轉(zhuǎn)換接口電路；〔2編寫(xiě)D/A轉(zhuǎn)換程序。解<1>D/A轉(zhuǎn)換接口電路；地址線A9A8……A1A0=10……00時(shí)端口地址0200H,選通DAC0832地址線A9A8……A1A0=10……01時(shí)端口地址0201H選通CD4051<2>編寫(xiě)D/A轉(zhuǎn)換程序。DOUTPROCNEARMOVDX,200HMOVCX,8MOVAH,0MOVBX,OFFSETBUFNEXT:MOVAL,[BX]OUTDX,ALINCDXMOVAL,AHOUTDX,ALCALLDELAYINCAHDECDXINCBXLOOPNEXTRETDOUTENDP第三章3.1試求下列函數(shù)的z變換〔1解由位移定理〔2解：〔3由Z變換的性質(zhì)〔4解：〔5解將F<S>展開(kāi)成部份分式將上式進(jìn)行z反變換并整理即得〔6解：將上式進(jìn)行Z反變