计算机控制系统

第1章

绪论1.什么是计算机控制系统？计算机控制系统由哪几部分组成？答：计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统。计算机控制系统的组成：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两大部分组成。

2.计算机控制系统的典型型式有哪些？答：计算机控制系统的典型型式包括：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC）；监督控制系统（SCC，也称设定值控制）；集散控制系统（DCS）；现场总线控制系统（FCS）和综合自动化系统。

3.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？答：所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。

4.讨论计算机控制系统的发展趋势。答：网络化、扁平化、智能化、综合化。第2章

计算机控制系统的硬件设计技术5.请分别画出一路有源I/V变换电路和一路无源I/V变换电路图，分别说明各元器件的作用。

6.什么是采样过程、量化、孔径时间？答：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、T、2T、……、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。

所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。

在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字信号总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间称为孔径时间。

7.采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？

答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器（为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，因而采用采样保持器来使得信号维持一段时间）。

并不是所有的模拟量输入通道都需要采样保持器的，因为采样保持器是为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，所以只要A/D转换的时间比信号变化的时间短就不需要。

8.一个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？

12.请分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推导出输出电压与输入数字量之间的关系式。答：

14.基于RS-485串行总线的主从分布式测控系统的结构形式是怎样的？答：基于RS-485总线可构成下图所示的主从分布式测控系统，其中可编程控制器（PLC）、智能调节器、智能远程I/O模块的等装置大都具有RS-485总线，可作为测控系统的从站，实现控制功能；PC或IPC作为系主站，并配有RS-232/485转换器，实现对系统定的监控与管理。

15.什么是串模干扰和共模干扰？如何抑制？

答：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。抑制方法：滤波器、双积分式A/D转换器、前置放大或者隔离屏蔽等、利用元器件的特性来抑制、选择带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线（具体见书64页）。所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。抑制方法：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比。16.MAX1232有哪些主要功能？

答：主要功能有：电源监控、按钮复位输入、监控定时器（看门狗）。

17.计算机控制系统中一般有哪几种地线？请画出回流法接地和一点接地示意图。

答：在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。

18.什么叫信号调理？画出小功率输入调理电路原理图，并说明工作原理。答：为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。

19.简要分析和说明RS-232C、RS-422A、RS-485三种标准串行通信接口的性能（不同）。答：RS-232C采用单端驱动单端接受电路，多线传输是有公共地线，方法简单，但是不能区分有驱动电路产生的有用信号和外部引入的干扰信号。RS-422A采用驱动和差分接收方法，从根本上消除了地线。在实现两点之间的远程通信时，需要采用两对平衡差分电路形成全双工传输电路。RS-485是RS-422A的变型，它与RS-422A一样都是采用平衡差分电路，但RS-485为半双工工作方式，可用一对平衡差分信号线来连接。

20.什么是平衡传输方式和不平衡传输方式？答：平衡方式是用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器是用双端差动方式输入信号的。

不平衡方式是用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单线输入信号的。3数字控制技术

2.什么是逐点比较法插法？直线和圆弧插补计算过程各有哪几个步骤？答：所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。直线插补计算过程的4个步骤：偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判断。圆弧插补计算过程的5个步骤：偏差判别、坐标进给、偏差计算、坐标计算、终点判断。

4.若加工第一象限直线OA，起点O（0,0），终点A（11,7）。要求：（1）按逐点比较法插补进行列表计算；（2）作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。解：（1）坐标进给的总步数，，，，。插补计算过程如下表3-1所示：（2）走步轨迹图5.设加工第一象限逆圆弧，起点A（6,0），终点B（0,6）。要求：（1）按逐点比较法插补进行列表计算；（2）作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。解：（1）坐标进给的总步数，，，，，，。插补计算过程如下表3-2所示：（2）走步轨迹图6.三相步进电动机有哪几种工作方式？画出每种工作方式的各相通电顺序和电压波形图。答：有三种工作方式，分别是：单三拍，双三拍，三相六拍各种工作方式的通电顺序及波形图：（1）单三拍、通电方式：，波形如图（a）（2）双三拍、通电方式：，波形如图（b）（3）三相六拍、通电方式：，波形如图（c）7.采用PC（ISA或PCI）总线和8255A设计x轴步进电机和y轴步进电机的控制接口，要求：（1）画出接线电路原理图；（2）分别列出x轴y轴步进电机在三相单三拍、三相双三拍和三相六拍方式下的输出字表。答：（1）接线电路原理图第4章

常规及复杂控制技术

1.数字控制器的连续化设计步骤是什么？答：设计步骤为：（1）设计假想的连续控制器D（s）

（2）选择采样周期T

（3）将D（s）离散化为D（Z）

（4）设计由计算机实现的控制算法

（5）校验

8.数字控制器的离散化设计步骤是什么？答：设计步骤为：（1）根据控制系统的性能指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数

（2）根据式求广义对象的脉冲传递函数

（3）根据式求取数字控制器的脉冲传递函数

（4）根据式求取控制量的递推传递函数计算公式9.数字控制器的工程实现包括那几个部分？主要是指：给定值和被控量，偏差处理，控制算法的实现，控制量处理以及手动自动切换。10.选择采样周期要考虑哪些因素？答:（1）首要要考虑的因素：香农采样定理给出了采样周期的上限。采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出所耗费的时间，系统的采样周期只能在和之间选择。

（2）其次要考虑以下给方面的因素：

1）给定值的变化频率；2）被控对象的特性；3）执行机构的类型；4）控制算法的类型；5）控制的回来数11.数字PID增量型控制算法

12.增量式算法与位置式算法相比的优点是：①增量算法不需要累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或者计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。②增量式算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响较大。③采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。

13.为消除积分不灵敏区，通常采用以下措施：答：措施为：①增加D/A和A/D转换位数，加长运算字长，这样可以提高运算精度。②当积分项连续几次出现输出精度的情况时，不要把它们作为“零”舍掉，而是把它们一次次累加起来，即，直到累加值大于时，才输出，同时把累加单元清零。15.后差分法计算（P104）第7章

计算机控制系统软件设计5.某炉温度变化范围为0～1500，要求分辨率为5，温度变送器输出范围为0～5V。若A/D转换器的输入范围为0～5V，则求A/D转换器的字长应为多少位？若A/D转换器的字长不变，现在通过变送器零点迁移而将信号零点迁移到800，此时系统对炉温变化的分辨率为多少？

6.某执行机构的输入变化范围为4～20mA,灵敏度为0.05mA，应选D/A转换器的字长为多少位？7.温度-20～+50，温度变送器变换为1～5V电压，送至12位A/D转换器AD574（0～5V），计算：（1）若AD574的转换结果为800H时，对应的系统温度为多少？8.中位值滤波法是怎样的？该滤波法适用于什么情况？答：中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次（）且是奇数，并按大小顺序排列；再取中间值作为本次采样的有效数据。中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果更好。即在每个采样周期，先采用中位值滤波法得到m个滤波值，再对这m个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参数。第8章

分布式测控网络技术1.工业局部网络通常有哪4种拓补结构？各有什么特点？答：4种拓补结构：星形、环形、总线型和树形。

各自特点：

（1）星形：1）网络结构简单，便于控制和管理，建网容易

2）网络延迟时间短，传输错误率较低

3）网络可靠性较低，一旦中央节点出现故障将导致全网瘫痪

4）网络资源大部分在外围点上，相互之间必须经过中央节点中转才能传送消息

5）通信电路都是专业线路，利用率不高，故网络成本较高

（2）环形：1）信息流在网络中式沿固定的方向流动，故两节点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制

2）环路中每个节点的收发信息均由环路口控制，因此控制软件较简单

3）环路中，当某节点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性

4）环结构其节点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制

（3）总线型：1）结构简单灵活，扩展方便

2）可靠性高，网络响应速度快

3）共享资源能力强，便于广播式工作

4）设备少，价格低，安装和使用方便

5）由于所有节点共用一条总线，因此总线传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合

（4）树形：树形结构是分层结构，使用与分级管理和控制系统。与星形结构相比，由于通信线路总长度较短，故它的连网成本低，易于维护和扩展，但结构较星形复杂。网络中除叶节点及其连线外，任一节点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。2.工业局部网络常用的传输访问控制方式有哪三种？各有什么优缺点？答：3种控制方式：冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、令牌环（Token

Ring）、令牌总线（Token

Bus）各自的优缺点：（1）冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）：CSMA/CD方式原理较简单，且技术上较易于实现。网络中各节点出于同等地位，无需集中控制，但不能提供优先级控制，所有节点都有平等竞争的能力，在网络负载不重情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。（2）令牌环（Token

Ring）：优点是能够提供可调整的访问控制方式，能提供优先权服务，有较强的实用性。缺点是需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失将会降低环路利用率；控制电路复杂。（3）令牌总线（Token

Bus）：优点：1）吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加

2）控制功能不随电缆线长度的增加而减弱

3）不需冲突检测，故信号电压可以有较大的动态范围

4）具有一定的实时性缺点是节点获得令牌的时间开销较大，一般一个节点都需要等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。3.什么是现场总线？有哪几种典型的现场总线？它们的特点怎样的？答：现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，与控制系统和现场仪表联用，组成现场总线控制系统。

5种典型的现场总线：CAN、Lonworks、ProfiBUS、HART、FF。

各自的特点：

（1）CAN（控制器局域网络）：

1）CAN通信速率为、，节点数110个，传输介质为双绞线或光纤等

2）CAN采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据

3）CAN可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，用此特点可方便的构成多机备份系统。

4）CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息；按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。

5）CAN支持4类报文帧：数据帧，远程帧，出错帧，超载帧。采用短帧结构，每帧有效字数为8个。这样传输的时间短，受干扰的概率低，且具有较的检错效果。

6）CAN采用循环冗余检验CRC（Cyclic

Redundancy

Check）及其它检错措施，保证了极低的消息出错率

7）CAN节点具有自动关闭功能，当节点错误严重时的情况下，则自动切断与总线的联系，这样不影响总线正常工作。

8）CAN单片机：Motorola公司生产的带CAN模块的MC68HC05x4，Philips公司生产82C200，Intel公司生产带CAN模块的P8XC592

9）CAN控制器：Philips公司生产的82C200，Intel公司生产的82527

10）CANI/O器件：Philips公司生产的82C150，具有数字和模拟I/O接口

（2）LONWORKS（局部操作网络）：1）LONWORKS通信速率为，，节点数为32000个，传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线等2）LONWORKS采用Lon

Talk通信协议，该协议遵守国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI（Open

System

Interconnection）全部7层模型3）LONWORKS的核心是Neuron（神经元）芯片，内含了3个8位的CPU：第1个CPU为介质访问控制处理器，实现Lon

Talk协议的第1层和第2层；第2个CPU为网络处理器，实现Lon

Talk协议的第3层至第6层；第3个CPU为应用处理器，实现Lon

Talk协议的第7层，执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务4）Neuron芯片的编程语言为Neuron

C，它是从ANSI

C派生出来的。LONWORKS提供了一套开发工具LonBuilder和NodeBuilder5）Lon

Talk协议提供了5种基本类型的报文服务：确认（Acknowledged），非确认（Unacknowledged）,请求/响应（Request/Response），重复（Repeated），非确认重复（Unacknowledged

Repeated）6）Lon

Talk协议的介质访问控制子层（MAC）对CSMA作了改进，采用一种新的称作Predictive

P-Persistent

CSMA，根据总线负载随机调整时间槽n(1～63)，从而在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小化

（3）PROFIBUS（过程现场总线）1）PROFIBUS-PA（Process

Automation）用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险爆炸区域2）PROFIBUS-FMS（Fieldbus

Message

Specification）用于一般自动化3）PROFIBUS-DP用于工业自动化，适用于分散的外围设备PROFIBUS引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。在一个确定的应用中，按照PRO