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5
1.5设计一个模拟信号输入至计算机总线接口的结构框图解答：
前置放大电谿
A
姜路模拉幵关
<-
蜚换器
:
被
:
揑
:
对
V
■
*
A
¥
4
<=
信号嗖换器
<-■象
模拟量输入通道组成与结构图
1.6设计一个计算机总线接口至一个4~20mA模拟信号输岀的结构框图
解答：
总线接
多路模拟开关
4-20mA模拟蓿亠号输出
1.7简述并举例说明内部、外部和系统总线的功能。
解答：
内部总线指计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连，是微处理
器总线的延伸，是微处理器与外部硬件接口的通路，图1.8所示是构成微处理器或子系统内所用
的并行总线。
内部并行总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类。
图1.8内部并行总线及组成
系统总线指计算机中各插件板与系统板之间的总线（如Multibus总线、STD总线、PC总线），
用于插件板一级的互连，为计算机系统所特有，是构成计算机系统的总线。
由于微处理器芯片总
线驱动能力有限，所以大量的接口芯片不能直接挂在微处理器芯片上。
同样，如果存储器芯片、I/O接口芯片太多，在一个印刷电路板上安排不下时，采用模块化设计又增加了总线的负载，所以微处理器芯片与总线之间必须加上驱动器。
系统总线及组成如图1.10所示。
计算机系统总线
图1.10系统总线及组成
外部总线指计算机和计算机之间、计算机与外部其他仪表或设备之间进行连接通信的总线。
计算机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。
夕卜
部总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上，外部总线及组成如图1.11所示。
cru
氢M按制番
怦说2
1J
1T
~1
袈羅怏行机鞫
图1.11外部总线及组成
1.8详述基于权电阻的D/A转换器的工作过程解答：
D/A转换器是按照规定的时间间隔器的工作原理，可以归结为“按权展开求和”别转换为模拟量，然后通过运算放大器求和，
O
T对控制器输出的数字量进行D/A转换的。
D/A转换
的基本原则，对输入数字量中的每一位，按权值分得到相应模拟量输出。
相应于无符号整数形式的二进制代码,
n位DAC的输岀电压Vout遵守如下等式:
2Vout
-Vfsr（|BB311（-Bn）
2222
（1.3）
式中，Vfsr为输岀的满幅值电压，B1是二进制的最高有效位，5是最低有效位。
以4位二进制为例，图1.12给岀了一个说明实例。
在图1.12中每个电流源值取决于相应二进制位的状态，电流源值或者为零，或者为图中显示值，则输岀电流的总和为：
I—|（B1+邑+邑+B4）
1out-1（234）
2222
1.12中的各个电流源，在电流的汇
可以得到权电阻法数字到模拟量转换器的原理图如图1.13
D/A转换器的字长。
小2小3
22
我们可以用稳定的参考电压及不同阻值的电阻来替代图合输岀加入电流/电压变换器，因此，所示。
图中位切换开关的数量，就是
out
（1.4）
MB）B.
16
——*1卜
图1.12使用电流源的DAC既念图
（MSB）[LEE）
B,珂B,E.
图1.13权电阻法D/A转换器的原理图
1.9D/A转换器误差的主要来源是什么？
解答：
D/A转换的误差主要应由D/A转换器转换精度（转换器字长）和保持器（采样点之间插
值）的形式以及规定的时间间隔T来决定。
1.10详述逐次逼近式A/D转换器的工作过程。
解答：
逐次逼进式A/D转换器原理图如图1.14所示，当计算机发岀转换开始命令并清除n位寄
存器后，控制逻辑电路先设定寄存器中的最高位为“1”其余位为“0”，输岀此预测数据为100…
0被送到D/A转换器，转换成电压信号Vf，后与输入模拟电压Vg在比较器中相比较，若Vg_Vf,
然后
说明此位置“1”是对的，应予保留，若乂:
:
Vf，说明此位置“1”不合适，应置“0”
这样
对次高位按同样方法置“1”，D/A转换、比较与判断，决定次高位应保留“1”还是清除。
逐位比较下去，直到寄存器最低一位为止。
这个过程完成后，发出转换结束命令。
这时寄存器里
的内容就是输入的模拟电压所对应的数字量。
图1.14逐次逼近式A/D转换器原理框图
Vg
Vf
1.11详述双积分式A/D转换器的工作过程。
解答：
双积分式A/D转换器转换原理框图如图1.15（a）所示，转换波形如图1.15（b）所示。
当t=0，
“转换开始”信号输入下，Vg在T时间内充电几个时钟脉冲，时间T一到，控制逻辑就把模拟开关转换到Vref上,Vref与Vg极性相反，电容以固定的斜率开始放电。
放电期间计数器计数，
脉冲的多少反映了放电时间的长短，从而决定了输入电压的大小。
放电到零时，将由比较器动作,
计数器停止计数，并由控制逻辑发出“转换结束”信号。
这时计数器中得到的数字即为模拟量转
换成的数字量，此数字量可并行输出。
（a）（b）
图1.15双积分式A/D转换器原理及波形图
1.12A/D转换器误差的主要来源是什么？
解答：
A/D转换的误差主要应由A/D转换器转换速率（孔径时间）和转换精度（量化误差）来
决定。
1.13简述操作指导控制系统的结构和特点。
解答：
操作指导系统的结构如图1.16所示。
它不仅提供现场情况和进行异常报警，而且还按着
预先建立的数学模型和控制算法进行运算和处理，将得出的最优设定值打印和显示出来，操作人
员根据计算机给岀的操作指导，并且根据实际经验，经过分析判断，由人直接改变调节器的给定
值或操作执行机构。
当对生产过程的数学模型了解不够彻底时，采用这种控制能够得到满意结果，
所以操作指导系统具有灵活、安全和可靠等优点。
但仍有人工操作、控制速度受到限制，不能同
时控制多个回路的缺点。
计算机
外存储器
调巧舗
图1.16操作指导系统框图
1.14简述直接数字控制系统的结构和特点。
解答：
直接数字控制系统DDC结构如图1.17所示。
这类控制是计算机把运算结果直接输岀去控制生产过程，简称DDC系统。
这类系统属于闭环系统，计算机系统对生产过程各参量进行检测,根据规定的数学模型，如PID算法进行运算，然后发出控制信号，直接控制生产过程。
它的主
要功能不仅能完全取代模拟调节器，而且只要改变程序就可以实现其他的复杂控制规律，如前馈
控制、非线性控制等。
它把显示、打印、报警和设定值的设定等功能都集中到操作控制台上，实现集中监督和控制给操作人员带来了极大的方便。
但DDC对计算机可靠性要求很高，否则会影
响生产
J息朿集
!
<■对
计直机
控制台
图1.17直接数字控制系统
1.15简述计算机监督控制系统的结构和特点。
解答：
监督控制系统有两种形式。
（1）SCC加模拟调节器的系统
这种系统计算机对生产过程各参量进行检测，按工艺要求或数学模型算岀各控制回路的设定值，然后直接送给各调节器以进行生产过程调节，其构成如图1.18所示。
这类控制的优点是能够始终使生产过程处于最优运行状态，与操作指导控制系统比较，它不会因手调设定值的方式不同而引起控制质量的差异。
其次是这种系统比较灵活与安全，一旦
*[5¥]
+[hS]
SCC计算机发生故障，仍可由模拟调节器单独完成操作。
它的缺点是仍然需采用模拟调节器。
_SCC
计算机
倍息采虫
图1.18SCC加调节器的系统框图
（2）SCC力廿DDC的系统
在这种系统中，SCC计算机的输岀直接改变DDC的设定值，两台计算机之间的信息联系可
通过数据传输直接实现，其构成如图1.19所示。
这种系统通常一台SCC计算机可以控制数个DDC计算机，一旦DDC计算机发送故障时,可用SCC计算机代替DDC的功能，以确保生产的正常进行。
外存储器
操作控制台
图1.19SCC力口DCC的系统框图
即控制多个控制回路或控
1.16简述集中控制系统的结构和特点。
解答：
这种系统是由一台计算机完成生产过程中多个设备的控制任务,
制点的计算机控制系统。
控制计算机一般放置在控制室中，通过电缆与生产过程中的多种设备连接。
集中控制系统具有结构简单、易于构建系统造价低等优点，因此计算机应用初期得到了较为广泛的应用。
但由于集中控制系统高度集中的控制结构，功能过于集中，计算机的负荷过重，计算机岀现的任何故障都会产生非常严重的后果，所以该系统较为脆弱，安全可靠性得不到保障。
而且系统结构越庞大，系统开发周期越长，现场调试，布线施工等费时费力不，很难满足用户的
要求。
1.仃简述DCS控制系统的结构和特点。
解答：
集散型控制系统（DCS，DistributedControlSystem）是由以微型机为核心的过程控制单元
（PCU）、高速数据通道（DHW）、操作人员接口单元（OIU）和上位监控机等几个主要部分
组成，如图1.21所示。
各部分功能如下：
（1）过程控制单元（PCU）由许多模件（板）组成，每个控制模件是以微处理器为核心组
成的功能板，可以对几个回路进行PID、前馈等多种控制。
一旦一个控制模件出故障，只影响与
之相关的几个回路，影响面少，达到了“危险分散”的目的。
此外，PCU可以安装在离变送器
和执行机构就近的地方，缩短了控制回路的长度，减少了噪声，提高了可靠性，达到了“地理上”的分散。
（2）高速数据通道（DHW）是本系统综合展开的支柱，它将各个PCU、OIU、监控计算机等有机地连接起来以实现高级控制和集中控制。
挂在高速数据通道上的任何一个单元发生故障，
都不会影响其他单元之间的通信联系和正常工作。
（3）操作人员接口（OIU）单元实现了集中监视和集中操作，每个操作人员接口单元上都
配有一台多功能CRT屏幕显示，生产过程的全部信息都集中到本接口单元，可以在CRT上实现
多种生产状态的画面显示，它可以取消全部仪表显示盘，大大地缩小了操作台的尺寸，对生产过程进行有效的集中监视，此外利用键盘操作可以修改过程单元的控制参数，实现集中操作。
（4）监控计算机实现最优控制和管理，监控机通常由小型机或功能较强的微型机承担，配
备多种高级语言和外部设备，它的功能是存取工厂所有的信息和控制参数，能打印综合报告，能
进行长期的趋势分析以及进行最优化的计算机控制，控制各个现场过程控制单元（PCU）工作。
OIU!
OlUi
监控计茸机
、亠
PCU!
A
生产过程
PCUi
N
生产过程
集散控制系统
DHW
~7
1.21
1.18简述NCS控制系统的结构和特点。
解答：
以太网络为代表的网络控制结构如图用Ethernet，网络层和传输层采用国际标准传感器可以很方便地接入以太控制网。
fl
工业PC
Ethcrncl
网关
工业PC
Ethcrncl
网关
图1.23以太控制网络组成
1.23所示。
以太控制网络最典型应用形式为顶层采TCP/IP。
另外，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和以太控制网容易与信息网络集成，组建起统一的企业网络。
1.19简述FCS控制系统的结构和特点。
解答：
现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）的体系结构主要表现在：
现场通信网络、现场设备互连、控制功能分散、通信线供电、开放式互连网络等方面。
由于FCS底层产品都是带有CPU的智能单元，FCS突破了传统DCS底层产品4-20mA模拟信号的传输。
智能单元靠近现场设备，它们可以分别独立地完成测量、校正、调整、诊断和控制的功能。
由现场总线协议将它们连接在一起，任何一个单元出现故障都不会影响到其它单元，更不会影响全局，实现了彻底的分散控制，使系统更安全、更可靠。
传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按照控制回路进行连接。
FCS采用了智能仪表
1.22
（智能传感器、智能执行器等），利用智能仪表的通信功能，实现了彻底的分散控制。
图为传统控制系统与FCS的结构对比。
工业PC
（1）樓嫌控制系赁示懸图
AI110
LANM
PW110
暂链悖惑軽！
！
3
图1.22传统控制系统与现场总线控制系统结构的比较
1.20*SPI总线中的从控器应满足什么要求？
解答：
略。
1.21*智能仪表接入计算机有几种途径？
解答：
两种，一种是485串行方式，另一种是以太网方式。
1.22*针对计算机控制系统所涉及的重要理论问题，举例说明。
解答：
1.信号变换问题
多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的，而计算机控制系统在结构上
通常是由模拟与数字部件组成的混合系统。
同时，计算机是串行工作的，必须按一定的采样间隔
（称为采样周期）对连续信号进行采样，将其变成时间上是断续的离散信号，并进而变成数字信
号才能进入计算机；反之，从计算机输岀的数字信号，也要经过D/A变换成模拟信号，才能将
控制信号作用在被控对象之上。
所以，计算机控制系统除有连续模拟信号外，还有离散模拟、离
散数字等信号形式，是一种混合信号系统。
这种系统结构和信号形式上的特点，使信号变换问题
成为计算机控制系统特有的、必须面对和解决的问题。
2.对象建模与性能分析
计算机控制系统虽然是由纯离散系统的计算机和纯连续系统的被控对象而构成的混合系
统，但是为了分析和设计方便，通常都是将其等效地化为离散系统来处理。
对于离散系统，通常
使用时域的差分方程、复数域的z变换和脉冲传递函数、频域的频率特性以及离散状态空间方程作为系统数学描述的基本工具。
3.控制算法设计
在实际工程设计时，数字控制器有两种经典的设计方法，即模拟化设计方法和直接数字设
计方法，它们基本上属于古典控制理论的范畴，适用于进行单输入、单输出线性离散系统的算法
设计。
以状态空间模型为基础的数字控制器的设计方法，属于现代控制理论的范畴，不仅适用于
单输入、单输出系统的设计，而且还适用于多输入、多输出的系统设计，这些系统可以是线性的
也可以是非线性的；可以是定常的，也可以是时变的。
4.控制系统实现技术
在计算机控制系统中，由于采用了数字控制器而会产生数值误差。
这些误差的来源、产生
的原因、对系统性能的影响、与数字控制器程序实现方法的关系及减小误差影响的方法，如A/D
转换器的量化误差；当计算机运算超过预先规定的字长，必须作舍入或截断处理，而产生的乘法
误差；系统因不能装入某系数的所有有效数位，而产生的系数设置误差；以及这些误差的传播，都会极大的影响系统的控制精度和它的动态性能，因此计算机控制系统的工程设计是一项复杂的
系统工程，涉及的领域比较广泛。
举例略。
第七章信号转换与z变换
习题与思考题
2.1什么叫频率混叠现象，何时会发生频率混叠现象？
解答：
采样信号各频谱分量的互相交叠，称为频率混叠现象。
当采样频率•”：
2-max时，采样
函数f*（t）的频谱已变成连续频谱，重叠部分的频谱中没有哪部分与原连续函数频谱F（j•）相
似，这样，采样信号f
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