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1重点习题和思考题第1章计算机控制习题概述1、计算机控制系统中实时性、离线方式、在线方式的含义答：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式为在线方式；生产过程不和计算机连接，且不受计算机控制、而是靠人进行联系并作相应操作的方式为离线方式。实时：信号的输入、计算、输出都要在一定的时间范围内完成。2、计算机控制系统由哪几部分组成答：硬件组成：主机、IO接口、通用外部设备、检测元件和执行机构、操作台。软件组成：系统软件和应用软件。3、计算机控制技术的主要发展趋势是什么答：（1）综合自动化，包括CIMS和CIPS；（2）网络化；（3）智能化；（4）虚拟化；（5）绿色低碳化。第2章工业控制计算机1、什么是总线、内部总线、外部总线答：总线是一种接口信号的标准和协议，提供通用的电平信号来实现各种电路信号的传递。内部总线指微机内部各功能模块间进行通信的总线。外部总线指用于计算机与计算机之间或计算机与其他智能外设之间的通信线路2、哈佛结构和冯诺伊曼结构的区别答：冯诺伊曼结构，程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储结构；哈佛结构程序指令存储和数据存储分开的存储结构。3、工控机和普通PC的区别答：机箱加固、防尘；工业电源，有时双电源；无源母板；一体化主板第3章IO接口和过程通道1、什么是接口、接口技术和过程通道2答：接口是计算机和外部设备交换信息的桥梁，包括输入和输出接口；接口技术是研究计算机和外部设备之间如何交换信息的技术；过程通道指在计算机和生产过程之间设置的信息传送和交换的连接通道。2、模拟输入通道中信号调理的作用，为什么需要量程变换，为什么需要I/U变换答：现场过来的信号经过放大、量程自动转换、电流/电压转换、滤波、线性化、隔离等措施转换成计算机能接收的逻辑信号。多参数信号采集时，各路信号电流信号经过长距离传输到计算机接口电路，经过I/U变换成电压信号才能进行A/D转换进入计算机被处理。3、利用8255A、AD574、LF398、CD4051和51单片机接口，设计出8路模拟量采集系统，画出接口电路原理图，并编写相应的程序。Org1000HMOVDPTR#2000H(数据首地址)MOVR7#08H(8个通道)MOVR0#7EH（C口地址）MOVR2#C0H（通道0开始地址）MAIN：MOVAR2MOVX@R0A(启动A/D)3MOVR1#7CH（A口）LOOP1:MOVXA@R1ANLA#80H（检测STS）JNZLOOP1MOVA#10HORLAR2MOVX@R0AMOVXA@R1ANLA#0FHMOVX@DPTRAINCDPTRINCR1MOVXA@R1MOVX@DPTRAINCR2DJNZR7MAINRET4、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（1）为了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器；（2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；（3）减少D/A转换器的输出毛刺，从而消4除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；（4）把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。5、分别画出DA转换器的单极性和双极性电压输出电路，分别推导输出电压和输入数字量之间的关系式。6、什么是串模干扰和共模干扰如何抑制串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声。方法：（1）采用硬件滤波器抑制串模干扰是一种常用的方法。（2）对于电磁感应产生的串模干扰，应对被测信号尽可能早的进行信号放大，以提高电路中的信号噪声比；或者尽可能5早的完成A/D转换再进行长线传输；或者采用隔离和屏蔽等措施。（3）从选择元器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。（4）利用数字滤波技术对进入计算机的串模干扰进行数据处理，可以有效滤去难以抑制的串模干扰。共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。方法：（1）利用双端输入的放大器作前置放大器；（2）利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载和数字信号隔离，即“模拟地”与“数字地”断开，被测信号通过变压器或光电耦合器获得通路，而共模干扰不能形成回路而得到抑制；（3）采用双层屏蔽—浮地输入方式。7、数字信号通道一般采取哪些抗干扰措施答：数字信号负逻辑传输；提高数字信号的电压等级；通过光电耦合隔离；提高输入端的门限电压。8、推导下面仪用放大器电路的放大倍数，并简述该电路的特点，注意要写出推导过程。解：6则：该电路最大优点是输入阻抗高，共模抑制作用强，增益调节方便，并由于结构对称，失调电压和温度漂移小，在传感器微弱信号放大系统中得到广泛应用。第四章顺序控制和数字控制技术1、什么是顺序控制顺序控制系统有何特点指以预先规定好的时间或条件为依据，按预先规定好的动作次序，对控制过程各阶段顺序地进行自动化。1）顺序控制系统的输入、输出信号以开关量信号为主2）逻辑关系复杂3）控制程序客观4）可靠性要求高2、什么是逐点比较法原理：每当画笔或刀具向某一方向移动一步，就进行一次偏差计算和偏差判别，也就是到达新的点位置和理想线型上对应点的理想位置坐标之间的偏离程度，然后根据偏差的大小确定下一步的移动方向，使画笔或刀具始终紧靠理想线型运动，起到步步逼近的效果。特点：1）逐点逼近，以直线或折线(阶梯状的)来逼近直线或圆弧等曲线的，它与给定轨迹之间的最大误差为一个脉冲当量；2）只要把运动步距取得足够小，便可精确地跟随给定轨迹，以达到精度的要求。3、假设给定的加工曲线为第二象限的顺时针圆弧AB，该圆弧所属圆的圆心坐标为(-1,2)，如图所示，试进行插补计算（步长为1），完成下面表格。7F≥0：+△x，F′=F+2x+3F＜0：+△y，F′=F+2y-3序号偏差判别进给方向偏差计算终点判别0F0=0，x=-5，y=2nxy=81F0=0+△xF1=F0+2x+3=-7，x=-4，y=2nxy=72F1=-7＜0+△yF2=F1+2y-3=-6，x=-4，y=3nxy=63F2=-6＜0+△yF3=F2+2y-3=-3，x=-4，y=4nxy=54F3=-3＜0+△yF4=F3+2y-3=2，x=-4，y=5nxy=45F4=2＞0+△xF5=F4+2x+3=-3，x=-3，y=5nxy=36F5=-3＜0+△yF6=F5+2y-3=4，x=-3，y=6nxy=27F6=4＞0+△xF7=F6+2x+3=1，x=-2，y=6nxy=18F7=1＞0+△xF8=F7+2x+3=0，x=-1，y=6nxy=09103、简述反应式步进电机的步进原理。8答：给处于错齿状态的相通电，转子在电磁力作用下，将向磁导率最大的位置转动，趋于对齿状态转动。第五章数字控制器1、数字控制器模拟化设计方法有哪些步骤⒈设计假想的连续控制器D(s)⒉选择采样周期T⒊将D(s)离散化为D(z)⒋设计由计算机实现的控制方法⒌校验2、写出数字PID控制器的位置算式、增量算式，并简述增量式优点。(1)计算机输出增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；(2)在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，即P(k-1)，才能保证手动/自动无扰动切换，这将给程序设计带来困难。而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动无扰动切换。在位置控制算式中，不仅需要对E(j)进行累加，而且计算机的任何故障都会引起P(k)大幅度变化，对生产产生不利。⑶不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。3、采样周期的选择需要考虑哪些因素（1）作用于系统的扰动信号频率fn。通常fn越高，要求采样频率fs也要相应提高，即采样周期(T＝2π／fs)缩短。（2）对象的动态特性。当系统中仅是惯性时间常数起作用时，ωs≥10ωm，ωm为系统的通频带；当系统中纯滞后时间τ占有一定份量时，应该选择T≈τ/10；当系统中纯滞后时间τ占主导作用时，可选择T≈τ。9（3）测量控制回路数。测量控制回路数N越多，采样周期T越长。若采样时间为τ，则采样周期T≥Nτ。（4）与计算字长有关。计算字越长，计算时间越多，采样频率就不能太高。反之，计算字长较短，便可适当提高采样频率。3、简述离散化设计方法的设计步骤（1）由H0(s)和G(s)求取广义对象的脉冲传递函数HG(z)；（2）根据控制系统的性能指标及实现的约束条件构造闭环脉冲传递函数Gc(z)；（3）确定数字控制器的脉冲传递函数D(z)；（4）由D(z)确定控制算法并编制程序。第六章控制系统的数据处理技术1、何谓系统误差如何实现系统误差的全自动校准答：系统误差是指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值(包括大小符号)保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。2、某电阻炉温变化范围为0-1600℃，经温度变送器输出电压为1-5V，再经AD574A转换，AD574A输入电压范围为0-5V，当采样值为3D5H时，电阻炉温是多少解：3D5H=981;10℃。3、数字滤波和模拟滤波相比有哪些优点（1）由于数字滤波采用程序实现，所以无需增加任何硬设备，可以实现多个通道共享一个数字滤波程序，从而降低了成本。（2）由于数字滤波器不需增加硬设备，所以系统可靠性高、稳定性好，各回路间不存在阻抗匹配问题。（3）可以对频率很低(如的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。（4）可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。较改变模拟滤波器的硬件电路或元件参数灵活、方便。4、如何实现对输入数字量和输出数字量的软件抗干扰输入数字量：（1）干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，对于输入的数字信号，可以通过重复采集的方法，将随机干扰引起的虚假输入状态信号滤除掉。（2）若多次数据采集后，信号总是变化不定，则停止数据采集并报警；或者在一定采集时间内计算出现高电平、低电平的次数，将出现次数高的电平做为实际采集数据。对每11次采集的最高次数限额或连续采样次数可按照实际情况适当调整。输出数字量：（1）当系统受到干扰后，往往使可编程的输出端口状态发生变化，因此可以通过反复对这些端口定期重写控制宇、输出状态字，来维持既定的输出端口状态。（2）重复周期尽可能短，外部设备受到一个被干扰的错误信息后，还来不及作出有效的反应，一个正确的，输出信息又来到了，就可及时防止错误动作的发生。（3）对于重要的输出设备，最好建立反馈检测通道，CPU通过检测输出信号来确定输出结果的正确性，如果检测到错误及时修正。5、什么是指令冗余，如何实现。答：在关键地方人为地插入一些单字节指令如NOP，或将有效单字节指令重复书写，称之为指令冗余。（1）在一些对程序流向起决定作用的指令和某些对工作状态起重要作用的指令之前插入两条NOP指令，以保证跑飞的程序能迅速纳入正常轨道。（2）在一些对程序流向起决定作用的指令和某些对工作状态起重要作用的指令的后面重复书写这些指令，以确保这些指令的正确执行。6、什么是软件陷阱，如何实现。答：当跑飞程序进入非程序区(如EPROM未使用的空间)或表格区时，可以利用软件陷阱技术拦截跑飞程序。软件陷阱一般安排在以下五种地方：（1）未使用的中断向量区；（2）未使用的大片ROM区；（3）表格12（4）运行程序区（5）中断服务程序区第十章控制网络技术1、工业局域网常用的传输访问控制方式有哪三种各自有什么优缺点答：CSMA/CD、令牌环、令牌总线。CSMA/CD：原理简单，技术上容易实现，无需集中控制、不能提供优先级控制，所有节点有平等竞争的能力，在网络负载不重情况下有较高效率，但负载较大时，分送信息的等待时间加长，效率显著下降；令牌环：能提供可调整的访问控制方式，有优先权服务，有较强实时性，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的利用率，控制电路负载。令牌总线：吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加，控制功能不随电缆线长度的增加而减弱，不需冲突检测，有一定实时性。缺点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。2、什么是现场总线有哪几种典型的现场总线答：现场总线是连接智