北航三系计算机测试与控制复习题答案.docx

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北航三系计算机测试与控制复习题答案

计算机测试与控制复习题

1、绪论部分

（1）计算机测控系统的特点和功能？

（能给出4项以上主要功能）

①自动对零功能

②量程自动切换功能

③多点快速测控

④数字滤波功能

⑤自动修正误差

⑥数据处理功能

（2）了解计算机测控系统主要组成框图

（3）测控通道主要包括哪几种类型？

模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道

（4）计算机测控系统的工作步骤主要分为哪三步？

“实时”的含义？

①实时数据采集：

通过测量变送装置完成被控量的瞬时值的检测和输入。

②实时控制决策：

对采集的数据进行分析和处理，按预定的控制策略决定采取何种控制行为。

③实时控制输出：

根据控制决策，向执行机构发出实时控制信号，完成系统控制任务。

“实时”的含义是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间间隔内完成。

2、测控通道部分

（1）多通道模拟量输入通道结构形式有哪几种、各自的特点？

按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个可分为两种：

①集中采集式：

有分时采集型和同步采集型两种。

多路分时采集分时输入：

共用采样/保持器（S/H）和A/D电路，电路简化，存在时间偏斜误差，适合中低速测试系统；多路同步采集分时输出：

实现同步采样，信号路数较多时采样率不可能太高。

②分散采集式：

每一路信号都有一个S/H和A/D，多路同时采集同时输入。

（2）为什么电流输出传感器比电压输出传感器更适合信号远距离传输？

4-20mA电流传感器与0-20mA的优点是什么？

电流型信号既能保证精度又抗干扰，理想情况的外特性，相当于一个非常大的电压源串联了一个非常大的内阻。

传输线上的电阻和接线处的接触电阻只要不太大，只要和负载电阻之和仍然远远小于信号源内阻，就可以认为不影响收到的电流大小，仍然等于信号源的“短路电流”。

①4-20mA电流传感器可以用来检测电路中是否有断线,对于0-20mA,上电就为0,坏了也是0mA,改为4mA,如果线路损坏、断路,就是0mA,正常就是4mA；②变送器电路没有静态工作电流将无法工作，信号起点电流4mA.DC就是变送器的静态工作电流。

（3）模拟量输入调理电路的作用主要有哪些？

（3种以上）

实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等

（4）模拟量输入调理中前置放大器的作用？

前置放大器安排在滤波器之前还是之后，为什么？

作用：

多数传感器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。

低噪声前置放大器安排在滤波器之前，防止小信号被电路噪声淹没，有利于减少电路的等效输入噪声。

（5）主放大器与前置放大器有什么区别？

设置不设置主放大器、设置哪种主放大器的依据是什么？

主放大器：

采集电路中的放大器。

任务是将模拟信号数字化。

前置放大器设置在模拟调理电路前端，它是为减小模拟输入通道的等效输入噪声提高系统接收弱信号的能力而设置的，放大的是连续电信号。

主放大器设置在数据采集电路的MUX与S/H之间，放大的是经模拟多路切换器采样或选通的离散信号，它是为了提高数据采集电路的数据转换精度和数据转换范围而设置的

依据：

如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，而且各路信号的幅值也相差不大，那就没必要设置主放大器。

（Vij随i和j变化不大）

选取：

①程控增益放大器：

被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，但是各路信号的幅值相差很大；（Vij不随j变化但随i变化很大）

②瞬时浮点放大器：

被测量的多路模拟信号是随时间变化很快很大的信号，而且同一时刻各路信号的幅度也不一样。

（Vij随i和j变化）

（6）抗混叠滤波器的作用?

滤掉被采样信号中高于fs/2的频率分量，消除混叠失真。

由于实际低通滤波器的幅频特性不是矩形，即其下降陡度是有限值，而抗混叠滤波器的陡度应能保证把高于fs/2的干扰衰减到A/D的最小量化电平以下。

（7）采样保持器的主要参数，A/D转换加或不加采样保持器转换信号允许的最高频率分别为多少？

主要参数：

孔径时间（从发出保持指令到模拟开关完全断开时间tAP）、捕捉时间（从发出采样指令后S/H输出电压从原来保持值过渡到跟踪输入信号所需时间tAC）

①不加采样保持器：

A/D的位数m,不加A/D转换时间为tc

②加采样保持器：

如果采样保持器的捕获时间为TAC、孔径时间为TAP、A/D转换时间为tc，为使孔径时间造成的误差小于1LSB，则输入信号的最高频率：

而满足采样定理的输入信号的最高频率：

（8）十进制A/D（如3位半）和二进制A/D（如8位）的分辨率如何计算？

3位半A/D：

输出为四位，最高位只输出0和1，其他三位可显示0到9各位数

分辨率

二进制A/D：

8位：

已知分辨率计算位数：

（9）模拟量输入通道A/D转换器选择的主要依据是什么？

①位数的确定（信号的动态范围、转换精度）：

②A/D转换速率的确定

转换速率（单位时间内所能完成的转换次数）应由转换时间tc和休止时间t0二者共同决定：

（10）模拟量输出通道的结构类型有哪几种？

①数据分配分时转换结构②数据分配同步转换结构

③模拟分配分时转换结构

（11）为什么模拟量/开关量输出通道要通过锁存器与计算机数据总线相连？

D/A芯片中集成两级锁存器结构的用途是什么？

D/A转换需要一定时间且测控计算机接口总线不能被D/A独占，所以D/A输入端必须设置锁存器，以提供数据锁存功能。

两级锁存器：

能实现多通道D/A的同步转换输出

（12）开关量输入通道为什么通过输入缓冲器与计算机数据总线相连？

输入缓冲器的作用是将外部开关量输入设备与计算机总线隔离，当需要读入开关量状态信息时，缓冲器接通，使开关量数据通过总线读入计算机。

（13）机械开关闭合状态输入往往出现信号抖动，可以采用什么措施可靠读入开关状态信息？

①采用积分电路；②采用R-S触发器

（14）开关量输出驱动感性负载可能引起的干扰或潜在危害是什么？

可以采取的主要保护或抑制措施有哪些？

在感性负载情况下，电流相位滞后于电压，电流过零，会产生较高的反向感应电压。

直流：

采用续流二极管；交流：

RC吸收回路。

（15）固态继电器与机械触点继电器比的优点有哪些？

①寿命高，可靠性高；②输入驱动信号通过光电耦合器与输出隔离，抗干扰能力强；③可直接与测控计算机I/O口相联；④快速转换，灵敏度高；⑤需要的控制电流很小。

（16）了解步进电机驱动原理，能够画出三相步进电机单三拍正反转驱动波形、六拍驱动正反转波形、双三拍正反转驱动波形。

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕组。

定子几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/3て、2/3て。

单三拍正转与六拍正转的波形图（反转把图中B、C字母交换）：

单三拍：

A→B→C→A（正）A→C→B→A（反）

六拍：

A→AB→B→BC→C→CA→A（正）A→AC→C→CB→B→BA→A（反）

双三拍：

AB→BC→CA→AB（正）AB→ＣＡ→BC→AB（反）

（17）了解直流电机PWM调速原理（P45）

脉冲宽度调制（PWM）通过调节直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。

改变通电的方向，可改变电机转动的方向。

（18）单元电路级联设计中，若分别要求信号源馈送给负载的电压、电流、功率最大，则对级联单元间阻抗匹配的要求是什么？

匹配程度：

（19）信号以电压形式传输的模拟电路中，在前后级电路之间什么情况下需要插入电压跟随器，什么情况不需要，为什么？

（P49）

为实现负载匹配，在前级电路输出阻抗很大时需要插入电压跟随器。

因为电压跟随器的输入阻抗大，输出阻抗小，插入电压跟随器，可以使负载获得更大的分压。

（20）单元电路之间信号耦合方式有哪些种类？

光电耦合为什么抗干扰能力强？

直接耦合：

上一级输出直接与下一级输入相连，两个单元电路存在相互影响；

阻容耦合：

通过隔直电容耦合，‘隔直传变’；

变压器耦合：

通过变压器电磁耦合，‘隔直传变’；

光电耦合：

电信号变为光信号实现耦合。

光电耦合实现了上下级之间的电气隔离，而且噪声源产生的大电压小电流不足以使光电耦合导通，因而光电耦合抗干扰能力强。

（21）单片机与CPU的区别？

MCS-51单片机是多少位单片机？

其数据线多少位？

地址线多少位？

外扩程序存储器空间和数据存储器空间最大为多少？

这两个空间是否重叠？

单片机内除了集成有CPU外，还集成了存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）计数器/定时器以及其他有关部件，一块芯片就构成一台有独立功能的计算机。

而CPU主要功能是处理数据，只是单片机的一部分。

MCS-51单片机是8位单片机，数据线8位，地址线16位，程序存储器和数据存储器的最大扩展空间各为64KB,不重叠。

（22）单片机外部存储器、扩展可编程器件寻址方式（线选法、译码法）原理

①线选法：

直接利用系统的高位地址线作为存储器芯片（或I/O接口芯片）的片选信号，当要选中某个芯片时，单片机对应的片选信号引脚应为低电平，其它引脚为高电平。

优点：

电路简单，不需要地址译码器硬件，体积小，成本低。

缺点：

可寻址的器件数目受到限制，地址空间不连续，地址不唯一。

②译码法：

利用常用的译码器芯片（74LS138（3-8译码器）74LS139（双2-4译码器）74LS154（4-16译码器））产生片选信号，单片机发地址码时，译码器只有某一个固定的引脚输出为低电平，其余的为高电平。

同类存储器间不会产生地址重叠的问题。

（23）串行通信与并行通信的区别？

同步和异步通信的区别？

①串行通信：

所传送数据的各位按顺序一位一位地发送或接收，只需一根数据，一根地线，共2根（如双向通信发送和接收各需1根数据线）。

成本低，硬件方便，适合远距离通信，传输速度低。

②并行通信：

所传送数据的各位同时发送或接收，还可附加一位数据校验位，数据有多少位就需要多少根数据线。

速度快，成本高，适合近距离传输。

①异步（串行）通信是以字符为单位传送数据，用起始位0和停止位1标识每个字符的开始和结束，两次传送时间间隔不固定。

为可靠传递数据，在每次传送数据同时，增加了一些标志位。

②同步（串行）通信以数据块为单位传送数据，用同步字符（常约定1～2个字节）指示一帧的开始，除数据线、地线，还有时钟同步线，为提高速度去掉了标志位。

（24）什么是全双工、什么是半双工通信方式？

按通信方向氛围单工、半双工、全双工通信方式：

①单工方式：

一端是发送端，另外一端是接收端

②半双工：

每端口有一个发送器和一个接收器，通过开关连接在线路上，数据可以双向传送

③全双工：

通信双方用两个独立的收发器单独连接,可以同时发送和接收数据,因而提高速度

（25）RS232C标准的电气特性（电缆长度、逻辑电平、通信速率）

最大电缆长度：

15米

最大传输速率：

20KB/S

采用负逻辑：

“1”——-5V~-15V

“0”——+5V~+15V

不带负载时输出电平：

―25V∽+25V

输出短路电流：

<0.5A

最大负载电容:

2500pF

（26）LED显示器共阴极、共阳极结构及7/8段字型编码

（27）LED静态显示方式和动态显示方式原理及优缺点

①静态显示方式：

各位的公共端连接在一起（接地或+5V）。

每位的段码线（a～dp）分别与一个8位的锁存器输出相连。

显示字符一确定，相应锁存器的段码输出将维持不变，直到送入另一个段码为止。

优缺点：

显示的亮度高，但口线占用较多。

②动态显示方式：

所有位的段码线的相应段并在一起，由一个8位I/O口控制，形成段码线的多路复用，各位的公共端分别由相应的I/O线控制，形成各位的分时选通，利用人的视觉暂留现象，使数码管轮流显示本身应显示的数字。

优缺点：

口线占用少，适合用在显示位数较多的场合，通常需采用专门的驱动芯片，循环时间不超过41ms。

（28）键盘输入防抖动软/硬件设计

软件方法：

检测出键闭合后执行一个延时程序产生5~10ms延时，等前沿抖动小时候再一次检测键的状态

硬件方法：

R-S触发器

（29）矩阵键盘扫描输入法和线反转法原理

扫描法：

先把某一列置低电平，其余各列为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行线电平为低，可确定此行列交叉点处的按键被按下。

线反转法：

1.列线输出为全低电平，则行线中电平由高变低的所在行为按键所在行；2.行线输出为全低电平，则列线中电平由高变低所在列为按键所在列。

结合两步结果，由软件可确定按键所在行和列。

3测量数据处理

（1）量程切换的目的什么？

量程切换计算公式

由于输入模拟信号的动态范围可能很大，要保证输入采样信号不溢出，又要保证读数精度。

（2）0.1～10V输入电压，采集系统A/D转换器为10位、基准电压为5V，要求读数精度大于0.5%，计算设置量程切换分档，并给出每段的放大倍数。

（3）零位误差的定义？

测控系统如何校正零位误差？

零位误差是指输入信号为零而输出信号不为零而引起的测量误差。

矫正方法：

在输入通道中将一路接地，在正常测试的空闲阶段对该通道进行采集，结果N0即为零位误差，其它通道真实测量值应为Ni-N0这样就消除了因输入通道零位误差造成的影响。

（4）非线性校正采用的插值与拟合法基本概念（两种方法在校准点处，校正曲线值有何差别？

）

1.插值法是从标定或校准实验的n对测量数据（xi，yi）（i=1,2,…,n）中求得一函数φ（x）作为实际采样数据x与被测量真值y的函数关系y=f（x）的近似表达式。

φ（x）必须满足两个条件：

①φ（x）的表达式应便于计算机处理；

②在所有校准点x1,x2,…,xn上满足φ（xi）=f（xi）=yi（i=1,2,…,n）

φ（x）称为f（x）的插值函数。

2.拟合法就是通过实验获得有限对测试数据（xi,yi）利用这些数据来求取近似函数z=（x）。

式中x为输入通道采集的信号数据，y为实际被测物理量。

3.区别：

插值法要求zi=φ（xi）=f（xi）=yi；而拟合法并不要求曲线通过所有离散点（xi,yi），只要求z=φ（x）逼近y=f（x）,即二者误差最小或在允许的范围。

（5）在越限告警设计中，采用报警回差带代替固定阈值的优点是什么？

避免了测量值在极限值一点处来回摆动造成频繁报警。

（6）通过数字滤波能够降低噪声，提取有用信号的前提条件是什么？

信号没有混叠失真。

（7）采用数字滤波器实现极低频带低通滤波器与采用硬件电路实现的优点？

采用硬件RC滤波器实现极低频率的信号滤波必须采用非常大容量的电容及高阻值电阻，往往并不容易实现。

而数字滤波器对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频繁的参数滤波。

（8）各自数字滤波器的应用场合、滑动滤波算法的特点？

1.限幅滤波：

用于滤掉由于大功率设备的启停所造成的电流尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真等

2.中值滤波：

适用于对温度、液位等缓慢变化的被测参数

3.算术平均：

适用于一般的具有随机干扰信号的滤波,特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况,如流量、液位等信号的测量，但不适用脉冲性干扰较严重的场合

4.去极值平均：

适用于工业场合经常遇到的尖脉冲干扰的信号滤波

5.滑动平均：

对周期性干扰有良好的抑制作用，适用于高频振荡干扰的抑制和消除

6.加权平均：

适用于纯滞后较大而采样周期较短的过程

7.低通滤波：

对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频繁的参数滤波

①对于变化比较缓慢的信号，如温度、物位等，可以选择限幅滤波及惯性滤波。

②对于变化比较快的信号，如压力、流量、转速等，可以选择算术平均或加权平均滤波法。

③对于要求较高系统，可以采用复合滤波法，如算术平均加中值滤波等。

滑动滤波算法：

滑动平均滤波法把N个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个“最新”的数据。

①滑动平均具有较好的实时性和快速响应；②平滑度高，灵敏度低；③对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差。

4PID控制算法及改进

（1）标准模拟PID算法公式

（2）数字位置型PID算法、数字增量型PID算法公式、位置型PID算法的增量形式表示；

积分系数

微分系数

位置型PID：

增量型PID:

位置型递推式：

（3）增量型PID算法与位置型PID算法相比的优点？

1.位置式算法输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的积累误差。

而增量式只需计算增量，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小。

2.位置式算法从手动切换到自动时，必须先将计算机的输出值设置为原始阀门开度u0，才能保证无冲击切换。

如果采用增量算法，则由于算式中不出现u0，易于实现手动到自动的无冲击切换。

此外，在计算机发生故障时，由于执行装置本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。

*若执行部件不带积分部件，其位置与计算机输出的数字量是一一对应（如电液伺服阀），则采用位置式算法。

若执行部件带积分部件（如步进电机、步进电机带动阀门或带动多圈电位器）时，选用增量式算法。

（4）模拟PID控制器直接由相应的数字PID控制器替代，其控制质量将降低还是提高，为什么？

降低。

因为模拟PID控制器是连续的，数字控制器采用采样控制，输出控制量采样周期内是不变的，由于数值运算和输入/输出需要时间数字控制器的控制作用在时间上是有延迟的，受A/D、D/A位数的限制，数字PID还存在量化误差。

（5）为什么标准数字PID算法的微分项常常需要改进？

因为微分项的引入有利于改善高阶系统的调节品质和系统的稳定性，提高系统的快速性，但微分项对噪声敏感，干扰作用下可使执行机构动作频繁，如微分输出越限,则不能发挥微分的作用，也不利于控制过程。

改进措施：

（1）不完全微分

（2）微分先行（3）输入滤波

（6）什么是积分饱和现象？

如何克服积分饱和？

积分饱和现象：

当偏差始终存在的情况下，输出执行机构达到极限位置，由于积分项的累加作用，尽管PID计算结果继续增大或减小，但执行结构仍处于极限位置，这样控制信号实际进入了饱和区。

改进方法：

积分限幅法、积分分离法、变速积分法

（7）消除积分不灵敏区的方法？

（积分不灵敏区：

当微机的运算字长较短时，如果采样周期T较短，而积分时间Ti又较长，则容易出现ΔuI小于微机字长精度的情况，此时ΔuI就要被丢掉。

）

增加A/D转换器位数，以加长字长，提高运算精度，还可以将小于输出精度ε的积分项Δui累加起来，而不将其丢掉。

（8）数字PID参数选择中采样周期的上限值是多少？

从技术和精度指标综合考虑,一般最小采样，周期

是控制算法计算所需的程序执行时间，

由采样定理确定：

由香农（Shannon）采样定理可知，当采样频率的下限为

时，系统可真实地复现原始连续信号。

（9）常见被控量经验采样周期（大概了解各种参量的采样周期的数量级）

（10）了解扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、归一参数整定法等数字PID控制参数的整定方法。

（11）什么是手动/自动、自动/手动控制的“无平衡无扰动的切换”？

（在正常运行时，系统处于自动状态；在调试或故障时，系统需有手动状态作安全保障。

）所谓无平衡无扰动切换，是指工作方式的切换无须人工干预，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。

（12）如何实现手动到自动无扰切换？

如何实现自动到手动无扰切换？

①手动->自动：

尽管控制系统不进行PID计算，但应使给定值跟踪被控量，同时将历史数据e（n-1）和e（n-2）清零，还要使u（n-1）跟踪手动控制量，这样一旦切向自动，控制量输出等于切换瞬间的手动控制量，这就保证了PID控制量的连续性。

②自动->手动：

手操器或软手动具有输出跟踪功能，即在自动状态下能够跟踪PID算法的输出控制量。

5监控程序部分可以忽略

6抗干扰设计

（1）形成噪声干扰的三要素

噪声源、耦合通道、接收电路（敏感电路）

（2）电容耦合、电感耦合、公共阻抗耦合等对应的主要噪声源，通常所采取的主要抗干扰措施。

电容耦合（静电耦合）：

主要为小电流、高电压、高频噪声源

减小接收电路阻抗Zi，合理布线减小分布电容Cm。

电感耦合（电磁耦合）：

大电流、低电压噪声源

对容易受干扰的器件或电路加以屏蔽。

公共阻抗耦合：

两个或两个以上电路存在公共阻抗时，一个电路中的电流变化在公共阻抗上产生的电压

对电源内阻抗耦合：

1）减小电源的内阻;2）在电路中增加电源退耦滤波电路

公共地线耦合：

对输出阻抗耦合：

减小输出阻抗

（3）差模噪声、共模噪声的概念及共模抑制比。

1.差模噪声:

使接收电路的一个输入端相对于另一输入端产生电位差的噪声

2.共模噪声:

相对于公共的电位基准点,在系统的接收电路两个输入端上同时出现的噪声

3.共模抑制比：

放大器对差模信号的电压放大倍数Kd与对共模信号的电压放大倍数Kc之比

（4）了解差模干扰的抑制方法、共模干扰的抑制方法。

抑制差模干扰：

①采用低通滤波器滤掉交流干扰。

②尽可能早对被测信号进行前置放大，以提高信噪比

③检测系统采用高抗扰度元器件，提高阀值电平，采用低速逻辑部件抑制高频干扰

④注意信号线屏蔽和接地良好

抑制共模干扰：

①采用双端输入的差分放大器作为仪表输入通道的前置放大器，CMRR可达100—160dB，是抑制共模干扰的有效方法；

②将“模拟地”与“数字地”隔离，共模干扰构不成回路，会被有效抑制；

③利用屏蔽的方法使输入信号的“模拟地”浮空，也可以抑制共模干扰；

④采用单点接地，避免形成共地回路。

（5）什么情况会形成“接地环路”？

“接地环路”对测量结果的影响？

信号源和测量系统地都接大地时，形成接地环路。

由于大地电阻和地电流的影响，任何两个接地点的电位都不相等，通常信号源和系统之间的距离可达数m至数十m，此时这两个接地点之间的电位差的影响将不能忽视，工业系统中常常是一个幅值随机变化的50Hz的噪声电压。

（6）单点接地和多点接地对应的不同应用场合。

接地设计原则：

低频电路/系统采取单点接地，高频电路/系统采取多点接地。

通常低于1MHz采用单点接地，高于10MHz采用多点接地，而1～10MHz之间可采用单点接地，但地线长度必须小于信号波长的二十分之一（所有地线长度都不应大于1.5米），否则会产生辐射只能采用多点接地。

（7）串联单点接地方式下，为使干扰最小，应把电平高还是电平低的电路安置在接地点最近的地方？

串行接地存在接地线电阻，又由于各电路地电流的汇流，将造成较大的接地噪声压降，所以小电流和地电位差敏感的电路应尽量靠近主接地点，即电平低的电路。

（8）什么是长线传输中的“反射”现象？

产生的原因是什么？

如何抑制这种干扰？

数字信号的长线传输不仅容易耦合外界噪声，还会因传输线两端阻抗不匹配而出现信号在传输线上反射的现象，使信号波形发生畸变

主要措施：

①阻抗匹配②长线驱动

（9）印制板设计中模拟地和数字地应该如何布置？

数字地和模拟地分开设计，在电源处两种地线相连，且地线应尽量加粗。

（10）印制电路板中去耦电容的作用？

应该布置在什么位置？

集成电路在工作状态翻转时，其工作电流变化很大，形成尖峰噪声干扰，通过在集成电路旁增加旁路去耦电容来抑