計算機控制技術課后習題答案第一章緒論1.計算機控制系統控制過程可歸納為如下三個環節：P2(1)實時數據采集：對來自測量變送裝置被控量瞬時值進行檢測和輸入(2)實時決策：對采集到被控量進行分析和解決，并按預定控制規律，決定將要采用控制方略。(3)實時控制：依照控制決策，適時地對執行機構發出控制信號，完畢控制任務。2.計算機控制系統是由哪幾某些構成？畫出方塊圖并闡明各某些作用。P3答：（1）計算機控制系統是由工業控制機、過程輸入輸出設備和生產過程三部構成。（2）方塊圖如下圖1.1所示：CPU/MEM模仿量輸入（AI）通道測量變送執行機構人-機接口內部模仿量輸出（AO）通道被控對象總線系統支持數字量輸入（DI）通道電氣開關磁盤適合數字量輸出（DO）通道PIO設備電氣開關工業計算機生產過程圖1.1計算機控制系統構成框圖作用：①工業控制機軟件由系統軟件、支持軟件和應用軟件構成。其中系統軟件作操系統、引導程序、調度執行程序，它是支持軟件及各種應用軟件最基本運營平臺；支持軟件用于開發應用軟件；應用軟件是控制和管理程序；②過程輸入輸出設備是計算機與生產過程之間信息傳遞紐帶和橋梁。③生產過程象、測量變送、執行機構、電氣開關等裝置。涉及被控對3.計算機控制系統實時性、在線方式、與離線方式含義是什么？為什么在計算機控制系統中要考慮實時性？P2(1)實時性是指工業控制計算機系統應當具備可以在限定期間內對外來事件做出反映特性；在線方式是生產過程和計算機直接相連，并受計算機控制方式；離線方式是生產過程不和計算機相連，并不受計算機控制，而是靠人進行聯系并作相應操作方式。(2)在計算機控制系統中要考慮實時性，由于依照工業生產過程浮現事件可以保持多長時間；該事件規定計算機在多長時間以內必要作出反映，否則，將對生產過程導致影響甚至導致損害。4.計算機控制系統有哪幾種典型形式？各有什么重要特點？P4~7（1）操作指引系統（OIS）長處：構造簡樸、控制靈活和安全。缺陷：由人工控制，速度受到限制，不能控制各種對象。（2）直接數字控制系統(DDC)長處：實時性好、可靠性高和適應性強。（3）監督控制系統（SCC）長處：生產過程始終處在最有工況。（4）集散長處：分散控制、集中操作、分級管理構成靈活；易于擴展可靠性高；操作、監視以便；解決信息量大；與計算控制系統、分而自治和綜合協調。DCS是積木式構造，；系統機集中控制方式相比，電纜和敷纜成本較低，便于施工。（5）現場總線控制系統長處：FCS用二層構造完畢了DCS中三層構造功能，減少了成際原則統一后，可實現真正開放式互連系統構造。（6）PLC+上位系統本，提高了可靠性，國長處：通過預先編制控制程序實現順序控制，用PLC代替電器邏輯，提高了控制是當代靈活性、功能及可靠性。第2章1.什么是工業控制計算機？它們有哪些特點？P10~11工業控制計算機是“應用在國民經濟發展和國防建設各個領域，具備惡劣環境適力，能長期穩定穩定工作加固型計算機”.①可靠性高②實時性好③環境適應性好⑥系統開放性好⑦控制應能其特點是：強④模塊化設計，完善I∕O通道⑤系統擴充性軟件包功能強。2.總線（BUS）：是功能部件之間實現互連一組公共信號線，用作互相間信息互換信道。P12總線分為內部總線和外部總線。P13外部總線：內部總線:1.數據總線2.地址總線3.控制總線4.電源線與地3.工業控制機分類P14串行總線、并行總線線①.PC總線工控機②.STD總線工控機③.VME總線工控機④.多總線工控機4.總線原則P15㈠①.STD總線②.ISA總線③.PCI總線④.PC/104總線㈡國際上總線原則重要有：VME總線、MultiBus總線、STD總線、PC總線及PCI總線等第3章1.A/D轉換重要性能指標:：轉換時間、辨別率、線性誤差、量程、對基準電源規定等。P322.模仿量輸入通道普通由I/V變換、多路轉換器、程控放大器、采樣/保持器、A/D轉換器、接口及控制邏輯電路構成。(P39圖3.4)3.一種10位A/D轉換器（量化精度0.1%），孔徑時間為10us，如果規定轉換誤差在轉換器轉換精度內，則容許轉換正弦波模仿信號最大頻率為P430.1210106102sf16Hz一種8位A/D轉換器，孔徑時間為100us，如果規定轉換誤差在A/D轉換器轉換精度（0.4%）內，求容許轉換正弦波模仿信號最大頻率是多少？P850.42100106102sf6Hz4.隔離方式：變壓器隔離、繼電器隔離和光電隔離。P46~48慣用隔離放大器：1.變壓器耦合隔離放大器光耦合隔離放大器2.數字量光耦合隔離放大器5.模仿量輸入通道隔離重要有模仿隔離和數字隔離P496.D／A性能重要參數：1.辨別率2.轉換時間3.精度4.線性度P517.模仿量輸出通道由接口電路、D/A轉換器、U/I變換等構成。P578.開關量:按類型分有電平式和觸點式兩種.P61按電源分有有源和無源兩種.9.無論是A/D轉換還D/A轉換其辨別率可表達為D=1/（2n－1）P71nlog(11)D若所規定辨別率為D，則字長2Eg：某溫度控制系統溫度范疇為0~600℃，規定辨別率為0.5℃，求出A/D轉換器字長：nlog(11)log(1600)10.230.52D2因而，取A/D轉換器字長為12bit。10.為了避免低電平模仿信號傳播帶來麻煩，進場要將測量元件輸出信號變送器，如：溫度變送器、壓力變送器、流量變送器等，將溫度、壓力、流量電經變送器信號變成0~10mA或4~20mA統一信號，然后通過模仿量輸入通道來解決。P3811、數字量輸入（DI）通道中，信號調節電路功能有兩個，一是克服開關或觸點通斷是抖動；二是進行信號隔離。1.程序判斷法(限幅濾波)12、信號調理是指將現場輸入信號通過隔離放大，成為工控機可以接受到統一信yyy|yy|yynn號電平以及將計算機輸出信號通過放大、隔離轉換成工業現場合需信號電平解決1nnnnn1(4—1)過程。yP69y和n第n,第n-1次采樣值經濾波后的輸出,其中，n-1yn和yn-1是比較相鄰(n和n-1時刻)的兩個采樣值，表示相鄰兩個采樣值之差的最大可能變化范圍。值的選擇:按參數最大變化速度vmax及采樣周期T決定值。對隨機干擾，十分有效。第4章1.數字濾波P86`90②中位值濾波法中位值濾波就是對某一被測參數持續采樣n次(普通n取奇數)，然后把n次采樣值按大小排隊，取中間值為本次采樣值。如果，采樣值是：y1、y2、y3，且有y1≤y2≤y3，則y2作為本次采樣有效信號。中位值濾波能有效地克服脈沖干擾,對緩慢變化過程有良好效果。④遞推平均濾波法把N個采樣數據當作一種隊列，長度固定為N，每次采樣，把采樣成果放入隊尾，扔掉隊首數據，把隊列中N個數據進行算術平均其數學表達式為:1N1yyninNi0式中，n——第n次采樣第n-i次采樣值；項數。值經濾波后輸出；yn-i——未經濾波N——遞推平均3.算術平均濾波法1yy(42)N對周期性干擾有良好抑制作n用，平滑度高，敏捷度i低；不易消除脈沖干擾，而合用于高頻振—Ni1蕩系統。適用于對具有隨機干擾的信號進行濾波。當N較大時，平滑度高，但靈敏度N較低；當小時，平滑度低，但靈敏度高。⑤加權遞推平均濾波法加權遞推平均濾波算法；對不同步刻數據加以不同權，普通越接近現時刻數據；權獲得越大,N項加權遞推平均濾波算法為N1yCyninii0式中，C,C,……，CN-1為常數，且滿足如下條件01C0十C1+……+CN-1＝1并C0＞C1＞……＞CN-1＞0常系數C，C1，……，CN-1選用有各種辦法，其中最慣用是加權系數法。設τ為對象純滯后0時間，且R＝1+e-τ+e-2τ+……+e-(N-1)τC1,Ce,，C-eN）1-（0R1RN1Rτ越大，R越小，則予以新采樣值權系數就越大，提高新采樣值在平均過程中比重。合用于有較大純滯后時間常數對象和采樣周期較短系統。一階慣性濾波法⑥一階慣性濾波算法為Ty(1)yyn1TTfnnf式中：y——未經濾波第n次采樣值；nT——濾波時間常數；fT——采樣周期。依照一階慣性濾波頻率特性，若濾波系數α越大，則帶寬越窄，濾波頻率也越低。2.標度變換P91線性參數標度變換：一次儀表測量值與A／D轉換成果具備線性關系標度變換公式為：NAx(AA)A0N0Xmm式中：A——一次測量儀表下限；0Am——一次測量儀表上限；Ax——實際測量值（工程量）；N——儀表下限相應數字量；0Nm——儀表上限相應數字量，Nx——測量值所相應數字量。其中A，Am，N，Nm對于某一種固定被測參數來說是常數，00Eg1：某熱解決爐溫度測量儀表量程為200～800℃,在某一時刻計算機采樣并經數字濾波后數字量為0CDH.求此時溫度值為多少？(設儀表量程為線性,A/D轉換為8位)解：已知A0＝200℃，Am＝800℃，Nx＝0CDH＝205，Nm＝0FFH＝255，依照式(4.10)，此時溫度為:205(800200)200682C255CNNAAx(AA)Xm00mEg2：某熱解決爐溫度變化范疇為0～1350℃,在某一時刻計算機采樣并經AD574A轉換后數字量為56AH.求此時爐內溫度值為多少？(設儀表量程為線性）P36解：已知A0＝0℃，Am＝1350℃，Nx＝56AH＝1386，Nm＝FFFH＝4095，則此時溫度為:1386x(AA)A4095m00NA1350C457CNXm3.積分飽和抑制慣用辦法是積分分離PID控制和抗積分飽和算法。P95~96區別：積分分離算法進行分離根據是PID控制器輸入偏差e（k),而抗積分飽和算法抗積分飽和根據是抗積分飽和算法系統最后控制輸出u（k）。“大偏差時不積分（積分分離），輸出超限時也不積分（抗飽和）”。4.控制規律選取P113~114對于特性為一階慣性純滯后、二階慣性純滯后控制對象，PID控制是一種最優控制算法。依照分析可以得出如下幾點結論：(1)一階對象，負荷變化不大，工藝規定不高，可采用e(k)e(k1)TTu(k)Ke(k)ke(j)P控制；如，壓力、液位、DTTpj0I串級副回路等。Ke(k)2e(k1)e(k2)u(k)Ke(k)e(k1)Ke(k),可采用PI控制。如，pi(2)一階與純滯后串聯對象，負荷變化不大，規定精度較高d壓力、流量、液位控制。(3)純滯后時間τ較大，負荷變化也較大，控制規定高場合，可采用PID控制。如，過熱蒸汽溫度控制，PH值控制。(4)對象為高階(二階以上)又有純滯后特性，負荷變化較大，控制規定也高時，應采用串級控制，前饋一反饋、前饋一串級或純滯后補償控制。5.PID歸一參數整定法是一種簡易整定法。P116位置式PID算法：設PID增量算式為式中K為比例系數；T為采樣周期；T為積分時間常數；T為微分時間常iD數;K=K/T為積分K=K*T為微分P系數；D系數。iPiDP據上表Ziegler-Nichols整定式可得：T≈0．1TsTi≈0．5TsTd≈0．125Ts式中Ts是純比例控制時臨界振蕩周期。則有：u(k)K2.45e(k)3.5e(k1)1.25e(k2)p第5章1.干擾信號來源：P138工業控制計算機系統干擾可以分為三類，即：電源干擾、空間干擾、設備干擾。電源干擾重要有：浪涌、尖峰、噪聲和斷電。①②空間干擾：靜電和電場干擾、磁場干擾、電磁輻射干擾。③設備干擾：工模干擾或差模干擾。2.干擾信號耦合方式：P139①、靜電耦合方式；其作用機理是一根導線在另一根導線靜電場中時，必然受到該電場影響。②、電磁耦合方式；在設備外部，當兩根導線在較長距離內敷設或架設時，將會生產電磁耦合干擾。③、共阻抗耦合方式；當兩個電路電流流經一種公共阻抗時，一種電路在該阻抗上所產生電壓降會影響到另一種電路，該種耦合方式稱為公共耦合方式。④、電磁場輻射耦合方式；電磁場輻射干擾是一種無則規干擾，它極易通過電源而耦合到系統中來。此外，過長信號輸入線和輸出線以及控制線具備天線效應，她們既能接受干擾波，又能輻射干擾波。3.空間抗干擾辦法：P141①空間隔離：使敏感設備或信號線遠離干擾源。②屏蔽：對敏感電路加屏蔽盒或對信號加屏蔽層。③電氣布線：合理選取信號線，并在實際施工中對的地敷設信號線來抑制干擾。4.過程通道干擾時如何產生？如何對它們抑制？1）強烈干擾往往沿著過程通道進入計算機，其重要因素是過程通道與計算機之間存在公共地線。2）干擾作用方式，普通可分為串模干擾和共模干擾。P146~149抑制串模干擾重要辦法：①采用輸入濾波器②進行電磁屏蔽和良好接地③選取適當A/D轉換器④使用電流信號傳播抑制共模干擾重要辦法：①采用差分放大器作信號前置放大②采用隔離技術將地電位隔開③運用浮地屏蔽5.什么是系統可靠性是指機器、零件作性能能力可靠性是指一次性使用機器、零件性是指廣義可靠性。它是可修復機器、零件或系統旦發生故障又易于修復，使之具備經常使用性能。P1571.提高計算機控制系統硬件可靠性可靠性，提高計算機控制系統可靠性有哪些重要途徑？或系統，在規定工作條件下，在規定期間內具備正常工。狹義或系統使用壽命。計算機控制系統可靠，在使用中不發生故障，一辦法：P160~161(1)冗余構造設計(2)不易發生故障硬件設計：①對元部件進行嚴格篩選，使用可靠單個元件，并對元件進行多道老化和嚴格檢查，按可靠性元器件；②充分注重元部件安裝機械強度，以使機械運動(如振動)不會引起導線或焊接區斷裂。此外，對必要元部件應機械加固；③對組件采用涂漆和澆注解決可進一步提高機械緊固性原則檢查所有；④插座是發生故障最常用因素，因而，應盡量少用插座，并采用大插座；⑤抗溫升保護，多數電子器件對溫度變化比較敏感，設計足夠通風系統和采用溫度補償辦法。2.提高計算機控制系統軟件可靠性辦法：P161~163(1）分散構造設計；（2）容錯技術。實現軟件容錯基本活動有四個：故障檢測、損壞預計、故障恢復和缺陷解決。（3）指令亢余：是運用消耗時間資源來達到對系統容錯目。（4）信息亢余（5）原則化：采用原則化軟件可以提高軟件運營可靠性。ujwMI6.噪聲感應電壓計算公式為P140nng式中j為虛數單位；ω=2πf；M為互感系數；Ing為回路感應電流I=P/UEg：某信號線與電壓為220V、負荷為10kV·A輸電線距離為1.2m，并平行走線10m，連線之間互感為3.6μH，計算出信號線上感應干擾電壓u為n10000V51.38mVu2503.6106n220第6章1.控制網絡與IT網絡區別：P1681）控制網絡實時性：IT網絡不考慮實時性，但在控制網絡中實時性是基本規定；2）網絡構造線狀化：IT網絡構造是網絡狀，從一點到此外一點通信途徑可以是不固定但在大多數控制網絡中，從一點到此外一點通信途徑大多是固定。3）工業環境使用場合：IT網絡普通在辦公室、家庭等環境非常好場合使用，而控制網絡是在環境惡劣工業環境下使用。4）控制網絡技術特點：控制網絡與IT網絡比較還具備如下技術特點：①良好實時性與時間的確性。②轉送信息多為短幀信息，且信息互換頻繁。③容錯能力強，可靠性、安全性好。④控制網絡合同簡樸實用，工作效率高。⑤控制網絡構造具備高度分散性。⑥控制設備智能化與控制功能自治性。⑦與信息網絡之間有高效率通信，易于實