计算机控制技术.docx
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计算机控制技术
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？
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。
Org1000H
MOV DPTR #2000H（数据首地址）
MOV R7 #08H（8个通道）
MOV R0 #7EH（C口地址）
MOV R2 #C0H（通道0开始地址）
MAIN：
MOV A R2
MOVX @R0 A （启动A/D）
MOV R1 #7CH （A口）
LOOP1:
MOVX A @R1
ANL A #80H （检测STS）
JNZ LOOP1
MOV A #10H
ORL A R2
MOVX @R0 A
MOVX A @R1
ANL A #0FH
MOVX @DPTR A
INC DPTR
INC R1
MOVX A @R1
MOVX @DPTR A
INC R2
DJNZ R7 MAIN
RET
4、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：
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。
F≥0：
+△x，F′=F+2x+3
F＜0：
+△y，F′=F+2y-3
序号
偏差判别
进给方向
偏差计算
终点判别
0
F0=0，x=-5，y=2
nxy=8
1
F0=0
+△x
F1=F0+2x+3=-7，x=-4，y=2
nxy=7
2
F1=-7＜0
+△y
F2=F1+2y-3=-6，x=-4，y=3
nxy=6
3
F2=-6＜0
+△y
F3=F2+2y-3=-3，x=-4，y=4
nxy=5
4
F3=-3＜0
+△y
F4=F3+2y-3=2，x=-4，y=5
nxy=4
5
F4=2＞0
+△x
F5=F4+2x+3=-3，x=-3，y=5
nxy=3
6
F5=-3＜0
+△y
F6=F5+2y-3=4，x=-3，y=6
nxy=2
7
F6=4＞0
+△x
F7=F6+2x+3=1，x=-2，y=6
nxy=1
8
F7=1＞0
+△x
F8=F7+2x+3=0，x=-1，y=6
nxy=0
9
10
3、简述反应式步进电机的步进原理。
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T
⒊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。
（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;
℃。
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0.01Hz）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
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
（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：
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
典型总线：
FF、LONWORKS、PROFIBUS、HART、CAN。
3、工业以太网的关键技术有哪些？
答：
（1）通信实时性；
（2）总线供电；（3）互操作性；（4）网络生存性；（5）网络安全性；（6）本质安全和安全防爆技术；（7）远距离传输
4、简述差错控制技术中的奇偶校验。
答：
奇偶校验（ParityCheck）是一个字符校验一次，在每个字符的最高位置后附加一个奇偶校验位。
通用常一个字符（b0-b7）来表示，其中，位字符码位，而最高位b7为校验位。
这个校验位可为1或0，以便保证整个字节为1的位数是奇数（称奇校验）或偶数（偶校验）。
发送端按照奇或偶校验的原则编码后，以字节为单位发送，接收端按照同样的原则检查收到的每个字节中1的位数。
如果是奇校验，发送端发出的每个字节中1的位数也为奇数。
若接收端收到的字节中1的位数也为奇数，则传输正确；否则传输错。
偶校验方法类似。
（勤奋、求是、创新、奉献）
2011～2012学年第1学期考查试卷
学院：
机械工程学院 班级__________姓名__________学号_________
《计算机控制技术》课程试卷A
（本卷考试时间90分钟）
题号
一
二
三
四
五
总得分
题分
12
30
26
20
12
100
得分
一、概念题（本题共6小题，每小题2分，共12分）
1、何谓模拟信号?
何谓数字信号?
2、何谓量程自动转换?
3、何谓采样和量化?
4、何谓数字程序控制?
5、何谓指令冗余?
6、何谓现场总线?
二、简答题（本题共5小题，每小题6分，共30分）
1、简述数字滤波器的优点。
2、何谓串模干扰？
抑制串模干扰的常用方法有哪些？
3、何谓系统误差？
如何实现系统误差的全自动校准？
4、何谓标度变换？
为什么要进行标度变换？
5、简述差错控制技术中奇偶校验的基本原理。
三、计算题（第1小题5分，第2小题7分，第3小题14分，共26分）
1、利用希尔排序对数据[54 46 77 13 34 23 10 65]进行排序（注意：
第一次增量为4，第二次增量为2）。
（本小题5分）
2、假设某电阻炉温度变化范围为100~600℃，经温度变送器输出电压为1~5V，再经8位A/D转换器转换，假设该8位AD输入电压范围为-5~+5V（注意该AD输出的最高位为符号位，1表示负，0表示正），计算当采样值为6BH时（对应十进制107），电阻炉温度是多少？
注意应写出计算过程。
（本小题7分）
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（-2,1），如图所示，试进行插补计算（步长为1），完成下面表格。
（本小题14分）
序号
偏差判别
进给方向
偏差计算
终点判别
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
四、推导题（本题共2小题，每小题10分，共20分）
1、下图是常用的仪用测量放大器电路，试推导其放大倍数，并简述该电路的特点，注意要写出推导过程。
2、下图为T型电阻DA转换器的原理图，其中K0~K3为模拟电子开关，该开关在运算放大器电流求和点和虚地之间进行切换，该开关受相应二进制码位（图中a0,a1,a2,a3）控制，码位为1开关接运放的虚地，码位为0时开关接地。
试推导输出电压Uo的表达式，注意应写出推导过程。
五、论述题（共1题，12分）
试画出模拟量输入通道的组成框图，并简述通道中各功能模块的作用。
（勤奋、求是、创新、奉献）
2011～2012学年第1学期考查试卷
学院：
机械工程学院 班级__________姓名__________学号_________
《计算机控制技术》课程试卷A答案
（本卷考试时间90分钟）
题号
一
二
三
四
五
总得分
题分
12
30
26
20
12
100
得分
一、概念题（本题共6小题，每小题2分，共12分）
1、何谓模拟信号?
何谓数字信号?
模拟信号：
时间上和幅值上都连续的信号。
数字信号：
时间上离散，幅值也离散的信号。
2、何谓量程自动转换?
根据需要对所处理的信号利用可编程增益放电器进行放大倍数的自动调整，以满足后续电路和系统的要求。
3、何谓采样和量化?
采样是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。
采样信号经整量化后成为数字信号的过程称为量化。
4、何谓数字程序控制?
根据数据和预先编制好的程序，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。
5、何谓指令冗余?
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，以保证跑飞的程序能迅速纳入正常轨道。
6、何谓现场总线?
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。
它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。
二、简答题（本题共5小题，每小题6分，共30分）
1、简述数字滤波器的优点。
（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0.01Hz）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。
2、何谓串模干扰？
抑制串模干扰的常用方法有哪些？
答：
串模干扰指叠加在被测信号上的干扰噪声。
抑制方法：
（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已进入计算机的串模干扰进行数据处理，可以有效地滤去难以抑制的串模干扰。
3、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。
4、何谓标度变换？
为什么要进行标度变换？
答：
将A/D转换后的数字量转换成与实际被测量相同量纲的过程称为标度变换
在测量过程中，所有这些参数经传感器或变送器检测，再利用相应的信号调理电路，将非电量转换成电量，并进一步转换成A/D转换器所能接收的统一电压信号，又由A/D转换器将其转换成数字量送到计算机进行显示、打印等相关操作。
而A/D转换后的数值量并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅仅与被测参数有一定的函数关系，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，这种转换就是标度变换。
5、简述差错控制技术中奇偶校验的基本原理。
答：
奇偶校验是一个字符校验一次，在每个字符的最高位置后附加一个奇偶校验位。
通常用一个字符（b0~b7）来表示，其中，b0~b6字符码位，而最高位b7为校验位。
这个校验位可为1或0，以便保证整个字节为1的位数是奇数（称奇校验）或偶数（称偶校验）。
发送端按照奇或偶校验原则编码后，以字节为单位发送，接收端按照同样的原则检查收到的每个字节中1的位数。
如果为奇校验，发送端发出的每个字节中1的位数也为奇数。
若接收端收到的字节中1的位数也为奇数，则传输正确；否则传输错。
偶校验方法类似。
三、计算题（第1小题5分，第2小题7分，第3小题14分，共26分）
1、利用希尔排序对数据[54 46 77 13 34 23 1
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