计算机控制技术课后习题与答案.docx
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计算机控制技术课后习题与答案
第一章习题答案
1、什么是计算机控制系统?
它的工作原理是怎样的？
计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程控制的系统．
原理图
计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：
（1）实时数据采集：
对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
（2）实时决策：
对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
（3）实时控制：
根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2、计算机控制系统由哪几部分组成?
请画出计算机控制系统的组成框图。
计算机控制系统由工业控制机和生产过程两个大部分组成．工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分．生产过程包括被控对象、测鼍变送、执行机构、电气开关装置．
计算机控制系统的组成框图
3、计算机控制系统的典型型式有哪些?
各有什么优缺点?
答：
操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、分散控制系统、现场总线控制系统、综合自动化系统
（1）操作指导控制系统：
在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。
计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。
（2）直接数字控制系统（DDC系统）：
DDC（DirectDigitalControl）系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。
DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。
（3）计算机监督控制系统（SCC系统）：
SCC（SupervisoryComputerControl）系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。
SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。
（4）分散控制系统（DCS）优点：
分敢控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调．
（5）现场总线控制系统（FCS）优点：
与DCS相比，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构
4、实时、在线方式和离线方式的含义是什么?
（1）实时：
所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
（2）“在线”方式：
在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
（3）“离线”方式：
若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
5、简述计算机控制系统的发展概况。
随着微电子技术的发展，计算机经历了从大型机到小型机，再到微型机的发展过程，使计算机控制应用不断普及，进入到了真正的实用阶段。
特别是进入新世纪以来，计算机技术的日新月异以及与先进控制技术相结合使计算机控制技术深入到了人类社会的各个领域，进入了一个全新的高速发展时期。
20世纪70年代出现的集散控制系统（DCS）和可编程序控制器（PLC），是计算机工业控制系统走向柔性化、网络化、集散化和递阶化的开端。
20世纪90年代兴起的现场总线控制系统（FCS）开创了“现场总线仪表一工作站”的控制结构模式，使计算机控制系统做到了彻底分散，更加提高了系统的可靠性。
另一方面，随着个人计算机和单片机的发展，基于PC机的工业控制计算机（IPC）也得到了广泛的应用。
上世纪末期发展起来的单片机及嵌入式系统等以其价格低和体积小的优势，使智能仪器和智能仪表在控制场合中的应用也越来越广。
现代工业生产规模的日益复杂化和大型化趋势，对控制计算机提出了更高的要求。
计算机不仅要完成面向过程的控制和优化任务，还要在获取生产过程各种信息的基础上进行这个过程的信息综合和优化调度，完成生产、经营管理和其它综合管理工作。
这种集企业的管理、监督与控制为一体的计算机综合自动化系统被称为计算机集成制造系统（CIMS）或计算机集成过程系统（CIPS）。
此外，监督控制与数据采集系统（SCADA）、可编程自动化控制器（PAC）和无线传感器网络（WSN）等各种控制系统也为计算机控制方法提供了新的应用领域。
计算机控制系统中的数据处理和控制决策运算工作都是由软件完成的，因此也就为各种复杂的、先进的和智能的算法的应用和实现提供了可能。
预测控制、模糊控制、鲁棒控制、智能控制、自适应控制、软测量等等应用于工业生产过程并取得了明显的经济效益和社会效益。
计算机显示技术的进步也使作为现代控制系统人机接口（HMI）的监控画面及其操作非常方便直观。
由于其实时性和可靠性的特殊要求，控制计算机软件的编程也有着自己的特点。
计算机监控程序的编程，根据不同情况可以使用汇编语言或者高级语言实现。
专门为现代控制系统所设计的各种组态软件为监控程序提供了非常方便的生成工具，是目前现场技术人员最常用的编程方法之一。
6、讨论计算机控制系统的发展趋势。
（1）控制系统的网络化
（2）控制系统的扁平化
（3）控制系统的智能化
（4）控制系统的综合化
第二章输入输出过程通道习题参考答案
1.何谓总线？
总线有什么功能？
总线标准是怎样形成的？
总线是一组信号线的集合。
这些线是系统的各插件间（或插件内部芯片间）、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。
在微型计算机的硬件设计中，许多厂商设计和提供了许多具有不同功能的插件（亦称“模板”）。
用户为了构成计算机应用系统，希望这些模板能互相兼容。
这种兼容是指插件的尺寸、插座的针数及类型、插针的逻辑定义、控制插件工作的时序及电气特性等相同。
也就是说为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接各插件或各系统的基础——总线，制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块提供统一的依据。
因此，采用同一总线标准的不同厂家的插件模块，就可以组成可正常工作的系统。
1.什么是接口、接口技术和过程通道?
接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。
接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。
外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机，而计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。
系统运行过程中，信息的交换是频繁发生的。
过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。
生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机，计算机经过计算和处理后的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生产过程的控制。
2.采用74LS244和74LS273与PC/ISA总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输入接口和8路数字量（开关量）输出接口，请画出接口电路原理图，并分别编写数字量输入和数字量输出程序。
参考课本，答案略。
3.用8位A/D转换器ADC0809与PC/ISA总线工业控制机接口，实现8路模拟量采集。
请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。
参考课本，答案略。
4.用12位A/D转换器AD574与PC/ISA总线工业控制机接口，实现模拟量采集。
请画出接口电路原理图，并设计出A/D转换程序。
参考课本，答案略。
5、请分别画出一路有源I/V变换电路和一路无源I/V变换电路图，并分别说明各元器件的作用?
变送器输出的信号为0～10mA或4～20mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。
对于电动单元组合仪表，DDZ-Ⅱ型的输出信号标准为0～10mA,而DDZ-Ⅲ型和DDZ-S系列的输出信号标准为4～20mA，因此，针对以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。
①无源I/V变换
无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，如图所示。
C
R1
R2
I
D
V
+5V
无源I/V变换电路
对于0～10mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=500Ω，且R２为精密电阻，这样当输入的I为0～10mA电流时，输出的V为0～5V.对于4～20mA输入信号，可取R１=100Ω，R２=250Ω，且R２为精密电阻，这样当输入的I为4～20mA时，输出的V为1～5V。
②有源I/V变换
有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成，如图所示。
R2为精密电阻，阻值为250Ω，通过取样电阻R2，将电流信号转换为电压信号。
取R3=1KΩ，R4设定为4.7KΩ电位器，通过调整Rf的值，可使0～10mA输入对应于0～5V的电压输出，4～20mA输入对应于1～5V的电压输出。
V
C
R1
R2
+
-
A
I
+
-
A
Rf
R4
R3
R5
有源I/V变换电路
6、什么是采样过程、量化、孔径时间?
按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、T、2T、…、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。
所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。
将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。
在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称之为孔径时间。
对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，即为孔径误差。
7、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?
为什么?
（1）A/D转换过程（即采样信号的量化过程）需要时间，这个时间称为A/D转换时间。
在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。
所以，一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，还需加保持器作信号保持。
保持器把t=kT时刻的采样值保持到A/D转换结束。
（2）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。
7（附加）：
采样保持器中保持电容的大小对数据采集系统的影响。
采样保持器的作用：
A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。
在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。
这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。
保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。
保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的跟随特性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差。
不是，对于输入信号变化很慢，如温度信号；或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，就不必再选用采样保持器
8.一个8位A/D转换器，孔径时间为100μS，如果要求转换误差在A/D转换器的转换精度（0.4%）内，求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少?
9.试AD1674、LF398、CD4051和PC/ISA总线工业控制机接口，设计出8路模拟量采集系统，请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模拟量数据采集程序。
单路模拟量电路原理图如下图所示。
10.采用DAC0832和PC/ISA总线工业控制机接口，请画出接口电路原理图，并编写D/A转换程序。
11.采用DAC1210和PC/ISA总线工业控制机接口，请画出接口电路原理图，并编写D/A转换程序。
答案：
略。
12.请分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推导出输出电压与输入数字量之间的关系式。
为单极性输出，若D为输入数字量，
为基准参考电压，且为n位D/A转换器，则有
；
为双极性输出，可以推出
13.采用DAC0832、运算放大器、CD4051等元器件与PC/ISA总线工业控制机接口，设计8路模拟量输出系统，请画出接口电路原理图，并编写8路模拟量输出程序。
答案：
略。
14.基于RS-485串行总线的主从分布式测控系统的结构形式是怎样的？
基于RS-232/RS-485转换模块的硬件设计方案
可编程控制器
RS-485
…
转换器
RS-232
RS-485
其它智能装置
智能I/O模块
智能调节器
RS-485
RS-485
RS-485
IPC
基于RS-485总线扩展卡的硬件设计方案
可编程控制器
RS-485
…
RS-485总线扩展卡
RS-485
其它智能装置
智能I/O模块
智能调节器
RS-485
RS-485
RS-485
IPC
系统总线
15、什么是串模干扰和共模干扰?
如何抑制?
答：
所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。
这里的被测信号是指有用的直流信号或缓慢变化的交变信号，而干扰噪声是指无用的变化较快的杂乱交变信号。
其抑制方法有：
①如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。
②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。
③对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。
④从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。
⑤采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。
选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。
16、MAX1232有哪些主要功能?
MAX1232的主要功能有：
电源监控、按钮复位输入、监控定时器（Watchdog）。
17、计算机控制系统中一般有哪几种地线?
请画出回流法接地和一点接地示意图。
在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：
模拟地、数字地、安全地、系统地和交流地。
模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。
数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。
安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。
通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。
系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。
交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。
18、数字量过程通道由哪些部分组成？
各部分的作用是什么？
数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。
数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。
数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。
其中：
输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量，进行电平转换，将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题。
19、简述两种硬件消抖电路的工作原理。
采用积分电路的硬件消抖电路，首先利用积分电路将抖动的高频部分滤出，其次利用施密特触发器整形。
采用RS触发器的硬件消抖电路，主要是利用RS触发器的保持功能实现消抖。
20、简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。
光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图2.1所示。
输入电流流过二极管时使其发光，照射到光敏三极管上使其导通，完成信号的光电耦合传送，它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离。
光电耦合器电路图
21、模拟量输入通道由哪些部分组成？
各部分的作用是什么？
模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。
（1）I/V变换：
提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。
（2）多路转换器：
用来切换模拟电压信号的关键元件。
（3）采样保持器：
A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。
在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。
这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。
（4）A/D转换器：
模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模/数转换器（Analog/DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC）。
22、对理想多路开关的要求是什么？
理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。
此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。
23、计算机控制系统的常用接地方法是什么？
（1）一点接地和多点接地
（2）模拟地和数字地的连接
（3）主机外壳接地
（4）多机系统的接地
24、微机常用的直流稳压电源由哪些部分组成？
各部分的作用是什么？
微机常用的直流稳压电源如图所示。
该电源采用了双隔离、双滤波和双稳压措施，具有较强的抗干扰能力，可用于一般工业控制场合。
抗干扰直流稳压电源示意图
（1）隔离变压器
隔离变压器的作用有两个：
其一是防止浪涌电压和尖峰电压直接窜入而损坏系统；其二是利用其屏蔽层阻止高频干扰信号窜入。
（2）低通滤波器
各种干扰信号一般都有很强的高频分量，低通滤波器是有效的抗干扰器件，它允许工频50Hz电源通过，而滤掉高次谐波，从而改善供电质量。
（3）交流稳压器
交流稳压器的作用是保证供电的稳定性，防止电源电压波动对系统的影响。
（4）电源变压器
电源变压器是为直流稳压电源提供必要的电压而设置的。
为了增加系统的抗干扰能力，电源变压器做成双屏蔽形式。
（5）直流稳压系统
直流稳压系统包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波器等几部分，常用的直流稳压电路如图所示。
直流稳压系统电路图
一般直流稳压电源用的整流器多为单相桥式整流，直流侧常采用电容滤波。
图中C1为平滑滤波电容，常选用几百～几千μF的电解电容，用以减轻整流桥输出电压的脉动。
C2为高频滤波电容，常选用0.01～0.1μF的瓷片电容，用于抑制浪涌的尖峰。
作为直流稳压器件，现在常用的就是三端稳压器78XX和79XX系列芯片，这类稳压器结构简单，使用方便，负载稳定度为15mV，具有过电流和输出短路保护，可用于一般微机系统。
三端稳压电源的输出端常接两个电容C3和C4，C3主要起负载匹配作用，常选用几十～几百μF的电解电容；C4中抗高频干扰电容，常选取0.01～0.1μF的瓷片电容。
第三章数控系统习题参考答案
1、什么是数控系统？
数控系统包括哪些？
数控系统是采用数字电子技术和计算机技术，对生产机械进行自动控制的系统，它包括顺序控制和数字程序控制两部分。
2、什么是数字程序控制？
数字程序控制有哪几种方式？
数字程序控制，就是生产机械（如各种加工机床）根据数字计算机输出的数字信号，按规定的工作程序。
运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的控制方式。
数字程序控制方式：
点位控制、直线控制和轮廓控制。
3、数控系统由哪些部分组成？
各部分的作用是什么？
由五部分组成。
（1）输入装置：
一般指微机的输入设备，如键盘。
其作用是输入数控系统对生产机械进行自动控制时所必需的各种外部控制信息和加工数据信息。
（2）微机：
微机是MNC系统运算和控制的核心。
在系统软件指挥下，微机根据输入信息，完成数控插补器和控制器运算，并输出相应的控制和进给信号。
若为闭环数控系统，则由位置检测装置输出的反馈信息也送入微机进行处理。
（3）输出装置：
一般包括输出缓冲电路、隔离电路、输出信号功率放大器、各种显示设备等。
在微机控制下，输出装置一方面显示加工过程中的各有关信息，另一方面向被控生产机械输出各种有关的开关量控制信号（冷却、启、停等），还向伺服机构发出进给脉冲信号等。
（4）伺服机构：
一般包括各种伺服元件和功率驱动元件。
其功能是将输出装置发出的进给脉冲转换成生产机械相应部件的机械位移（线位移、角位移）运动。
（5）加工机械：
即数控系统的控制对象，各种机床、织机等。
目前已有专门为数控装置配套设计的各种机械，如各种数控机床，它们的机械结构与普通机床有较大的区别。
4、什么是逐点比较插补法？
直线插补计算过程和圆弧插补计算过程各有哪几个步骤？
逐点比较法插补运算，就是在某个坐标方向上每走一步（即输出一个进给脉冲），就作一次计算，将实际进给位置的坐标与给定的轨迹进行比较，判断其偏差情况，根据偏差，再决定下一步的走向（沿X轴进给，还是沿Y轴进给）。
逐点比较法插补的实质是以阶梯折线来逼近给定直线或圆弧曲线，最大逼近误差不超过数控系统的一个脉冲当量（每走一步的距离，即步长）。
直线插补计算过程的步骤如下：
（1）偏差判别：
即判别上一次进给后的偏差值Fm是最大于等于零，还是小于零；
（2）坐标进给：
即根据偏差判断的结果决定进给方向，并在该方向上进给一步；
（3）偏差计算：
即计算进给后的新偏差值Fm+1，作为下一步偏差判别的依据；
（4）终点判别：
即若已到达终点，则停止插补；若未到达终点，则重复上述步骤。
圆弧插补计算过程的步骤如下：
（1）偏差判别
（2）坐标进给
（3）偏差计算
（4）坐标计算
（5）终点判别
5、若加工第二象限直线OA，起点O（0，0），终点A（-4，6）。
要求：
（1）按逐点比较法插补进行列表计算；
（2）作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。
解：
由题意可知xe=4,ye=6，F0=0，我们设置一个总的计数器Nxy,其初值应为Nxy=|6-0|+|-4-0|=10，则插补计算过程如表所示。
根据插补计算过程表所作出的直线插补走步轨迹图如下图所示。
步数
偏差判别
坐标进给
偏差计算
终点判别
起点
F0=0
Nxy=10
1
F0=0
-X
F1=F0-ye=-6
Nxy=9
2
F1<0
+Y
F2=F1+xe=-2
Nxy=8
3
F2<0
+Y
F3=F2+xe=2
Nxy=7
4
F3>0
-X
F4=F3-ye=-4
Nxy=6
5
F4<0
+Y
F5=F4+xe=0
Nxy=5
6
F5=0
-X
F6=F5-ye=-6
Nxy=4
7
F6<0
+Y
F7=F6+xe=-2
Nxy=3
8
F7<0
+Y
F8=F7+xe=2
Nxy=2
9
F8>0
-X
F9=F8-ye=-4
Nxy=1
10
F9<0
+Y
F10=F9+xe=0
Nxy=0
6、设加工第一象限的圆弧
AB，起点A（6，0），终点B（0，6）。
要求：
（1）按逐点比较法插补进行列表计算；
（2）作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。
解：
插补计算过程如表所示。
终点判别仍采用一个总的计数器Nxy，每走一步便减1操作，当Nxy=0时，加工到终点，插补运算结束。
下图为插补过程中的走步轨迹。
步数
偏差判别
坐标进给
偏差计算
坐标
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