计算机控制技术(第二版)课后习题答案(王建华主编)

1计算机控制技术课后习题答案第一章绪论1.计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：P2(1)实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入(2)实时决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取的控制策略。(3)实时控制：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。2.计算机控制系统是由哪几部分组成？画出方块图并说明各部分的作用。P3答：（1）计算机控制系统是由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部组成。（2）方块图如下图1.1所示：工业计算机PIO设备生产过程图1.1计算机控制系统的组成框图作用：①工业控制机软件由系统软件、支持软件和应用软件组成。其中系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台；支持软件用于开发应用软件；应用软件是控制和管理程序；②过程输入输出设备是计算机与生产过程之间信息传递的纽带和桥梁。③生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。3.计算机控制系统的实时性、在线方式、与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？P2(1)实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。(2)在计算机控制系统中要考虑实时性，因为根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；该事件要求计算机在多长的时间以内必须作出反应，否则，将对CPU/MEM人-机接口内部总线系统支持版磁盘适合器数字量输出（DO）通道数字量输入（DI）通道模拟量输出（AO）通道模拟量输入（AI）通道电气开关电气开关执行机构测量变送被控对象2生产过程造成影响甚至造成损害。4.计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？P4~7（1）操作指导系统（OIS）优点：结构简单、控制灵活和安全。缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制多个对象。（2）直接数字控制系统(DDC)优点：实时性好、可靠性高和适应性强。（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最有工况。（4）集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。DCS是积木式结构，构成灵活；易于扩展；系统的可靠性高；操作、监视方便；处理信息量大；与计算机集中控制方式相比，电缆和敷缆成本较低，便于施工。（5）现场总线控制系统优点：FCS用二层结构完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。（6）PLC+上位系统优点：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是现代灵活性、功能及可靠性。第2章1.什么是工业控制计算机？它们有哪些特点？P10~11工业控制计算机是“应用在国民经济发展和国防建设的各个领域，具有恶劣环境适应能力，能长期稳定稳定工作的加固型计算机”.其特点是：①可靠性高②实时性好③环境适应性强④模块化设计，完善的I∕O通道⑤系统扩充性好⑥系统开放性好⑦控制软件包功能强。2.总线（BUS）：是功能部件之间实现互连的一组公共信号线，用作相互间信息交换的公共信道。P12总线分为内部总线和外部总线。P13外部总线：串行总线、并行总线内部总线:1.数据总线2.地址总线3.控制总线4.电源线与地线3.工业控制机分类P14①.PC总线工控机②.STD总线工控机③.VME总线工控机④.多总线工控机4.总线标准P15㈠①.STD总线②.ISA总线③.PCI总线④.PC/104总线㈡国际上总线标准主要有：VME总线、MultiBus总线、STD总线、PC总线及PCI总线等第3章1.A/D转换的主要性能指标:：转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等。P322.模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。(P39图3.4)33.一个10位A/D转换器（量化精度0.1%），孔径时间为10us，如果要求转换误差在转换器的转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为P43Hzsf1610101021.026一个8位A/D转换器，孔径时间为100us，如果要求转换误差在A/D转换器的转换精度（0.4%）内，求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？P85Hzsf6101010024.0264.隔离方式：变压器隔离、继电器隔离和光电隔离。P46~48常用的隔离放大器：1.变压器耦合隔离放大器光耦合隔离放大器2.数字量光耦合隔离放大器5.模拟量输入通道的隔离主要有模拟隔离和数字隔离P496.D／A性能的主要参数：1.分辨率2.转换时间3.精度4.线性度P517.模拟量输出通道由接口电路、D/A转换器、U/I变换等组成。P578.开关量:按类型分有电平式和触点式两种.P61按电源分有有源和无源两种.9.无论是A/D转换还D/A转换其分辨率可表示为D=1/（2n－1）P71若所要求的分辨率为D,则字长)11(log2DnEg:某温度控制系统的温度范围为0~600℃，要求分辨率为0.5℃，求出A/D转换器字长：23.10)5.06001(log)11(log22Dn因此，取A/D转换器字长为12bit。10.为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，进场要将测量元件的输出信号经变送器变送器，如：温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成0~10mA或4~20mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。P3811、数字量输入（DI）通道中，信号调整电路的功能有两个，一是克服开关或触点通断是的抖动；二是进行信号隔离。12、信号调理是指将现场输入信号经过隔离放大，成为工控机能够接收到的统一信号电平以及将计算机输出信号经过放大、隔离转换成工业现场所需的信号电平的处理过程。P694第4章1.数字滤波P86`90②中位值滤波法中位值滤波就是对某一被测参数连续采样n次(一般n取奇数)，然后把n次采样值按大小排队，取中间值为本次采样值。假如，采样值是：y1、y2、y3，且有y1≤y2≤y3，则y2作为本次采样的有效信号。中位值滤波能有效地克服脉冲干扰,对缓慢变化的过程有良好的效果。④递推平均滤波法把N个采样数据看成一个队列，长度固定为N，每次采样，把采样结果放入队尾，扔掉队首的数据，把队列中的N个数据进行算术平均其数学表达式为:式中，n——第n次采样值经滤波后的输出；yn-i——未经滤波的第n-i次采样值；N——递推平均项数。1.程序判断法(限幅滤波)(4—1)其中，yn-1和yn第n,第n-1次采样值经滤波后的输出,yn和yn-1是比较相邻(n和n-1时刻)的两个采样值，α表示相邻两个采样值之差的最大可能变化范围。α值的选择:按参数最大变化速度vmax及采样周期T决定α值。对随机干扰，十分有效。nnnnnnyyyyyy11n||y3.算术平均滤波法N1iinyN1y(4—2)适用于对具有随机干扰的信号进行滤波。当N较大时，平滑度高，但灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。101NiinnyNy5对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低；不易消除脉冲干扰，而适用于高频振荡的系统。⑤加权递推平均滤波法加权递推平均滤波算法；对不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近现时刻的数据；权取得越大,N项加权递推平均滤波算法为10NiininyCy式中，C0,C1,……，CN-1为常数，且满足如下条件C0十C1+……+CN-1＝1并C0＞C1＞……＞CN-1＞0常系数C0，C1，……，CN-1选取有多种方法，其中最常用的是加权系数法。设τ为对象的纯滞后时间，且R＝1+e-τ+e-2τ+……+e-(N-1)τReCReCRCNN）（，1-1-10,,1τ越大，R越小，则给予新的采样值的权系数就越大，提高新的采样值在平均过程中的比重。适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统。⑥一阶惯性滤波法一阶惯性滤波算法为ffnnnTTTyyy1)1(式中：yn——未经滤波的第n次采样值；Tf——滤波时间常数；T——采样周期。根据一阶惯性滤波的频率特性，若滤波系数α越大，则带宽越窄，滤波频率也越低。2.标度变换P91线性参数的标度变换：一次仪表测量值与A／D转换结果具有线性关系标度变换公式为：00)(AAANNAmmxX式中：6A0——一次测量仪表的下限；Am——一次测量仪表的上限；Ax——实际测量值（工程量）；N0——仪表下限对应的数字量；Nm——仪表上限对应的数字量，Nx——测量值所对应的数字量。其中A0，Am，N0，Nm对于某一个固定的被测参数来说是常数，Eg1：某热处理炉温度测量仪表的量程为200～800℃,在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0CDH.求此时温度值为多少？(设仪表量程为线性,A/D转换为8位)解：已知A0＝200℃，Am＝800℃，Nx＝0CDH＝205，Nm＝0FFH＝255，根据式(4.10)，此时温度为:CCAAANNAmmxX682200)200800(255205)(00Eg2：某热处理炉温度变化的范围为0～1350℃,在某一时刻计算机采样并经AD574A转换后的数字量为56AH.求此时炉内的温度值为多少？(设仪表量程为线性的）P36解：已知A0＝0℃，Am＝1350℃，Nx＝56AH＝1386，Nm＝FFFH＝4095，则此时温度为:CCAAANNAmmxX457135040951386)(003.积分饱和抑制常用的方法是积分分离PID控制和抗积分饱和算法。P95~96区别：积分分离算法进行分离的依据是PID控制器的输入偏差e（k),而抗积分饱和算法的抗积分饱和依据是抗积分饱和算法系统最终的控制输出u（k）。“大偏差时不积分（积分分离），输出超限时也不积分（抗饱和）”。4.控制规律的选择P113~114对于特性为一阶惯性纯滞后、二阶惯性纯滞后的控制对象，PID控制是一种最优的控制算法。根据分析可以得出如下几点结论：(1)一阶对象，负荷变化不大，工艺要求不高，可采用P控制；如，压力、液位、串级副回路等。(2)一阶与纯滞后串联的对象，负荷变化不大，要求精度较高,可采用PI控制。如，压力、流量、液位控制。(3)纯滞后时间τ较大，负荷变化也较大，控制要求高的场合，可采用PID控制。如，过热蒸汽温度控制，PH值控制。(4)对象为高阶(二阶以上)又有纯滞后特性，负荷变化较大，控制要求也高时，应采用串级控制，前馈一反馈、前馈一串级或纯滞后补偿控制。75.PID归一参数的整定法是一种简易的整定法。P116位置式PID算法：设PID的增量算式为式中KP为比例系数；T为采样周期；Ti为积分时间常数；TD为微分时间常数;Ki=KP/Ti为积分系数；KD=KP*TD为微分系数。据上表的Ziegler-Nichols整定式可得：T≈0．1TsTi≈0．5TsTd≈0．125Ts式中Ts是纯比例控制时的临界振荡周期。则有:)2(25.1)1(5.3)(45.2)(kekekeKkup第5章1.干扰信号的来源：P138工业控制计算机系统的干扰可以分为三类，即:电源干扰、空间干扰、设备干扰。①电源干扰主要有：浪涌、尖峰、噪声和断电。②空间干扰：静电和电场的干扰、磁场干扰、电磁辐射干扰。③设备干扰：工模干扰或差模干扰。2.干扰信号的耦合方式：P139①、静电耦合方式；其作用机理是一根导线在另一根导线的静电场中时，必然受到该电场的影响。②、电磁耦合方式；在设备外部，当两根导线在较长的距离内敷设或架设时，将会生产电磁耦合干扰。③、共阻抗耦合方式；当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上所产生的电压降