計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及其應(yīng)用(丁建強(qiáng)任曉盧亞萍)課后規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)答案

,.TOC\o"1-2"\h\z\u第1章概述 1-2第2章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ) 2-1第3章數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3-1第4章控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)及其接口技術(shù) 4-1第5章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的過(guò)程通道 5-1第6章控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 6-1第7章控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件 7-1第8章DCS集散控制系統(tǒng) 8-1第9章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的解決方案 9-1第10章計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在簡(jiǎn)單過(guò)程控制中的應(yīng)用 10-1第11章計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在流程工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用 11-1

概述什么是自動(dòng)控制、控制系統(tǒng)、自動(dòng)化和控制論？參見1.1自動(dòng)控制的基本概念。自動(dòng)控制(autocontrol)：不用人力來(lái)實(shí)現(xiàn)的控制，通?？捎脵C(jī)械、電氣等裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常相對(duì)手動(dòng)控制而言。控制系統(tǒng)(controlsystem)：通過(guò)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能目標(biāo)的系統(tǒng)。而系統(tǒng)(system)是由相互聯(lián)系、相互作用要素組成的具有一定結(jié)構(gòu)和功能的有機(jī)整體?？刂葡到y(tǒng)通常有一定的規(guī)模和復(fù)雜性，否則常稱為控制裝置或控制機(jī)構(gòu)。自動(dòng)化(automation)：在無(wú)人工干預(yù)情況下，一個(gè)或多個(gè)控制系統(tǒng)或裝置按規(guī)定要求和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。自動(dòng)化強(qiáng)調(diào)的是自動(dòng)控制過(guò)程，其核心概念是信息?？刂普?cybernetics)：研究各類系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制規(guī)律的科學(xué)。各類系統(tǒng)包括動(dòng)物(及人類)和機(jī)器系統(tǒng)。自從1948年諾伯特·維納發(fā)表了著名的《控制論——關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)中控制和通訊的科學(xué)》一書以來(lái)，控制論的思想和方法已經(jīng)滲透到了幾乎有的自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。控制論著重于研究過(guò)程中的數(shù)學(xué)關(guān)系?？刂频谋举|(zhì)是什么？參見1.1.2自動(dòng)控制中的基本問(wèn)題。控制過(guò)程本質(zhì)上是一系列的信息過(guò)程，如信息獲取、信息傳輸、信息加工、信息施效等?？刂葡到y(tǒng)中的目標(biāo)信息、被控對(duì)象的初始信息、被控對(duì)象和環(huán)境的反饋信息、指令信息、執(zhí)行信息等，通常由電子或機(jī)械的信號(hào)來(lái)表示。自動(dòng)控制中有哪些基本問(wèn)題？參見1.1.2自動(dòng)控制中的基本問(wèn)題。自動(dòng)控制中的基本問(wèn)題包括：自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過(guò)程、目標(biāo)和品質(zhì)等。結(jié)構(gòu)包括組成及其關(guān)系兩個(gè)部分；控制過(guò)程主要為一系列的信息過(guò)程，如信息獲取、信息傳輸、信息加工、信息施效等；目標(biāo)規(guī)則體現(xiàn)了系統(tǒng)的功能；控制品質(zhì)即為控制的質(zhì)量，可通過(guò)系統(tǒng)的性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。一個(gè)控制系統(tǒng)由哪些部分組成？試結(jié)合一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明。參見1.1.2自動(dòng)控制中的基本問(wèn)題。一個(gè)控制系統(tǒng)可以由控制單元、執(zhí)行單元、反饋單元、被控對(duì)象、目標(biāo)規(guī)則組成，它們的相互關(guān)系參見圖15所示?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)有哪些？試結(jié)合一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明。參見1.1.2自動(dòng)控制中的基本問(wèn)題?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)有傳統(tǒng)意義上的性能指標(biāo)和廣義的評(píng)價(jià)指標(biāo)。統(tǒng)意的性能指標(biāo)有穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性等。廣義的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括可靠性、操作性、互換性、效率以及性價(jià)比等。（結(jié)合實(shí)例來(lái)說(shuō)明略。）一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由哪些部分組成？它們的關(guān)系如何？參見1.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、輸入輸出接口、過(guò)程通道(輸入通道和輸出通道)、外部設(shè)備(交互設(shè)備和通信設(shè)備等)，軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為控制單元，見圖16所示。典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些分類？試比較DDC、SCC、DCS和FCS的各自特點(diǎn)。參見1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類。分類方法有：按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類、按控制器與被控對(duì)象的關(guān)系分類、按計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的地位和工作方式分類、按控制規(guī)律分類。其中DDC(DirectDigitalControl)、SCC(SupervisoryComputerControl)、DCS(DistributedControlSystem)和FCS(FieldbusControlSystem)是按計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的地位和工作方式來(lái)分類的。DDC中的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)、運(yùn)算、控制任務(wù)，相當(dāng)于“一線員工”。SCC系統(tǒng)中的SCC計(jì)算機(jī)主要完成監(jiān)督控制，指揮下級(jí)DDC計(jì)算機(jī)完成現(xiàn)場(chǎng)的控制，相當(dāng)于“車間主任”或“線長(zhǎng)”。DCS由多臺(tái)分布在不同物理位置的計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，以“分散控制、集中操作、分級(jí)管理”為原則而構(gòu)建的控制系統(tǒng)，DCS中的計(jì)算機(jī)充當(dāng)各個(gè)部門的“管理人員”，如過(guò)程管理、生產(chǎn)管理、經(jīng)營(yíng)管理等職能。FCS是建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的高級(jí)分布式控制系統(tǒng)。在FCS中，控制器、智能傳感器和執(zhí)行器、交互設(shè)備、通信設(shè)備都含有計(jì)算機(jī)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線相連接。這些計(jì)算機(jī)的功能不僅僅在于對(duì)一般信息處理，而是更強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)的信息交換功能。試通過(guò)實(shí)例來(lái)說(shuō)明不同控制規(guī)律的特征。參見1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類。不同控制規(guī)律分類有恒值控制、隨動(dòng)控制、PID控制、順序控制、程序控制、模糊控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制等。恒值控制：控制目標(biāo)是系統(tǒng)的輸出根據(jù)輸入的給定值保持不變，輸入通常是在某一時(shí)間范圍內(nèi)恒定不變或變化不大的模擬量。如恒溫爐的溫度控制，供水系統(tǒng)的水壓控制，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度控制。隨動(dòng)控制：控制目標(biāo)是要求系統(tǒng)的輸出跟蹤輸入而變化，而輸入的值通常是隨機(jī)變化的模擬量，往往不能預(yù)測(cè)。如自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、雷達(dá)天線的控制等。PID控制：根據(jù)給定值與輸出值之間偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進(jìn)行的反饋控制，是工業(yè)上適用面較廣、歷史較長(zhǎng)、目前仍得到廣泛應(yīng)用的控制規(guī)律。許多連續(xù)變化的物理量如溫度、流量、壓力、水位、速度等的控制，都可采用PID控制。許多恒值控制和某些隨動(dòng)控制也可采用PID規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)。順序控制：根據(jù)給定的動(dòng)作序列、狀態(tài)和時(shí)間要求而進(jìn)行的控制。如交通信號(hào)燈的控制、電梯升降的控制、自動(dòng)包裝機(jī)、自動(dòng)流水線的控制。程序控制（數(shù)值控制、數(shù)字控制）：指根據(jù)預(yù)先給定的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)控制部件行動(dòng)。如線切割機(jī)的控制、電腦繡花機(jī)的控制。模糊控制：基于模糊集合和模糊運(yùn)算，采用語(yǔ)言規(guī)則表示法進(jìn)行的控制。在許多家用電器（電飯煲、洗衣機(jī)等）、工業(yè)過(guò)程控制等領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。最優(yōu)控制（最佳控制）：使系統(tǒng)的某些指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，而這些指標(biāo)往往不能直接測(cè)量，如時(shí)間、能耗等。自適應(yīng)控制：在工作條件改變的情況下，仍能使控制系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象的控制處于最佳狀態(tài)。它需要隨時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境和工作狀況，并可隨時(shí)修正當(dāng)前算法的一些參數(shù)，以適應(yīng)環(huán)境和工作狀況的改變。自學(xué)習(xí)控制：能夠根據(jù)運(yùn)行結(jié)果積累經(jīng)驗(yàn)，自行改變和完善控制的算法，使控制品質(zhì)愈來(lái)愈好。它有一個(gè)積累經(jīng)驗(yàn)和主動(dòng)學(xué)習(xí)的過(guò)程，可以適時(shí)地調(diào)整算法的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以不斷地提高自身算法質(zhì)量。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中獲取信息、傳輸信息、加工信息、執(zhí)行信息等過(guò)程分別與哪些技術(shù)有關(guān)？參見1.2.3計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及其發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的獲取信息、傳遞信息、加工信息、執(zhí)行信息等過(guò)程都有相應(yīng)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這些過(guò)程中的信息大部分由電子信號(hào)來(lái)表示，信息處理的工具是電子計(jì)算機(jī)。在這些過(guò)程用到的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)包括控制用計(jì)算機(jī)技術(shù)、輸入輸出接口與過(guò)程通道技術(shù)、控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)字控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、控制系統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù)、控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)等。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可遵循哪些原則？參見1.3.2學(xué)習(xí)方法。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可遵循的原則有系統(tǒng)化、信息化、規(guī)范化、實(shí)用化。系統(tǒng)化原則：要認(rèn)識(shí)到控制系統(tǒng)是具有一定結(jié)構(gòu)和功能的有機(jī)整體，可將其分解為相互聯(lián)系、相互作用的各個(gè)子系統(tǒng)，它們的子功能可通過(guò)外特性來(lái)描述。信息化原則：可從信息化的本質(zhì)來(lái)看待一個(gè)控制過(guò)程。計(jì)算機(jī)是一個(gè)強(qiáng)大的信息處理工具，一個(gè)合適的信息表達(dá)形式是信息得到有效處理的前提，控制規(guī)律的數(shù)據(jù)形式表達(dá)是信息加工的關(guān)鍵，而時(shí)間和空間是信息處理的兩大限約要素，因此計(jì)算機(jī)的速度和存儲(chǔ)空間是其重要的性能指標(biāo)。規(guī)范化原則：為提高系統(tǒng)的構(gòu)建效率，降低維護(hù)費(fèi)用，應(yīng)從規(guī)范化的要求來(lái)分析和設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)。應(yīng)了解和掌握控制系統(tǒng)從底層的標(biāo)準(zhǔn)元器件、信號(hào)類型、總線標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議到組態(tài)軟件的編程語(yǔ)言、開放式的監(jiān)控軟件。這些規(guī)范化技術(shù)通常有較長(zhǎng)的生命周期，重點(diǎn)掌握這些技術(shù)也是提高學(xué)習(xí)效率的一個(gè)要素。實(shí)用化原則：從實(shí)用化的角度來(lái)理解控制技術(shù)的應(yīng)用水平。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的環(huán)境下，生命力強(qiáng)的技術(shù)必然會(huì)有性能和價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比高的產(chǎn)品必然會(huì)得到應(yīng)用廣泛，低碳環(huán)保的產(chǎn)品會(huì)受到更多用戶的歡迎。因此，我們要隨時(shí)了解當(dāng)前技術(shù)、產(chǎn)品性能和價(jià)格情況，在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選用性價(jià)比好的技術(shù)和產(chǎn)品，避免重復(fù)使用低級(jí)落后技術(shù)，減少低性能、高價(jià)格、高能耗、不可靠、難維護(hù)的劣質(zhì)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)簡(jiǎn)述輸入輸出描述方法和狀態(tài)空間描述方法的各自特點(diǎn)。參見2.1.1控制系統(tǒng)的描述方法。輸入輸出描述方法也稱激勵(lì)響應(yīng)法，它是基于系統(tǒng)的輸入與輸出之間的因果關(guān)系來(lái)描述系統(tǒng)特性的，主要適用于描述單變量輸入和單變量輸出的系統(tǒng)。輸入輸出描述方法中，系統(tǒng)的輸出不僅與當(dāng)前的輸入有關(guān)，還與過(guò)去的輸入和輸出有關(guān)。狀態(tài)空間描述方法是基于系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為核心，不僅適用于描述單變量輸入和單變量輸出的系統(tǒng)，也能適用于多變量的場(chǎng)合。系統(tǒng)的輸出僅與當(dāng)前的系統(tǒng)輸入和狀態(tài)變量有關(guān)。連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)分別使用哪些數(shù)學(xué)工具來(lái)表示？參見2.1.1控制系統(tǒng)的描述方法。對(duì)連續(xù)系統(tǒng)用到的數(shù)學(xué)工具有微分方程、拉氏變換和傳遞函數(shù)，對(duì)離散系統(tǒng)用到的數(shù)學(xué)工具有差分方程、Z變換和脈沖傳遞函數(shù)。對(duì)連續(xù)系統(tǒng)，可用微分方程、脈沖響應(yīng)、傳遞函數(shù)建立系統(tǒng)模型；對(duì)離散系統(tǒng)，可用差分方程、脈沖響應(yīng)、脈沖傳遞函數(shù)建立系統(tǒng)模型；對(duì)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，都可用方框圖來(lái)描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。什么是連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)？什么是離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)？它們有什么實(shí)用意義？參見2.1.5用傳遞函數(shù)表示的系統(tǒng)模型，2.3.6脈沖傳遞函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定義為零初始條件下系統(tǒng)輸出y(t)的拉氏變換與輸入r(t)的拉氏變換之比，即：離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)(也稱Z傳遞函數(shù))可定義為：其中，Y(z)為系統(tǒng)輸出序列y(k)的Z變換，R(z)為輸入序列r(k)的Z變換。傳遞函數(shù)或脈沖傳遞函數(shù)都反映了系統(tǒng)固有本質(zhì)屬性，它與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)有關(guān)，而與輸入量無(wú)關(guān)。利用傳遞函數(shù)的表達(dá)式就能分析出系統(tǒng)的特性，如穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性等；利用傳遞函數(shù)可通過(guò)求解方程代數(shù)而不是求解微分方程，就可求出零初始條件下的系統(tǒng)響應(yīng)。特別指出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，求出離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)更為方便有效。方框圖有哪些符號(hào)要素和等效變換規(guī)則？參見2.1.6系統(tǒng)的方框圖。系統(tǒng)的方框圖是線圖形式的系統(tǒng)模型，由方框、有向線段和相加節(jié)點(diǎn)組成，方框圖的變換規(guī)則有：并聯(lián)、串聯(lián)和反饋。參見表2-3和表2-4。畫出狀態(tài)空間模型框圖，寫出輸出方程和狀態(tài)方程表達(dá)式。參見2.1.7狀態(tài)空間概念和模型框圖和2.3.7離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述與連續(xù)系統(tǒng)類似，其模型框圖參見圖2-14所示。A為狀態(tài)矩陣、B為輸入矩陣、C為輸出矩陣、D為傳輸矩陣，延時(shí)單元z-1可以看成一組D型觸發(fā)器或數(shù)據(jù)寄存器。離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述方法輸出方程和狀態(tài)方程表達(dá)式用矩陣表示為：簡(jiǎn)述采樣過(guò)程和采樣定理。參見2.3.2采樣過(guò)程和采樣定理。設(shè)模擬信號(hào)為e(t)，經(jīng)采樣開關(guān)后輸出為采樣信號(hào)e*(t)。理想的采樣信號(hào)e*(t)的表達(dá)式為：通常在整個(gè)采樣過(guò)程中采樣周期T是不變的，這種采樣稱為均勻采樣，為簡(jiǎn)化起見，采樣信號(hào)e*(t)也可用序列e(kT)表示，進(jìn)一步簡(jiǎn)化用e(k)表示，此處自變量k為整數(shù)。香農(nóng)(C.E.Shannon)的采樣定理(也稱抽樣定理或取樣定理)：只要采樣頻率fs大于信號(hào)(包括噪聲)e(t)中最高頻率fmax的兩倍，即fs≥2fmax，則采樣信號(hào)e*(t)就能包含e(t)中的所有信息，也就是說(shuō)，通過(guò)理想濾波器由e*(t)可以唯一地復(fù)現(xiàn)e(t)。已知某離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)模型如下表達(dá)式，求相應(yīng)的零極點(diǎn)增益模型和狀態(tài)空間模型(可嘗試借助MATLAB工具)。參見2.3.7離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。零極點(diǎn)增益模型如下：狀態(tài)空間模型如下：其中：寫出下列序列x1(k)、x2(k)對(duì)應(yīng)的Z變換。參見2.3.3序列和差分方程。x1(k)=2+1z-1+3z-2+4z-4x2(k)=1+2z-1+8*z-2/(1-z-1)寫出下列Z表達(dá)式所對(duì)應(yīng)的序列表達(dá)式和序列圖。(1)；(2)(3)；(4)參見2.3.3序列和差分方程。x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k)所對(duì)應(yīng)的序列表達(dá)式和序列圖如下：x1(k)＝5δ(k)+3δ(k-1)-δ(k-2)+3δ(k-3)x2(k)＝3δ(k)+2δ(k-1)+4δ(k-2)+8δ(k-3)+9δ(k-4)+32δ(k-5)+64δ(k-6)+……x3(k)＝0+10δ(k-1)+11δ(k-2)+9.1δ(k-3)+6.71δ(k-4)+4.651δ(k-5)+3.1031δ(k-6)+……x4(k)＝4.69δ(k)-6.8169δ(k-1)+5.7739δ(k-2)-4.89055δ(k-3)+4.14232δ(k-4)+……x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k)所對(duì)應(yīng)的序列圖如下：已知控制算式y(tǒng)(k)＝0.8y(k-1)＋0.2x(k),試根據(jù)輸入x(k)寫出相應(yīng)的響應(yīng)y(k)。參見2.3.3序列和差分方程。迭代法求解差分方程計(jì)算過(guò)程k<001234x(k)02001801701600y(k)0406888.4102.7282.176離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？參見2.4.2穩(wěn)定性分析。根據(jù)自動(dòng)控制理論，連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是系統(tǒng)傳遞函數(shù)的特征根全部位于s域左半平面，而對(duì)離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的特征根全部位于z平面的單位圓中。動(dòng)態(tài)特性主要是用系統(tǒng)在單位階躍輸入信號(hào)作用下的響應(yīng)特性來(lái)描述。常見的有哪些具體的指標(biāo)？參見2.2.2連續(xù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法回顧和2.4.4動(dòng)態(tài)特性分析。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可通過(guò)多項(xiàng)性能指標(biāo)來(lái)描述，常見的具體指標(biāo)有上升時(shí)間tr、峰值時(shí)間tp、調(diào)節(jié)時(shí)間ts和超調(diào)量δ等。已知如下所示的離散系統(tǒng)的G(z)、D(z)，試分別求出不同R(z)情況下的穩(wěn)態(tài)誤差ess。其中：、；R(z)分別取：(1)、(2)參見2.4.3靜態(tài)誤差分析。因?yàn)椋韵到y(tǒng)是I型系統(tǒng)。(1)時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差為0。(2)時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差為，（取T=1），其中則數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)述數(shù)字控制器近似設(shè)計(jì)與解析設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)過(guò)程。參考3.1.1近似設(shè)計(jì)法。數(shù)字控制器D(z)的近似設(shè)計(jì)過(guò)程如下：?先設(shè)計(jì)控制器的傳遞函數(shù)D(s)（需要運(yùn)用自動(dòng)控制理論知識(shí)）。?選擇合適的離散化方法，將D(s)離散化，獲得與D(s)性能近似的D(z)。?檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)性能。進(jìn)行優(yōu)化。必要時(shí)，重新修正D(s)后，再離散化。?對(duì)D(z)滿意后，將其變?yōu)閿?shù)字算法，在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)字控制器D(z)的解析設(shè)計(jì)過(guò)程如下：·根據(jù)系統(tǒng)的G(z)、輸入R(z)及主要性能指標(biāo)，選擇合適的采樣頻率；·根據(jù)D(z)的可行性，確定閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(z)；·由Φ(z)、G(z)，確定D(z)；·分析各點(diǎn)波形，檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)性能。若不滿意，重新修正Φ(z)?！?duì)D(z)滿意后，將其變?yōu)閿?shù)字算法，在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。已知某對(duì)象的傳遞函數(shù)如下，分別用向后矩形法和梯形變換法求出相應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)，設(shè)采樣周期T=1s。，，參見3.2.1積分變換法。根據(jù)公式(3-3)和(3-5)計(jì)算。用向后矩形法求解(設(shè)T=1)：用梯形變換法(設(shè)T=1)已知某對(duì)象的傳遞函數(shù)如下，分別用脈沖響應(yīng)不變法和帶保持器的階躍響應(yīng)不變法求出相應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)，設(shè)采樣周期T=1s。參見3.2.2零極點(diǎn)匹配法和3.2.3等效變換法。零極點(diǎn)匹配法（略）。等效變換法求解：寫出PID的傳遞函數(shù)D(s)，并分別用向后矩形法和梯形變換法求出相應(yīng)的D(z),要求將表達(dá)式整理成規(guī)范的分式，設(shè)采樣周期T=1s。參見3.2.1積分變換法和3.3.2數(shù)字PID控制算法。PID的傳遞函數(shù)D(s)如下：用向后矩形法求出相應(yīng)的D(z)如下：用梯形變換法求出相應(yīng)的D(z)如下：PID的Kp、Ki、Kd參數(shù)各有什么作用？參見3.3.1PID控制的原理。比例系數(shù)Kp的增大利于提高靈敏度，加快調(diào)節(jié)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。Kp過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)容易引起振蕩，趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。積分時(shí)間Ti是消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)鍵，Ti要與對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相匹配，Ti太小，容易誘發(fā)系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定；Ti太大，則減小穩(wěn)態(tài)誤差的能力將削弱，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程會(huì)延長(zhǎng)。微分時(shí)間Td的主要作用是加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即可以減少超調(diào)量，又可減小調(diào)節(jié)時(shí)間。但引入Td后，系統(tǒng)受干擾的影響會(huì)增加。數(shù)字PID控制的參數(shù)整定方法有哪些？各有什么特點(diǎn)？參見3.3.3數(shù)字PID控制的參數(shù)整定。數(shù)字PID控制的參數(shù)整定方法常見的有擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法、歸一參數(shù)法和經(jīng)驗(yàn)整定法等。擴(kuò)充臨界比例度法在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，在整定過(guò)程中允許出現(xiàn)振蕩。擴(kuò)充響應(yīng)曲線法通過(guò)開環(huán)實(shí)驗(yàn)獲得對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)振蕩。歸一參數(shù)整定法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，人為地設(shè)定“約束條件”，只需要改變Kp，就可觀察控制效果。數(shù)字PID控制算法有哪些改進(jìn)的方法？參見3.3.2數(shù)字PID控制算法。主要的改進(jìn)包括積分項(xiàng)的改進(jìn)、微分項(xiàng)的改進(jìn)、串接濾波單元等。積分項(xiàng)的改進(jìn)有：積分項(xiàng)分離的PID算式，變速積分的PID算式，飽和停止積分的PID算式。微分項(xiàng)的改進(jìn)有：不完全微分的PID算式和微分先行PID算式。串接濾波單元：基于連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的數(shù)字濾波器，基于邏輯判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的濾波器。已知某控制系統(tǒng)的G(z)如下，假定R(z)分別在階躍信號(hào)、單位速度信號(hào)激勵(lì)下，按最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，求出D(z)，并畫出各點(diǎn)波形。參見3.4.2最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(1)在階躍信號(hào)激勵(lì)下:因?yàn)镚(z)具有因子，無(wú)單位圓外的零點(diǎn)，則Φ(z)應(yīng)包括因子；G(z)分母和R(z)均有因子則Ge(z)應(yīng)包含；又因?yàn)?，?z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項(xiàng)式，所以有：兩式中的a，b為待定系數(shù)。將上兩式聯(lián)立，得：，比較等式兩側(cè)，得到解：所以：各點(diǎn)波形：序列數(shù)據(jù):k:0 1 2 3 4 5 6 7r(k):1 1 1 1 1 1 1 1e(k):1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k):2.000 -2.000 1.200 -0.720 0.432 -0.259 0.156 -0.093y(k):0.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在單位速度信號(hào)激勵(lì)下:因?yàn)镚(z)含有因子，則Φ(z)分子應(yīng)包括；G(z)分母有因子，R(z)分母有均則Ge(z)應(yīng)包含；又因?yàn)?，?z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項(xiàng)式，所以有：式中a、b、c為待定系數(shù)，求解上述方程組可得：a=2,b=-0.5,c=1。所以有：各點(diǎn)波形：注意：按最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，p(k)會(huì)有紋波。序列數(shù)據(jù):k:0 1 2 3 4 5 6 7r(k):0 1 2 3 4 5 6 7e(k):0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k):0.000 4.000 -2.000 2.400 -0.240 1.344 0.394 0.964y(k):0.000 0.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000已知某控制系統(tǒng)的G(z)如下，假定分別在階躍信號(hào)、單位速度信號(hào)激勵(lì)下，按最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，求出D(z)，并畫出各點(diǎn)波形。參見3.4.2最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。參見3.4.2最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(1)在階躍信號(hào)激勵(lì)下:因?yàn)镚(z)具有因子，有單位圓外的零點(diǎn)z=-1.5，則Φ(z)應(yīng)包括因子和；G(z)分母和R(z)均有因子，則Ge(z)應(yīng)包含；又因?yàn)?，?z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項(xiàng)式，所以有：兩式中的a，b為待定系數(shù)。將上兩式聯(lián)立，得：，所以：各點(diǎn)波形：序列數(shù)據(jù):k:0 1 2 3 4 5 6 7r(k):1 1 1 1 1 1 1 1e(k):1.000 0.600 -0.000 -0.000 -0.000 -0.000 -0.000 -0.000p(k):0.200 -0.180 0.042 -0.004 0.000 -0.000 0.000 -0.000y(k):0.000 0.400 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在單位速度信號(hào)激勵(lì)下:解：因?yàn)镚(z)含有因子，則Φ(z)分子應(yīng)包括；G(z)分母有因子，R(z)分母有均則Ge(z)應(yīng)包含；又因?yàn)?，?z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項(xiàng)式，所以有：所以有：a=-c+2,a*b+a*3/2=2*c-1,a*b*3/2=-c；(參考MATLAB命令：[a,b,c]=solve('a=-c+2','a*b+a*3/2=2*c-1','a*b*3/2=-c');)解得：a=26/25,b=-8/13,c=24/25,所以有：各點(diǎn)波形：注意：按最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，p(k)會(huì)有紋波。序列數(shù)據(jù):k:0 1 2 3 4 5 6 7r(k):0 1 2 3 4 5 6 7e(k):0.000 1.000 0.960 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k):0.000 0.520 -0.268 0.129 0.051 0.059 0.058 0.058y(k):0.000 0.000 1.040 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000按最少拍無(wú)紋波隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，求出前面習(xí)題8和習(xí)題9的D(z)，并畫出各點(diǎn)波形。參見3.4.3最少拍無(wú)紋波隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(1)在階躍信號(hào)激勵(lì)下:,因?yàn)镚(z)具有因子，單位圓內(nèi)的零點(diǎn)z=--0.6，則Φ(z)應(yīng)包括和(1+0.6z-1)因子；G(z)分母和R(z)均有因子則Ge(z)應(yīng)包含因子；又因?yàn)椋?z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項(xiàng)式，所以有：兩式中的a，b為待定系數(shù)。將上兩式聯(lián)立，可求得：a=0.625，b=0.375。(參考MATLAB命令：[a,b]=solve('a=(1-b)','(0.6*a)=b');)所以有：將上面兩式代入，可求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)各點(diǎn)波形：注意：按最少拍無(wú)紋波隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，p(k)不會(huì)有紋波。序列數(shù)據(jù):k:0 1 2 3 4 5 6 7r(k):1 1 1 1 1 1 1 1e(k):1.000 0.375 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k):1.250 -0.500 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000y(k):0.000 0.625 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在單位速度信號(hào)激勵(lì)下:,因?yàn)镚(z)含有因子和零點(diǎn)z=-0.6，因此，Φ(z)中應(yīng)含有、(1+0.6z-1)項(xiàng)；G(z)分母和R(z)均有因子則Ge(z)應(yīng)包含；又因?yàn)?，?z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項(xiàng)式，所以有：式中a、b、c為待定系數(shù)，由此得方程組：求解上述方程組可得：a=1.484;b=-0.579;c=0.516。(參考MATLAB命令：[a,b,c]=solve('a=-(-2+c)','a*(0.6+b)=-(1-2*c)','a*0.6*b=-c');)或?qū)⑸厦鎯墒酱?，可求出?shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)各點(diǎn)波形：注意：按最少拍無(wú)紋波隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，p(k)不會(huì)有紋波。序列數(shù)據(jù):k:0 1 2 3 4 5 6 7r(k):0 1 2 3 4 5 6 7e(k):0.000 1.000 0.516 0.001 0.001 0.002 0.002 0.002p(k):0.000 2.968 0.062 0.750 0.750 0.750 0.750 0.750y(k):0.000 0.000 1.484 2.999 3.999 4.998 5.998 6.998(3)在階躍信號(hào)激勵(lì)下:由G(z)可知Φ(z)應(yīng)包括和(1+1.5z-1)和(1+0.1z-1)因子；由G(z)和R(z可知Ge(z)應(yīng)包含因子；Φ(z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項(xiàng)式，所以有：兩式中的a,b,c,d為待定系數(shù)。a=4/11;b=7/11;c=3/55;(參考MATLAB命令：[a,b,c]=solve('3/20*a=c','(8/5*a)=-(c-b)','a=-(b-1)'))求得：a=4/11,b=7/11,c=3/55,則有：將上面兩式代入，可求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)各點(diǎn)波形：序列數(shù)據(jù):k:0 1 2 3 4 5 6 7r(k):1 1 1 1 1 1 1 1e(k):1.000 0.636 0.055 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k):0.182 -0.145 0.022 -0.000 0.000 -0.000 0.000 -0.000y(k):0.000 0.364 0.945 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(4)在單位速度信號(hào)激勵(lì)下:,由G(z)可知Φ(z)應(yīng)包括和(1+1.5z-1)和(1+0.1z-1)因子；由G(z)和R(z可知Ge(z)應(yīng)包含因子；Φ(z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項(xiàng)式，所以有：(參考MATLAB命令：[a,b,c,d]=solve('3/20*a*b=-d','(8/5*a*b+3/20*a)=(2*d-c)','(a*b+8/5*a)=(-d+2*c-1)','a=(-c+2)'))求得：a=592/605,b=-93/148,c=618/605,d=279/3025.,以及：將上面兩式代入，可求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)各點(diǎn)波形：序列數(shù)據(jù)：k:0 1 2 3 4 5 6 7r(k):0 1 2 3 4 5 6 7e(k):0.000 1.000 1.021 0.092 0.000 0.000 0.000 0.000p(k):0.000 0.489 -0.210 0.095 0.058 0.058 0.058 0.058y(k):0.000 0.000 0.979 2.908 4.000 5.000 6.000 7.000附：不同輸入信號(hào)下的各點(diǎn)波形：(1)在三個(gè)階躍信號(hào)激勵(lì)下:,，如果輸入是速度函數(shù)，則會(huì)存在誤差，如下所示：(2)在三個(gè)單位速度信號(hào)激勵(lì)下:,(3)在三個(gè)階躍信號(hào)激勵(lì)下:(4)在三個(gè)單位速度信號(hào)激勵(lì)下:,根據(jù)下列控制器的D(z)，分別畫出直接式、串行實(shí)現(xiàn)法和并行實(shí)現(xiàn)法的實(shí)現(xiàn)框圖和相應(yīng)的輸出方程和狀態(tài)方程。、參見3.5.1實(shí)現(xiàn)框圖與算法。（1）對(duì)D1(z)，采用直接式1和直接式2的實(shí)現(xiàn)框圖如下：D1(z)對(duì)應(yīng)直接式1實(shí)現(xiàn)框圖的狀態(tài)方程和輸出方程如下：狀態(tài)方程：輸出方程：D1(z)對(duì)應(yīng)直接式2實(shí)現(xiàn)框圖的狀態(tài)方程和輸出方程如下：狀態(tài)方程：輸出方程：1·D1(z)串行實(shí)現(xiàn)法的表達(dá)式為：（實(shí)現(xiàn)框圖略。）D1(z)并行實(shí)現(xiàn)法的表達(dá)式為：（實(shí)現(xiàn)框圖略。）（2）對(duì)D2(z)，采用直接式1和直接式2的實(shí)現(xiàn)框圖如下：D2(z)對(duì)應(yīng)直接式1實(shí)現(xiàn)框圖的狀態(tài)方程和輸出方程如下：狀態(tài)方程：輸出方程：D2(z)對(duì)應(yīng)直接式2實(shí)現(xiàn)框圖的狀態(tài)方程和輸出方程如下：狀態(tài)方程：輸出方程：D2(z)串行實(shí)現(xiàn)法的表達(dá)式為：（實(shí)現(xiàn)框圖略。）D2(z)并行實(shí)現(xiàn)法的表達(dá)式為：（實(shí)現(xiàn)框圖略。）控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)及其接口技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)有哪些要求？基于PC機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)其結(jié)構(gòu)與普通PC機(jī)有何不同？參見4.1.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)。對(duì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的要求主要體現(xiàn)在其所具有特點(diǎn)：適應(yīng)性、可靠性、實(shí)時(shí)性、擴(kuò)展性等方面。基于PC機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)其結(jié)構(gòu)與普通PC機(jī)不同之處是前者在機(jī)械結(jié)構(gòu)、元器件選用和電源配置等方面比普通PC機(jī)的可靠性更高。工業(yè)控制中的嵌入式系統(tǒng)可選擇哪些設(shè)計(jì)模式？4.1.2嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常與其架構(gòu)有關(guān)，通常有基于片上系統(tǒng)(SoC:SystemonChip)、系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP:System-in-a-Package)、模塊級(jí)系統(tǒng)(SOB:System-on-Board)的設(shè)計(jì)模式。通過(guò)查閱資料，了解目前常見的8位和32位微控制器的特點(diǎn)和性能指標(biāo)。建議利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱有關(guān)資料。提示：可查閱有關(guān)微控制器廠商的網(wǎng)站，了解目前常見微控制器的特點(diǎn)和性能指標(biāo)。通過(guò)查閱資料，了解某種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的構(gòu)成、性能指標(biāo)和適用場(chǎng)合。利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱有關(guān)資料。提示：可查閱某工業(yè)控制計(jì)算機(jī)廠商的網(wǎng)站，了解某種產(chǎn)品的構(gòu)成、性能指標(biāo)和適用場(chǎng)合。接口數(shù)據(jù)傳輸中有哪些定時(shí)和協(xié)調(diào)信號(hào)？參見4.2.1接口與總線。定時(shí)信號(hào)有：CPU或DMA控制發(fā)出的讀(Read)或?qū)?Write)信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)CPU或存儲(chǔ)器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)信號(hào)有請(qǐng)求(REQ)和應(yīng)答(ACK)或選通(Strobe)和就緒(Ready)。接口技術(shù)中有哪些數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?？各有什么特點(diǎn)？參見4.2.1接口與總線。根據(jù)定時(shí)和協(xié)調(diào)的不同要求，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)有直接傳輸、程序查詢、定時(shí)查詢、中斷傳輸和DMA等幾種方式。特點(diǎn)請(qǐng)參見4.2.1接口與總線。接口與總線有哪些分類？參見4.2.1接口與總線。按接口所連接的功能部件來(lái)分，有過(guò)程通道接口、人機(jī)交互接口、存儲(chǔ)設(shè)備接口和通信接口。按接口的數(shù)據(jù)傳輸特征進(jìn)行分類，有并行接口和串行接口；按接口和總線連接部件的技術(shù)特征可分為芯片級(jí)總線、板級(jí)總線(也稱系統(tǒng)總線)和通信總線(也稱外部總線)。RS-232C和RS-485各有什么特點(diǎn)？參見4.2.3串行接口。提示：可通過(guò)傳輸方式、傳輸速率、傳輸距離、信號(hào)類型、連接方式、能否組網(wǎng)、應(yīng)用情況等方面來(lái)比較。I2C總線和SPI總線各有什么特點(diǎn)？參見4.2.3串行接口。提示：可通過(guò)總線結(jié)構(gòu)、時(shí)序、傳輸速率、傳輸距離、適用場(chǎng)合等方面來(lái)比較。簡(jiǎn)述Infranet、Intranet、Internet之間的關(guān)系。參見4.2.4現(xiàn)場(chǎng)總線。FCS中，形成最底層的控制網(wǎng)稱為Infranet。Infranet的網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)包括控制現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、執(zhí)行器以及人機(jī)接口HMI(如安全監(jiān)控器)等。Infranet可與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet相連，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部管理、財(cái)務(wù)、辦公及人事等的信息化。Intranet再與全球信息網(wǎng)Internet相連，實(shí)現(xiàn)企業(yè)之間的信息交流。最終可構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)三級(jí)體系結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)述現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特征.參見4.2.4現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線的主要技術(shù)特征有：(1).數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信；(2).互操作性和互換性；(3).傳輸介質(zhì)的多樣化；(4).適應(yīng)性和可靠性等。畫出I2C總線上主器件對(duì)地址為1010110的從器件寫入2字節(jié)5BH和87H的時(shí)序。參見4.2.3串行接口。提示：參考圖428I2C總線的傳輸數(shù)據(jù)格式。畫出SPI總線上主器件向從器件寫入A5H的時(shí)序。參見4.2.3串行接口。提示：圖430SPI總線的四種時(shí)鐘工作方式和圖431SPI總線傳輸數(shù)據(jù)實(shí)例?？刂葡到y(tǒng)中對(duì)人機(jī)交互有哪些要求？參見4.3.1人機(jī)交互及其要求。主要包括可理解性和易操作性。可理解性包括確定性、關(guān)聯(lián)性、層次性、一致性等要素。易操作性包括方便性、有序性、健壯性、安全性等要素。通過(guò)查閱資料，有哪些嵌入式操作系統(tǒng)？參見4.4.1系統(tǒng)軟件。提示：利用網(wǎng)絡(luò)資源，查閱相關(guān)資料。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的過(guò)程通道簡(jiǎn)述傳感器與變送器的異同。參見5.1.1傳感器和變送器。變送器(Transmitter)是從傳感器發(fā)展而來(lái)的，凡能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器通常稱為變送器。變送器有較強(qiáng)的信號(hào)處理能力、能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)信號(hào)。變送器輸出的信號(hào)通常為多少？變送器與輸入通道的連接方式有哪些？請(qǐng)給出連接示意圖。參見5.1.1傳感器和變送器。通用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為直流電流4～20mA或直流電壓1～5V等。另外，對(duì)智能變送器還能輸出規(guī)范的數(shù)字信號(hào)。變送器信號(hào)的傳輸連接方式通常有四線制、三線制和兩線制傳輸。連接示意圖見圖5-1。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)所指的變換器(Transducer)、檢測(cè)器(Sensor)和執(zhí)行器(Actuator)之間是什么關(guān)系？參見5.1.2IEEE1451智能變換器標(biāo)準(zhǔn)。要點(diǎn)：智能變換器(Transducer)可以是一種傳感器或檢測(cè)器(Sensor)，也可以是一種執(zhí)行器(Actuator)，或者是兩種的組合，它可以作為信息系統(tǒng)與外界聯(lián)系的一個(gè)信息節(jié)點(diǎn)。試比較伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的各自特點(diǎn)。參見5.1.4伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。提示：可通過(guò)結(jié)構(gòu)和工作原理、控制精度、矩頻特性、過(guò)載能力、成本等方面比較。伺服電機(jī)及其構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，特別是交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，在控制性能要求不是很高的場(chǎng)合可選用步進(jìn)電機(jī)，而對(duì)控制精度不高，成本更低的場(chǎng)合，可選擇伺服電機(jī)及其簡(jiǎn)單的開環(huán)控制驅(qū)動(dòng)器。簡(jiǎn)述在控制系統(tǒng)中變頻器和電動(dòng)執(zhí)行器的作用。5.1.5變頻器與電動(dòng)執(zhí)行器。變頻器主要用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行。電動(dòng)執(zhí)行器(也稱電動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu))接受來(lái)自調(diào)節(jié)器、工控機(jī)、DCS、計(jì)算機(jī)等儀表系統(tǒng)的控制信號(hào)，變成位移推力或轉(zhuǎn)角力矩，完成調(diào)節(jié)的機(jī)械動(dòng)作。變頻器和電動(dòng)執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中完成信息施效的作用。簡(jiǎn)述控制系統(tǒng)中信號(hào)的類型和處理的要求。參見5.2.1控制系統(tǒng)中的信號(hào)種類及特點(diǎn)。提示：可參考表52信號(hào)類型和處理要求。什么是信號(hào)調(diào)理？輸入通道中的信號(hào)調(diào)理包括哪些？參見5.2.1控制系統(tǒng)中的信號(hào)種類及特點(diǎn)。信號(hào)調(diào)理(SignalConditioning)是指將敏感元件檢測(cè)到的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。數(shù)字量輸入通道中的信號(hào)調(diào)理主要包括消抖、濾波、保護(hù)、電平轉(zhuǎn)換、隔離等。模擬量輸入通道的調(diào)理內(nèi)容有：電流-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換、電阻-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換、電壓放大以及隔離等，調(diào)理后的信號(hào)通常為一定大小的電壓信號(hào)，然后由A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。什么是格雷(Gray)碼？它有哪些特點(diǎn)？5.2.2數(shù)字量信號(hào)處理方式。格雷(Gray)碼特點(diǎn)是數(shù)值上大小相鄰的編碼，在邏輯上也相鄰。邏輯上相鄰的編碼僅有1位不同，這樣可保證按數(shù)值大小遞增遞減變化時(shí)，輸出邏輯上相鄰的編碼，不會(huì)出現(xiàn)多于1位的碼同時(shí)變化，這樣可避免由于編碼遞增或遞減變化時(shí)造成的干擾。畫出電阻-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路示意圖。參見5.2.3模擬量信號(hào)處理方式。可參考圖5-22電流-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器有哪些性能指標(biāo)？參見5.2.3模擬量信號(hào)處理方式。主要性能指標(biāo)有(1).接口特性(Interfacing)；(2).量程(Range)；(3).分辨率(Resolution)；(4).誤差和精度(Error&Accuracy);(5).轉(zhuǎn)換速率(ConversionRate);(6).A/D轉(zhuǎn)換的方法。A/D轉(zhuǎn)換的方法有哪些？各有什么特點(diǎn)？參見5.2.3模擬量信號(hào)處理方式。提示：參考表5-5各種A/D轉(zhuǎn)換方法比較。某水箱水位正常工作時(shí)的變化范圍為0cm～100cm，經(jīng)壓力變送器變換為1～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)后送至8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0831，其輸入量程為0～5V。當(dāng)水箱水位的高度為25cm時(shí)，ADC0831的轉(zhuǎn)換結(jié)果約為多少？參見5.2.3模擬量信號(hào)處理方式和5.1.1傳感器和變送器。提示：先求當(dāng)水箱水位的高度為25cm時(shí)，壓力變送器輸出的電壓信號(hào)（2V），然后轉(zhuǎn)換為ADC0831的輸出結(jié)果（2V/5V*255）。已知某A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為12位bit，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs，誤差為±1LSB。在沒(méi)有采樣保持的情況下，為保證數(shù)據(jù)精度，則輸入信號(hào)的頻率最高為多少？若采用了采樣保持器后，理論上輸入信號(hào)的頻率最高可為多少？參見5.2.4數(shù)據(jù)采集的原理和實(shí)現(xiàn)。對(duì)tA/D＝10μs的12位ADC芯片，為保證其量化精度：1/4096，則輸入信號(hào)允許的最大頻率為：理論上輸入信號(hào)的頻率最高可為最大采樣頻率。試畫出一個(gè)利用多路選擇器構(gòu)成的64X8bit數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。參見5.2.4數(shù)據(jù)采集的原理和實(shí)現(xiàn)。示意圖如下。試畫出一個(gè)利用多路開關(guān)構(gòu)成的32路模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。參見5.2.4數(shù)據(jù)采集的原理和實(shí)現(xiàn)。示意圖如下。開關(guān)量的功率驅(qū)動(dòng)有哪些器件？各有什么特點(diǎn)？參見5.3.2輸出通道中的開關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)。開關(guān)量的功率驅(qū)動(dòng)可以由晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管或集電極開路的TTL電路、漏極開路的MOS電路、電磁式繼電器、固態(tài)繼電器、可控硅等功率器件組成。D/A轉(zhuǎn)換器有哪些性能指標(biāo)？參見5.3.3輸出通道中的模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)。主要性能指標(biāo)有分辨率、線性度、轉(zhuǎn)換精度、建立時(shí)間、溫度系數(shù)、電源抑制比、輸入形式、輸出形式。計(jì)算機(jī)通過(guò)8位D/A轉(zhuǎn)換器控制某三相電加熱器，加熱器的輸出功率范圍為0～8kW，可接受4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)來(lái)改變其輸出功率，8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出范圍為0～20mA，如計(jì)算機(jī)送給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)為80H(十六進(jìn)制)時(shí)，加熱器輸出功率約為多少？參見5.3.3輸出通道中的模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)。提示：先計(jì)算D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)為80H(十六進(jìn)制)時(shí)的輸出電流（10mA），再計(jì)算加熱器接受電流信號(hào)后的輸出功率（(10-4)/16*8kW）。某8位D/A轉(zhuǎn)換電路如REF_Ref532282999錯(cuò)誤！未找到引用源。所示，當(dāng)Vref＝4V時(shí)，B點(diǎn)輸出范圍為－4V至＋4V。若要求B點(diǎn)的輸出電壓為－2V，則輸出到D/A芯片的二進(jìn)制數(shù)為多少？此時(shí)的A點(diǎn)電壓為多少？參見5.3.3輸出通道中的模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)。輸出到D/A芯片的二進(jìn)制數(shù)為(-2V-(-4V))/(4V-(-4V))*256=64(D)=01000000(B),此時(shí)的A點(diǎn)電壓為+1V。畫出直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路框圖。參見5.3.4電機(jī)控制。提示：可參考圖563直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路框圖。畫出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路框圖。參見5.3.4電機(jī)控制。提示：可參考圖566步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路框圖。結(jié)合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器THB6064的應(yīng)用電路，畫出正轉(zhuǎn)3步和反轉(zhuǎn)4步有關(guān)控制信號(hào)(ENABLE、CLK、、、M1、M2、M3)的時(shí)序(假設(shè)采用半步方式)。參見5.3.4電機(jī)控制。結(jié)合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序，參考表517THB6064引腳的功能描述和圖571THB6064的應(yīng)用電路，可畫出相應(yīng)時(shí)序。ENABLE=1（高電平），CLK8個(gè)脈沖，前3個(gè)脈沖時(shí)，為0（低電平），后4個(gè)脈沖時(shí)，為1（高電平），M1、M2、M3=000（均為低電平）。（時(shí)序圖略）控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù)什么是控制系統(tǒng)中的可靠性？其含義有哪些？參見6.1.1可靠性的概念。控制系統(tǒng)的可靠性通常是指在一定條件下，在規(guī)定時(shí)間段完成規(guī)定功能的能力?？煽啃缘母拍钣袃蓪雍x：一是系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)盡可能減少錯(cuò)誤和故障的發(fā)生；二是發(fā)生了錯(cuò)誤和故障后能迅速進(jìn)行維修，盡快恢復(fù)正常工作。錯(cuò)誤(Error)和故障(Failure)有何區(qū)別？如何正確對(duì)待？參見6.1.1可靠性的概念。瞬時(shí)性的、功能上出現(xiàn)偏差的異常狀態(tài)，稱之為錯(cuò)誤，錯(cuò)誤不經(jīng)停機(jī)修理也可恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；固定性的、功能部件其必要操作能力消失的異常狀態(tài)，稱之為故障，故障只有通過(guò)修理才能恢復(fù)到正常狀態(tài)。錯(cuò)誤和故障往往是不可避免的，這需要有正確的態(tài)度和策略來(lái)對(duì)待。簡(jiǎn)述早期故障、耗損故障、偶發(fā)故障產(chǎn)生的原因和應(yīng)對(duì)的策略。參見6.1.1可靠性的概念。早期故障的發(fā)生是由于元器件質(zhì)量差，軟件、硬件設(shè)計(jì)欠完善等“先天不足”原因所造成的。應(yīng)對(duì)的策略有：通過(guò)調(diào)試系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、選擇優(yōu)質(zhì)部件。耗損故障的發(fā)生是由于元器件使用壽命已到所致。應(yīng)對(duì)的策略有：預(yù)先更換壽命將到期的元器件，定期檢查或更換關(guān)鍵元件和部件。偶發(fā)故障是隨機(jī)的，通常發(fā)生于早期故障和耗損故障之間，在故障發(fā)生后，需進(jìn)行應(yīng)急維修。應(yīng)對(duì)的策略有：采取故障診斷、故障恢復(fù)技術(shù)、冗余技術(shù)等。什么是電磁兼容性(EMC)？其含義有哪些？參見6.1.2電磁兼容性。電磁兼容性(EMC：ElectromagneticCompatibility)并非指電與磁之間的兼容，而是指在不損害信號(hào)所含信息的條件下，信號(hào)和干擾能夠共存的程度。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)EMC的定義是：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容實(shí)際有兩方面的含義，一方面是設(shè)備或系統(tǒng)本身不應(yīng)對(duì)周圍其他設(shè)備或系統(tǒng)造成不能承受的電磁干擾(EMI:ElectroMagneticInterference)；另一方面是設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)具有較低的電磁敏感度(EMS:ElectroMagneticSusceptibility)，能防御來(lái)自周圍環(huán)境中的電磁干擾。產(chǎn)生干擾的必要條件有哪些(EMC的四要素)？參見6.1.2電磁兼容性。噪聲的發(fā)生(即有噪聲源的存在)、噪聲的接收(即有受擾體的存在)、噪聲的傳播(即有耦合途徑的存在)、以及上述三者在時(shí)間上的一致性。噪聲有哪些分類？參見6.1.3噪聲的分類和耦合方式。噪聲的分類有按噪聲產(chǎn)生的位置、原因、傳導(dǎo)模式以及波形。噪聲的耦合方式主要有公共阻抗耦合、直接耦合、電容耦合、電磁感應(yīng)耦合、漏電耦合和輻射耦合等。什么是串模噪聲和共模噪聲？它們有何不同？有哪些抑制的方法？參見6.1.3噪聲的分類和耦合方式。按噪聲傳導(dǎo)模式可分為串模噪聲和共模噪聲。串模噪聲又稱差動(dòng)噪聲、常模噪聲、橫向噪聲、線間感應(yīng)噪聲或?qū)ΨQ噪聲等，串模噪聲與有用信號(hào)串在一起。串模噪聲往往較難清除，當(dāng)噪聲的頻率范圍與有用信號(hào)相差較大時(shí)，可采用濾波方法來(lái)抑制。共模噪聲又稱地感應(yīng)噪聲、縱向噪聲或不對(duì)稱噪聲。共模噪聲同時(shí)疊加在輸入信號(hào)兩端，只要線路處于平衡狀態(tài)，即兩根信號(hào)線對(duì)地阻抗一致時(shí)，則共模噪聲不會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生影響。抑制共模噪聲的方法較多，如隔離、屏蔽、接地等?？煽啃栽O(shè)計(jì)的基本途徑有哪些？參見6.1.4控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的基本途徑?？煽啃栽O(shè)計(jì)的基本途徑有：1.提高元器件和部件的可靠性；2.合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；3.采用抗干擾技術(shù)；4.采用可靠性技術(shù)。濾波和去耦有何異同？參見6.2.2濾波與去耦電路。相同之處：兩者都是利用濾波技術(shù)來(lái)抑制干擾；不同之處：濾波通過(guò)提供一低阻抗的通路來(lái)抑制來(lái)自信號(hào)處理電路和通過(guò)電源串入的干擾；去耦電路（也稱退耦電路）主要抑制共用電源內(nèi)阻上由于尖峰電流產(chǎn)生壓降而形成干擾信號(hào)。有哪些隔離和屏蔽技術(shù)？參見6.2.3隔離與屏蔽技術(shù)。隔離技術(shù)就是切斷噪聲源與受擾體之間噪聲通道的技術(shù)，其特點(diǎn)是將兩部分電路的地線系統(tǒng)分隔開來(lái)，切斷通過(guò)阻抗進(jìn)行耦合的可能。具體的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離和布線隔離。屏蔽主要運(yùn)用各種導(dǎo)電材料，制造成各種殼體并與大地連接，以切斷通過(guò)空間的靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場(chǎng)耦合形成的電磁噪聲傳播途徑。屏蔽可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽三類。在控制系統(tǒng)中，采用雙絞線可有效地抑制信號(hào)傳輸過(guò)程中的電磁干擾。用于抗干擾的數(shù)字濾波方法有哪兩類？各有什么特點(diǎn)？參見6.3.2數(shù)字濾波技術(shù)。數(shù)字濾波方法主要有兩類，一是基于程序邏輯判斷的方法，二是基于模擬濾波器的方法。前者以邏輯判斷和簡(jiǎn)單計(jì)算為基礎(chǔ)，常用的算法有：算術(shù)平均法、中值法、抑制脈沖算術(shù)平均法和遞推平均濾波法等。后者以模擬濾波器的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，采用離散化方式轉(zhuǎn)換Z傳遞函數(shù)，然后通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。前者適用于抑制偶發(fā)的脈沖干擾，后者適用于抑制連續(xù)的正弦波干擾。查閱有關(guān)74HC595和74HC165芯片的資料，編寫出圖6-32所示串行輸入輸出接口電路的開機(jī)自檢程序和輸入輸出程序或相應(yīng)的流程圖。參見6.3.4開機(jī)自檢與故障診斷。結(jié)合圖632可進(jìn)行自檢的串/并轉(zhuǎn)換輸入輸出接口電路原理編寫程序。主要思路是：開機(jī)時(shí)，通過(guò)S_IN和CLK發(fā)送一系列數(shù)據(jù)至74HC595，再移位至74HC165中，最后通過(guò)S_OUT和CLK接收來(lái)自74HC165的數(shù)據(jù)，如接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送不一致，可以判斷該串行輸入輸出接口電路有問(wèn)題?？刂葡到y(tǒng)的組態(tài)軟件工控組態(tài)軟件的特點(diǎn)哪些？參見7.1.1組態(tài)軟件及其特點(diǎn)。特點(diǎn)有通用性、擴(kuò)展性、可維護(hù)性、可移植性、實(shí)時(shí)多任務(wù)、高效率和豐富的人機(jī)界面。工控組態(tài)軟件的主要功能有哪些？參見7.1.2組態(tài)軟件的功能。主要功能有：數(shù)據(jù)采集、過(guò)程監(jiān)控、人機(jī)交互。簡(jiǎn)述MCGS組態(tài)軟件的特點(diǎn)。參見7.2.1MCGS組態(tài)軟件特點(diǎn)和組成。MCGS組態(tài)軟件特有：MCGS提供豐富、生動(dòng)的人機(jī)互動(dòng)畫面。MCGS支持多硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)“與設(shè)備無(wú)關(guān)”的軟件。MCGS具有良好的可維護(hù)性和可擴(kuò)充性。允許用戶在VisualBasic中操作MCGS中的對(duì)象。MCGS組態(tài)軟件功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易用，普通工程人員通過(guò)短期培訓(xùn)就能迅速掌握多數(shù)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作。簡(jiǎn)述MCGS組態(tài)軟件的組成。參見7.2.1MCGS組態(tài)軟件特點(diǎn)和組成。MCGS軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分?！癕CGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運(yùn)行環(huán)境”有什么功能和關(guān)系？參見7.2.1MCGS組態(tài)軟件特點(diǎn)和組成。MCGS組態(tài)環(huán)境由可執(zhí)行程序McgsSet.exe支持。用戶組態(tài)生成的結(jié)果存放在擴(kuò)展名為.MCG的工程文件中，工程文件又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，由可執(zhí)行程序McgsRun.exe支持，它按照工程文件指定的方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的功能。運(yùn)行環(huán)境與組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)一起作為一個(gè)整體，構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。一旦組態(tài)工作完成，運(yùn)行環(huán)境和組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)可以離開組態(tài)環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上。運(yùn)行環(huán)境由工程師設(shè)計(jì)建立；運(yùn)行環(huán)境由操作人員操縱，完成相應(yīng)的監(jiān)控功能。MCGS組態(tài)軟件所建立的工程文件包含了哪些內(nèi)容？文件的后綴名是什么？參見7.2.2MCGS工程構(gòu)成。MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略五部分構(gòu)成，每一部分可分別進(jìn)行組態(tài)操作，完成不同的工作。用戶組態(tài)生成的結(jié)果存放在文件的后綴名（擴(kuò)展名）為.MCG的工程文件中，工程文件又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。MCGS主控窗口的主要功能是什么？。參見7.2.2MCGS工程構(gòu)成。MCGS主控窗口是整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的主框架，可在該窗口里建立菜單系統(tǒng)，創(chuàng)建各種菜單命令，展現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的總體面貌，以及設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行流程及特征參數(shù)。在MCGS設(shè)備窗口下的組態(tài)操作有哪些？參見7.2.2MCGS工程構(gòu)成。設(shè)備窗口建立了系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接關(guān)系，使系統(tǒng)能夠從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過(guò)程的監(jiān)控。在設(shè)備窗口下的組態(tài)操作有：選擇構(gòu)件、設(shè)置屬性、連接通道、調(diào)試設(shè)備。在MCGS用戶窗口下主要完成什么工作？參見7.2.2MCGS工程構(gòu)成。MCGS用戶窗口下主要完成設(shè)計(jì)運(yùn)行環(huán)境下的人機(jī)交互界面。運(yùn)行環(huán)境下的人機(jī)交互界面由一系列的圖形化用戶窗口組成，這些用戶窗口是組成MCGS圖形界面的基本單位，每個(gè)用戶窗口有“基本屬性”、“擴(kuò)充屬性”、“啟動(dòng)腳本”、“循環(huán)腳本”和“退出腳本”等屬性(需要注意的是“用戶窗口”一指MCGS工程中的設(shè)計(jì)環(huán)境，二指該環(huán)境下設(shè)計(jì)的圖形化對(duì)象)。所有人機(jī)交互界面都是由一個(gè)或多個(gè)用戶窗口對(duì)象組合而成的，它的顯示和關(guān)閉由各種策略構(gòu)件和菜單命令來(lái)控制。同時(shí)用戶窗口提供圖元、圖符和動(dòng)畫構(gòu)件等各種圖形對(duì)象，通過(guò)對(duì)圖形對(duì)象的組態(tài)設(shè)置，建立與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，來(lái)完成圖形界面的設(shè)計(jì)工作。在MCGS中的數(shù)據(jù)對(duì)象有哪些屬性？參見7.2.2MCGS工程構(gòu)成。在MCGS中，數(shù)據(jù)對(duì)象具有基本屬性、存盤屬性和報(bào)警屬性，其中基本屬性包括對(duì)象類型(開關(guān)型、數(shù)值型、字符型、事件型和組對(duì)象等)，注釋內(nèi)容、初值和取值范圍等；存盤屬性包括是否需要存盤、定時(shí)保存周期、變化存盤、退出保留存盤、存盤時(shí)間設(shè)置等；報(bào)警屬性包括是否需要報(bào)警、報(bào)警優(yōu)先級(jí)、報(bào)警值等。不同類型的數(shù)據(jù)對(duì)象，屬性不同，用途也不同。組對(duì)象只是在組態(tài)時(shí)對(duì)某一類對(duì)象的整體表示方法，實(shí)際的操作則是針對(duì)每一個(gè)成員進(jìn)行的。MCGS組態(tài)軟件中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了哪些內(nèi)容？文件的后綴名是什么？參見7.2.2MCGS工程構(gòu)成。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是工程各個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)交換和處理的中心，它將MCGS工程的各個(gè)部分連成一個(gè)整體。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)窗口定義不同類型數(shù)據(jù)，可作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動(dòng)畫連接及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。在MCGS中，用數(shù)據(jù)對(duì)象來(lái)描述系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用對(duì)象變量代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的值變量，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)管理所有數(shù)據(jù)對(duì)象的集合而形成了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。名文件后綴名為.MDB。什么是MCGS組態(tài)軟件中的“運(yùn)行策略”？有何作用？參見7.2.2MCGS工程構(gòu)成。運(yùn)行策略窗口主要完成工程運(yùn)行流程的編寫和各種功能構(gòu)件選用(如數(shù)據(jù)提取、歷史曲線、定時(shí)器、配方操作、多媒體輸出等)。所謂“運(yùn)行策略”是用戶為實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行流程自由控制所組態(tài)生成的一系列功能塊的總稱。運(yùn)行策略通過(guò)圖形化界面和以類似Basic語(yǔ)言編寫的腳本程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行流程及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有針對(duì)性的選擇和精確的控制。MCGS運(yùn)行策略窗口中“啟動(dòng)策略”、“退出策略”、“循環(huán)策略”為系統(tǒng)固有的三個(gè)策略塊，另外，還有用戶策略、報(bào)警策略、事件策略、熱鍵策略等由用戶根據(jù)需要自行定義，每個(gè)策略都有自己的專用名稱，MCGS系統(tǒng)的各個(gè)部分通過(guò)策略的名稱來(lái)對(duì)策略進(jìn)行調(diào)用和處理。什么是MCGS組態(tài)軟件中的“腳本程序”？有何作用？參見7.2.2MCGS工程構(gòu)成。在MCGS中，腳本程序是一種語(yǔ)法上類似Basic編程語(yǔ)言編寫的程序。主要用于編制各種特定的流程控制程序和操作處理程序。查閱有關(guān)資料，了解組態(tài)軟件的發(fā)展概況。建議利用網(wǎng)絡(luò)資源，查閱各組態(tài)軟件開發(fā)商網(wǎng)站（參考附錄），了解組態(tài)軟件的發(fā)展概況。DCS集散控制系統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)是在什么控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的？其構(gòu)建的原則是什么？參見8.1.1DCS的產(chǎn)生、8.2.1DCS的分層結(jié)構(gòu)、1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類。DCS是在傳統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。構(gòu)建的原則是“分散控制、集中操作、分級(jí)管理”。DCS可分為哪幾層結(jié)構(gòu)？每層的主要功能是什么？各層通過(guò)什么通信網(wǎng)絡(luò)相互連接？參見8.2.1DCS的分層結(jié)構(gòu)，8.2.3DCS的通信網(wǎng)絡(luò)。DCS可分為三層結(jié)構(gòu)，分別為分散過(guò)程控制層、集中操作監(jiān)控層、綜合信息管理層，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)整體。在分散過(guò)程控制層中，通信網(wǎng)絡(luò)將控制器與I/O單元，以及與現(xiàn)場(chǎng)儀表、傳感器、執(zhí)行器連接起來(lái)，該網(wǎng)絡(luò)具有實(shí)時(shí)性、互換性、互操作性和本質(zhì)安全，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)能夠滿足分散過(guò)程控制級(jí)的數(shù)據(jù)通信。集中操作監(jiān)控層與分散過(guò)程控制層之間的大多都采用了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，要求具有較好的確定性、實(shí)時(shí)性和可靠性，較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并有一定傳輸距離。綜合信息管理層內(nèi)部以及與集中操作監(jiān)控層之間可采用企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet技術(shù)，在安全性保障的前提下，實(shí)現(xiàn)最大可能的互連、互換和互可操作性。DCS中的控制站、操作站、工程站所完成哪些主要任務(wù)？參見8.2.2DCS的核心部件?？刂普臼荄CS系統(tǒng)中非常重要的核心部件，也是整個(gè)DCS的基礎(chǔ)，其主要任務(wù)是完成所有I/O信號(hào)的處理、控制算法的運(yùn)行、上下網(wǎng)絡(luò)通信、冗余診斷等。一個(gè)控制站可以有上千個(gè)控制點(diǎn)，它的可靠性和安全性尤為重要。操作站有時(shí)也稱操作員站，通常由安裝監(jiān)控軟件的PC機(jī)或工控機(jī)組成，可配置專用的操作鍵盤和鼠標(biāo)或觸摸屏。操作站的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)視和運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。操作站通常提供豐富的人機(jī)界面。工程站也稱工程師站、工程工作站，通常由安裝組態(tài)軟件和系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的高性能PC機(jī)或工控機(jī)組成。工程站的主要作用是為設(shè)計(jì)人員提供工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)擴(kuò)展或維護(hù)修改的操作平臺(tái)。在工程工作站上，工程設(shè)計(jì)人員完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)和診斷等工作。簡(jiǎn)述WebFieldJX-300XP中一個(gè)控制站和一個(gè)控制區(qū)域的規(guī)模。參見8.4.2JX-300XP系統(tǒng)的組成。JX-300XP通過(guò)SCnetII過(guò)程控制網(wǎng)最多可連接15個(gè)控制站、32個(gè)操作員站或工程師站，由此形成一個(gè)控制區(qū)域。控制站以主控制卡為核心部件。一個(gè)控制站可以配置一對(duì)互為冗余的主控制卡，一對(duì)冗余的主控制卡通過(guò)SBUS網(wǎng)絡(luò)可以掛接至多8個(gè)I/O單元，每個(gè)I/O單元可以掛接16塊I/O卡件。一個(gè)控制站允許配置的I/O信號(hào)點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)1024個(gè)(其中模擬量輸入AI點(diǎn)數(shù)≤384；模擬量輸出AO點(diǎn)數(shù)≤128；數(shù)字量輸入DI點(diǎn)數(shù)≤1024；數(shù)字量輸出DO點(diǎn)數(shù)≤1024)，一個(gè)控制站最多可定義128個(gè)控制回路。由此可推出一個(gè)控制區(qū)域允許配置的I/O信號(hào)點(diǎn)數(shù)最多達(dá)15×1024=15360。簡(jiǎn)述WebFieldJX-300XP電源系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)。參見8.4.3JX-300XP系統(tǒng)的硬件。JX-300XP的電源系統(tǒng)采用雙路AC輸入和二重/四重冗余設(shè)計(jì)。每個(gè)機(jī)柜、每個(gè)每個(gè)I/O都有冗余的雙路電源供電，其中一路采用UPS電源。當(dāng)某一電源單元或外部線路出現(xiàn)故障時(shí)，仍能保證系統(tǒng)的正常供電。JX-300XP電源系統(tǒng)的連接關(guān)系可見圖8-3所示。簡(jiǎn)述WebFieldJX-300XP有哪些接地？如何連接？參見8.4.3JX-300XP系統(tǒng)的硬件。JX-300XP接地保護(hù)接地、工作接地、防靜電接地等之分，這些接地分類匯總后，最終與總接地板聯(lián)結(jié)接入大地，系統(tǒng)接地樁應(yīng)與其他大電流或高壓設(shè)備的接入點(diǎn)保持大于5米的距離，與避雷地樁之間的距離大于20米。JX-300XP的系統(tǒng)接地圖可參見圖8-4所示。簡(jiǎn)述WebFieldJX-300XP主控卡的功能和特點(diǎn)。參見8.4.3JX-300XP系統(tǒng)的硬件。主控制卡(又稱主控卡，卡編號(hào)為XP243)是控制站軟硬件的核心，協(xié)調(diào)控制站內(nèi)軟硬件關(guān)系和各項(xiàng)控制任務(wù)。它是一個(gè)智能化獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、信息處理、控制運(yùn)算等各項(xiàng)功能。主控制卡采用雙微處理器結(jié)構(gòu)，協(xié)同處理控制站的任務(wù)，具有較好的實(shí)時(shí)性、可靠性和自診斷功能；支持SCX語(yǔ)言、梯形圖、功能圖、順控等組態(tài)工具構(gòu)造的控制方案。簡(jiǎn)述WebFieldJX-300XP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡的主要作用。參見8.4.3JX-300XP系統(tǒng)的硬件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡(卡編號(hào)為XP233)是I/O機(jī)籠的核心單元，是主控制卡聯(lián)接I/O卡件的中間環(huán)節(jié)，它的主要功能包括通過(guò)SBUS聯(lián)接主控卡，管理本機(jī)籠中的I/O卡件，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)提供本機(jī)籠溫度采集，用于熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。一塊主控制卡(XP243)通過(guò)SBUS總線(S2)可連接1～8個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡(即連接1到8個(gè)I/O單元機(jī)籠)，每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡通過(guò)SBUS總線(S1)連接1～16塊不同功能的I/O卡件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡(XP233)與SBUS總線的連接如圖8-8為所示。通過(guò)查閱資料，進(jìn)一步了解WebFieldJX-300XP典型I/O卡件的原理框圖和端子接線。參見8.4.3JX-300XP系統(tǒng)的硬件。結(jié)合表8-2主要I/O卡件一覽表的信息，關(guān)注典型I/O卡件的原理框圖和端子接線。簡(jiǎn)述WebFieldJX-300XP中控制站、操作員站、工程師站的IP地址設(shè)置要求和范圍。參見8.4.3JX-300XP系統(tǒng)的硬件。每個(gè)控制站包括兩塊互為冗余主控制卡。同一塊主控制卡有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，享用相同的主機(jī)號(hào)和兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)號(hào)。操作員站、工程師站也有兩塊互為冗余的網(wǎng)卡，享用相同的一個(gè)主機(jī)號(hào)和兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)號(hào)。IP地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)分別為128.128.1和128.128.2，控制站的主機(jī)號(hào)為2～31（最多有15個(gè)控制站），操作站和工程師站的主機(jī)號(hào)為129～160（最多有32個(gè)操作員站或工程師站）。簡(jiǎn)述WebFieldJX-300XP中的通信網(wǎng)絡(luò)，并畫出連接示意圖。參見8.4.3JX-300XP系統(tǒng)的硬件。JX-300XP控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)分三層：高層信息管理網(wǎng)(Intranet)、過(guò)程控制網(wǎng)(SCnetII)和底層I/O控制總線(SBUS)。高層信息管理網(wǎng)（Intranet）用于大容量文件的高速傳輸，資源信息的共享，支持采用大型數(shù)據(jù)庫(kù)功能，并可將本地控制系統(tǒng)連入企業(yè)Intranet。過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)SCnetII采用雙重化冗余結(jié)構(gòu)專用以太網(wǎng)。SCnetII連接了控制站、操作站和工程師站。底層I/O控制總線(SBUS)包括SBUS(S1)和SBUS(S2)。前者實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡與各I/O卡件之間的信息交換，后者實(shí)現(xiàn)主控制卡與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡之間的信息交換。連接示意圖見圖814所示。簡(jiǎn)述WebFieldJX-300XP的軟件組成及主要功能。參見8.4.4JX-300XP系統(tǒng)的軟件。JX-300XP系統(tǒng)的軟件主要由SCKey系統(tǒng)組態(tài)軟件、SCLangC語(yǔ)言組態(tài)軟件、SCControl圖形組態(tài)軟件、SCDraw流程圖制作軟件、SCForm報(bào)表制作軟件、AdvanTrol實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件組成。SCKey組態(tài)軟件用于控制系統(tǒng)的硬件配置；SCControl圖形化組態(tài)軟件和SCLangC語(yǔ)言組態(tài)軟件用于設(shè)計(jì)各種控制算法；SCDraw流程圖軟件和SCForm報(bào)表軟件用于圖形界面和報(bào)表的制作。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的解決方案計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)解決方案的主要任務(wù)有哪些？需要考慮哪些因素？參見第9章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的解決方案引言部分。制定計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)解決方案的主要任務(wù)有全面了解被控對(duì)象的特點(diǎn)和控制目標(biāo)的要求，還需要考慮諸多因素，如技術(shù)的先進(jìn)性和成熟性、結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性和可靠性、開發(fā)和維護(hù)人員的應(yīng)用水平、設(shè)備和器件的成本、開發(fā)和實(shí)施的進(jìn)度等?；谇度胧较到y(tǒng)的解決方案有哪些特點(diǎn)和適應(yīng)場(chǎng)合？參見9.1.1組成和特點(diǎn)?；谇度胧较到y(tǒng)的解決方案特點(diǎn)在于系統(tǒng)的控制單元、執(zhí)行單元、反饋單元與被控對(duì)象高度融合，用途專一，結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比高。這種解決方案非常適用于批量生產(chǎn)的自動(dòng)控制產(chǎn)品。作為批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，在可靠性、適應(yīng)性、可維護(hù)性、成本、體積、功耗等都會(huì)有特殊的要求，需要有經(jīng)驗(yàn)豐富的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員及其開發(fā)環(huán)境的支持，需要有一定的開發(fā)周期。結(jié)合某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，提出基于嵌入式系統(tǒng)的解決方案，給出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。參見9.1.2案例1——由嵌入式系統(tǒng)控制的全自動(dòng)洗衣機(jī)。提示：理解案例1——由嵌入式系統(tǒng)控制的全自動(dòng)洗衣機(jī)。通過(guò)收集資料，結(jié)合某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，提出基于嵌入式系統(tǒng)的解決方案，給出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖?；谥恰⒛芸刂苾x表的解決方案有哪些特點(diǎn)和適應(yīng)場(chǎng)合？參見9.2.1組成和特點(diǎn)。基于智能控制儀表的解決方案是以智能控制儀表為控制核心，利用其集成的基本輸入輸出通道和簡(jiǎn)單的數(shù)碼顯示裝置，配置通用的傳感器和執(zhí)行器，通過(guò)手動(dòng)或上位機(jī)設(shè)置控制參數(shù)，提供或通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。智能控制儀表結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、配置容易、操作簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的過(guò)程控制。適應(yīng)場(chǎng)合：以模擬信號(hào)控制為主的單一變量或小規(guī)模控制系統(tǒng)，也可通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)，形成一定規(guī)模的過(guò)程控制系統(tǒng)。但不太適用于順序控制、程序控制的場(chǎng)合。結(jié)合某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，提出基于智能控制儀表的解決方案，給出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。參見9.2.2案例2——基于智能控制儀表的電阻爐溫度控制系統(tǒng)。提示：理解案例2——基于智能控制儀表的電阻爐溫度控制系統(tǒng)。通過(guò)收集資料，結(jié)合某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，提出基于智能控制儀表的解決方案，給出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖?；赑LC可編程邏輯控制器的解決方案有哪些特點(diǎn)和適應(yīng)場(chǎng)合？參見9.3.1組成和特點(diǎn)。基于PLC的解決方案中，以PLC可編程邏輯控制器為控制核心，配置通用的傳感器和執(zhí)行器作為檢測(cè)單元和執(zhí)行單元，通過(guò)通信接口設(shè)置控制參數(shù)和進(jìn)行監(jiān)控。PLC產(chǎn)品成熟可靠，品種規(guī)格豐富，擴(kuò)展方便靈活，編程簡(jiǎn)單方便，因此基于PLC解決方案的特點(diǎn)在于控制系統(tǒng)的開發(fā)效率高，可靠性好，擴(kuò)展方便，特別適用于順序控制、程序控制等機(jī)電一體化產(chǎn)品和過(guò)程控制系統(tǒng)。但PLC在性價(jià)比、結(jié)構(gòu)連接的靈活性以及人機(jī)交互方面仍有不足之處。結(jié)合某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，提出PLC可編程邏輯控制器的解決方案，給出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。參見9.3.2案例3——PLC控制的工業(yè)洗衣機(jī)。提示：理解案例3——PLC控制的工業(yè)洗衣機(jī)。通過(guò)收集資料，結(jié)合某個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，提出PLC可編程邏輯控制器的解決方案，給出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖?；诜植际綌?shù)據(jù)采集與控制模塊的解決方案有哪些特點(diǎn)和適應(yīng)場(chǎng)合？參見9.4.1組成和特點(diǎn)?；诜植际綌?shù)據(jù)采集與控制模塊的解決方案以分布式I/O模塊及控制器為控制核心，配置通用的傳感器和執(zhí)行器，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)控制系統(tǒng)，并通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控?；诜植际綌?shù)據(jù)采集與控制模塊的解決方案的主要特點(diǎn)包括分布式數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、簡(jiǎn)潔的通信網(wǎng)絡(luò)、擴(kuò)展靈活的結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性，適用于需要分布式采集數(shù)據(jù)、有一定規(guī)模的過(guò)程控制系統(tǒng)。由于分布式數(shù)據(jù)采集模