1、山東科技大學20132014學年第二學期研究生課程微機控制與接口技術考試試卷班級 姓名 學號 題號一二三四五總得分評卷人審核人得分一、問答題：（共35分）1、 何謂計算機控制系統？簡單介紹其基本構成。 利用計算機來實現生產過程自動控制的系統。計算機控制系統由控制部分和被控對象組成，其控制部分包括硬件部分、軟件部分。硬件部分包括主機、接口電路、過程輸入/輸出通道、外部設備、 操作臺、執行機構；軟件部分包括系統軟件和應用軟件。此外還包括通信網絡，主要包括現場控制網絡和主干控制網絡。2、 比較說明經典控制理論和現代控制理論的特點。 經典控制理論以單輸入單輸出系統為研究對象,所用數學模型為高階微分方程

2、，采用傳遞函數法(外部描述法)和拉普拉斯變換,來作為研究方法和研究工具。分析方法和設計方法主要運用 頻域(復域)、頻率響應、根軌跡法和PID控制及校正網絡。 現代控制論理論以多輸入多輸出系統為研究對象，采用一階微分方程作為數學模型。研究問題時，以狀態空間法(內部描述)為研究方法，以線性代數矩陣為研究工具。同時，分析方法采用了 復域、實域，可控和可觀測，設計方法采用了狀態反饋和輸出反饋。 另外，經典控制理論中，頻率法的物理意義直觀、實用，難于實現最優控制，現代控制理論則易于實現最優控制和實時控制。3、 簡述信號采樣和采樣定理，采樣周期的選擇需要考慮哪些因素？ 信號采樣：采樣也稱抽樣，是信號在時間

3、上的離散化，即按照一定時間間隔t 在模擬信號x(t)上逐點采取其瞬時值。它是通過采樣脈沖和模擬信號相乘來實現的。 采樣定理：在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時(fs.max>2fmax)，采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的510倍。 采樣周期的選擇應考慮的因素：采樣周期應遠小于對象的擾動信號周期、采樣周期應遠遠小于對象時間常數、考慮執行器的響應速度、考慮對象所要求的調節品質、考慮控制系統的性能價格比 、考慮計算機所承擔的工作量。4、 實時、在線方式、離線方式各自的含義是什么？

4、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。 在線方式：生產過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式。 離線方式：生產過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯系并作相應操作的方式。5、 何謂量化誤差？試分析其來源。量化誤差：由采樣信號轉化成數字信號的過程中（量化過程）引起的誤差稱為量化誤差來源：6、 何謂總線？工業控制中常用的系統總線和外部總線主要有哪些？系統總線：PCI總線、AT總線、PC總線7、 什么是接口、接口技術和過程通道？接口：完成計算機和外設之間的信息變換和緩沖功能的部件。是計算機和外設之間聯系的橋梁，每個外設都要通過接口和主機系統相連接。接口技術：專

5、門研究CPU和外設之間的數據傳送方式、接口電路的工作原理和使用方法的一項技術。 過程通道：在計算機和生產過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道，它包括AI、AO、DI、DO。二、設計計算題：（共25分）1有一個伺服執行機構，需要的控制輸入信號為05V模擬電壓，采用計算機對其進行控制，需要設計一套D/A轉換接口，要求D/A轉換器的輸出分辨率為2.5mV電壓，試確定所需D/A轉換器的位數，給出相應的計算過程和必要的說明。解：D/A轉換器的輸出分辨率為2.5mV電壓，且用來控制輸入信號為05V模擬電壓，則其所需D/A轉換器的位數為：推導出，則D/A轉換器的位數為11位。2計算機控制系統需要

6、對一個傳感器信號進行采樣，該信號經過信號調理后輸出變化范圍為0+10V的模擬電壓，試設計一個接口電路對此信號進行采樣：（1）采樣分辨率0.05%，確定所采用A/D轉換器的位數。解：其采樣分辨率0.05%，則則所采用A/D轉換器的位數為15位。（2） 假設該接口的孔徑時間為100us，為了保證0.1%的量化精度，問被采樣信號的頻率最大為多少？根據公式得：即采樣信號的頻率最大為1.59Hz。3. 對某軋鋼加熱爐的爐溫進行檢測，采用紅外溫度傳感器，已知傳感器的溫度檢測范圍是6001500，采用420mA電流輸出；監控計算機采用12位A/D轉換器，輸入為03.3V電壓信號。0-3.3V420mA（1）

7、針對上述要求，畫出從傳感器到A/D轉換器的信號傳輸和變換框圖，說明如何將傳感器輸出的電流信號轉換為與A/D轉換器輸入所匹配的電壓信號，給出具體的參數以及必要的計算；傳感器A/D轉換器電流/電壓轉換傳感器將加熱爐內的溫度轉變成4-20mA的電流信號，經過電流/電壓轉換（采樣電阻和減法電路），將電流信號轉變成A/D轉換器所需的電壓信號，再由A/D轉換器進行模數轉換，從而實現對數據的采集。其中采樣電阻的大小為傳感器將加熱爐內的溫度轉變成4-20mA的電流信號，經采樣電阻，轉變為：轉變后的電壓信號不滿足A/D轉換器的輸入電壓的要求，此時需要添加一個減法電路來實現A/D轉換器的輸入電壓的要求。如下圖所示

8、：要滿足A/D轉換器輸入電壓的要求，則在反相端的輸入電壓達到0.82V，計算得：得到經減法電路得到輸出電壓為滿足條件。（2） 為了實現溫度的顯示，如何從A/D轉換器的采樣數據得到實際的溫度數據，建立相應的數學表達式，并給出必要的說明。由于監控計算機采用12位A/D轉換器，假設實際的溫度數據為T，A/D轉換器的采樣數據為D，則數學表達式為：由此數學表達式，通過在監控計算機上獲得的采樣數據D，就可以得到加熱爐中的實際溫度。三、綜合設計：（共30分） 1某系統的連續控制器設計為分別使用雙線性變換法、前向差分法求取數字控制器D（z），分別求出兩種方法對應的遞推控制算法。2為了得到盡可能準確的采樣數據，

9、往往需要采用數字濾波對采樣數據進行處理：（1） 請以MCS-51匯編語言子程序或C語言函數的形式編寫針對3個采樣數據的中值濾波程序，要求程序簡潔運算量盡可能的少；PUSHPSWPUSHASORT:MOVR0,DATA；數據存儲區單元首址MOVR7,TIME；讀比較次數CLRFLAG；清交換標志位 LOOP:MOVA,R0；取第一個數MOVFIRST,A；保存第一個數INCR0MOVSECOND,R0；保存第二個數CLRCSUBBA,R0；兩數比較JCNEXT；第一數小于第二數，不交換MOVR0,FIRST DECR0MOVR0,SECOND；交換兩數INCR0SETBFLAG；置交換標志位NE

10、XT:DJNZR7,LOOP；進行下一次比較JBFLAG,SORT；進行下一輪比較DECR0CLRCMOVA,TIME RRCAMOVR7,ACONT:DEC R0DJNZR7,CONTMOVSAMP,R0；取中值POPAPOPPSWRET#define N 3char filter()   char value_bufN;   char count,i,j,temp;   for ( count=0;count<N;count+)        

11、value_bufcount = get_ad();      delay();      for (j=0;j<N-1;j+)         for (i=0;i<N-j;i+)               if ( value_bufi>value_bufi+1 ) 

12、0;                   temp = value_bufi;            value_bufi = value_bufi+1;              valu

13、e_bufi+1 = temp;                     return value_buf(N-1)/2;     （2） 為了解決平滑性和靈敏度之間的矛盾，且減少采樣頻率，可以采用滑動加權平均值濾波法，請以MCS-51匯編語言子程序或C語言函數的形式編寫一個滑動加權平均值濾波程序，對最近4個周期的采樣值進行加權平均，設當前周期為i，其采樣值的權值為0.5，第i

14、-1周期的采樣值權值為0.25，第i-2和i-3周期的采樣值權值均為0.125，要求程序簡潔運算量盡可能的少。#define N 12char code coeN = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12;char code sum_coe = 1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;char filter()   char count;   char value_bufN;   int  sum=0;   for (count=0,count<N;count+)         value_bufcount = get_ad();      delay();      for (count=0,count<N;count+)      sum += value_bufcount*coecount;   return (char)(sum/sum_coe);3PID控制是應用最為廣泛的一