计算机答案调整过的分解Word下载.docx

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根据稳定性要求，G（z）中z=1的极点应包含在Φe（z）的零点中，由于系统针对等速输入进行设计，故p=2。

为满足准确性条件另有Φe（z）=（1-z-1）2F1（z）,显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设

（图略）。

6、与连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？

与连续控制系统相比，计算机控制系统具有以下特点：



（1）计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。

（2）在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的（数字控制器），修改一个控制规律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。

（3）计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

（4）计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。

（5）一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。

（6）采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。

7、增量型PID控制算式具有哪些优点？

（1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小；

（2）在i时刻的输出ui，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差ei-1，ei-2和前一次的输出值ui-1，这大大节约了内存和计算时间；

（3）在进行手动-自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。

8、如何利用试凑法调整PID算法的参数？

（1）先整定比例部分：

将比例系数KP由小调大，并观察相应的系统响应趋势，直到得到反映快、超调小的响应曲线。

如果系统没有静差或静差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那只须用比例调节器即可，最优比例系数也由此确定。

（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。

整定时一般先置一个较大的积分时间系数TI,同时将第一步整定得到的比例系数KP缩小一些（比如取原来的80%），然后减小积分时间系数使在保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的静差得到消除。

在此过程中，可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数KP和积分时间系数TI,从而实现满意的控制过程和整定参数。

（3）如果即使有比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不尽满意，则可以加入微分环节，构成PID控制器。

在整定时，可先置微分时间系数TD为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数TD，同时相应地改变比例系数KP和积分时间系数TI，逐步试凑，以获得满意的调节效果和控制参数。

9、与应用了传统的通用计算机的数字产品相比，嵌入式系统有哪些特点？

系统内核小；

系统精简；

高实时性和高可靠性；

智能化和网络化；

专用性强；

需要有专用的开发工具和环境。

10、简述开关量光电耦合输入电路中，光电耦合器的作用。

从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。

常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。

11.何为积分饱和现象？

在标准PID位置算法中，控制系统在启动、停止或者大幅度提降给定值等情况下，系统输出会出现较大的偏差，这种较大偏差，不可能在短时间内消除，经过积分项累积后，可能会使控制量u（k）很大，甚至超过执行机构的极限umax。

另外，当负误差的绝对值较大时，也会出现u<

umin的另一种极端情况。

显然，当控制量超过执行机构极限时，控制作用必然不如应有的计算值理想，从而影响控制效果。

这类现象在给定值突变时容易发生，而且在起动时特别明显，故也称“起动效应”。

12.已知广义被控对象为：

其中，T=1s。

期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=0.5s,应用大林算法确定数字控制器。

闭环系统理想脉冲传递函数为

得大林控制器如下

13、如何消除积分饱和现象？

减小积分饱和的关键在于不能使积分项累积过大。

因此当偏差大于某个规定的门限值时，删除积分作用，PID控制器相当于一个PD调节器，既可以加快系统的响应又可以消除积分饱和现象，不致使系统产生过大的超调和振荡。

只有当误差e在门限

之内时，加入积分控制，相当于PID控制器，则可消除静差，提高控制精度。

14、给出常规的直接设计法或离散化设计法的具体设计步骤。

直接设计法或称离散化设计法的具体设计步骤如下：

（1）根据已知的被控对象，针对控制系统的性能指标要求及其它约束条件，确定理想的闭环脉冲传递函数

；

（2）确定数字控制器的脉冲传递函数D（z）；

根据D（z）编制控制算法程序。

15、信号隔离的主要方法。

信号隔离方法主要有变压器隔离和光电隔离，变压器隔离适用于模拟信号隔离，光电隔离则特别适合数字信号的隔离。

16、增量型PID的差分控制算式。

增量型PID控制算式可以写为

17、如何消除比例和微分饱和现象？

“积分补偿法”。

其中心思想是将那些因饱和而未能执行的增量信息积累起来，一旦有可能再补充执行。

这样，动态过程也得到了加速。

即，一旦△u超限，则多余的未执行的控制增量将存储在累加器中；

当控制量脱离了饱和区，则累加器中的量将全部或部分地加到计算出的控制增量上，以补充由于限制而未能执行的控制。

第二部分

1、计算机控制系统的类型（图及工作原理）

（1）类型有：

操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统，分级计算机控制系统。

（图及工作原理见PPt1）

操作指导系统是指：

计算机的输出不直接用来控制被控对象，只是每隔一定时间，计算机进行一次数据采集，将系统的一些参数经A/D转换后送入计算机进行计算及处理，然后进行报警、打印和显示。

操作人员根据这些结果去改变调节器的给定值或直接操作执行机构

直接数字控制系统是：

计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。

计算机通过检测元件对一个或多个系统参数进行巡回检测，并经过输入通道送入计算机。

计算机根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。

监督计算机控制系统是：

在SCC系统中，由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳控制输出送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或者DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最佳工作状态。

分级计算机控制系统：

装置控制级（DDC级）、工厂集中控制级、车间监督级（SCC级）企业管理级

各工作原理图如下：

2、名词解释（CIMS，DDC，SOC，MCU，MPU，DCS，数字滤波）

CIMS：

是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将工厂中的全部生产环节，包括产品设计、生产规划、生产控制、生产设备、生产过程等所需使用的各种分散的自动化系统有机的集成起来，消除“自动化孤岛”，实现多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的智能制造系统。

DDC：

系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。

SOC：

是一种基于IP（IntellectualProperty）核嵌入式系统设计技术。

MCU：

又称单片微型计算机或者单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制

MPU：

是主板芯片组中起主导作用的最重要的组成部分，在计算机中起到转接桥的作用，转接数据

DCS：

它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便

数字滤波是：

把A/D转换得到的数据通过软件按照一定的算法进行平滑加工等处理，再送给控制程序运算，以增强其有效信号、消除或减小各种干扰和噪声，从而提高控制精度和系统的可靠性与稳定性

3、开关量光电耦合输入电路及工作原理

工作原理：

上图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。

4、光电耦合器件原理与使用

原理：

光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于它价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场设备与计算机系统之间的隔离保护。

根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器件可分为三极管型、可控硅型等几种，但其工作原理都是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。

使用：

当输入侧流过一定的电流IF时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通；

当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。

这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。

5、使用光电隔离器件的注意事项

输入侧导通电流频率特性输出端工作电流输出端暗电流隔离电压电源隔离

6、继电器式开关量输出电路及其工作原理

工作原理：

继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大，即利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成从直流低压到交流（或直流）高压、从小功率到大功率的转换。

使用继电器输出时，为克服线圈反电势，常在继电器的线圈上并联一个反向二级管。

继电器输出也可以提供电气隔离功能，但其触点在通断瞬间往往容易产生火花而引起干扰，还是必须予以注意的，一般可采用阻容电路予以吸收。

7．多路复用方式A/D转换图及其原理

图2.16所示电路工作时，由计算机控制多路模拟开关选择某一路模拟信号，将其送至采样保持器，再经放大、A/D转换处理变为数字量，从而完成该路模拟输入的采样与转换工作

8、模拟量信号输入的光电隔离原理图及其特点

特点：

这种隔离保证了模拟量信号输入部分和计算机数字处理系统之间的彻底的电气隔离，而且由于是在数字接口部分隔离，使得其实现简单、造价低廉。

9．带光电隔离的多通道复用方式D/A转换的原理图及其特点

为了消除公共地线带来的干扰，提高系统的安全性和可靠性，应采用光电隔离措施来隔离计算机控制系统与现场被控设备。

10、在A/D转换器前使用采样保持器有什么作用？

在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换器的孔径时间（即转换时间）而造成较大的转换误差，克服的方法是在A/D转换器之前设置采样保持电路。

采样保持器平时处于“采样”状态，跟踪输入信号变化；

进行A/D转换之前使其处于“保持”状态，则在A/D转换期间一直保持转换开始时刻的模拟输入电压值；

转换结束后，又使其变为“采样”状态。

11．采样定理

采样定理:

如果连续信号

具有有限频谱，其最高频率为

则对

进行周期采样且采样角频率

时，连续信号

可以由采样信号

唯一确定，亦即可以从

无失真地恢复

12、采样周期的选择

从理论上讲，采样频率越高就越能如实反映被采样的连续信号的特征信息。

但是，从计算机控制系统角度来讲，选取过高的采样频率会使系统对硬件的要求过高，造成成本攀升，并且还会使干扰对系统的影响明显上升。

因此，应该综合考虑计算机控制系统中采样周期的选择问题。

13、PID控制规律（算法公式、特点、改进、参数整定）（写出增量型PID控制算式，并说明对微分项的改进可采取什么措施？

）（PPt5）

算法公式：

（1）计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小

（2）在i时刻的输出ui，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差ei-1，ei-2和前一次的输出值ui-1，这大大节约了内存和计算时间

（3）在进行手动－自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡

改进：

积分饱和作用及其抑制、PID增量算法的饱和作用及其抑制、干扰的抑制

PID算式中微分项的改进

参数整定：

试凑法，简易工程法

增量型PID控制算式：

14．史密斯预估器（原理图、算法推导、工作原理）（PPt6）

原理图：

算法推导：

16、

17．大林算法与PID算法之间有什么关系?

三、嵌入式系统部分

1.名词解释（ARM、任务、进程和线程、ADS、RTOS、BSP，嵌入式系统，LAN，TCP/IP，资源与临界资源、Bootloader）

ARM：

AdvancedRISCMachines

1、任务：

是指一个程序分段，这个分段被操作系统当作一个基本工作单元来调度。

任务是在系统运行前已设计好的。

2、进程：

进程是指任务的一次运行过程，它是动态过程。

有些操作系统把任务和进程等同看待，认为任务是一个动态过程，即执行任务体的动态过程。

3、线程：

20世纪80年代中期，人们提出了比进程更小的能独立运行和调度的基本单位——线程，并以此来提高程序并发执行的程度。

近些年，线程的概念已被广泛应用。

4ADS的英文全称为ARMDeveloperSuite，是ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具。

5RTOS即：

实时系统（Real-timeoperatingsystem）实时系统能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。

它的正确性不仅依赖系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。

因此实时系统应该在事先先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力；

系统能够处理和储存控制系统所需要的大量数据。

6BSP（boardsupportpackage）是板级支持包，是介于主板硬件和操作系统之间的一层，应该说是属于操作系统的一部分,主要目的是为了支持操作系统，为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包，使之能够更好的运行于硬件主板。

7嵌入式系统–以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。

8LAN：

是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。

一般是方圆几千米以内。

局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。

局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机组成

9TCP/IP:

中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。

TCP/IP定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。

协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。

通俗而言：

TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。

而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址。

10资源与临界资源：

程序运行时可使用的软、硬件环境统称为资源。

主要包括CPU的可利用时间、系统可提供的中断源、内存空间与数据、通用外部设备等等。

如果系统中出现2个以上任务可能同时访问的共享资源，则称为临界资源。

系统中的公共数据区、打印机等都是临界资源。

11Bootloader：

在嵌入式操作系统中，BootLoader是在操作系统内核运行之前运行。

可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境

2、嵌入式操作系统的功能、特点。

嵌入式软件的特点。

嵌入式操作系统是：

用来管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等的软件模块集合。

软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术、行业技术为一体；

需要操作系统支持，代码小、执行速度快；

专用紧凑，用途固定，成本敏感；

可靠性要求高；

多样性，应用广泛、种类繁多。

嵌入式软件的特点:

（1）软件要求固态化存储。

（2）软件代码要求高质量、高可靠性。

（3）系统软件的高实时性是基本要求。

（4）多任务实时操作系统成为嵌入式应用软件的必须。

3、实时系统通常具备的重要特性。

衡量实时性的指标。

实时操作系统（RTOS）是具有实时性且能支持实时控制系统工作的操作系统。

实时性：

响应速度快，只有几微秒；

执行时间确定、可预测；

代码尺寸小，10～100KB节省内存空间，降低成本；

应用程序开发较难；

需要专用开发工具：

仿真器、编译器和调试器等。

指标：

响应时间：

指计算机从识别一个外部事件到做出响应的时间。

生存时间：

指数据的有效等待时间，在这段时间里数据是有效的。

吞吐量：

指在一段给定时间内，系统可以处理事件的总数。

吞吐量通常比平均响应时间的倒数小一点。

4、ARM体系结构的流水线。

ARM7体系结构采用了3级流水线，分为取指，译码和执行。

ARM9体系结构5级流水线分为：

取指、指令译码、执行、数据缓存和写回。

5、C语言与汇编语言混合编程的方法。

汇编程序调用C程序的方法为：

首先在汇编程序中使用IMPORT伪指令事先声明将要调用的C语言函数；

然后通过BL指令来调用C函数。

C程序调用汇编子程序的方法为：

首先在汇编程序中使用EXPORT伪指令声明被调用的子程序，表示该子程序将在其他文件中被调用；

然后在C程序中使用extern关键字声明要调用的汇编子程序为外部函数。

6、嵌入式处理器分类。

嵌入式处理器又可以分为以下四类

（1）嵌入式微控制器MCU

（2）嵌入式微处理器MPU

（3）数字信号处理器DSP（4）嵌入式片上系统

7、实时操作系统的特点。

常见的嵌入式操作系统名称。

（1）支持异步事件的响应实时操作系统为了对外部事件在规定的时间内进行响应，要求具有中断和异步处理的能力。

（2）中断和调度任务的优先级机制为区分用户的中断以及调度任务的轻重缓急，需要有中断和调度任务的优先级机制。

（3）支持抢占式调度为保证高优先级的中断或任务的响应时间，实时操作系统必须提供一旦高优先级的中断或任务准备好，就能马上抢占低优先级任务的CPU使用权的机制。

（4）确定的任务切换时间和中断延迟时间确定的任务切换时间和中断延迟时间是实时操作系统区别于普通操作系统的一个重要标志，是衡量实时操作系统实时性的重要标准。

（5）支持同步提供同步和协调共享数据的使用。

常见的嵌入式操作系统有：

VxWorks、μC/OS、μC/OS-Ⅱ、WindowsCE

8、非抢占式调度算法和抢占式调度算法原理。

非抢占式调度算法也称作合作型多任务。

中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态，但中断服务以后控制权还是回到原来被中断的任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时，高优先级的任务才能获得CPU的使用权。

抢占式调度算法确保最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。

ISR低优先级任务

9、嵌入式软件开发的特点。

嵌入式系统开发的流程。

–需要交叉开发环境：

交叉开发环境是指实现编译、链接和调试应用程序代码的环境。

–引入任务设计方法

–需要固化程序

–软件开发难度大

整个开发流程可分为：

需求分析阶段设计阶段生成代码阶段固化阶段

10、Linux常用命令（mount、cd、umount、clear、mkdir、ls、cp、rm）

11、vivi的启动过程。

Linux移植的内容。

vivi的启动过程分为两个阶段：

阶段1和阶段2。

阶段1的主要工作是：

硬件初始化；

配置串口；

复制自身到SDRAM中（跳转到C代码的入口函数）。

阶段2的主要工作是：

对硬件系统继续初始化；

内存映射初始化，内存管理单元MMU初始化；

初始化堆；

初始化MTD设备，MTD设备指具有闪存功能的设备，如闪存芯片、闪存卡等；

初始化私有数据；

初始化内置命令；

启动vivi。

所谓Linux移植，就是针对具体的目标平台对Linux做必要的改写后，安装到该目标平台并使其正确运行的过程。

基本内容包括：

（1）获取某一版本的Linux内核源码。

（2）根据具体的目标平台，对源码进行必要的改写（主要是修改有关体系结构的部分），然后添加一些驱动，打造一款适合目标平台的新的操作系统。

（3）对该系统进行针对目标平台的交叉编译，生成一个内核映像文件。

（4）将该映像文件烧写、安装到目标平台中。

12、开发Linux应用程序的步骤。

Makefile文件的编写，说明Makefile文件的作用。

开发Linux应用程序一般分为以下几个步骤：

编写程序，编写Makefile文件，编译程序，运行程序，将生成的可执行文件加入文件系统。

作用：

makefile关系到了整个工程的编译规则。

一个工程中的源文件不计数，其按类型、功能、模块分别放在若干个目录中，makefile定义了一系列的规则来指定，哪些文件需要先编译，哪些文件需要后编译，哪些文件需要重新编译，甚至于进行更复杂的功能操作，因为makefile就像一个Shell脚本一样，其中也可以执行操作系统的命令

13、Makefile的编写、Makefile的编写（第6章例题）。

14、设备驱动程序作为内核的一部分，可以完成哪些功能？

设备驱动程序作为内核的一部分,完成以下功能:

对设备初始化和释放；

把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；

读取应用程