计算机控制技术第二版课后习题答案王建华主编样本

计算机控制技术课后习题答案第一章绪论1.计算机控制系统控制过程可归纳为如下三个环节：P2(1)实时数据采集：对来自测量变送装置被控量瞬时值进行检测和输入(2)实时决策：对采集到被控量进行分析和解决，并按预定控制规律，决定将要采用控制方略。(3)实时控制：依照控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完毕控制任务。2.计算机控制系统是由哪几某些构成？画出方块图并阐明各某些作用。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构成。（2）方块图如下图1.1所示：CPU/MEM模仿量输入（AI）通道测量变送执行机构人-机接口内部模仿量输出（AO）通道被控对象总线系统支持数字量输入（DI）通道电气开关磁盘适合数字量输出（DO）通道PIO设备电气开关工业计算机生产过程图1.1计算机控制系统构成框图作用：①工业控制机软件由系统软件、支持软件和应用软件构成。其中系统软件作操系统、引导程序、调度执行程序，它是支持软件及各种应用软件最基本运营平台；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纽带和桥梁。③生产过程象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。涉及被控对3.计算机控制系统实时性、在线方式、与离线方式含义是什么？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当具备可以在限定期间内对外来事件做出反映特性；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方式。(2)在计算机控制系统中要考虑实时性，由于依照工业生产过程浮现事件可以保持多长时间；该事件规定计算机在多长时间以内必要作出反映，否则，将对生产过程导致影响甚至导致损害。4.计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么重要特点？P4~7（1）操作指引系统（OIS）长处：构造简朴、控制灵活和安全。缺陷：由人工控制，速度受到限制，不能控制各种对象。（2）直接数字控制系统(DDC)长处：实时性好、可靠性高和适应性强。（3）监督控制系统（SCC）长处：生产过程始终处在最有工况。（4）集散长处：分散控制、集中操作、分级管理构成灵活；易于扩展可靠性高；操作、监视以便；解决信息量大；与计算控制系统、分而自治和综合协调。DCS是积木式构造，；系统机集中控制方式相比，电缆和敷缆成本较低，便于施工。（5）现场总线控制系统长处：FCS用二层构造完毕了DCS中三层构造功能，减少了成际原则统一后，可实现真正开放式互连系统构造。（6）PLC+上位系统本，提高了可靠性，国长处：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是当代灵活性、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各个领域，具备恶劣环境适力，能长期稳定稳定工作加固型计算机”.①可靠性高②实时性好③环境适应性好⑥系统开放性好⑦控制应能其特点是：强④模块化设计，完善I∕O通道⑤系统扩充性软件包功能强。2.总线（BUS）：是功能部件之间实现互连一组公共信号线，用作互相间信息互换信道。P12总线分为内部总线和外部总线。P13外部总线：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3.工业控制机分类P14串行总线、并行总线线①.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.总线原则P15㈠①.STD总线②.ISA总线③.PCI总线④.PC/104总线㈡国际上总线原则重要有：VME总线、MultiBus总线、STD总线、PC总线及PCI总线等第3章1.A/D转换重要性能指标:：转换时间、辨别率、线性误差、量程、对基准电源规定等。P322.模仿量输入通道普通由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构成。(P39图3.4)3.一种10位A/D转换器（量化精度0.1%），孔径时间为10us，如果规定转换误差在转换器转换精度内，则容许转换正弦波模仿信号最大频率为P430.1210106102sf16Hz一种8位A/D转换器，孔径时间为100us，如果规定转换误差在A/D转换器转换精度（0.4%）内，求容许转换正弦波模仿信号最大频率是多少？P850.42100106102sf6Hz4.隔离方式：变压器隔离、继电器隔离和光电隔离。P46~48惯用隔离放大器：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.模仿量输入通道隔离重要有模仿隔离和数字隔离P496.D／A性能重要参数：1.辨别率2.转换时间3.精度4.线性度P517.模仿量输出通道由接口电路、D/A转换器、U/I变换等构成。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转换其辨别率可表达为D=1/（2n－1）P71nlog(11)D若所规定辨别率为D，则字长2Eg：某温度控制系统温度范畴为0~600℃，规定辨别率为0.5℃，求出A/D转换器字长：nlog(11)log(1600)10.230.52D2因而，取A/D转换器字长为12bit。10.为了避免低电平模仿信号传播带来麻烦，进场要将测量元件输出信号变送器，如：温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量电经变送器信号变成0~10mA或4~20mA统一信号，然后通过模仿量输入通道来解决。P3811、数字量输入（DI）通道中，信号调节电路功能有两个，一是克服开关或触点通断是抖动；二是进行信号隔离。1.程序判断法(限幅滤波)12、信号调理是指将现场输入信号通过隔离放大，成为工控机可以接受到统一信yyy|yy|yynn号电平以及将计算机输出信号通过放大、隔离转换成工业现场合需信号电平解决1nnnnn1(4—1)过程。yP69y和n第n,第n-1次采样值经滤波后的输出,其中，n-1yn和yn-1是比较相邻(n和n-1时刻)的两个采样值，表示相邻两个采样值之差的最大可能变化范围。值的选择:按参数最大变化速度vmax及采样周期T决定值。对随机干扰，十分有效。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持续采样n次(普通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。如果，采样值是：y1、y2、y3，且有y1≤y2≤y3，则y2作为本次采样有效信号。中位值滤波能有效地克服脉冲干扰,对缓慢变化过程有良好效果。④递推平均滤波法把N个采样数据当作一种队列，长度固定为N，每次采样，把采样成果放入队尾，扔掉队首数据，把队列中N个数据进行算术平均其数学表达式为:1N1yyninNi0式中，n——第n次采样第n-i次采样值；项数。值经滤波后输出；yn-i——未经滤波N——递推平均3.算术平均滤波法1yy(42)N对周期性干扰有良好抑制作n用，平滑度高，敏捷度i低；不易消除脉冲干扰，而合用于高频振—Ni1荡系统。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N较低；当小时，平滑度低，但灵敏度高。⑤加权递推平均滤波法加权递推平均滤波算法；对不同步刻数据加以不同权，普通越接近现时刻数据；权获得越大,N项加权递推平均滤波算法为N1yCyninii0式中，C,C,……，CN-1为常数，且满足如下条件01C0十C1+……+CN-1＝1并C0＞C1＞……＞CN-1＞0常系数C，C1，……，CN-1选用有各种办法，其中最惯用是加权系数法。设τ为对象纯滞后0时间，且R＝1+e-τ+e-2τ+……+e-(N-1)τC1,Ce,，C-eN）1-（0R1RN1Rτ越大，R越小，则予以新采样值权系数就越大，提高新采样值在平均过程中比重。合用于有较大纯滞后时间常数对象和采样周期较短系统。一阶惯性滤波法⑥一阶惯性滤波算法为Ty(1)yyn1TTfnnf式中：y——未经滤波第n次采样值；nT——滤波时间常数；fT——采样周期。依照一阶惯性滤波频率特性，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线性参数标度变换：一次仪表测量值与A／D转换成果具备线性关系标度变换公式为：NAx(AA)A0N0Xmm式中：A——一次测量仪表下限；0Am——一次测量仪表上限；Ax——实际测量值（工程量）；N——仪表下限相应数字量；0Nm——仪表上限相应数字量，Nx——测量值所相应数字量。其中A，Am，N，Nm对于某一种固定被测参数来说是常数，00Eg1：某热解决炉温度测量仪表量程为200～800℃,在某一时刻计算机采样并经数字滤波后数字量为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，依照式(4.10)，此时温度为:205(800200)200682C255CNNAAx(AA)Xm00mEg2：某热解决炉温度变化范畴为0～1350℃,在某一时刻计算机采样并经AD574A转换后数字量为56AH.求此时炉内温度值为多少？(设仪表量程为线性）P36解：已知A0＝0℃，Am＝1350℃，Nx＝56AH＝1386，Nm＝FFFH＝4095，则此时温度为:1386x(AA)A4095m00NA1350C457CNXm3.积分饱和抑制惯用办法是积分分离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根据是PID控制器输入偏差e（k),而抗积分饱和算法抗积分饱和根据是抗积分饱和算法系统最后控制输出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.控制规律选取P113~114对于特性为一阶惯性纯滞后、二阶惯性纯滞后控制对象，PID控制是一种最优控制算法。依照分析可以得出如下几点结论：(1)一阶对象，负荷变化不大，工艺规定不高，可采用e(k)e(k1)TTu(k)Ke(k)ke(j)P控制；如，压力、液位、DTTpj0I串级副回路等。Ke(k)2e(k1)e(k2)u(k)Ke(k)e(k1)Ke(k),可采用PI控制。如，pi(2)一阶与纯滞后串联对象，负荷变化不大，规定精度较高d压力、流量、液位控制。(3)纯滞后时间τ较大，负荷变化也较大，控制规定高场合，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，控制规定也高时，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。5.PID归一参数整定法是一种简易整定法。P116位置式PID算法：设PID增量算式为式中K为比例系数；T为采样周期；T为积分时间常数；T为微分时间常iD数;K=K/T为积分K=K*T为微分P系数；D系数。iPiDP据上表Ziegler-Nichols整定式可得：T≈0．1TsTi≈0．5TsTd≈0．125Ts式中Ts是纯比例控制时临界振荡周期。则有：u(k)K2.45e(k)3.5e(k1)1.25e(k2)p第5章1.干扰信号来源：P138工业控制计算机系统干扰可以分为三类，即：电源干扰、空间干扰、设备干扰。电源干扰重要有：浪涌、尖峰、噪声和断电。①②空间干扰：静电和电场干扰、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静电场中时，必然受到该电场影响。②、电磁耦合方式；在设备外部，当两根导线在较长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；当两个电路电流流经一种公共阻抗时，一种电路在该阻抗上所产生电压降会影响到另一种电路，该种耦合方式称为公共耦合方式。④、电磁场辐射耦合方式；电磁场辐射干扰是一种无则规干扰，它极易通过电源而耦合到系统中来。此外，过长信号输入线和输出线以及控制线具备天线效应，她们既能接受干扰波，又能辐射干扰波。3.空间抗干扰办法：P141①空间隔离：使敏感设备或信号线远离干扰源。②屏蔽：对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层。③电气布线：合理选取信号线，并在实际施工中对的地敷设信号线来抑制干扰。4.过程通道干扰时如何产生？如何对它们抑制？1）强烈干扰往往沿着过程通道进入计算机，其重要因素是过程通道与计算机之间存在公共地线。2）干扰作用方式，普通可分为串模干扰和共模干扰。P146~149抑制串模干扰重要办法：①采用输入滤波器②进行电磁屏蔽和良好接地③选取适当A/D转换器④使用电流信号传播抑制共模干扰重要办法：①采用差分放大器作信号前置放大②采用隔离技术将地电位隔开③运用浮地屏蔽5.什么是系统可靠性是指机器、零件作性能能力可靠性是指一次性使用机器、零件性是指广义可靠性。它是可修复机器、零件或系统旦发生故障又易于修复，使之具备经常使用性能。P1571.提高计算机控制系统硬件可靠性可靠性，提高计算机控制系统可靠性有哪些重要途径？或系统，在规定工作条件下，在规定期间内具备正常工。狭义或系统使用寿命。计算机控制系统可靠，在使用中不发生故障，一办法：P160~161(1)冗余构造设计(2)不易发生故障硬件设计：①对元部件进行严格筛选，使用可靠单个元件，并对元件进行多道老化和严格检查，按可靠性元器件；②充分注重元部件安装机械强度，以使机械运动(如振动)不会引起导线或焊接区断裂。此外，对必要元部件应机械加固；③对组件采用涂漆和浇注解决可进一步提高机械紧固性原则检查所有；④插座是发生故障最常用因素，因而，应尽量少用插座，并采用大插座；⑤抗温升保护，多数电子器件对温度变化比较敏感，设计足够通风系统和采用温度补偿办法。2.提高计算机控制系统软件可靠性办法：P161~163(1）分散构造设计；（2）容错技术。实现软件容错基本活动有四个：故障检测、损坏预计、故障恢复和缺陷解决。（3）指令亢余：是运用消耗时间资源来达到对系统容错目。（4）信息亢余（5）原则化：采用原则化软件可以提高软件运营可靠性。ujwMI6.噪声感应电压计算公式为P140nng式中j为虚数单位；ω=2πf；M为互感系数；Ing为回路感应电流I=P/UEg：某信号线与电压为220V、负荷为10kV·A输电线距离为1.2m，并平行走线10m，连线之间互感为3.6µH，计算出信号线上感应干扰电压u为n10000V51.38mVu2503.6106n220第6章1.控制网络与IT网络区别：P1681）控制网络实时性：IT网络不考虑实时性，但在控制网络中实时性是基本规定；2）网络构造线状化：IT网络构造是网络状，从一点到此外一点通信途径可以是不固定但在大多数控制网络中，从一点到此外一点通信途径大多是固定。3）工业环境使用场合：IT网络普通在办公室、家庭等环境非常好场合使用，而控制网络是在环境恶劣工业环境下使用。4）控制网络技术特点：控制网络与IT网络比较还具备如下技术特点：①良好实时性与时间的确性。②转送信息多为短帧信息，且信息互换频繁。③容错能力强，可靠性、安全性好。④控制网络合同简朴实用，工作效率高。⑤控制网络构造具备高度分散性。⑥控制设备智能化与控制功能自治性。⑦与信息网络之间有高效率通信，易于实