《计算机控制系统》李正军第4版 习题答案

《计算机控制系统》第4版习题答案

第1章

1.简述计算机控制理论的发展过程。

【答案】

采样系统理论主要用在计算机控制方面，并已取得重要成果，其发展过程如下。

⑴采样定理

计算机控制系统只根据离散的过程变量值来工作，那么信号在什么条件下，才能只根据

它在离散点上的值重现出来。该问题是由奈奎斯特(Nyquist)解决并证明的，要把正弦信

号从它的采样值中复现出来，每周期至少必须采样两次。香农(Shannon)于1949年也证明

了这个问题。

⑵差分方程

采样系统理论的最初起源与某些特殊控制系统的分析有关。奥尔登伯格(Oldenburg)

和萨托里厄斯(Sartorius)于1948年对落弓式检流计的特性做了研究，这项研究对采样系

统的理论做出了贡献。业已证明，许多特征可以通过分析一个线性时不变的差分方程描述，

即用差分方程代替微分方程。

(3)Z变换法

由于拉氏变换理论已经成功地应用于连续时间系统中，人们自然想到为采样系统建立一

种类似的变换理论。霍尔维兹于1947年对序列｛/(左T)｝引进了一个变换为：

Z[f(kT)]=^z-kf(kT)

后来，这种变换由拉格兹尼(Ragazzini)和扎德(Zadeh)于1952年定义为Z变换。

(4)状态空间理论

状态空间理论的建立，来自许多数学家的共同努力。卡尔曼把状态空间法应用于控制理

论，他建立了许多概念并解决了许多重要问题。

⑸最优控制与随机控制

20世纪50年代后期，贝尔曼(1957年)与庞特里亚金等人(1962年)证明了许多设

计问题都可以形式化为最优化问题。20世纪60年代初，随机控制理论的发展，引出所谓线

性二次型高斯(LQG)理论。

(6)代数系统理论

代数系统理论对线性系统理论有了更好的理解，并应用多项式方法解决特殊问题。

⑺系统辨识与自适应控制

⑻先进控制技术

先进控制技术主要包括模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术、预测控制技

术、内模控制技术、分层递阶控制技术、鲁棒控制技术、学习控制技术、非线性控制技术、

网络化控制技术等。先进控制技术主要解决传统的、经典的控制技术难以解决的控制问题，

代表控制技术最新的发展方向，并且与多种智能控制算法是相互交融、相互促进发展的。

2.计算机控制系统有哪几部分组成？

【答案】

计算机控制系统由两大部分组成：一部分为计算机及其输入输出通道，另一部分为工业

生产对象(包括被控对象与工业自动化仪表)。

3.计算机控制系统主要分为哪几类？

【答案】

根据应用特点、控制方案、控制目标和系统构成，计算机控制系统•般可分为以下几种

类型：数据采集系统（DAS）,直接数字控制系统（DDC）,监督控制系统（SCO,集散控

制系统（DCS）,监控与数据采集系统（SCADA）,现场总线控制系统（FCS）,工业过程计

算机集成制造系统（流程CIMS）,网络控制系统（NCS）,嵌入式控制系统（ECS）0

4.什么是DDC系统？什么是SCC系统？

【答案】

DDC系统即直接数字控制系统。它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，检

测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型（如P1D控制规律）进行运算，其输出直

接控制被控对象，使被控参数稳定在给定值上。

SCC系统即监督控制系统，计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳给定值送

给模拟调节器或DDC计算机，模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程

始终处于最优工况。SCC系统较DDC系统更接近生产变化的实际情况，它不仅可以进行给

定值控制，而且还可以进行顺序控制、自适应控制及最优控制等。

5.集散控制系统的特点是什么？

【答案】

集散控制系统较之过去的集中控制系统具有以下特点：

（1）控制分散、信息集中：采用大系统递阶控制的思想，生产过程的控制采用全分散的

结构，而生产过程的信息则全部集中并存储于数据库，利用高速公路或通信网络输送到有关

设备。这种结构使系统的危险分散，提高了可靠性。

（2）系统模块化：在集散控制系统中，有许多不同功能的模块，如CPU模块、AI和

AO模块、DI和DO模块、通信模块、CRT模块、存储器模块等。选择不同数量和不同功

能的模块可组成不同规模和不同要求的硬件环境。同样，系统的应用软件也采用模块化结构。

（3）数据通信能力较强：利用高速数据通道连接各个模块或设备，并经通道接口与局域

网络相连，从而保证各设备间的信息交换及数据库和系统资源的共享。

（4）友好而丰富的人机接口：操作员可通过人机接口及时获取整个生产过程的信息，如

流程画面、趋势显示、报警显示、数据表格等。同时，操作员还可以通过功能键直接改变操

作量，干预生产过程、改变运行状况或做事故处理。

（5）可靠性高：在集散控制系统中，采用了各种措施来提高系统的可靠性，如硬件自诊

断系统、通信网络、高速公路、电源以及输入输出接口等关键部分的双重化（又称冗余），

还有自动后援和手动后援等。

6.什么是网络控制系统？

【答案】

通过网络形成的反馈控制系统称为网络控制系统NCS（NetworkControlSystem）o该类系

统中，被控制对象与控制器以及控制器与驱动器之间是通过一个公共的网络平台连接的。这

种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数大大减少、易于扩展、易于维护、高

效率、高可靠性及灵活等优点，是未来控制系统的发展模式。根据网络传输媒介的不同，网

络环境可以是有线、无线或混合网络。网络控制系统是一种空间分布式系统，通过网络将分

布于不同地理位置的传感器、执行机构和控制器连接起来，形成闭环的一种全分布式实时反

馈控制系统。控制器通过网络与传感器和执行机构交换信息，并实现对远程被控对象的控制。

7.什么是SCADA系统？

【答案】

SCADA系统即监控与数据采集系统，它是一类功能强大的计算机远程监督控制与数据

采集系统。它综合利用了计算机技术、控制技术、通信与网络技术，完成了对测控点分散的

各种过程或设备的实时数据采集、木地或远程的控制，以及生产过程的全面实时监控，并为

安全生产、调度、优化和故障诊断提供必要和完整的数据及技术支持。

8.什么是嵌入式控制系统？

【答案】

嵌入式系统(EmbeddedSystem)的一般定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，

并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求攸计算

机系统。嵌入式系统符合目前发展现状的定义是：硬件以一个高性能的微处理器或微控制器

(目前通常是32位处理器或微控制器)为基础，软件以一个多任务操作系统为基础的综合

平台。这个平台的处理能力是以往的单片机所无法比拟的，它涵盖了软件和硬件两个方面，

因此称之为“嵌入式系统”。

9.工业4.0是指什么?

【答案】

工业4.0即第四次工业革命，是指利用物联信息系统(CyberPhysicalSystem简称CPS)

将生产中的供应，制造，销售信息数据化、智慧化，最后达到快速，有效，个人化的产品供

应。在工业4.0的规划中，控制方式有集中式控制向分散式增强型控制转变，其目标是建立

一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。传统工业中的行业界限将会消

失，将会产生更多新的活动领域和行业合作。

“工业4.0”项目主要分为二大主题：

一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实

现；

二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业

生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智

能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者；

三是“智能物流”，主要通过互联网、物联网、务联网，整合物流资源，充分发挥现有

物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。

10.简述智能控制的应用。

【答案】

作为智能控制发展的高级阶段,智能控制主要解决那些用传统控制方法难以解决的复杂

系统的控制问题，其中包括智能机器人控制、计算机集成制造系统(CIMS)、工业过程控制、

航空航天控制、社会经济管理系统、交通运输系统、环保和能源系统等。

11.什么是信息物理系统(CyberPhysicalSystem,CPS)?

【答案】

信息物理系统(CyberPhysicalSystem,CPS)是一个综合计算、网络和物理环境的多

维复杂系统，通过3c(ComputingsCommunicationControl)技术的有机融合与深度协作，

实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一

体化设计，可视系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。

12.画出CPS的五层次结构图。

【答案】

\•复原的自用置

\,•变化的自调整

配置层\.扰乱的自由化

•集成的模疚与合成

认知层•远程的人大可视化

•怖同格断。决策

•零件与设招的双模型

网络层•变化识别与存储的时间机器

•数次挖掘的相似性群集

•零件/设备健康、多雄慢数据

数他一信皂的转换层更正的智能数据分析

\•降级和性能预测

\•插拔可用

智能连接层\•非接触通信

\•传舒器网络

第2章

1.微处理器与微控制器有哪几种存储空间配置结构？

【答案】

(1)冯•诺伊曼(Von.Noreaman)结构：

程序存储器和数据存储器统一编址，有专门的输入输出指令,所用控制总线中的信号为:

MEMR、MEM\V、~K)R、IOW,如8086CPU。

(2)哈佛(Harward)结构：

程序存储器和数据存储器分别编址，没有专门的输入输出指令，外部端口的操作与数据

存储器统一编址，每个端口作为数据存储器的一个映像单元，所用控制总线中的信号为：

PEEN、而、WR.MEMB.,如MCS-51系列及其兼容单片机。

(3)普林斯顿(Preston)结构：

程序存储器和数据存储器统一编址，没有专门的输入输出指令，外部端口作为数据存储

器的映像单元，当为8位总线宽度时，所用控制总线中的信号为：而、WR,当为16位总

线宽度时，所用控制总线中的信号为：而、WRH>WRL,如MCS-96系列单片机。

2.什么是PCI总线？

【答案】

PCI总线的目标是建立一种工业标准的、低成本的、允许灵活配置的、高性能局部总线

结构，PCI局部总线是•种高性能、32位或64位地址/数据线复用的总线。其用途是在高度

集成的外设控制器器件、扩展板和处理器系统之间提供一种内部联接机制。

3.什么是PCIe总线？

【答案】

PCIExpress(简称PCIe)是Intel公司提出的新一代总线接口，旨在替代旧的PCLPCI-X

和AGP总线标准，并称之为第三代I/O总线技术。

PCIExpress采用了目前流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的

共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数

据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在

单一时间周期内只能实现单向传输，PCIe的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它

们之间的差异跟半双工和全双工类似。

4.什么是PC104总线？

【答案】

PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，是ISA(IEEE996)标准的延

伸。PC104有两个版本，8位和16位，分别与PC和PC/AT总线相对应。IEEE协会将PC104

定义为IEEE-P996.1,其实际上就是一种紧凑型的IEEE-P996。它的信号定义和PC/AT基本

一致，但电气和机械规范完全不同，是•种优化的、小型的、堆栈式结构的嵌入式控制系统。

5.RS-232和RS~485串行通信接口有什么不同？

【答案】

（1）RS-232的逻辑电平与TTL电平不兼容，为了与TTL器件相连必须进行电平转换。

RS-485的逻辑电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

（2）RS-232适用于近距离传输，RS-485适用于远距离传输。

（3）RS-232的数据最高传输速率为19.2kbps,RS-485的数据最高传输速率为1OMbpso

（4）RS-232采用电平传输，RS-485接口采用二线差分平衡传输。

（5）RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，利用RS-485接口可以使一个或者多

个信号发送器与接收器互联，在多台计算机或带微控制器的设备之间实现远距离数据通信，

形成分布式测控网络系统。

6.什么是MODBUS通信协议？简述MODBUS-RTU传输方式。

【答案】

（1）MODBUS协议是应用于PLC或其他控制器上的一种通用语言。通过此协议，控

制器之间、控制器通过网络（如以太网）和其他设备之间可以实现串行通信。该协议已经

成为通用工业标准。采用MODBUS协议，不同厂商生产的控制设备可以互连成工业网络,

实现集中监控。

（2）RTU模式如下图所示：

地址功能代码数据长度数据1•••数据nCRC高字节CRC低字节

当控制器设置为在Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信时,消息中的每

个8bit字节包含两个4bit的十六进制字符。

代码系统：8位二进制，十六进制数0〜9,A~F；

消息中的每个8位域都由两个十六进制字符组成。

每个字节的位：1个起始位；

8个数据位，最低有效位先发送；

1个奇偶校验位，无校验则无；

1个停止位（有校验时），2个bit（无校验时）。

错误检测域：CRC（循环冗余检测）。

第3章

1.什么是HMI?简述其功能？

【答案】

HMI即人机接口，其功能为输入和修改源程序、显示和打印中间结果及采集参数、对

某些参数进行声光报警、启动和停止系统的的运行、选择工作方式。如自动/手动（A/M）

切换、各种功能键的操作、显示生产工艺流程。

2.电子显示器可分为哪两大类？简述其发光原理。

【答案】

电子显示器可分为主动发光型和非主动发光型两大类。前者是利用信息来调制各像素的

发光亮度和颜色，进行直接显示；后者本身不发光，而是利用信息调制外光源而使其达到显

示的目的。

3.按显示原理分类，电子显示器的主要类型有哪些？

【答案】

按显示原理分类，其主要类型有：发光二极管（LED）显示、液晶显示（LCD）、阴极

射线管（CRT）显示、等离子显示板（PDP）显示、电致发光显示（ELD）、有机发光二极

管（OLED）显示、真空荧光管显示（VFD）、场发射显示（FED）。

4.LED显示器的扫描方式有哪两种？简述其工作原理。

【答案】

静态显示扫描方式：每一位LED显示器占用一个控制电路。

动态显示扫描方式：多位LED显示器共用•个段驱动器，由位驱动器控制轮流显示。

5.LCD显示器的驱动方式有哪两种？LCD与LED显示器件的主要区别是什么？LCD显示

器件为什么不能采用直流驱动？

【答案】

液晶显示器的驱动方式一般有静态卵动和时分割驱动两种。液晶本身不发光，靠谎制外

界光达到显示目的，而LED自身可以发光。由于直流电,玉驱动LCD会使液晶体产生电解和

电极老化，从而大大降低LCD的使用寿命，所以现用的驱动方式多属交流电压驱动。

6.若有一个4位LED显示器，试采用某一语言，编写高位0不显示的处理程序，假设4

位数放于DPBUF开始的4个单元，低位在前。

【答案】

背景机选用AT89C52,使用4位共阳数码管，P0口控制段驱动器，P2口控制位驱动器。

声明以下全局变量：

unsignedcharDiSPCNT=3;〃位扫描计数值

unsignedcharzero_flag=l;〃数码管是否显示标志，zero_flag置0时，一定显示；

〃zcro_flag置1时，若本位为0,则不显示

unsignedcharled_tab[]=

{OxcO,Oxf9.0xa4,0xb0.0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80.0x90,0x88.0x83,0xc6.0xal,0x86.0x8e,0xff};

〃字模表“0~9”、“A~F”、“灭”

unsignedchardpbuf[4];〃第一个元素为个位数字

//*****************************************************************************

〃函数名称：动态扫描函数

〃函数功能：从高位开始扫描，每次调用扫描一位。当该位为0且高位为。时，该位消零;

〃当该位不为。时，zero_flag置0,低位将不再消零。最低位扫描完成后，zero_flag置1。

〃入口参数：无

〃出口参数：无

//*****木********求*求*木木*****木木***求*木水木木木求*求*求***木木木木*求*木木***木****木木木*木*求*木**才*木*

voiddisplayO

PO=Oxff;〃消隐

P2=0x08»(3-DISPCNT);//从高位开始扫描

if((dpbuf[D!SPCNT]==0)&&zcro_flag)

P0=led_tab[16];

else

PO=led_tab[dpbuf[DISPCNT]];

zero_flag=0;〃该位非零，zero_flag置0

if(DISPCNT==O)

{

DISPCNT=3;

zero_flag=1;

)

else

{

DISPCNT-;

7.触摸屏一般分为几类？简述电阻式触摸屏的工作原理。

【答案】

按照工作原理和传输信息的介质，触摸屏可分为4类：电阻式触摸屏、电容感应式触摸

屏、红外线式触摸屏和表面声波式触摸屏。电阻式触摸屏利用压力感应原理进行控制，当手

指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置有了接触，电阻发生变化，控制器侦测到这一变化

并计算出在X,Y方向上的位置，然后根据模拟鼠标的操作进行操作。

8.设计一打印机接口电路，并编写打印子程序。

【答案】

打印机接口电路如下：

2kX2lOOOpF

74HC321/4

背景机选用AT89C52,则输出一字节数据的程序设计如下:

PRINT:MOVDPTR,#PRTCS

MOVXA,@DPTR;读打印机状态

ANDA.#01H;BUSY=1?

JNZPRINT:BUSY”等待

MOVDPTR,#PRTCS;BUSY=O,不忙

MOVA,#DATA；输出一字节数据

MOVX@DPTR,A

RET

第4章

1.常用的传感器有哪些？

【答案】

温度传感器、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、气体传感器、光电

传感器等。

2.变送器的作用是什么？

【答案】

变送器在自动检测和控制系统中，用于对各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、

成分等物理量进行检测，以供显示、记录或控制。

3.执行器的作用是什么？

【答案】

执行器接收来自控制器的控制信号，通过执行机构将其转换成推力或位移，推动调节机

构动作，以改变调节机构阀芯与阀座之间的流通面积，从而调节被控介质的流量。

4.模拟量输入信号主要有哪些？

【答案】

模拟量输入信号主要有以下两类：

第一类为传感器输出的信号，如：电压信号、电阻信号、电流信号。

第二类为变送器输出的信号，如：电流信号、电压信号。

5.在计算机控制系统中，常用的信号有哪三种类型？

【答案】

模拟（连续）信号、离散模拟信号、数字（离散）信号。

6.离散系统的采样形式有哪些？

【答案】

离散系统的采样形式有周期采样、多阶采样、随机采样，其中周期采样用的最多。

周期采样，就是以相同的时间间隔进行采样，即心「4二常量（T）a=0,1,2,……）.T

为采样周期。

多阶采样：在这种形式下，（kr—k）是周期性重复，即常量，—>1。

随机采样：采样周期是随机的，不固定的，可在任意时刻进行采样。

7.采样/保持器的作用是什么？

【答案】

模拟信号经过采样变成了时间上离散的采样信号，保持器将每次采样取得的样值暂存,

保持不变，直到下一个采样脉冲的到来。

8.模拟量输入通道由哪几部分组成？

【答案】

模拟量输入通道一般由信号处理、模拟开关、放大器、采样一保持器和A-D转换器组

成。

9.A-D转换器的技术指标是什么？

【答案】

分辨率、量程、精度、转换时间、电源灵敏度、对基准电源的要求。

10.模拟量输出通道由哪几部分组成？

【答案】

模拟量输入通道一般由信号处理、模拟开关、放大济、采样保持器和A-D转换器组成。

11.使用74HC273八D锁存器、74HC138译码器、CD4052模拟开关、TLP521-4光电耦合

器，扩展32路带隔离差分模拟输入通道AIN0~AIN3l,被测信号为-50mV~+50mV,模拟开

关的输出信号经测量放大器放大后变成・5V~+5V的信号，通道口地址为FF00H。

(1)画出电路原理图。

(2)写出通道控制字。

(3)使用任何一种计算机语言编写选择AINI8通道的程序。

【答案】

(1)电路原理图如下：

12VU6CD4Q5：

IXV

V.x>OX—AIN0+

也“OY—AINO-

AIX—/MNI+

BIY—AINU

INH2X—AIN2+

X2Y—AIN2.

Y3X—AIN3+

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TLP521-4[1Z，V

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V4Iv„OY—AIN4-

AIX—AIN5+

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BIY—AIN9-

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