《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課后題答案-劉建昌等科學(xué)出版社

1、第一章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述習(xí)題與思考題1.1 什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)？計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)較模擬系統(tǒng)有何優(yōu)點(diǎn)？舉例說明。解答： 由計(jì)算機(jī)參與并作為核心環(huán)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，被稱為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。與模擬系統(tǒng)相比， 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)和控制靈活，能實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和操作，能實(shí)現(xiàn)綜合控制，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。例如，典型的電阻爐爐溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如下圖所示：爐溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工作過程如下：電阻爐溫度這一物理量經(jīng)過熱電偶檢測(cè)后，變成電信號(hào)（毫伏級(jí)） ，再經(jīng)變送器變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（1-5V 或 4-20mA）從現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)入控制室；經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器采樣后變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，與計(jì)算機(jī)內(nèi)部的溫度給定比較，得到偏差信號(hào)

2、， 該信號(hào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)內(nèi)部的應(yīng)用軟件，即控制算法運(yùn)算后得到一個(gè)控制信號(hào)的數(shù)字量，再經(jīng)由D/A 轉(zhuǎn)換器將該數(shù)字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量；控制信號(hào)模擬量作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸發(fā)器，進(jìn)而控制雙向晶閘管對(duì)交流電壓 （220V）進(jìn)行 PWM 調(diào)制，達(dá)到控制加熱電阻兩端電壓的目的；電阻兩端電壓的高低決定了電阻加熱能力的大小，從而調(diào)節(jié)爐溫變化， 最終達(dá)到計(jì)算機(jī)內(nèi)部的給定溫度。由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中， 數(shù)字控制器的控制算法是通過編程的方法來實(shí)現(xiàn)的，所以很容易實(shí)現(xiàn)多種控制算法， 修改控制算法的參數(shù)也比較方便。還可以通過軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，這些控制軟件可以反復(fù)、 多次調(diào)用。 又由于計(jì)算機(jī)具有分時(shí)操作功能，可以監(jiān)視幾個(gè)或成十

3、上百個(gè)的控制量， 把生產(chǎn)過程的各個(gè)被控對(duì)象都管理起來，組成一個(gè)統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，便于集中監(jiān)視、集中操作管理。 計(jì)算機(jī)控制不僅能實(shí)現(xiàn)常規(guī)的控制規(guī)律，而且由于計(jì)算機(jī)的記憶、邏輯功能和判斷功能， 可以綜合生產(chǎn)的各方面情況，在環(huán)境與參數(shù)變化時(shí)， 能及時(shí)進(jìn)行判斷、選擇最合適的方案進(jìn)行控制，必要時(shí)可以通過人機(jī)對(duì)話等方式進(jìn)行人工干預(yù)，這些都是傳統(tǒng)模擬控制無法勝任的。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中， 可以利用程序?qū)崿F(xiàn)故障的自診斷、自修復(fù)功能，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可維護(hù)性。另一方面， 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法是通過軟件的方式來實(shí)現(xiàn)的，程序代碼存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，一般情況下不會(huì)因外部干擾而改變，因此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能

4、力較強(qiáng)。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有上述優(yōu)點(diǎn)。1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？各部分的作用如何？解答： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)由數(shù)字控制器、D/A 轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象、測(cè)量變送環(huán)節(jié)、采樣開關(guān)和A/D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)等組成。被控對(duì)象的物理量經(jīng)過測(cè)量變送環(huán)節(jié)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（1-5V 或 4-20mA）；再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器采樣后變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)利用其內(nèi)部的控制算法運(yùn)算后得到一個(gè)控制信號(hào)的數(shù)字量， 再經(jīng)由 D/A 轉(zhuǎn)換器將該數(shù)字量控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量；控制信號(hào)模擬量作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸發(fā)器，進(jìn)而控制被控對(duì)象的物理量，實(shí)現(xiàn)控制要求。1.3 應(yīng)用邏輯器件設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線接入計(jì)算

5、機(jī)的電路圖。解答：1.4 應(yīng)用邏輯器件設(shè)計(jì)一個(gè)指示燈經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線輸出的電路圖。解答：1.5 設(shè)計(jì)一個(gè)模擬信號(hào)輸入至計(jì)算機(jī)總線接口的結(jié)構(gòu)框圖。解答：模擬量輸入通道組成與結(jié)構(gòu)圖1.6 設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)總線接口至一個(gè)420mA 模擬信號(hào)輸出的結(jié)構(gòu)框圖。解答：1.7 簡(jiǎn)述并舉例說明內(nèi)部、外部和系統(tǒng)總線的功能。解答： 內(nèi)部總線指計(jì)算機(jī)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級(jí)的互連，是微處理器總線的延伸，是微處理器與外部硬件接口的通路，圖1.8 所示是構(gòu)成微處理器或子系統(tǒng)內(nèi)所用的并行總線。內(nèi)部并行總線通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三類。微地址總線處數(shù)據(jù)總線理器控制總線存儲(chǔ)器輸入接輸出接口電

6、路口電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備圖 1.8內(nèi)部并行總線及組成系統(tǒng)總線指計(jì)算機(jī)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線（如Multibus總線、 STD總線、 PC總線），用于插件板一級(jí)的互連，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所特有，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總線。由于微處理器芯片總線驅(qū)動(dòng)能力有限，所以大量的接口芯片不能直接掛在微處理器芯片上。同樣，如果存儲(chǔ)器芯片、 I/O 接口芯片太多，在一個(gè)印刷電路板上安排不下時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)又增加了總線的負(fù)載，所以微處理器芯片與總線之間必須加上驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)總線及組成如圖 1.10 所示。微處理器信號(hào)轉(zhuǎn)存儲(chǔ)器輸入輸換驅(qū)動(dòng)模塊出模塊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線圖 1.10系統(tǒng)總線及組成外部總線指計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算

7、機(jī)與外部其他儀表或設(shè)備之間進(jìn)行連接通信的總線。計(jì)算機(jī)作為一種設(shè)備，通過該總線和其他設(shè)備進(jìn)行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設(shè)備一級(jí)的互連。外部總線通常通過總線控制器掛接在系統(tǒng)總線上，外部總線及組成如圖1.11 所示。圖 1.11外部總線及組成1.8 詳述基于權(quán)電阻的 D/A 轉(zhuǎn)換器的工作過程。解答： D/A 轉(zhuǎn)換器是按照規(guī)定的時(shí)間間隔T 對(duì)控制器輸出的數(shù)字量進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換的。 D/A 轉(zhuǎn)換器的工作原理，可以歸結(jié)為“按權(quán)展開求和”的基本原則，對(duì)輸入數(shù)字量中的每一位，按權(quán)值分別轉(zhuǎn)換為模擬量，然后通過運(yùn)算放大器求和，得到相應(yīng)模擬量輸出。相應(yīng)于無符號(hào)整數(shù)形式的二進(jìn)制代碼，n 位 DAC 的輸出電壓 Vout

8、遵守如下等式：2VoutB1B2B3Bn(1.3)VFSR(2232n )22式中， VFSR 為輸出的滿幅值電壓，B1 是二進(jìn)制的最高有效位，Bn 是最低有效位。以 4 位二進(jìn)制為例，圖 1.12 給出了一個(gè)說明實(shí)例。在圖1.12 中每個(gè)電流源值取決于相應(yīng)二進(jìn)制位的狀態(tài)，電流源值或者為零，或者為圖中顯示值，則輸出電流的總和為：I outI (B1B2B3B4(1.4)222324 )2我們可以用穩(wěn)定的參考電壓及不同阻值的電阻來替代圖1.12 中的各個(gè)電流源，在電流的匯合輸出加入電流 / 電壓變換器，因此，可以得到權(quán)電阻法數(shù)字到模擬量轉(zhuǎn)換器的原理圖如圖 1.13 所示。圖中位切換開關(guān)的數(shù)量，就

9、是D/A 轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。圖 1.12使用電流源的DAC概念圖圖 1.13權(quán)電阻法D/A 轉(zhuǎn)換器的原理圖1.9 D/A 轉(zhuǎn)換器誤差的主要來源是什么？解答： D/A 轉(zhuǎn)換的誤差主要應(yīng)由D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度（轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)）和保持器（采樣點(diǎn)之間插值）的形式以及規(guī)定的時(shí)間間隔T 來決定。1.10 詳述逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器的工作過程。解答： 逐次逼進(jìn)式A/D 轉(zhuǎn)換器原理圖如圖1.14 所示，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)換開始命令并清除n位寄存器后，控制邏輯電路先設(shè)定寄存器中的最高位為“1”其余位為“0”，輸出此預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為1000被送到D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V f，后與輸入模擬電壓Vg 在比較器中相比較，若Vg

10、Vf，說明此位置“1”是對(duì)的，應(yīng)予保留，若VgVf，說明此位置“1”不合適，應(yīng)置“ 0”。然后對(duì)次高位按同樣方法置“ 1”，D/A 轉(zhuǎn)換、比較與判斷，決定次高位應(yīng)保留“ 1”還是清除。這樣逐位比較下去，直到寄存器最低一位為止。這個(gè)過程完成后，發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束命令。這時(shí)寄存器里的內(nèi)容就是輸入的模擬電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。模擬電壓Vg+ 比較器Vf-轉(zhuǎn)換開始數(shù) /模n位時(shí)序及轉(zhuǎn)換寄存器控制邏輯轉(zhuǎn)換結(jié)束圖 1.14 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器原理框圖1.11 詳述雙積分式A/D 轉(zhuǎn)換器的工作過程。解答： 雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換原理框圖如圖1.15(a)所示，轉(zhuǎn)換波形如圖1.15(b)所示。當(dāng)t=0 ，

11、“轉(zhuǎn)換開始”信號(hào)輸入下，Vg 在 T 時(shí)間內(nèi)充電幾個(gè)時(shí)鐘脈沖，時(shí)間T 一到，控制邏輯就把模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換到Vref 上， Vref 與 Vg 極性相反， 電容以固定的斜率開始放電。放電期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，脈沖的多少反映了放電時(shí)間的長(zhǎng)短，從而決定了輸入電壓的大小。放電到零時(shí)，將由比較器動(dòng)作，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并由控制邏輯發(fā)出“轉(zhuǎn)換結(jié)束”信號(hào)。這時(shí)計(jì)數(shù)器中得到的數(shù)字即為模擬量轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量，此數(shù)字量可并行輸出。(a)(b)圖 1.15雙積分式A/D 轉(zhuǎn)換器原理及波形圖1.12 A/D 轉(zhuǎn)換器誤差的主要來源是什么？解答： A/D 轉(zhuǎn)換的誤差主要應(yīng)由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率（孔徑時(shí)間）和轉(zhuǎn)換精度（量化誤差）來決定

12、。1.13 簡(jiǎn)述操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答： 操作指導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1.16 所示。它不僅提供現(xiàn)場(chǎng)情況和進(jìn)行異常報(bào)警，而且還按著預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型和控制算法進(jìn)行運(yùn)算和處理，將得出的最優(yōu)設(shè)定值打印和顯示出來，操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)給出的操作指導(dǎo)，并且根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)， 經(jīng)過分析判斷， 由人直接改變調(diào)節(jié)器的給定值或操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)對(duì)生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型了解不夠徹底時(shí)，采用這種控制能夠得到滿意結(jié)果，所以操作指導(dǎo)系統(tǒng)具有靈活、安全和可靠等優(yōu)點(diǎn)。但仍有人工操作、控制速度受到限制，不能同時(shí)控制多個(gè)回路的缺點(diǎn)。圖 1.16操作指導(dǎo)系統(tǒng)框圖1.14 簡(jiǎn)述直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答： 直接數(shù)字控制系統(tǒng) D

13、DC 結(jié)構(gòu)如圖 1.17 所示。這類控制是計(jì)算機(jī)把運(yùn)算結(jié)果直接輸出去控制生產(chǎn)過程，簡(jiǎn)稱 DDC 系統(tǒng)。這類系統(tǒng)屬于閉環(huán)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程各參量進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)規(guī)定的數(shù)學(xué)模型，如PID 算法進(jìn)行運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號(hào)，直接控制生產(chǎn)過程。它的主要功能不僅能完全取代模擬調(diào)節(jié)器， 而且只要改變程序就可以實(shí)現(xiàn)其他的復(fù)雜控制規(guī)律，如前饋控制、非線性控制等。它把顯示、打印、報(bào)警和設(shè)定值的設(shè)定等功能都集中到操作控制臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)督和控制給操作人員帶來了極大的方便。但 DDC 對(duì)計(jì)算機(jī)可靠性要求很高，否則會(huì)影響生產(chǎn)。圖 1.17直接數(shù)字控制系統(tǒng)1.15 簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答： 監(jiān)督控

14、制系統(tǒng)有兩種形式。（ 1） SCC加模擬調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)這種系統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程各參量進(jìn)行檢測(cè)，按工藝要求或數(shù)學(xué)模型算出各控制回路的設(shè)定值，然后直接送給各調(diào)節(jié)器以進(jìn)行生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)，其構(gòu)成如圖1.18 所示。這類控制的優(yōu)點(diǎn)是能夠始終使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，與操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)比較，它不會(huì)因手調(diào)設(shè)定值的方式不同而引起控制質(zhì)量的差異。其次是這種系統(tǒng)比較靈活與安全，一旦 SCC計(jì)算機(jī)發(fā)生故障， 仍可由模擬調(diào)節(jié)器單獨(dú)完成操作。 它的缺點(diǎn)是仍然需采用模擬調(diào)節(jié)器。圖 1.18 SCC 加調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)框圖（ 2） SCC加 DDC 的系統(tǒng)在這種系統(tǒng)中， SCC計(jì)算機(jī)的輸出直接改變DDC的設(shè)定值， 兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間

15、的信息聯(lián)系可通過數(shù)據(jù)傳輸直接實(shí)現(xiàn)，其構(gòu)成如圖1.19 所示。這種系統(tǒng)通常一臺(tái) SCC計(jì)算機(jī)可以控制數(shù)個(gè) DDC計(jì)算機(jī)，一旦 DDC計(jì)算機(jī)發(fā)送故障時(shí)，可用 SCC計(jì)算機(jī)代替 DDC的功能，以確保生產(chǎn)的正常進(jìn)行。信息系統(tǒng)顯示DCC打印被計(jì)SCC控 制算控計(jì)報(bào)警機(jī)對(duì)算操作象機(jī)控制臺(tái)信息采集外存儲(chǔ)器圖 1.19SCC 加 DCC 的系統(tǒng)框圖1.16 簡(jiǎn)述集中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答：這種系統(tǒng)是由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成生產(chǎn)過程中多個(gè)設(shè)備的控制任務(wù)，即控制多個(gè)控制回路或控制點(diǎn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？刂朴?jì)算機(jī)一般放置在控制室中，通過電纜與生產(chǎn)過程中的多種設(shè)備連接。集中控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于構(gòu)建系統(tǒng)造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因

16、此計(jì)算機(jī)應(yīng)用初期得到了較為廣泛的應(yīng)用。但由于集中控制系統(tǒng)高度集中的控制結(jié)構(gòu)，功能過于集中， 計(jì)算機(jī)的負(fù)荷過重， 計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的任何故障都會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，所以該系統(tǒng)較為脆弱，安全可靠性得不到保障。 而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越龐大， 系統(tǒng)開發(fā)周期越長(zhǎng)， 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，布線施工等費(fèi)時(shí)費(fèi)力不，很難滿足用戶的要求。1.17 簡(jiǎn)述 DCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答： 集散型控制系統(tǒng)（ DCS， Distributed Control System ）是由以微型機(jī)為核心的過程控制單元（ PCU）、高速數(shù)據(jù)通道（ DHW）、操作人員接口單元（ OIU）和上位監(jiān)控機(jī)等幾個(gè)主要部分組成，如圖 1.21 所示。各部分功能如下：

17、（ 1）過程控制單元（ PCU）由許多模件（板）組成，每個(gè)控制模件是以微處理器為核心組成的功能板，可以對(duì)幾個(gè)回路進(jìn)行PID、前饋等多種控制。一旦一個(gè)控制模件出故障，只影響與之相關(guān)的幾個(gè)回路，影響面少，達(dá)到了“危險(xiǎn)分散”的目的。此外，PCU可以安裝在離變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)就近的地方，縮短了控制回路的長(zhǎng)度，減少了噪聲，提高了可靠性，達(dá)到了“地理上”的分散。（ 2）高速數(shù)據(jù)通道（DHW）是本系統(tǒng)綜合展開的支柱，它將各個(gè)PCU、 OIU、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等有機(jī)地連接起來以實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制和集中控制。掛在高速數(shù)據(jù)通道上的任何一個(gè)單元發(fā)生故障，都不會(huì)影響其他單元之間的通信聯(lián)系和正常工作。（ 3）操作人員接口（OIU）單

18、元實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)視和集中操作，每個(gè)操作人員接口單元上都配有一臺(tái)多功能CRT屏幕顯示， 生產(chǎn)過程的全部信息都集中到本接口單元，可以在 CRT上實(shí)現(xiàn)多種生產(chǎn)狀態(tài)的畫面顯示，它可以取消全部?jī)x表顯示盤，大大地縮小了操作臺(tái)的尺寸，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行有效的集中監(jiān)視，此外利用鍵盤操作可以修改過程單元的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)集中操作。（ 4）監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制和管理， 監(jiān)控機(jī)通常由小型機(jī)或功能較強(qiáng)的微型機(jī)承擔(dān)，配備多種高級(jí)語言和外部設(shè)備， 它的功能是存取工廠所有的信息和控制參數(shù)，能打印綜合報(bào)告，能進(jìn)行長(zhǎng)期的趨勢(shì)分析以及進(jìn)行最優(yōu)化的計(jì)算機(jī)控制， 控制各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)過程控制單元 （ PCU）工作。圖 1.21集散控制系統(tǒng)1.18

19、 簡(jiǎn)述 NCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答： 以太網(wǎng)絡(luò)為代表的網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)如圖層采用 Ethernet ，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)控儀表和傳感器可以很方便地接入以太控制網(wǎng)。1.23 所示。以太控制網(wǎng)絡(luò)最典型應(yīng)用形式為頂TCP/IP。另外，嵌入式控制器、智能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)以太控制網(wǎng)容易與信息網(wǎng)絡(luò)集成，組建起統(tǒng)一的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。圖 1.23以太控制網(wǎng)絡(luò)組成1.19 簡(jiǎn)述 FCS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。解答： 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（ FCS，F(xiàn)ieldbus Control System）的體系結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在：現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連、控制功能分散、通信線供電、開放式互連網(wǎng)絡(luò)等方面。由于 FCS底層產(chǎn)品都是帶有 C

20、PU的智能單元， FCS突破了傳統(tǒng) DCS底層產(chǎn)品 4-20mA 模擬信號(hào)的傳輸。智能單元靠近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，它們可以分別獨(dú)立地完成測(cè)量、校正、調(diào)整、診斷和控制的功能。 由現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議將它們連接在一起， 任何一個(gè)單元出現(xiàn)故障都不會(huì)影響到其它單元，更不會(huì)影響全局，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，使系統(tǒng)更安全、更可靠。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備連線，按照控制回路進(jìn)行連接。 FCS采用了智能儀表（智能傳感器、智能執(zhí)行器等） ，利用智能儀表的通信功能，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。圖1.22 為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與FCS的結(jié)構(gòu)對(duì)比。3圖 1.22 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比較1.20*SPI 總線中的從控器應(yīng)滿足

21、什么要求？解答：略。1.21* 智能儀表接入計(jì)算機(jī)有幾種途徑？解答： 兩種，一種是485 串行方式，另一種是以太網(wǎng)方式。1.22* 針對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所涉及的重要理論問題，舉例說明。解答： 1.信號(hào)變換問題多數(shù)系統(tǒng)的被控對(duì)象及執(zhí)行部件、測(cè)量部件是連續(xù)模擬式的，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上通常是由模擬與數(shù)字部件組成的混合系統(tǒng)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)是串行工作的，必須按一定的采樣間隔 （稱為采樣周期）對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，將其變成時(shí)間上是斷續(xù)的離散信號(hào)，并進(jìn)而變成數(shù)字信號(hào)才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)；反之，從計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，也要經(jīng)過D/A 變換成模擬信號(hào)，才能將控制信號(hào)作用在被控對(duì)象之上。所以，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)除有連續(xù)模擬

22、信號(hào)外，還有離散模擬、 離散數(shù)字等信號(hào)形式，是一種混合信號(hào)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)形式上的特點(diǎn)，使信號(hào)變換問題成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)特有的、必須面對(duì)和解決的問題。2.對(duì)象建模與性能分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)雖然是由純離散系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和純連續(xù)系統(tǒng)的被控對(duì)象而構(gòu)成的混合系統(tǒng)，但是為了分析和設(shè)計(jì)方便， 通常都是將其等效地化為離散系統(tǒng)來處理。 對(duì)于離散系統(tǒng)，通常使用時(shí)域的差分方程、 復(fù)數(shù)域的 z 變換和脈沖傳遞函數(shù)、 頻域的頻率特性以及離散狀態(tài)空間方程作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述的基本工具。3.控制算法設(shè)計(jì)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)字控制器有兩種經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法，即模擬化設(shè)計(jì)方法和直接數(shù)字設(shè)計(jì)方法， 它們基本上屬于古典控制理論的范疇

23、， 適用于進(jìn)行單輸入、 單輸出線性離散系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)。以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)的數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法，屬于現(xiàn)代控制理論的范疇，不僅適用于單輸入、單輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且還適用于多輸入、多輸出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這些系統(tǒng)可以是線性的也可以是非線性的；可以是定常的，也可以是時(shí)變的。4.控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中， 由于采用了數(shù)字控制器而會(huì)產(chǎn)生數(shù)值誤差。 這些誤差的來源、 產(chǎn)生的原因、對(duì)系統(tǒng)性能的影響、與數(shù)字控制器程序?qū)崿F(xiàn)方法的關(guān)系及減小誤差影響的方法，如 A/D 轉(zhuǎn)換器的量化誤差；當(dāng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算超過預(yù)先規(guī)定的字長(zhǎng)，必須作舍入或截?cái)嗵幚?，而產(chǎn)生的乘法誤差； 系統(tǒng)因不能裝入某系數(shù)的所有有效數(shù)位，而產(chǎn)生的系數(shù)設(shè)

24、置誤差； 以及這些誤差的傳播， 都會(huì)極大的影響系統(tǒng)的控制精度和它的動(dòng)態(tài)性能， 因此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的領(lǐng)域比較廣泛。舉例略。第二章信號(hào)轉(zhuǎn)換與z 變換習(xí)題與思考題2.1 什么叫頻率混疊現(xiàn)象，何時(shí)會(huì)發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象？解答： 采樣信號(hào)各頻譜分量的互相交疊，稱為頻率混疊現(xiàn)象。當(dāng)采樣頻率s2 max 時(shí)，采樣函數(shù)f * (t ) 的頻譜已變成連續(xù)頻譜，重疊部分的頻譜中沒有哪部分與原連續(xù)函數(shù)頻譜F ( j) 相似，這樣，采樣信號(hào)f * (t) 再不能通過低通濾波方法不失真地恢復(fù)原連續(xù)信號(hào)。就會(huì)發(fā)生采樣信號(hào)的頻率混疊現(xiàn)象。2.2 簡(jiǎn)述香農(nóng)采樣定理。解答： 如果一個(gè)連續(xù)信號(hào)不包

25、含高于頻率max 的頻率分量（連續(xù)信號(hào)中所含頻率分量的最高頻率為max ），那么就完全可以用周期T/ max 的均勻采樣值來描述。或者說，如果采樣頻率s 2 max ，那么就可以從采樣信號(hào)中不失真地恢復(fù)原連續(xù)信號(hào)。2.3 D/A 轉(zhuǎn)換器有哪些主要芯片？解答： 8 位 DAC0832， 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC1208/1209/1210 。2.4 D/A 轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)如何選擇？解答： D/A 轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)的選擇，可以由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中D/A 轉(zhuǎn)換器后面的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)范圍來選定。設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入為umax，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)電壓為uR，D/A 轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)為 n，則計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的最小

26、輸出單位應(yīng)小于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)，即umaxuR2n1所以nlgumax / uR1 / lg2 。2.5 簡(jiǎn)述 D/A 輸出通道的實(shí)現(xiàn)方式。解答： 常用的兩種實(shí)現(xiàn)方式。圖(a)由于采用了多個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器，硬件成本較高，但當(dāng)要求同時(shí)對(duì)多個(gè)對(duì)象進(jìn)行精確控制時(shí)，這種方案可以很好地滿足要求。圖(b) 的實(shí)現(xiàn)方案中，由于只用了一個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)和相應(yīng)的采樣保持器，所以比較經(jīng)濟(jì)。2.6 A/D 轉(zhuǎn)換器有哪些主要芯片？解答： 8 位 8 通道的 ADC0809， 12 位的 AD574A。2.7 A/D 轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)如何選擇？解答： 根據(jù)輸入模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍可以選擇A/D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)。設(shè)A/

27、D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為 n，模擬輸入信號(hào)的最大值umax 為 A/D 轉(zhuǎn)換器的滿刻度，則模擬輸入信號(hào)的最小值umin 應(yīng)大于等于 A/D 轉(zhuǎn)換器的最低有效位。即有umaxumin2n1所以n lgumax / umin1 / lg2 。2.8 簡(jiǎn)述 A/D 輸入通道的實(shí)現(xiàn)方式。解答： 查詢方式，中斷方式，DMA 方式2.9 簡(jiǎn)述 A/D 的轉(zhuǎn)換時(shí)間的含義及其與A/D 轉(zhuǎn)換速率和位數(shù)的關(guān)系。解答： 設(shè) A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)處于就緒狀態(tài)，從A/D 轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)加入時(shí)起，到獲得數(shù)字輸出信號(hào)（與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)之值）為止所需的時(shí)間稱為A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間。該時(shí)間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。 A/D 的轉(zhuǎn)換速率與A/D 的位

28、數(shù)有關(guān)，一般來說， A/D 的位數(shù)越大，則相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率就越慢。2.10 寫出 f (t) 的 z 變換的多種表達(dá)方式（如Z ( f (t) 等）。解答：Z f (t )Z f * (t )F ( z)f (kT )z k 。k 02.11 證明下列關(guān)系式(1) Z ak 11az 1證明： 令 f ( kT)ekln a* TF ( z)eln a*( kT) z k1eln a*T z 1eln a*(2 T ) z 2k0eln a* T z 1 F ( z)eln a* T z 1eln a *(2 T ) z 2將兩式相減得：F ( z)-eln a* T z 1 F (z)=1，F(xiàn)

29、 ( z)=1，1-az 1證畢。kz(2)Z a f (t )F ()證明：zF ()ak0zf (kT )()akk0f ( kT ) zk akZ akf (t )(3)Z tf (t )Tzd dzF (z)證明：由 z變換定義得:F ( z)f (kT ) z kk0對(duì)上式兩端進(jìn)行求導(dǎo)，得：dF ( z)f (kT ) dz kkf (kT )z k1dzk0dzk 0對(duì)上式進(jìn)行整理得：Tz dF (z)kTf ( kT ) z kZ tf (t )dzk0(4) Z t 2 T 2 z 1 (1z 1)(1z 1 )3證明： Z t Tz 1(1z1 )2Zt 2 Tz dZ tT

30、zTz 2 (1 z 1 )T 2 z 1(1 z 1 )dz(1 z 1 )3(1 z 1) 3(5) Z teatTe aT z 1e aT z 1 )2(1證明： Ze at 11e aT z 1e aT z 2Te aT z 1Zte at Tz d e at Tzdz(1 e aT z 1 )2(1 e aT z 1 )2(6) Z atf (t )F (aT z)證明： F (a T z)f (kT )(a T z) kf (kT )akT z kZat f (t)k 0k 02.12用部分分式法和留數(shù)法求下列函數(shù)的z 變換(1)1F ( s)s(s1)解答：部分分式法： 將 F

31、(s) 分解成部分分式：11F (s)s1s與 1 相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的z變換是11 ; 與1 相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)s1zs+1的 z變換是11 ,因而eTz1F (z)11(1e T ) z 11 z 11e T z 1(1 z 1 )(1 e T z 1 )留數(shù)法：上式有兩個(gè)單極點(diǎn)，s10, s21,m2, 則1z1zF (z) s1) zsT s 0 ( s 1)s( s1) zsT s 1s( seezzz(1e T )z 1 z e T( z 1)( z e T )(2)F ( s)s13)(s 2)(s解答：部分分式法： 將 F (s) 分解成部分分式：F (s)213s

32、2s與2相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的z變換是2s31e 3T z 1 ;與1相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的z變換是11 ,因而1e2Tzs+2F (z)212(1e 2T z 1 ) (1e 3T z 1)1 e 3T z 11 e 2T z 1(1e 3T z 1)(1e 2T z 1 )12e 2T z 1e 3T z 1(1e 3T z 1 )(1e 2T z 1)留數(shù)法：上式有兩個(gè)單極點(diǎn)，s13, s22, m2, 則F (z)( s2zz e 3T3)( szze23)( s2) zz( z2e2T( ze 3TzesT2T)( zs -32z s 2( s 2)2) z esT(s 3)

33、(s3Te)(3)F ( s)s1( s 2) 2( s 1)解答：部分分式法： 將 F (s) 分解成部分分式：ABCF (s)2s 2s 1(s 2)求 A,B,C ：As3( s2) 21( s2)2 (s1)s2Bds 3(s2)2( s1)( s3)2( s 1)2s2ds (s 2)2 ( s 1)s 2Cs3( s1)22 ( s( s2)1)s1所以F ( s)122( s2)2s2s1上式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)不常見，查后續(xù)表2.2，得到F ( z)Te 2 T z 122(1 e 2T z 1 )21 e 2T z 11 e T z 1(T 2) e 2T z 122(1 e 2

34、T z 1 )21 e T z 1(T 2)e 2T z2z22 z( ze 2T ) 2ze T留數(shù)法 : F ( s) 的極點(diǎn) s11， s2,32 ，m2 ， n2F ( z)1 d(s2)2(s3)z(s1)(s3)z21 ! ds(s 2)2 ( s1) zesTs2(s2)2 (s1) z esTs 1dsz3z2zds szsesTzesTs 2ze Tz( szsesTzesT )( sz3z)( zesTTsesTTesT )2z( sz sesTz esT ) 2s 2z e T2z22ze 2Tz2e 2 T z(2z3z)( z e 2T2Te 2TTe 2T )2z(2z2e 2Tze 2T ) 2ze T22 Tz2zeze2Tz2ze 2TTe 2T z2z2Tz)2z e T(T2)e 2 T z2z22z( z e 2T )2ze T(4)F ( s)s31)( s 2) 2 ( s解答：部分分式法： 將 F (s) 分解成部分分式：F (s)122(s2)2s2s11 2 相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的 z變換是Te2Tz12 相對(duì)應(yīng)與(s2T1;與2)(1ez)s+2的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)222的z變換是1 e 2T z 1;與s+1 相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間函數(shù)相應(yīng)的z變換是 1 e T z 1,因而F ( z)Te 2T z 122(1 e