計算機(jī)控制技術(shù)第二版課后習(xí)題答案王建華主編樣本

計算機(jī)控制技術(shù)課后習(xí)題答案第一章緒論1.計算機(jī)控制系統(tǒng)控制過程可歸納為如下三個環(huán)節(jié)：P2(1)實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置被控量瞬時值進(jìn)行檢測和輸入(2)實時決策：對采集到被控量進(jìn)行分析和解決，并按預(yù)定控制規(guī)律，決定將要采用控制方略。(3)實時控制：依照控制決策，適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完畢控制任務(wù)。2.計算機(jī)控制系統(tǒng)是由哪幾某些構(gòu)成？畫出方塊圖并闡明各某些作用。P3答：（1）計算機(jī)控制系統(tǒng)是由工業(yè)控制機(jī)、過程輸入輸出設(shè)備和生產(chǎn)過程三部構(gòu)成。（2）方塊圖如下圖1.1所示：CPU/MEM模仿量輸入（AI）通道測量變送執(zhí)行機(jī)構(gòu)人-機(jī)接口內(nèi)部模仿量輸出（AO）通道被控對象總線系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)字量輸入（DI）通道電氣開關(guān)磁盤適合數(shù)字量輸出（DO）通道PIO設(shè)備電氣開關(guān)工業(yè)計算機(jī)生產(chǎn)過程圖1.1計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖作用：①工業(yè)控制機(jī)軟件由系統(tǒng)軟件、支持軟件和應(yīng)用軟件構(gòu)成。其中系統(tǒng)軟件作操系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序，它是支持軟件及各種應(yīng)用軟件最基本運(yùn)營平臺；支持軟件用于開發(fā)應(yīng)用軟件；應(yīng)用軟件是控制和管理程序；②過程輸入輸出設(shè)備是計算機(jī)與生產(chǎn)過程之間信息傳遞紐帶和橋梁。③生產(chǎn)過程象、測量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。涉及被控對3.計算機(jī)控制系統(tǒng)實時性、在線方式、與離線方式含義是什么？為什么在計算機(jī)控制系統(tǒng)中要考慮實時性？P2(1)實時性是指工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備可以在限定期間內(nèi)對外來事件做出反映特性；在線方式是生產(chǎn)過程和計算機(jī)直接相連，并受計算機(jī)控制方式；離線方式是生產(chǎn)過程不和計算機(jī)相連，并不受計算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作方式。(2)在計算機(jī)控制系統(tǒng)中要考慮實時性，由于依照工業(yè)生產(chǎn)過程浮現(xiàn)事件可以保持多長時間；該事件規(guī)定計算機(jī)在多長時間以內(nèi)必要作出反映，否則，將對生產(chǎn)過程導(dǎo)致影響甚至導(dǎo)致?lián)p害。4.計算機(jī)控制系統(tǒng)有哪幾種典型形式？各有什么重要特點？P4~7（1）操作指引系統(tǒng)（OIS）長處：構(gòu)造簡樸、控制靈活和安全。缺陷：由人工控制，速度受到限制，不能控制各種對象。（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)長處：實時性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)。（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）長處：生產(chǎn)過程始終處在最有工況。（4）集散長處：分散控制、集中操作、分級管理構(gòu)成靈活；易于擴(kuò)展可靠性高；操作、監(jiān)視以便；解決信息量大；與計算控制系統(tǒng)、分而自治和綜合協(xié)調(diào)。DCS是積木式構(gòu)造，；系統(tǒng)機(jī)集中控制方式相比，電纜和敷纜成本較低，便于施工。（5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)長處：FCS用二層構(gòu)造完畢了DCS中三層構(gòu)造功能，減少了成際原則統(tǒng)一后，可實現(xiàn)真正開放式互連系統(tǒng)構(gòu)造。（6）PLC+上位系統(tǒng)本，提高了可靠性，國長處：通過預(yù)先編制控制程序?qū)崿F(xiàn)順序控制，用PLC代替電器邏輯，提高了控制是當(dāng)代靈活性、功能及可靠性。第2章1.什么是工業(yè)控制計算機(jī)？它們有哪些特點？P10~11工業(yè)控制計算機(jī)是“應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)各個領(lǐng)域，具備惡劣環(huán)境適力，能長期穩(wěn)定穩(wěn)定工作加固型計算機(jī)”.①可靠性高②實時性好③環(huán)境適應(yīng)性好⑥系統(tǒng)開放性好⑦控制應(yīng)能其特點是：強(qiáng)④模塊化設(shè)計，完善I∕O通道⑤系統(tǒng)擴(kuò)充性軟件包功能強(qiáng)。2.總線（BUS）：是功能部件之間實現(xiàn)互連一組公共信號線，用作互相間信息互換信道。P12總線分為內(nèi)部總線和外部總線。P13外部總線：內(nèi)部總線:1.數(shù)據(jù)總線2.地址總線3.控制總線4.電源線與地3.工業(yè)控制機(jī)分類P14串行總線、并行總線線①.PC總線工控機(jī)②.STD總線工控機(jī)③.VME總線工控機(jī)④.多總線工控機(jī)4.總線原則P15㈠①.STD總線②.ISA總線③.PCI總線④.PC/104總線㈡國際上總線原則重要有：VME總線、MultiBus總線、STD總線、PC總線及PCI總線等第3章1.A/D轉(zhuǎn)換重要性能指標(biāo):：轉(zhuǎn)換時間、辨別率、線性誤差、量程、對基準(zhǔn)電源規(guī)定等。P322.模仿量輸入通道普通由I/V變換、多路轉(zhuǎn)換器、程控放大器、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯電路構(gòu)成。(P39圖3.4)3.一種10位A/D轉(zhuǎn)換器（量化精度0.1%），孔徑時間為10us，如果規(guī)定轉(zhuǎn)換誤差在轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，則容許轉(zhuǎn)換正弦波模仿信號最大頻率為P430.1210106102sf16Hz一種8位A/D轉(zhuǎn)換器，孔徑時間為100us，如果規(guī)定轉(zhuǎn)換誤差在A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度（0.4%）內(nèi)，求容許轉(zhuǎn)換正弦波模仿信號最大頻率是多少？P850.42100106102sf6Hz4.隔離方式：變壓器隔離、繼電器隔離和光電隔離。P46~48慣用隔離放大器：1.變壓器耦合隔離放大器光耦合隔離放大器2.數(shù)字量光耦合隔離放大器5.模仿量輸入通道隔離重要有模仿隔離和數(shù)字隔離P496.D／A性能重要參數(shù)：1.辨別率2.轉(zhuǎn)換時間3.精度4.線性度P517.模仿量輸出通道由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、U/I變換等構(gòu)成。P578.開關(guān)量:按類型分有電平式和觸點式兩種.P61按電源分有有源和無源兩種.9.無論是A/D轉(zhuǎn)換還D/A轉(zhuǎn)換其辨別率可表達(dá)為D=1/（2n－1）P71nlog(11)D若所規(guī)定辨別率為D，則字長2Eg：某溫度控制系統(tǒng)溫度范疇為0~600℃，規(guī)定辨別率為0.5℃，求出A/D轉(zhuǎn)換器字長：nlog(11)log(1600)10.230.52D2因而，取A/D轉(zhuǎn)換器字長為12bit。10.為了避免低電平模仿信號傳播帶來麻煩，進(jìn)場要將測量元件輸出信號變送器，如：溫度變送器、壓力變送器、流量變送器等，將溫度、壓力、流量電經(jīng)變送器信號變成0~10mA或4~20mA統(tǒng)一信號，然后通過模仿量輸入通道來解決。P3811、數(shù)字量輸入（DI）通道中，信號調(diào)節(jié)電路功能有兩個，一是克服開關(guān)或觸點通斷是抖動；二是進(jìn)行信號隔離。1.程序判斷法(限幅濾波)12、信號調(diào)理是指將現(xiàn)場輸入信號通過隔離放大，成為工控機(jī)可以接受到統(tǒng)一信yyy|yy|yynn號電平以及將計算機(jī)輸出信號通過放大、隔離轉(zhuǎn)換成工業(yè)現(xiàn)場合需信號電平解決1nnnnn1(4—1)過程。yP69y和n第n,第n-1次采樣值經(jīng)濾波后的輸出,其中，n-1yn和yn-1是比較相鄰(n和n-1時刻)的兩個采樣值，表示相鄰兩個采樣值之差的最大可能變化范圍。值的選擇:按參數(shù)最大變化速度vmax及采樣周期T決定值。對隨機(jī)干擾，十分有效。第4章1.數(shù)字濾波P86`90②中位值濾波法中位值濾波就是對某一被測參數(shù)持續(xù)采樣n次(普通n取奇數(shù))，然后把n次采樣值按大小排隊，取中間值為本次采樣值。如果，采樣值是：y1、y2、y3，且有y1≤y2≤y3，則y2作為本次采樣有效信號。中位值濾波能有效地克服脈沖干擾,對緩慢變化過程有良好效果。④遞推平均濾波法把N個采樣數(shù)據(jù)當(dāng)作一種隊列，長度固定為N，每次采樣，把采樣成果放入隊尾，扔掉隊首數(shù)據(jù)，把隊列中N個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:1N1yyninNi0式中，n——第n次采樣第n-i次采樣值；項數(shù)。值經(jīng)濾波后輸出；yn-i——未經(jīng)濾波N——遞推平均3.算術(shù)平均濾波法1yy(42)N對周期性干擾有良好抑制作n用，平滑度高，敏捷度i低；不易消除脈沖干擾，而合用于高頻振—Ni1蕩系統(tǒng)。適用于對具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波。當(dāng)N較大時，平滑度高，但靈敏度N較低；當(dāng)小時，平滑度低，但靈敏度高。⑤加權(quán)遞推平均濾波法加權(quán)遞推平均濾波算法；對不同步刻數(shù)據(jù)加以不同權(quán)，普通越接近現(xiàn)時刻數(shù)據(jù)；權(quán)獲得越大,N項加權(quán)遞推平均濾波算法為N1yCyninii0式中，C,C,……，CN-1為常數(shù)，且滿足如下條件01C0十C1+……+CN-1＝1并C0＞C1＞……＞CN-1＞0常系數(shù)C，C1，……，CN-1選用有各種辦法，其中最慣用是加權(quán)系數(shù)法。設(shè)τ為對象純滯后0時間，且R＝1+e-τ+e-2τ+……+e-(N-1)τC1,Ce,，C-eN）1-（0R1RN1Rτ越大，R越小，則予以新采樣值權(quán)系數(shù)就越大，提高新采樣值在平均過程中比重。合用于有較大純滯后時間常數(shù)對象和采樣周期較短系統(tǒng)。一階慣性濾波法⑥一階慣性濾波算法為Ty(1)yyn1TTfnnf式中：y——未經(jīng)濾波第n次采樣值；nT——濾波時間常數(shù)；fT——采樣周期。依照一階慣性濾波頻率特性，若濾波系數(shù)α越大，則帶寬越窄，濾波頻率也越低。2.標(biāo)度變換P91線性參數(shù)標(biāo)度變換：一次儀表測量值與A／D轉(zhuǎn)換成果具備線性關(guān)系標(biāo)度變換公式為：NAx(AA)A0N0Xmm式中：A——一次測量儀表下限；0Am——一次測量儀表上限；Ax——實際測量值（工程量）；N——儀表下限相應(yīng)數(shù)字量；0Nm——儀表上限相應(yīng)數(shù)字量，Nx——測量值所相應(yīng)數(shù)字量。其中A，Am，N，Nm對于某一種固定被測參數(shù)來說是常數(shù)，00Eg1：某熱解決爐溫度測量儀表量程為200～800℃,在某一時刻計算機(jī)采樣并經(jīng)數(shù)字濾波后數(shù)字量為0CDH.求此時溫度值為多少？(設(shè)儀表量程為線性,A/D轉(zhuǎn)換為8位)解：已知A0＝200℃，Am＝800℃，Nx＝0CDH＝205，Nm＝0FFH＝255，依照式(4.10)，此時溫度為:205(800200)200682C255CNNAAx(AA)Xm00mEg2：某熱解決爐溫度變化范疇為0～1350℃,在某一時刻計算機(jī)采樣并經(jīng)AD574A轉(zhuǎn)換后數(shù)字量為56AH.求此時爐內(nèi)溫度值為多少？(設(shè)儀表量程為線性）P36解：已知A0＝0℃，Am＝1350℃，Nx＝56AH＝1386，Nm＝FFFH＝4095，則此時溫度為:1386x(AA)A4095m00NA1350C457CNXm3.積分飽和抑制慣用辦法是積分分離PID控制和抗積分飽和算法。P95~96區(qū)別：積分分離算法進(jìn)行分離根據(jù)是PID控制器輸入偏差e（k),而抗積分飽和算法抗積分飽和根據(jù)是抗積分飽和算法系統(tǒng)最后控制輸出u（k）?！按笃顣r不積分（積分分離），輸出超限時也不積分（抗飽和）”。4.控制規(guī)律選取P113~114對于特性為一階慣性純滯后、二階慣性純滯后控制對象，PID控制是一種最優(yōu)控制算法。依照分析可以得出如下幾點結(jié)論：(1)一階對象，負(fù)荷變化不大，工藝規(guī)定不高，可采用e(k)e(k1)TTu(k)Ke(k)ke(j)P控制；如，壓力、液位、DTTpj0I串級副回路等。Ke(k)2e(k1)e(k2)u(k)Ke(k)e(k1)Ke(k),可采用PI控制。如，pi(2)一階與純滯后串聯(lián)對象，負(fù)荷變化不大，規(guī)定精度較高d壓力、流量、液位控制。(3)純滯后時間τ較大，負(fù)荷變化也較大，控制規(guī)定高場合，可采用PID控制。如，過熱蒸汽溫度控制，PH值控制。(4)對象為高階(二階以上)又有純滯后特性，負(fù)荷變化較大，控制規(guī)定也高時，應(yīng)采用串級控制，前饋一反饋、前饋一串級或純滯后補(bǔ)償控制。5.PID歸一參數(shù)整定法是一種簡易整定法。P116位置式PID算法：設(shè)PID增量算式為式中K為比例系數(shù)；T為采樣周期；T為積分時間常數(shù)；T為微分時間常iD數(shù);K=K/T為積分K=K*T為微分P系數(shù)；D系數(shù)。iPiDP據(jù)上表Ziegler-Nichols整定式可得：T≈0．1TsTi≈0．5TsTd≈0．125Ts式中Ts是純比例控制時臨界振蕩周期。則有：u(k)K2.45e(k)3.5e(k1)1.25e(k2)p第5章1.干擾信號來源：P138工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)干擾可以分為三類，即：電源干擾、空間干擾、設(shè)備干擾。電源干擾重要有：浪涌、尖峰、噪聲和斷電。①②空間干擾：靜電和電場干擾、磁場干擾、電磁輻射干擾。③設(shè)備干擾：工模干擾或差模干擾。2.干擾信號耦合方式：P139①、靜電耦合方式；其作用機(jī)理是一根導(dǎo)線在另一根導(dǎo)線靜電場中時，必然受到該電場影響。②、電磁耦合方式；在設(shè)備外部，當(dāng)兩根導(dǎo)線在較長距離內(nèi)敷設(shè)或架設(shè)時，將會生產(chǎn)電磁耦合干擾。③、共阻抗耦合方式；當(dāng)兩個電路電流流經(jīng)一種公共阻抗時，一種電路在該阻抗上所產(chǎn)生電壓降會影響到另一種電路，該種耦合方式稱為公共耦合方式。④、電磁場輻射耦合方式；電磁場輻射干擾是一種無則規(guī)干擾，它極易通過電源而耦合到系統(tǒng)中來。此外，過長信號輸入線和輸出線以及控制線具備天線效應(yīng)，她們既能接受干擾波，又能輻射干擾波。3.空間抗干擾辦法：P141①空間隔離：使敏感設(shè)備或信號線遠(yuǎn)離干擾源。②屏蔽：對敏感電路加屏蔽盒或?qū)π盘柤悠帘螌?。③電氣布線：合理選取信號線，并在實際施工中對的地敷設(shè)信號線來抑制干擾。4.過程通道干擾時如何產(chǎn)生？如何對它們抑制？1）強(qiáng)烈干擾往往沿著過程通道進(jìn)入計算機(jī)，其重要因素是過程通道與計算機(jī)之間存在公共地線。2）干擾作用方式，普通可分為串模干擾和共模干擾。P146~149抑制串模干擾重要辦法：①采用輸入濾波器②進(jìn)行電磁屏蔽和良好接地③選取適當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器④使用電流信號傳播抑制共模干擾重要辦法：①采用差分放大器作信號前置放大②采用隔離技術(shù)將地電位隔開③運(yùn)用浮地屏蔽5.什么是系統(tǒng)可靠性是指機(jī)器、零件作性能能力可靠性是指一次性使用機(jī)器、零件性是指廣義可靠性。它是可修復(fù)機(jī)器、零件或系統(tǒng)旦發(fā)生故障又易于修復(fù)，使之具備經(jīng)常使用性能。P1571.提高計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件可靠性可靠性，提高計算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性有哪些重要途徑？或系統(tǒng)，在規(guī)定工作條件下，在規(guī)定期間內(nèi)具備正常工。狹義或系統(tǒng)使用壽命。計算機(jī)控制系統(tǒng)可靠，在使用中不發(fā)生故障，一辦法：P160~161(1)冗余構(gòu)造設(shè)計(2)不易發(fā)生故障硬件設(shè)計：①對元部件進(jìn)行嚴(yán)格篩選，使用可靠單個元件，并對元件進(jìn)行多道老化和嚴(yán)格檢查，按可靠性元器件；②充分注重元部件安裝機(jī)械強(qiáng)度，以使機(jī)械運(yùn)動(如振動)不會引起導(dǎo)線或焊接區(qū)斷裂。此外，對必要元部件應(yīng)機(jī)械加固；③對組件采用涂漆和澆注解決可進(jìn)一步提高機(jī)械緊固性原則檢查所有；④插座是發(fā)生故障最常用因素，因而，應(yīng)盡量少用插座，并采用大插座；⑤抗溫升保護(hù)，多數(shù)電子器件對溫度變化比較敏感，設(shè)計足夠通風(fēng)系統(tǒng)和采用溫度補(bǔ)償辦法。2.提高計算機(jī)控制系統(tǒng)軟件可靠性辦法：P161~163(1）分散構(gòu)造設(shè)計；（2）容錯技術(shù)。實現(xiàn)軟件容錯基本活動有四個：故障檢測、損壞預(yù)計、故障恢復(fù)和缺陷解決。（3）指令亢余：是運(yùn)用消耗時間資源來達(dá)到對系統(tǒng)容錯目。（4）信息亢余（5）原則化：采用原則化軟件可以提高軟件運(yùn)營可靠性。ujwMI6.噪聲感應(yīng)電壓計算公式為P140nng式中j為虛數(shù)單位；ω=2πf；M為互感系數(shù)；Ing為回路感應(yīng)電流I=P/UEg：某信號線與電壓為220V、負(fù)荷為10kV·A輸電線距離為1.2m，并平行走線10m，連線之間互感為3.6μH，計算出信號線上感應(yīng)干擾電壓u為n10000V51.38mVu2503.6106n220第6章1.控制網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)區(qū)別：P1681）控制網(wǎng)絡(luò)實時性：IT網(wǎng)絡(luò)不考慮實時性，但在控制網(wǎng)絡(luò)中實時性是基本規(guī)定；2）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造線狀化：IT網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造是網(wǎng)絡(luò)狀，從一點到此外一點通信途徑可以是不固定但在大多數(shù)控制網(wǎng)絡(luò)中，從一點到此外一點通信途徑大多是固定。3）工業(yè)環(huán)境使用場合：IT網(wǎng)絡(luò)普通在辦公室、家庭等環(huán)境非常好場合使用，而控制網(wǎng)絡(luò)是在環(huán)境惡劣工業(yè)環(huán)境下使用。4）控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點：控制網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)比較還具備如下技術(shù)特點：①良好實時性與時間的確性。②轉(zhuǎn)送信息多為短幀信息，且信息互換頻繁。③容錯能力強(qiáng)，可靠性、安全性好。④控制網(wǎng)絡(luò)合同簡樸實用，工作效率高。⑤控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造具備高度分散性。⑥控制設(shè)備智能化與控制功能自治性。⑦與信息網(wǎng)絡(luò)之間有高效率通信，易于實