微型计算机控制技术-第2版-习题答案

微型计算机控制技术第二版书后习题参考答案第一章习题1答：微型计算机控制系统是利用计算机（通常采用工业控制计算机，简称工控机）来实现生产过程自动控制的系统，它由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和被控对象两大局部组成。微型计算机控制系统是实时系统，也是在线系统。2答：计算机做控制器用。控制系统中引进计算机，可以充分运用计算机强大的运算、逻辑判断和记忆等功能。只要运用微处理器的各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行该程序，就能实现对被控参数的控制。输入信息来自于各种传感器，输出信息用于驱动执行机构。3答：如果计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出，那么称为实时控制。实时的概念不能脱离具体过程，一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。4答：微型计算机控制系统硬件一般包括：计算机主机、输入/输出（I/O）接口、I/O通道、传感器及变送器、执行机构、人机联系设备（如键盘和显示器）、网络通信接口和电源等。它们通过微处理器的系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）构成一个完整的系统。计算机的输入/输出通道，又称过程通道。为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息的传递和变换的连接通道，这就是过程输入/输出通道。过程通道一般可分为：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道5答：操作指导控制系统：优点是结构简单，控制灵活和平安。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。直接数字控制系统：优点是实时性好、可靠性高和适应性强，可控制多个回路。缺点是修改控制器参数不方便。监督控制系统：优点是能自动改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型计算机中的给定值,从而使生产过程始终处于最优工况。集散控制系统：优点是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。缺点是不同厂商的设备不能通用。现场总线控制系统：具备集散控制系统的优点，因为采用标准总线设计，不同厂商设备通用性好，组网方便。6答：SCC加上DDC的分级控制系过统。这实际上是一个二级控制系统，SCC级可采用高档微型机，它与DDC级之间通过接口进行信息联系。SCC级微型计算机可完成工段、车间高一级的最优化分析和计算，并给出最优给定值，送给DDC级执行过程控制。当DDC级微型计算机出现故障时，可由SCC级微型计算机完成DDC的控制功能，这提高了系统的可靠性。7答：开创时期、直接数字控制时期、小型计算机时期、微型计算机时期。8答：网络化、集成化、智能化、标准化。第二章习题1答：工控机由于其应用对象及使用环境的特殊性，与一般通用计算机相比较，具有如下特点：可靠性高、实时性好、环境适应性强、过程输入和输出配套较好、系统扩充性好、系统开放性、控制软件包功能强、系统通信功能强、后备措施齐全、具有冗余性。。⑵G(z)1—中(z)(1一0.9z-1)210(1+zT)12答:。⑵—如土G(z)l—中(z)0.272(1-0.3679广)(1.408-0.825z-i)~(1-z-')(1-0.592zT)13答：缺点：对不同输入类型的适应性差、对被控对象参数变化过于敏感、控制作用易超出限定范围。14答：如果如(z)的极点在z平面的负实轴上，且与尸一1点相近，那么数字控制器的输出序列u(k)中将含有这两种幅值相近的瞬态项，而且瞬态项的符号在不同时刻是不相同的。当两瞬态项符号相同时,数字控制器的输出控制作用加强，符号相反时，控制作用减弱，从而造成数字控制器的输出序列大幅度波动。振铃现象会增加执行机构的磨损。先找出D(z)中引起振铃现象的因子(z=—1附近的极点)，然后令其中的z=l,根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳态值。15答：假设T=0.1,乌=0.1,对象是二阶的，根据书上公式整理可得,、126.4(1一0.905z-i)(l-0.99zT)D(z)=(1+z-i)(1-0.368zT-0.632Z-2)有振铃现象，消除振铃可得_63.2(1一0.905z-i)(l一0.99z-i)D⑵=1一0.368zT-0.632Z—216答：对象是一阶的，根据书上公式整理可得_1.778(1一0.779Z"1)D。=1一o.6O7z—i-0.393Z—2无振铃现象。17答：对象是一阶的，根据书上公式整理可得_1.628(1-0.991Z-1)D(z)=1一0.983Z—1-0.017Z—6无振铃现象。第六章习题1答：设计一种能够自动地补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知变化的控制器。这就是自适应控制的任务。自适应控制系统需要不断地测量系统的状态性能或参数，利用系统当前的运行指标与期望的指标相比较，进而作出决策以改变控制器的结构、参数或根据自适应律来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义下的最优或次最优状态。2答：模型参考自适应控制系统:在这个系统中，采用了一个称为参考模型的辅助系统。加到可调系统的参考输入r同时也加到这个参考模型输入端，参考模型的输出或状态可以用期望的性能指标设计。为了

比较期望的性能指标和可调系统实测的性能指标，可用减法器将参考模型和可调系统的输出或状态直接相减，得到广义误差信号eo自适应机构按一定的规那么利用广义误差信号来修改可调系统的调节器参数，或产生一个辅助输入信号，使广义误差的某个泛函指标到达极小。当可调系统特性与参考模型特性渐近逼近，广义误差就趋于极小或下降为零，调节过程结束。自校正控制系统：这类系统的特点是必须对过程或被控对象进行在线辨识（递推参数估计），然后用过程参数的估计值和事先规定的性能指标，在线地综合出调节器的控制参数，并根据此控制参数产生的控制作用对被控对象进行控制。经过屡次的辨识和综合调节参数，使系统的性能指标渐近地趋于最优。3答：与PID控制相比，模糊控制的优点：（1）模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统。（2）模糊控制不用建立对象精确的数学模型。（3）模糊控制系统的鲁棒性好。（4）模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。4答：模糊控制器的设计步骤如下。模糊控制器的结构、定义输入、输出模糊集、定义输入、输出隶属函数、建立模糊控制规那么、建立模糊控制表、模糊推理、精确化过程。5答：自适应PID控制其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。模糊自适应PID控制运用模糊数学的基本理论和方法，把规那么的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规那么及有关信息（如评价指标、初始PTD参数等）作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况（即专家系统的输入条件），运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最正确调整。第七章习题1答：问题定义、程序设计、手编程序、查错、测试。2答：节约硬件本钱、可靠稳定、功能强、方便灵活、不会丧失原始数据。3答：实际温度=x100=80.4°C£。J4答：为了保证测量参数能有线性输出，需要引入非线性补偿，将非线性关系转化成线性的，这种转化过程称为线性化处理。方法有：计算法、插值逼近法、折线近似法。当参数间的非线性关系可以用数学方程式来表示时，采用计算法。当参数间的非线性关系以某种数据表格给出，采用插值逼近法。当参数间的非线性关系以某种曲线描述出来，采用折线近似法。5答：//函数名：ComplexFilter//入口参数：N-采样值个数，・X-采样值数组首地址//出口参数：滤波值N)N)N)int//描述：先排序，后求和，再取平均doubleComplexFiIter（double*X,N)int//定义临时中间变量//6次循环〃如果前一个数大于后一个数，那么相互交换数值//定义临时中间变量//6次循环〃如果前一个数大于后一个数，那么相互交换数值doubletemp；for(i=0；iW6；i++)for(j=0；j<N-l-i；j++)if(*(X+j)>*(X+j+l))temp=*(X+j)；*(X+j)=*(X+j+l)；*(X+j+l)=temp；temp=O；for(i=3；i<5；i++)temp=temp+*(X+i)；//求中间3个采样值的累加和temp二tcinp/3；returntemp；//返回平均值)6答：〃函数名:Filter//入口参数：Xn-过去采样值，Ynl-当前采样值，Znl-当前采样值//出口参数：滤波值//描述：按公式计算滤波值，并返回^defineAl1^defineA22甘defineBl3^defineB24doubleFilter(doubleYnl,doubleZnl,doubleXn)(doubletempY；doubletempZ；tempY=Bl*Xn+Al*Ynl:tempZ=B2*tempY+A2*Znl；returntempZ；}7答：//函数名：Line//入口参数：U-输入量//出口参数：线性化值//描述：按公式线性化，并返回Sinclude"math.h〃^defineU114^defineU225doubleLine(doubleU)(doubleT；if(U<=Ul)T=25*U;elseif(U<=U2)T=25*U+14;returnT;8答:

〃函数名:WeakenedPID//入口参数：*Y-采样值地址//出口参数：遇限削弱PID算法的结果doubleWeakenedPID(double*Y)#defineKp:20〃比例系数#defineKi10〃积分系数#defincKd15〃微分系数redefineUmax15〃控制器输出上限#defineUmin1〃控制器输出下限extern「doubleEkl//E(k-l)变量extern、doublePTkl〃PT(k-l)变量externdoubleRk〃设定值extern，doubleUkl〃前一次计算控制量输出退出退出退出〃求取偏差//k退出〃求取偏差//k时刻的比例项//k时刻的积分项〃求取偏差//k时刻的比例项//k时刻的积分项doublePPk；doublePIk；doublePDk；doubleEk；doubleresult；Ek=Rk-(*Y)；PPk=Kp*Ek；PIk=Ki*Ek+Plkl；〃求取偏差//k时刻的比例项//k时刻的积分项if(Ukl>=Umax)if(Ek>0)result=PPk+PDk；//不计算积分项elseresult=PPk+PIk+PDk；〃计算积分项elseif(Ukl<=Umin)if(Ek<0)result=PPk+PDk；〃不计算积分项elseresult=PPk+PIk+PDk；//计算积分项elseresult=PPk+PIk+PDk；//计算积分项Ekl二Ek；//保存k时刻的偏差Plkl=Plk；〃保存k时刻的积分项Ukl=result;//保存k时刻的控制量输出returnresult；〃返回结果第八章习题1答：(1)组态王组京王是崭内第一家较有影响的组态软件开发公司(更早的品牌多数已经湮灭)。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是通态软件公司开发的组态软件，一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行FMicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系统。KincoDTools组态软件由上海步科自动化股份研发。InTouchWonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。2答：创立组和用户、分配授权、组态登陆和注销对话框、组态对象的权限、使用用户名变量。3答：主界面、控制界面、历史趋势、报警信息、参数监控、网络状态。4答：变量管理器、图形编辑器、变量记录、报警记录、报表编辑器、全局脚本、文本库、用户管理器、交互引用。5答：(1)内部变量：WinCC内部使用的变量，与外部过程无关，无需建立过程驱动程序、通道单元和通道连接。使用数量不受限制。(2)外部变量：外部变量由外部过程为其提供数值，因此也叫做〃过程变量〃。外部变量是基于〃驱动程序-通道单元-连接〃的，其与自动化系统中的数据是相对应。(3)WinCC系统变量：WinCC系统提供的预先定义好的变量。每个系统变量均有明确意义，可提供现场功能。系统变量由WinCC系统创立，工程人员不能创立，但可以使用。(4)S7系统变量：基于TIA方式创立的工程，在编译完成OS站后，STEP7会向WinCC传递S7系统变量，包括PLC变量，归档和报警等。这些变量称其为〃S7系统变量〃。(5)系统信息变量：在〃驱动程序〃中有一种特殊的〃驱动〃一一WinCC系统信息通道。在WinCC的系统信息通道下，可建立专门记录系统信息的变量，例如可记录WinCC系统的当前时间、CPU占用率、磁盘容量等信息。(6)脚本变量：在脚本中定义和使用的变量，只能在其定义范围内使用，遵循C/VB语言规范。它与编程语言相关，不在变量管理器中维护。6答：用来分配、管理和监控用户对WinCC组态系统和运行系统的访问权限。第九章习题1答：平安性与可靠性、操作维护方便、实时性强、通用性好。2答：分析问题和确定任务、系统总体设计、硬件设计、软件设计。3答：(1)模拟信号输人范围、被采集信号的分辨率。完成一次转换所需的时间。模拟输入信号的特性是什么，是否经过滤波，信号的最高频率是多少。模拟信号传输所需的通道数。多路通道切换率是多少，期望的采样/保持器的采集时间是多少。在保持期间允许的电压下降是多少。通过多路开关及信号源串联电阻引起的偏差是多少。所需精度(包括线性度、相对精度、增益及偏置误差)是多少。当环境温度变化时，各种误差限制在什么范围。各通道模拟信号的采集是否要求同步。所有的通道是否都使用同样的数据传输速率。数据通道是串行操作还是并行操作。数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作。4答：TOC\o"1-5"\h\z/*编译环境：Keil7.50Ac51*/fVf*Y»*Y**T**T**T**.**T**Y**T*f*T*f1tI*■、I/A«，卜I(J.，.■'J*\JI""■,—*?*，卜*1*f#include<reg51.h>/*********************************数石马格********************************/unsignedchartable［］=(0xC0,OxI-9,0xA4,OxBO,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,OxAl,0x86,0x8E}?WX«£•VWVWWXKWWXVW、］■*1*WX、］■%L#K>»«A*、［,*T**7*^7^*T**j**r**T**T**T**T**T**T**?**T**r**T>*T**T**T**T**1»*T**7**T**i**r**T**i**T**T**T^*r**«**r*函数功能：延时子程序入口参数：出口参数：^|C^jCr^C^}C«{CrfC^Cr^Cr^Cr^C^CrJC^jCr|Cr|C*|Cr^Cr|Cr|C^|Crjwr^Cr|C*|%^|Cr|C?|C^|C^jC*|Cr|C?|C^|Cr^CrJ%5|Cr^CrfCx|C^|C^jCr^Cr^Cr|Cr^Cr|C^|Crjir|C5^C5^C^|Cr^C?|C^|C^JCr|C?|C^|CrjCr|Cx|Cr^C^|Ctvoiddelay(void)unsignedchari,j;for(i=0;i<20;i++)for(j=0;j<250;j++);«£*«^x«zx«£*vx«X*xw«Jx«X*«^x«Jx«£*/^«**^**T**T**|**i**T**J**»**r**T**J**»**7**J*^f**T^*r**T**7**1**T**T**f**T**T**T**J**7**T**T*^r*^7**j**T*函数功能:LED显示子程序入口参数:i出口参数：、］,vS*q，、］,、1，*1#*Ax、［■、1，viz、2,*f*、］,*S**?*、］,、1，、^**fx、1，、X**A«、1，、1，■［■、1，、1，«A«»Jx、［■、1，、＜X*K^«、2,*fx*1*■［■、1，、X*%?X、［,、1，、£■、］,、［,、A、［,、1，*£*、［■*fxKW*T*^T*^T*voiddisplay(unsignedchari)P2=0xfe;P0=table［i］;*^c*Jc*^c5^c^Jc*Jc*|cxjc*|c?|c*^c?|c*|c#Jcxjc^Jc?|cxjc*Jcj^c*|c*^c*|c5^cjJc*^C*^C5^C*Jc*Jc*|cxjc#jcx^c^|c*|c^|cxjc*^c*^c*|c*^c*|c?|c*^c*^cx|c函数功能：键盘扫描子程序入口参数：出口参数：*!**V«^»*1*»f*»!*ylf*1*«J<»%!**!*»!**1*«>L»»f**1**!**1**L»*!**1*»f**1*»!*»!*、k*1**f*voidkeyscan(void)unsignedcharn;//扫描第一行Pl=0xfe;n二Pl;n&=0xf0;if(n!二OxfO)(delay();Pl=0xfe;n=Pi;n&=OxfO;if(n!=OxfO)switch(n){case(OxeO):display(3);break;case(OxdO):display(2);break;case(OxbO):display(1);break;case(0x70):display(0);break;))}//扫描第二行Pl=Oxfd;n=Pl;n&=OxfO;if(n!=OxfO){delay();Pl=Oxfd;n=Pl;n&=OxfO;if(n!=OxfO)(switch(n){case(OxcO):display(7);break;case(OxdO):display(6);break;case(OxbO):display(5):break;case(0x70):display(4);break;//扫描第三行Pl=Oxfb;n=Pl;n&=OxfO;if(n!=OxfO){delay();Pl=Oxfb;n=Pl;n&=OxfO;if(n!=OxfO)(switch(n){case(OxeO):display(11);break;case(OxdO):display(10);break;case(OxbO):display(9);break;case(0x70):display(8):break;})}//扫描第四行Pl=0xf7;n=Pl;n&二OxfO;if(n!=OxfO)(delay();

n=Pl;n&=OxfO;if(n!=OxfO)switch(n)case(OxcO):display(15);break;case(OxdO):display(14);break;case(OxbO):display(13);break;case(0x70):display(12);break;*1*xl*viz*X*vi*«lx*1**2xxl*vl*弓、，'、，卜，/、4、，4、‘4、七、可、，4、，，、弓、*•*，4、，4、4、*1*，卜七、4、，,、，4、4、*1*，'、七、4、，4、，,、4、*•*，4、，4、弓、，上、，，、弓、*•*，卜，/、七、，卜弓、*?*，4、，4、弓、*■*，卜七、七、4、，4、，/、七、，A、，5，L“、，「函数功能函数功能函数功能主程序入口参数出曰参数函数功能主程序*1*%!*»f**£*»!«»!*%!«*!*%!*、比*1#%f*»!*%!«*!*»!*voidmain(void)while(l)keyscan();第十章习题1答：固有可靠性、工作可靠性、可靠度、失效率、平均寿命、平均修复时间和利用率。2答：构成电磁干扰必须同时具备三个要素：电磁干扰源、电磁干扰的耦合途径、电磁干扰的敏感设备与电路。

2答：加固型工业机箱：由于工控机应用于较恶劣的工业现场环境，因此机箱必须采取一系列加固措施，以到达防震、防冲击、防尘、通风散热良好，适应宽的温度和湿度范围。机箱内具有正的空气压力和良好的屏蔽，以到达EMC电磁兼容性标准。工业电源：具有抗干扰能力强的工业电源，具有防浪涌冲击、过压过流保护功能，以到达电磁兼容性标准和通过国际标准认证机构的认证，如UL认证等。主机板：工控机核心部件是主机板，其所采用的元器件满足工业级标准，并且是--体化(ALL-IN-ONE)主板,以易于更换，工控机采用标准总线，如ISA总线、VL总线、PCI总线、PCISA总线等。3答：PC总线工业控制计算机由于配置高、性能强、价格贵，因此一般不用于对被控对象的直接控制。PC总线工业控制计算机一般用来收集、处理、管理数据，监控被控对象运行状态，调整控制器参数等。对被控对象的直接控制，一般用专门的控制器来实现。这类专用控制器相对PC总线工业控制计算机而言，配置较低、体积较小、价格较低，但专门为某一类被控对象或某一类控制任务做过专门的优化，因而特别适合用来直接控制被空对象，通过网络与PC总线工业控制计算机连接，将对被控对象的监督、管理工作交给PC总线工业控制计算机，从而构成一个最基本的上下位机计算机控制系统。4答：目前市场上PC总线类型有：XT总线、ISA总线、EISA总线、VESA总线(VL-BUS)PCI总线以及PCIE总线。5答：运动控制(MotionControl)通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制o过程控制(ProcessControl)是以保证生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。过程控制可以分为常规仪表过程控制与计算机过程控制两大类。随着工业生产规模走向大型化、复杂化、精细化、批量化，靠仪表控制系统己很难到达生产和管理要求，计算机过程控制是近儿十年开展起来的以计算机为核心的控制系统。第三章习题1答：输入输出接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路。在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理后的结果还须变换成适合于对生产进行控制的信号量。这个在计算机和生产过程之间传递和变换信息的装置称为输入输出过程通道。◎©◎◎©◎©©0©数据总线CSRD+5◎©◎◎©◎©©0©数据总线CSRD+53答：从噪声传播途径的角度来分类，大致可有导线传导的耦合噪声、经公共阻抗的耦合噪声和空间电磁场的耦合噪声。其中，电磁场的耦合根据离辐射源的距离远近，可分为近场的感应、远场的感应和远场的辐射。在近场感应噪声中又可分为电容性耦合噪声和电感性耦合噪声两种。电容性耦合的噪声主要由电力线通过相互间电容耦合来传播的；电感性耦合的噪声主要由磁力线通过相互间的电感来传播的；而远场的辐射那么是以电磁波方式传播的。4答：抗干扰设计要从这三个要素出发，使干扰得到抑制，即抑制干扰源，切断耦电途径，提高敏感设备的抗扰度。5答：增加总线的抗干扰能力、系统的防辐射措施、抑制存储器产生的噪声、微机系统的装接设计。6答：数字滤波、设立软件陷阱、时间监视器、掉电保护、待机抗干扰、输入/输出软件抗干扰措施。第十一章习题1答：集散控制系统最基本的特征就是实现了系统的分散控制和集中管理，它以高可靠性和完善的控制管理功能代替了大局部原有的常规仪表控制系统。包括分散过程控制级、集中操作管理级、综合信息管理级、数据通信。分散过程控制级特点：适应恶劣的工业现场环境、分散控制、实时性、独立性。集中操作管理级特点：信息量大、易操作性、容错性好。综合信息管理级特点：具有能够对控制系统做出高速反响的实时操作系统，能够实现大量数据的高速处理与存储，具有能够连续运行可冗余的高可靠性,能够长期保存生产数据，并具有优良的、高性能的、方便的人机接口，丰富的数据库管理软件，过程数据收集软件，人机接口软件以及生产管理系统生成等工具软件，以实现整个工厂的网络化和计算机的集成化。数据通信特点：实时性好、动态响应快、可靠性高、适应恶劣的工业现场环境、开放系统互联和互操作性。2答：开放系统指与外界环境存在物质、能量、信息交换的系统。开放系统是与封闭系统相对而言的。开放系统理论是贝塔朗菲在20世纪40年代开创的，而后把开放系统作为一般系统的模式，而视封闭系统为开放的特例。当系统的输送变量为零时，就由开放系统推导出封闭系统。开放系统理论在普利高津的耗散结构论和哈肯的协同学等理论中获得了巨大开展。3答：快速实时响应能力、具有极高的可靠性、适应恶劣的工业现场环境、分层结构。4答：(1)DCS是个大系统，其控制器功能强，而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS功能下放较彻底，信息处理现场化。数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器功能与重要性相对减弱。因此，FCS投资起点低,可以边用、边扩、边投运。传统DCS是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连人现场总线，到达最正确的系统集成。DCS的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必须有D/A与A/D转换。而FCS是全数字化的，无须D/A与A/D转换，可以实现高集成化，其精度可以从土0.5%提高到土0.1%O⑷FCS可以将PID闭环控制功能装人变送器或执行器中，缩短了控制周期，目前可以从DCS的每秒2飞次，提高到FCS的每秒10~20次，从而改善调节性能。DCS可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表(含变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态。FCS采用全数字化技术，其数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息过失的功能。FCS采用双向数字通信现场总线信号制。因此，它可以对现场装置(含变送器、执行机构等)进行远方诊断、维护和组态。⑹FCS由于信息处理现场化，与DCS相比，可以省去相当数量的隔离器、子柜、VO终端、I/O卡件、1/0文件及I/O柜，同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。（7）与（6）同样理由，FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用，有专家认为可以节省66%。（8）FCS相对于DCS组态简单，另外由于结构、性能标准化，更便于安装、运行和维护。5答：（1）FF现场总线。FF现场总线包括低速总线H1和高速总线HSE（原H2）。FF现场总线的应用领域以过程自动化为主，如：化工、电厂实验系统、废水处理，油田等行业（2）Profibus现场总线。20世纪80年代初德国制订的一种现场总线标准，为PROFIBUS-DP（分散外围设备），适用于加工制造自动化领域的应用，实现分散外设之间的高速数据传输；PROFIBUS-FMS（现场总线报文规范），适用于楼宇自动化等领域:PHO-FIBUS-PA（过程自动化），适用于流程自动化领域。这3种类型均使用单一的总线访问协议，它只采用了0SI模型的物理层、数据链路层及应用层。Profibus支持主从模式、纯主站模式、多主多从模式等，主站对总线有控制权，可主动发信息，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。（3）P-NET现场总线。P-NET的设计开始于1983年。P-NET采用0S1参考型中的1,2,3,4,7层,是一种多主站主从式总线（每段最多可容纳32个主站）。使用屏蔽双绞线电缆RS485,每段总线最长1200m,每段最多可连125个设备，总线分段之间使用中继器。数据以NRZ（不归零位）编码异步传输，传输速率76.5kbit/s0P-NET总线访问采用一种“虚拟令牌传递”的方式，总线访问权通过虚拟令牌在主站之间循环传递，即通过主站的访问计数器和空用总线位周期计数器确定令的持有者和持有令牌的时间。这种令牌传递方式是一种基于时间的循环机制，比握文传通令牌方式的传递效率更高。P-NET对从站的通信程序仅需几千字节的编码，结构简单，不需采用专门芯片，比其他总线更易于开发和转化。“小系统低本钱”是P-NET的主要特征之（4）CAN（ControllerAreaNelwork,控制局域网络）由德国BOSCH公司于1993年推出，应用于汽车监控、升关量控制、制造业等，介质访同方式为非破坏性位仲战方式，适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉价oMotorola.InteKPhilips均生产独立的CAN芯片和带有CAN接口的80C51芯片。CAN型总线产品有AB公司的DeviceNet.台湾研华的ADAM数据采集产品等。第十二章习题1答：智能制造是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统，它突出了在制造各个环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的局部脑力劳动，同时，收集、存储、完善、共享、继承和开展人类专家的制造智能。智能制造已经成为影响未来制造业的重要生产模式，本章简单介绍智能制造的基本内容，以及与计算机控制相关的最新技术开展。2答：智能设计、智能装备与工艺、智能生产、智能服务。3答：新一代信息技术、人工智能技术、智能优化技术。300x4LS37LEOEL数据输入程序，设芯片端口地址为300H300x4LS37LEOEL^include<dos.h>:^include<stdio.h>;main(){charresult:intport=0x300;result=inportb(port);return;}数据输出程序，设向地址为300H的端口输出64H的数据^include<dos.h>;^include<stdio.h>;main(){charvalue=0x64;intport=0x300;outportb(port,value);return;}3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。当被测信号变化缓慢时，假设A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。4答：include<dos.h>include<stdio.h>main()inti,y;outportb(0x303,0x92);//8255控制字10010010//PC4=1PC2~PC0=000outportb(0x302,0x10);i=inportb(0x300);//PC4=1PC2~PC0=000while(i>=0x80)(i=inputb(0x300);}outportb(0x302,0x50);y=inputb(0x301);i=inputb(0x300);i=i&0x0f;y=y+256*i;return;}//PA7=1(STS=1)〃PC6~PC4F01//取高8位//取低4位5答："include<dos.h>；^include<stdio.h>；main()inti；outportb(0x307,0x80)；i=0x50；outportb(0x304,i)；〃初始化8255A,使8255A的A、B和C口都为输出口。〃i为D/A输出值。//为D/A准备数据。outportb(0x305,outportb(0x305,outportb(0x305；0x19)；//数据锁存到第一级锁存器。0x07)；//数据锁存到第二级锁存器。OxlF),〃退出锁存状态。return；6答：无源I/U变换电路R1oVR2二极管限流、输出保护，电容滤波，电阻R2将电流转换为电压。有源I/U变换电路电容滤波，电阻R1将电流转换为电压，同相放大电路将电压转为标准电压。第四章习题1答：后向差分法u(k)=涪；岫-1)+段e(k)-^re(k-l)零阶保持器法e(k-1)e(k-1)e(k-1)_工Tu(k)=eTzu(k—1)—T7-e(k—2)+T2e(k-1)2答：后向差分法得：y(k)=0.03e(k)+1.83y(k-1)-0.83y(k一2)3答：双线性变换法得u(k)=u(k)=u(k)=(8一2就)u(k一1)+(46搭-4一"-2)++2就e(k-1)+就e(k一2)4+4&+就u(k)=4答：后向差分整理可得T2ce(k)+(2+aT+bT)u(k—1)—u(k—2)U(k)=l+aT+bT+T2双线性变换法整理可得u(k)=ce(k)+2ce(k-1)+ce(k-2)-(2ab-*)u(k一1)一(*一+ab)u(k-2)需根据不同被控对象，结果不同。u(k)=5答：由于微型计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此在微型计算机控制系统中，PID控制规律的实现只能采用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求利代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID控制算法离散化，变为差分方程，以便于实现。要有相当短的采样周期。采样周期越小，离散后的数字控制器性能越接近原来的模拟调节器。6答：根据香农(Shannon)采样定理，采样周期必须满足，其中为被采样的连续信号的最高频率。因此香农(Shannon)采样定理给出了选择采样周期的上限。从理论上讲，采样周期越小，失真越小。但是从控制器本身而言，大都是依靠偏差信号e(k)进行调节计算的。当采样周期T太小时，偏差信号e(k)也会过小，此时计算机将会失去调节作用，采样周期T过长又会引起误差。因此，采样周期T确实定必须综合考虑。影响采样周期T的因素有：加至被控对象的扰动频率：扰动频率愈高，采样频率也应相应提高，即采样周期缩短。对象的动态特性：根据被控对象的特性，快速系统的T应取小，反之取大些。执行机构的类型：执行机构惯性大，采样周期相应要大一些，否那么，执行机构来不及反响控制器输出值的变化。。控制算法的类型：从计算机能精确执行控制算式来看，T应选大些。因为计算机字长有限，T过小，偏差e(k)可能很小，甚至为0,调节作用减弱，各微分、积分作用不明显。控制回路数，控制回路数与采样周期T的关系T>^=1Tj7答：加上积分调节的目的主要用于消除静差，提高系统的无差度。PI调节器对偏差的阶跃响应除按比例变化的局部外，还有积分累计的局部。只要偏差不为零，那么积分环节有累计输出，以减小偏差，直至使偏差为写,系统到达稳态。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI,TI越大，积分作用越弱，反之那么越强。8答：积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但却降低了响应速度。为了加快响应速度，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差量作出及时反响(即P作用)，而且对偏差量的变化速率作出反响，即按偏差变化的趋势进行控制，使偏差消灭于萌芽状态。9答：当1=8时，积分项为零，那么PID控制变为PD控制。当Td=0时，微分项为写，那么PID控制变为P1控制。10答：(1)比例系数饰对系统动态及稳态性能的影响增大比例系数作，将增强比例作用，一般将加快系统的响应，在系统有静差的情况下，有利于减小静差；但Ap过大时会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统的稳定性变坏。值得说明的是，增大部只是减小静差，却不能完全消除静差。积分时间常数71对系统动态及稳态性能的影响减小积分时间常数71,将增强积分作用，加快消除系统静差，提高系统的控制精度；但71太小，将会产生超调、并产生振荡，使系统的稳定性变坏。微分时间常数7D对系统动态及稳态性能的影响增大微分时间常数70,将增强微分作用，减小超调量，缩短调节时间，改善动态性能。11答：(1)增量型算法不需做累加，计算误差后产生的计算精度问题，对控制量的计算影响较小。位置型算法用到过去的误差的累加，容易产生较大的累加误差。增量型算法得出的是控制的增量，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会影响系统的工作。位置型算法的输出是控制量的全部输出，误动作影响大。采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。12答：位置式：u(k)=0.3u(k-1)4-1.3e(k)一0.6e(k一1)增量式：Aulk)=0.3u(k-1)-0.3u(k-2)4-1.3e(k)一1.9e(k-1)+0.6e(k一2)13答：根据数字PID控制器公式，整理可得ku(k)=3[e(k)+|^e(i)]i=O14答：增大比例系数Ap,将增强比例作用，一般将加快系统的响应，在系统有静差的情况下，有利于减小静差；但Ap过大时会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统的稳定性变坏。值得说明的是，增大弥只是减小静差，却不能完全消除静差。

15答：在自动调节系统中，由于负载的突变，如开工、停工、或给定值的突变等，都会引起偏差的阶跃，即I。（人）I增大。因而，计算出的位置式PID输出u（k）将急骤增大或减小，以至超过阀门全开（或全关）时的输入量"iiax（或〃nin）。此时的实际控制量只能限制在iznax（或〃nin）,而不是实际计算值。此时，虽然系统输出"（A）在不断上升，但由于控制量受到限制，其增加速度减慢，偏差。以）将比正常情况下持续更长的时间保持在正值，使积分项有较大的积累值。当被控量超过给定值广。）后，开始出现负偏差，但由于积分项累计值很大，还要经过相当一段时间之后，控制量〃（力）才能脱离他和区。这样就使系统的输出出现明显的超调。很明显，在位置式PID算法中，饱和现象主要是由积分项引起的,所以称之为“积分饱和”。这种现象引起大幅度的超调，使系统不稳定。克服方法：遇限消弱积分法、积分别离法。16答：凑试法、实验经验法、归一参数整定法等。凑试法：凑试法是通过模拟实验或系统闭环运行（允许的条件下）记录观察系统对典型输入信号的响应曲线，如阶跃响应曲线。然后根据控制效果及各参数对系统的控制影响，反复凑试参数，以到达满意的系统响应，从而确定PID控制参数。实验经验法：用凑试法确定PTD参数，必须进行屡次模拟或现场实验，过程繁琐。为了减少凑试次数，我们可以利用在PID参数选择过程中取得的经验，并根据•定的控制要求先做•些实验，以获得相应的基本参数，然后按照经验公式，由这些基本参数推导计算出PID参数的经验值。归一参数整定法：只要整定一个参数Kpo改变Kp,观察控制效果，直到满意为止。该方法为实现简易的自整定控制带来方便1717答：令风）=即+1）心+1）17答：17答：令风）=即+1）心+1）其中T\=»T2=玲G(s)=D(g(s)=妈=J啊5居呼5)―—=再kkk*~'sl's2's3fLLT]FT—匕匕1'$2'$3‘$3T-±21.ls3-⑵得:得:得:得:KpL+岩2T—T4-TT—几玲7，/si$2，I)riprpKp用差分法离散可得：u(k)=u(k-1)+aoe(k)一axe(k-1)+a2e(k-2)其中：％=心(1+f+芋■),a}=Kp(\+第五章习