《护理学基础》自学指导书

《护理学基础》自学指导书 《计算机控制技术》自学指导书 一、课程名称:计算机控制技术 二、自学学时:60课时 三、名称:《计算机控制技术》，顾德英等主编，北京邮电大学出版社 四、参考资料:1、《微型计算机控制技术》，黄勤主编，机械工业出版社 2、《计算机控制技术》，薛弘晔主编，西安电子科技大学出版社 五、课程简介:《计算机控制技术》是电子工程、自动化专业专业必修的专业基础课和专业主干课程之一。工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。计算机控制技术课程侧重讨论工业控制过程中所涉及的具体方法与技巧。旨在使学生运用所学的微型计算机和电子技术等方面的基础知识，解决现代工业控制过程中的实际问题，逐步具备能够设计以微型计算机为核心的控制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。 六、考核方式:闭卷考试 七、自学内容指导: 第一章 计算机控制系统概述 1、本章内容概述: 微型计算机控制系统的微型计算机控制系统的结构原理、微型计算机控制系统的分类以及微型计算机控制系统的组成。 2、自学学时安排:4学时 3、知识点: A、计算机控制系统的构成及其特征是什么,P1 B、按照计算机控制系统中信号的传输方向，系统的信息通道由那几部分组成,P3 C、简述与模拟控制系统比较，计算机控制系统的重要功能特征是什么,P3—4 D、简述根据计算机控制系统基本框图，计算机控制过程可归结为几个步骤,P4 E、计算机控制系统的硬件由哪些组成,P4—5 F、计算机控制系统按功能分类有哪几种,P6 G、计算机控制系统软件有什么作用,P6 1 H、说明DDC与SCC的系统工作原理、特征以及它们之间的区别和联系,P7—8 I、DCS与FCS各有什么特点,P8—10 G、离散控制理论包括哪些内容,P12 K、新型控制策略有哪些特点,P13—14 L、计算机控制技术的主要发展趋势是什么,P14—15 4、难点: (1)计算机控制系统的硬件组成。 (2)DDC与SCC的系统工作原理。 (3)离散控制理论 5、章节同步习题(客观题): 单选题: (1)利用计算机的存储记忆、数字运算和显示功能，可以同时实现模拟变送器、控 制器、指示器、手操作器以及记录仪等多种模拟仪表的功能，并且便于( )。 A、监视和操作 B、数据采集 C、维修 D、质量检查 (2)系统调试、参数整定灵活方便，系统控制方案、控制策略以及控制算法及其参 数的改变和整定，通过修改软件或改变参数即可实现，不需要更换或变动( )。 A、控制系统 B、控制线路 C、机器设备 D、硬件 (3)计算机快速运算能力，通过分时工作可以实现一台计算机同时控制多个回路; 并且还可以同时实现直接数字控制、监督控制、( )等多种控制功能。 A、模拟控制 B、直接控制 C、顺序控制 D、间接控制 (4)网络的分布结构可以构成( )、管理集成系统，实现工业生产与经营的管理、 控制一体化，大大提高企业的综合自动化水平。 A、计算机控制 B、柔性控制 C、CNC控制 D、硬件控制 (5)计算机控制系统的控制过程一般可归纳为( )。 A、实时采集:对被控参数的瞬时值实时采集，通过A/D转换通道输入计算机。 B、实时处理:对采集到的被控参数状态量进行分析，控制器按已确定的控制规律， 决策进一步的控制行为。 C、实时输出:根据做出的控制决策，通过D/A转换通道，适时地向执行机构发出 控制信号，在线、实时地实施控制。 D、以上都是。 (6)实时数据采集是对来自( )的被控量的瞬时值进行并输入。 A、测量变送装置 B、被测量变送装置 C、测量回馈装置 D、被测量回馈装置 (7)利用计算机强大的计算、逻辑判断、信息传递能力和( )，实现更为复杂的 控制规律。 A、逻辑分析 B、能力回馈 C、存储 D、记忆 2 (8)计算机控制系统中，计算机的输入和输出信号都是数字量，因此在这样的系统 中，需要( )和D/A转换通道通道。 A、A/D转换通道 B、 A/A转换通道 C、D/D转换通道 (9)过程I/O设备是计算机与被控对象之间信息联系的桥梁和纽带，计算机与被控 对象之间的信息传递都是通过它们进行的。这类设备有A/D通道、DI通道、D/A通 道和( )。 A、D/D通道 B、 A/A通道 C、DO通道 (10)信息管理是随着网络技术和( )的发展，信息共享和管理也是计算机控制 系统必须完成的功能。 A、控制策略 B、 计算机 C、信息技术 6、课后作业题: (1)简述根据计算机控制系统基本框图，计算机控制过程可归结为几个步骤, (2)计算机控制系统的硬件由哪些组成, (3)计算机控制系统按功能分类有哪几种, (4)计算机控制系统软件有什么作用, (5)说明DDC与SCC的系统工作原理、特征以及它们之间的区别和联系, (6)DCS与FCS各有什么特点, 第二章 工业控制计算机 1、本章内容概述: 工控机是专门为工业现场而设计的计算机。是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。广泛应用于通讯、工业控制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。 、自学学时安排: 2 6学时 3、知识点: A、内部总线。P19 B、信号调理。P26 C、工业控制机的组成。各部分的主要作用。P16—19 D、PLC的特点与应用范围。P30 E、单片机的特点。P36—37 4、难点: 3 (1)工控机的主要类型及其选型。 (2)工控机的总线结构和I/O模块。 (3)可编程控制器的应用。 (4)单片机的应用。 5、章节同步习题(客观题): 单选题: (1)常用的通用I/O设备有( )和通信设备。 A、输入设备 B、输出设备 C、外存储器 D、以上都是 (2)三菱FX2N-48MT可编程控制器属于( )。 A、小型PLC B、中型PLC C、大型PLC D、巨型PLC (3)单片机的程序存储器是( ) A、RAM B、ROM C、Mask RAM D、Flash RAM (4)8051单片机是( )位单片机。 A、8 B、4 C、16 D、32 (5)可编程控制器的基本特点有灵活、实用、接线简单、体积小、重量轻、易于实现自动化、( )、编程简单、使用方便等优点。 A、可靠性高、抗干扰能力强 B、逻辑判断 C、信息传递能力 (6)可编程控制器的中央处理单元的功能包括( )将处理结果送至输出端、响应 各种外部设备的工作请求。 A、诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 B、采集现场的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。 C、逐条读取指令，完成各种运算和操作。 D、以上都是 (7)可编程控制器的技术性能指标包括( )指令系统、可扩展性和通信功能。 A、输入/输出点数 B、存储容量 C、扫描速度 D、 以上都是 (8)一台微型计算机的基本结构是由( )输入设备和输出设备组成。 A、运算器 B、控制器 C、存储器 D、以上都是 (9)内部总线是指微机内部各功能模块间进行通信的总线，也称为( )。 A、系统总线 B、物理总线 C、虚拟总线 D、功能总线 (10)外部总线是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( )。 A、系统总线 B、通信线路 C、定位 D、控制线路 (11)( )以计算机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信号，再根据控制要求将处理结果输出到控制器，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。 A、工业控制计算机 B、单片机 C、可编程控制器 (12) ISA总线特点是( ) A、ISA总线结构的模块种类最多，性能稳定，技术成熟，价格便宜; B、ISA总线性能基本上能够满足多数测控领域需求; C、备了用ISA总线模块来构成系统的能力，也就基本上具备了用其他总线模块构 4 系统的能力。 D、以上都是 6、课后作业题: 名词解释 (1)内部总线: (2)外部总线: (3)信号调理: (4)通信模块: 简答: (1)什么是工业控制计算机,工业控制机的特点有哪些, (2)工业控制机由哪几部分组成,各部分的主要作用是什么, (3)ISA总线与PCI总线的主要特点是什么, (4)常用的外部总线有哪些, (5)模拟量输入模块主要指标有哪些, (6)简述PLC的特点与应用范围, (7)简述单片机的特点。 第三章I/O接口与过程通道 1、本章内容概述: 过程通道是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，在计算机控制 系统中，工业控制计算机必须通过过程通道和生产过程相连接，而过程通道中又包含I/O 接口。本章对I/O接口与过程通道进行设计与分析。 2、自学学时安排: 6学时 3、知识点: A、过程通道:P43 B、接口技术:P43 C、多路转换器:P54 D、A/D转换器:P58 E、D/A转换器:P67 4、难点: (1)数字量输出通道机构图。 (2)模拟量输入通道的组成。 (3)AD574A通过8255A与PC总线的连接图。 (4)共模干扰常用的抑制方法。 5 5、章节同步习题(客观题): 单选题: (1)过程通道是( )和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。 A、计算机 B、上位机 C、中央处理器 D、I/O接口 (2)数字量输入(DI)通道是把从控制对象检测得到的数字码、( )、脉冲量或中 断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给计算机。 A、开关量 B、模拟量 C、数字量 D、单位量 (3)模拟量输入(AI)通道是把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号(如温度, 压力,流量,液位等)(1-10V,4-20mA)变换成二进制的( )，然后经接口送入到计算 机。 A、模拟信号 B、数字信号 C、开关信号 D、故障信号 (4)模拟量输出(AO)通道是把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的 ( B )输出给控制对象。 A、数字量信号 B、模拟量信号 C、开关量信号 D、故障量信号 (5)把时间连续的信号转换为一连串时间不连续的( )，这个过程称为“采样”， 又称为“抽样”、“取样”。 A、连续信号 B、触发信号 C、脉冲信号 D、波形信号 (6)多路转换器的理想工作状态( )要求切换速度快。 A、开路电阻为?，导通电阻为0 B、开路电阻为0，导通电阻为0 C、开路电阻为?，导通电阻为? D、开路电阻为0，导通电阻为? (7)模拟量输入通道一般由( )和A/D转换器组成。 A、信号处理 B、多路转换器 C、采样/保持器 (8)模拟量输出通道一般由( )低通滤波电路和功放电路组成 A、D,A转换器 B、输出保持器 C、多路切换开关 D、以上都是 6、课后作业题: 名词解释 (1)过程通道: (2)接口: (3)多路转换器: (4)采样: (5)A/D转换器: (6)D/A转换器: 简答: (1)利用74LS244与PC总线工业控制机接口，设计8路数字量输入接口和8路数字量输出接口，画出电路原理图，并编写相应的程序。 6 (2)画出数字量输出通道机构图。 (3)写出MCP6S系列放大器的主要特点。 (4)试述A/D转换器接口硬件设计及软件设计。 (5)模拟量输出通道的任务及其机构形式是什么。 (6)共模干扰常用的抑制方法有哪些, (7)数字信号通道一般采用哪些干扰措施。 (8)计算机控制系统中一般有几种接地形式,常用的接地技术有哪些, 第四章 顺序控制与数字控制技术 1、本章内容概述: 顺序控制是生产过程中常用的控制技术，而数字控制技术是综合计算机、自动控制、自动检测精密机械等高新技术的产物，主要应用于数控机床，是制造自动化的主要组成部分。 2、自学学时安排: 8学时 3、知识点: 、顺序控制:P82 A B、数字程序控制技术:P88 C、逐点比较法:P91 D、数字程序控制的方式,P89 4、难点: 1)逐点比较法插补原理。 ( (2)直线插补过程。 (3)终点判别方法。 (4)数字程序控制的方式。 5、章节同步习题(客观题): 单选题: (1)数控系统按控制对象的运动轨迹来分类可分为( ) A、点位控制、直线切削控制和轮廓切削控制 B、相对控制、绝对控制 C、相对坐标控制、绝对坐标控制 D、单步控制、单周控制和连续控制 (2)顺序控制系统的类型有按顺序执行的继电-接触器控制系统( )。 A、微机顺序控制系统 B、半导体逻辑顺序控制系统 C、可编程顺序控制器系统 D、以上都是 (3)顺序控制系统的特点包括( )可靠性要求高。 A、输入、输出信号以开关量信号为主 B、逻辑关系复杂 C、控制程序客观 D、以上都是 7 (4)步进电机按转矩产生的原理可分为( )混合式和反应式 A、励磁式 B 、永磁式 C、同步式 6、课后作业题: 名词解释 (1)顺序控制: (2)数字程序控制技术: (3)逐点比较法: 简答: (1)顺序控制有哪几种类型。 (2)顺序控制系统的组成、特点是什么, (3)数字程序控制有哪几种方式, (4)逐点比较法插补原理是什么, (5)直线插补过程分为哪几个步骤,有几种终点判别方法, (6)简述反应式步进电动机的机构和工作原理。 第五章 数字控制器设计 1、本章内容概述: 自动化控制系统的核心是控制器。控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工 艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，达到自动控制的目的。在传统的模拟控制系统中， 控制器的控制规律或控制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，而在计算机控制系 统中，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上，即数字控制器的设计上。 2、自学学时安排: 6学时 3、知识点: A、数字控制器的模拟化设计:P104 B、数字PID控制器的位置算式、增量算式:P107 C、离散化设计方法的设计步骤:P116 D、数字控制器的设计步骤。P138 4、难点: (1)数字控制器的模拟化设计。 (2)数字PID控制器的位置算式、增量算式。 (3)常用的数字PID算法。 (4)数字控制器模拟化设计方法步骤。 5、章节同步习题(客观题): 单选题: 8 (1)一般PID,当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上系统本身具有的惯性和滞后，在( )的作用下，将引起系统过量的超调和长时间的波动。 A、积分 B、微分 C、微积分 (2)由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想微分容易在系统中引入( )，引起执行机构的频繁动作，降低机构的使用寿命。 A、中频的干扰 B、高频的干扰 C、低频的干扰 (3)微分PID算法中包含有一阶惯性环节，具有( )的能力，抗干扰能力较强。 A、惯性滤波 B、微分 C、低通滤波 (4)对于一阶惯性环节与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，控制精度要求高，可采用( )控制。 A、微分 B、比例积分 C、PID控制 D、比例微分 (5)对于纯滞后较大，负荷变化较大，控制要求高的场合，可采用( )控制。 A、微分 B、比例积分 C、PID控制 D、比例微分 (6)当对象为高阶又有滞后特性时，控制要求高，则采用( )控制。 A、微分 B、比例积分 C、PID控制 D、比例微分 (7)常用的数字PID控制算法的改进措施有( )和微分先行PID控制算法。 A、积分分离数字PID控制算法 B、带死区的数字PID控制算法 C、不完全微分数字PID控制算法 D、以上都是 (8)最小拍控制器设计存在的问题包括( )调整时间有限，拍数是最少的。 A、对不同输入信号的适应性差; B、对系统参数变化敏感:依赖于零极点对消。 C、在采样点之间存在纹波。 D、以上都是 6、课后作业题: 名词解释 (1)振铃现象: (2)振铃幅度: 简答: (1)数字控制器模拟化设计方法有哪些步骤, (2)有哪几种改进的数字PID控制器, (3)简述几种常用的数字PID算法的改进措施。 (4)扩充临界比例度法和扩充响应曲线法的整定步骤有哪些, (5)简述常用的参数调整方法有哪几种, (6)简述离散化设计方法的设计步骤。 (7)最少拍控制器的设计必须考虑那几个问题。 9 (8)采样周期的选择需要考虑那些因素, (9)扩充临界比例度法整定PID参数的步骤: (10)扩充响应曲线法整定PID参数的步骤: (11)何为振铃现象,如何消除振铃现象, (12)前馈控制完全补偿的条件是什么,前馈和反馈相结合有什么好处, (13)与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点, (14)多变量控制系统解耦条件是什么, 第六章 控制系统的数据处理技术 1、本章内容概述: 除了硬件电路外，计算机控制系统中还有软件，分为系统软件和应用软件。应用软件是指根据系统的具体要求，由用户自己设计、开发，面向控制系统本身的程序。在进行计算机控制系统开发过程中，根据控制过程的实际需要设计应用程序是很重要的环节。 2、自学学时安排: 6学时 3、知识点: 、测量数据预处理技术:P145 A B、软件干扰技术:P155 C、系统误差:P145 D、复合数字滤波:P160 4、难点: 1)工控组态软件功能。 ( (2)软件陷阱技术。 5、章节同步习题(客观题): 单选题: (1)( )是当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪求真的一种辅助方法。 A、软件抗干扰技术 B、接地保护 C、接零保护 D、屏蔽保护 (2)( )是指在软件中对采集到的数据进行消除干扰的处理。 A、软件抗干扰技术 B、数字滤波技术 C、数字抗干扰技术 D、软件滤波技术 (3)组态软件的功能包括( )强大的画面显示组态功能、强大的数据库 A、仿真功能 B、丰富的功能模块 C、可编程的命令语言 D、以上都是 (4)组态软件主要解决的问题包括( )和各类报表的生成和打印输出 A、与采集、控制设备间进行数据交换 B、处理数据报警和系统报警 10 C、具有第三方程序接口，方便数据共享 D、以上都是 (5)嵌入式计算机的优点包括( )占用空间小，效率高。 A、功耗低、可靠性高。 B、功能强大，具有高性价比 C、实时性强，支持任务多。 D、以上都是 (6)以下哪些不是常用的数字滤波的方法( ) A、算术平均值滤波 B、LC π型滤波 C、中值滤波 D、程序判断滤波 (7) 软件陷阱一般不安排在( ) A、未使用的中断向量区 B、未使用的大片ROM区 C、 D、程序中间 6、课后作业题: 名词解释 (1)组态: (2)工业控制组态软件: (3)软件干扰技术: (4)指令冗余: 简答: (1)干扰的作用途径是什么, (2)什么是共模干扰和串模干扰,如何抑制, (3)数字滤波与模拟滤波相比有什么特点, (4)常用的数字滤波方法有几种,它们各自有什么特点, (5)算术平均值滤波、加权平均值滤波以及滑动平均滤波三者的区别是什么, (6)计算机控制系统的常用接地方法是什么, (7)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, 第七章 复杂控制技术 1、本章内容概述: 单输入单输出的单回路控制系统的十分广泛，但是如果被控对象比较复杂，被控量不只一个，生产工艺对控制品质的要求又比较高，或者被控对象特性并不复杂，但控制要求却比较特殊，对于这些情况单回路控制系统无法实现控制，需多回路控制系统。 2、自学学时安排: 6学时 3、知识点: A、串级控制的工作原理。P165 11 B、前馈控制的类型。P168—170 4、难点: (1)串级控制的工作原理。 (2)前馈控制的类型。 5、章节同步习题(客观题): 单选题: (1)主、副控制器串联，副回路串联在主回路中，称为( )。 A、串级控制系统 B、前馈控制系统 C、比值控制系统 D、选择性控制系统 (2) 微机顺序控制方式是指以预先规定好的( )为依据，按预先规定好的动作 次序顺序地进行工作。 A、时间或条件 B、顺序或控制 C、加工或流程 (3)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( )转换成生产机械相应部件的机械位移(线位移、角位移)运动。 A、信号 B、脉冲 C、指令 (4)常用的复杂控制系统包括( )选择性控制系统、纯延迟补偿控制系统、解耦 控制系统。 A、串级控制系统 B、前馈控制系统 C、比值控制系统 D、 以上都是 6、课后作业题: 简答: (1)什么是数控系统,数控系统包括哪些, (2)什么是顺序控制系统,它由哪几部分组成, (3)微机数控系统由哪些部分组成,各部分的作用是什么, (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, 第八章 计算机控制系统设计与实现 1、本章内容概述: 计算机控制系统的设计，既是一个理论问题，又是一个工程问题。计算机控制系统的理论设计包括:建立被控对象的数学模型;确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律;选择适宜的计算方法和程序设计语言;进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。 2、自学学时安排: 6学时 3、知识点: 12 A、系统设计的原则和步骤P173 B、硬件工程设计P179 C、软件工程设计:P181 D、数学模型与控制算法:P191 E、硬件设计P201 F、软件设计P204 4、难点: (1)硬件工程设计。 (2)软件工程设计。 (3)数学模型 (4)控制算法 5、章节同步习题(客观题): 选择题: (1)计算机控制系统的理论设计包括( )和对硬件提出具体要求。 A、建立被控对象的数学模型 B、确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律 C、选择适宜的计算方法和程序设计语言;进行系统功能的软、硬件界面划分 D、以上都是 (2)双机系统的工作方式一般分为备份工作方式( ) A、半双工工作方式 B、双机并行工作方式 C、双工工作方式 (3)系统设计的原则是( )和通用性好。 A、安全可靠。 B、操作维护方便 C、实时性强 D、以上都是 (4)工程项目设计阶段主要包括( )评审、硬件和软件的细化设计、软硬件调试 和系统组装。 A、组建项目研制小组 B、系统总体方案设计 C、方案论证 D、以上都是 6、课后作业题: 简答: (1)三相步进电机有哪几种工作方式,分别画出每种工作方式的各相通电顺序和电压波形图。 (2)什么是过程通道,过程通道有哪些分类, (3)数字量过程通道由哪些部分组成,各部分的作用是什么, (4)简述两种硬件消抖电路的工作原理。 (5)简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。 (6)模拟量输入通道由哪些部分组成,各部分的作用是什么, 13 第九章 智能控制技术基础 1、本章内容概述: 传统控制方法包括经典控制和现代控制，是基于被控对象精确模型的控制方式，缺乏灵活性和应变能力，适于解决线性、时不变性等相对简单的控制问题，难以解决对复杂系统的控制。在生产实践中，复杂控制问题可通过熟练操作人员的经验和控制理论相结合去解决，由此，产生了智能控制。智能控制将控制理论的方法和人工智能技术灵活地结合起来，其控制方法适应对象的复杂性和不确定性。 2、自学学时安排: 6学时 3、知识点: A、智能控制:P213 B、模糊控制:P216 4、难点: (1)智能控制系统的主要功能。 (2)神经网络在控制中的作用。 5、章节同步习题(客观题): 题: 判断 (1)( )智能控制将控制理论的方法和人工智能技术灵活地结合起来，其控制方法 适应对象的复杂性和不确定性。 (2)( )人工智能(AI)是一个用来模拟人思维的知识处理系统，具有记忆、学习、 信息处理、形式语言、启发推理等功能。 (3)( )自动控制(AC)描述系统的动力学特性，是一种动态反馈。 (4)( )运筹学(OR)是一种定量优化方法，如线性规划、网络规划、调度、管理、 优化决策和多目标优化方法等。 (5)( )神经网络控制是从机理上对人脑生理系统进行简单结构模拟的一种新兴智 能控制方法。 6、课后作业题: 简答: (1)计算机控制系统的控制过程是怎样的? (2)实时、在线方式和离线方式的含义是什么, (3)微型计算机控制系统软件有什么作用,说出各部分软件的作用。 (4)微型计算机控制系统的特点是什么, (5)计算机控制系统的发展趋势是什么, (6)采样保持器有什么作用,试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。 (7)在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器,为什么, 14 (8)A/D转换器的结束信号有什么作用,根据该信号在I/O控制中的连接方式，A/D转换有几种控制方式,它们在接口电路和程序设计上有什么特点, 第十章 控制网络技术 1、本章内容概述: 随着计算机、通信、网络、控制等学科领域的发展，控制网络技术日益为人们所关注。控制网络，即网络化的控制系统，简称工控网。正是借助于计算机网络，单台的工业控制计算机被连成多处理器结构，使系统在实现分散控制的同时，还能够达到集中监视、集中管理和资源共享的目的。控制网络技术源于计算机网络技术，因此，控制网络一方面与一般计算机网络有许多共同之处，另一方面又具有其特殊的可靠性高、实时性好及互操作性好的特点。 2、自学学时安排: 6学时 3、知识点: A、现场总线P255 B、工业控制网络的特点P239 C、工业以太网的优势P251 4、难点: (1)现场总线的本质。 (2)DCS的特点。 5、章节同步习题(客观题): 单选题: (1)计算机与计算机或设备之间的数据交换称为( )。 A、联网 B、数据通信 C、数据共享 D、数据交换 (2)下面不属于数据通信系统( )。 A、发送设备 B、接收设备 C、后台处理 D、通信 (3)按通信线路上信息传送方向与时间的关系，可分为三种通信制式:下列不是通信制式的是( )。 A、单工通信 B、半双工通信 C、全双工通信 D、半工通信 判断题: (1)( )通信协议是控制数据通信的一系列规则。发送与接收设备都要按相同的通 信协议工作，如同两个谈话的人使用同一种语言一样。 (2)( )串行通信是指所传送数据的各位按顺序一位一位地发送或接收。 (3)( )波特率(Baud Rate)是串行通信中的一个重要的指标。它定义为每秒钟 传送二进制数码的位数，单位是位每秒，用bps、bit/s或b/s表示。 (4)( )数据通信中需要传输数据信息，而信息必须转换为数字的或模拟的信号后 15 才能通过通信线路传送，这种信息转换称为传输编码。 (5)( )按照传输线上信号的种类，数据通信可以分为基带传输与频带传输。 6、课后作业题: 简答: (1)何谓总线,总线有什么功能,总线是怎样形成的, (2)试述总线的分类、各类总线间的关系。 (3)简述STD总线的特点。 (4)简述RS—232C总线的特点。 (5)什么是现场总线, 16 《计算机控制技术》答案 第一章 计算机控制系统概述 同步习题(客观题): 选择题: 1、A 2、D 3、C 4、A 5、D 6、A 7、D 8、A 9、C 10、A 简答题: (1)简述根据计算机控制系统基本框图，计算机控制过程可归结为几个步骤, 答:根据计算机控制系统基本框图，计算机控制过程可归结为4个步骤。 (1)实时数据采集:对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测并输入。 (2)实时控制决策:对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律决定将要采取的控制行为。 (3)实时控制输出:根据控制决策适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 (4)信息管理:随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也是计算机控制系统必须完成的功能。 (2)计算机控制系统的硬件由哪些组成, 答:硬件是指计算机本身及其外部设备，一般包括中央处理器(CPU)、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、各种接口电路、以A,D转换器和D,A转换器为核心的模拟量输入,输出(I,0)通道、数字量输入,输出(I,0)通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。 (3)计算机控制系统按功能分类有哪几种, 答:按照系统的功能、工作特点分类，计算机控制系统分为操作指导控制系统、直接 数字控制系统、监督计算机控制系统、集散控制系统、现场总线控制及计算机集 成制造系统等。 (4)计算机控制系统软件有什么作用, 答:用来管理计算机本身的资源，方便用户使用计算机的软件。它主要包括操作系统、 各种编译软件和监控管理软件等。这些软件一般不需要用户自己设计，它们只是 作为开发应用软件的工具。 (5)说明DDC与SCC的系统工作原理、特征以及它们之间的区别和联系, 答:在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实 17 现多回路的PID调节，而且不需要改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种较 复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制和最优控制等。 在SCC系统中，通常选用具有较强计算能力的计算机，其主要任务是输入采样 和计算设定值。由于它不参与频繁的输出控制，可有时间进行具有复杂规律的控 制算式的计算。因此，SCC能进行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理 工作。SCC系统的优点是不仅可进行复杂控制规律的控制，而且其工作可靠性较 高，当SCC出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。 (6)DCS与FCS各有什么特点, 答:在SCC系统中，通常选用具有较强计算能力的计算机，其主要任务是输入采样和 计算设定值。由于它不参与频繁的输出控制，可有时间进行具有复杂规律的控制 算式的计算。因此，SCC能进行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工 作。SCC系统的优点是不仅可进行复杂控制规律的控制，而且其工作可靠性较高， 当SCC出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。 现场总线控制系统(FCS)的核心是现场总线。根据现场总线基金会的定义， 现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络。 第二章 工业控制计算机 同步习题(客观题): 选择题: 1、D 2、A 3、B 4、A 5、A 6、D 7、D 8、D 9、A 10、B 11、A 12、D 名词解释 (1)内部总线:是指微机内部各功能模块间进行通信的总线，也称为系统总线。 (2)外部总线:是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。 (3)信号调理:是指将现场输入信号经过隔离放大，成为工控机能够接收到的统一信号电平以及将计算机输出信号经过放大、隔离转换成工业现场所需的信号电平处理过程。 (4)通信模块:是为实现计算机之间以及计算机与其他设备间的数据通信而设计的外围模块，有智能型和非智能型两种，通信方式采用RS-232或RS-485方式或两者兼而有之，以串行方式进行通信，波特率75~56000bit/s,通道数有4~16可供选择。 简答: 18 (1)什么是工业控制计算机,工业控制机的特点有哪些, 答:以计算机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信号，再根据控制要求将处理结果输出到控制器，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。 工业控制机的特点有以下几点: 1)可靠性高。工控机常用于控制连续的生产过程，在运行期间不允许停机检修，一旦发生故障将会导致质量事故，甚至生产事故。因此要求工控机具有很高的可靠性，低故障率和短维修时间。 2)实时性好。工控机必须实时地响应控制对象的各种参数的变化，才能对生产过程进行实时控制与监测。当过程参数出现偏差或故障时，能实时响应并实时地进行报警和处理。通常工控机配有实时多任务操作系统和中断系统。 3)环境适应性强。由于工业现场环境恶劣，要求工控机具有很强的环境适应能力，如对温度,湿度变化范围要求高;具有防尘、防腐蚀、防震动冲击的能力;具有较好的电磁兼容性、高抗干扰能力及高共模抑制能力。 4)丰富的输入输出模块。工控机与过程仪表相配套，与各种信号打交道，要求具有丰富的多功能输入输出配套模块，如模拟量、数字量、脉冲量等I,O模块。 5)系统扩充性和开放性好。灵活的系统扩充性有利于工厂自动化水平的提高和控制规模的不断扩大。采用开放性体系结构，便于系统扩充、软件的升级和互换。 6)控制软件包功能强。具有人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能，具有系统组态和系统生成功能，具有实时及历史的趋势记录与显示功能，具有实时报警及事故追忆等功能，具有丰富的控制算法。 7)系统通信功能强。一般要求工控机能构成大型计算机控制系统，具有远程通信功能， 为满足实时性要求，工控机的通信网络速度要高，并符合国际标准通信协议。 8)冗余性。在对可靠性要求很高的场合，要求有双机工作及冗余系统，包括双控制站、双操作站、双网通信、双供电系统、双电源等，具有双机切换功能、双机监视软件等，以保证系统长期不问断工作。 (2)工业控制机由哪几部分组成,各部分的主要作用是什么, 答:典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、主机板、显示板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入,输出接口模块、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成。 (3)ISA总线与PCI总线的主要特点是什么, 答:ISA总线特点: ? ISA总线结构的模块种类最多，性能稳定，技术成熟，价格便宜; ? ISA总线性能基本上能够满足多数测控领域需求; ? 备了用ISA总线模块来构成系统的能力，也就基本上具备了用其他总线模块构系统 的能力。 PCI总线特点: 19 ?PCI总线时钟为33 MHz，与CPU时钟无关，总线带宽为32位，可扩充到64位。 ?PCI传输率高。最大传输率为133 MB,s(266 MB,s)，能提高硬盘、网络界面卡的 性能，充分发挥影像、图形及各种高速外围设备的性能。 ?PCI采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，从而节省线路空间，降低 设计成本。 (4)常用的外部总线有哪些, 答:常用的外部总线有IEEE-488并行总线、RS-232c串行总线和RS-485通信总线。 (5)模拟量输入模块主要指标有哪些, 答:模拟量输入模块主要指标: ? 入信号量程:即所能转换的电压(电流)范围。有O,200 mV，0,5 V，0,10 V， ?2(5 V，?5 V，?10 V，O,10 mA，4,20 mA等多种范围。 n? 辨率:定义为基准电压与2-1的比值，其中n为D,A转换的位数。有8位、10 位、12位、16位之分。分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反映就越灵敏， 如8位分辨率表示可对满量程的1,255的增量做出反应，若满量程是5 V，则能 分辨的最小电压为5 V,255m20 mV。 ? 度:指A,D转换器实际输出电压与理论值之间的误差。它有绝对精度和相对精度 两种表示法。通常采用数字量的最低有效位作为度量精度的单位，如?1,2LSB。 例如，如果分辨率是8位，则它的精度为?1,512。精度是指转换后所得结果相对 于实际值的准确度，而分辨率是指能对转换结果发生影响的最小输入量。这是两个 指标概念，例如分辨率即使很高，但由于温度漂移、线性不良等原因使得精度并不 相应很高，也可以用百分比来表示满量程时的相对误差。 ? 入信号类型:电压或电流型;单端输入或差分输入。 ?输入通道数:单端,差分通道数，与扩充板连接后可扩充通道数。 ?转?转换速率:30 000采样点,s，50 000采样点,s，或更高。 ?可编程增益:l,1 000增益系数编程选择。 ?支持软件:性能良好的模块可支持多种应用软件，并带有多种语言的接口及驱动 程序。 (6)简述PLC的特点与应用范围, 答:其特点有: 1)可靠性高，适应性强。 2)功能完善，通用性好。 3)安装方便，扩展灵活。 4)操作维护简单，施工周期短。 应用于单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化。 20 (7)简述单片机的特点。 答:1)集成度高、体积小。在一块芯片上集成了构成一台微型计算机所需的CPU、ROM、RAM、I,0接口以及定时器,计数器等部件，能满足很多应用领域对硬件的功能要求，因而由单片机组成的应用系统结构简单，体积特别小。 2)面向控制、功能强。单片机面向控制,它的实时控制功能特别强，CPU可以直接对I,0接口进行各种操作，能有针对性地完成从简单到复杂的各类控制任务。 3)抗干扰能力强。单片机内CPU访问存储器、I,0接口的信息传输线(即总线)大多数在芯片内部，因而不易受外界的干扰，另外，由于单片机体积小，适应温度范围宽，在应用环境比较差的情况下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，所以单片机应用系统的可靠性比一般的微机系统高得多。 4)使用方便。由于单片机内部功能强，系统扩展方便，因此应用系统的硬件设计非常简单，再加上国内外提供了多种多样的单片机开发工具，它们具有很强的软硬件调试功能和辅助设计的手段，这样使单片机的应用极为方便，大大地缩短了系统研制的周期，还方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。 5)性能价格比高。由于单片机功能强、价格便宜，其应用系统的印板小，接插件少，安装调试简单等一系列原因，单片机应用系统的性能价格比高于一般的微机系统。 6)容易产品化。单片机上述特性，缩短了单片机应用系统自样机至正式产品的过渡过 程，使科研成果迅速转化为生产力。 第三章I/O接口与过程通道 同步习题(客观题): 选择题: 1、A 2、A 3、B 4、B 5、C 6、A 7、D 8、D 名词解释 (1)过程通道:过程通道是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，包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道及数字量(开关量)输出通道。 (2)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。 (3)多路转换器:多路转换器又称多路开关，是用来进行模拟电压信号切换的关键元件。利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A,D转换 21 器上。 (4)采样:所谓采样过程(简称采样)是用采样开关(或采样单元)将模拟信号按一定时间间隔采样成离散模拟的过程。 (5)A/D转换器:A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，是模拟输入通道的核心部件。 (6)D/A转换器:D/A转换器是将数字量转换成模拟量的原件或装置，其模拟量输出(电流或电压)与参考电压和二进制数成正比。 简答: (1)利用74LS244与PC总线工业控制机接口，设计8路数字量输入接口和8路数字量输出接口，画出电路原理图，并编写相应的程序。 (2)画出数字量输出通道机构图。 (3)写出MCP6S系列放大器的主要特点。 22 答:特点如下: ?8种可编程增益选择:+1，+2，+4，+5，+8，+10，+16或+32; ?SPI串行编程接口; ?级联输入和输出; ?低增益误差，最大?1 9,6; ?低漂移，最大土275μV; ?高带宽频率，典型值为2,12 Mt{z; ?低噪声，典型值为10 nV,rtHz@10 kHz; ?低电源电流，典型值为1 mA; ?单电源供电，2(5,5(5 V。 (4)试述A/D转换器接口硬件设计及软件设计。 答:硬件设计: 1)模拟量输入信号的连接 2)数字量输出引脚的连接 3)参考电平的连接 4)时钟的选择 5)A/D转换器的启动方式 6)转换结束信号的处理 (5)模拟量输出通道的任务及其机构形式是什么。 答:它的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的 执行机构，达到控制的目的。机构形式如下两条: 1)一个通路设置一个D/A转换器的形式 2)多个通路共用一个D/A转换器的形式 (6)共模干扰常用的抑制方法有哪些, 答:1)利用双端输入的放大器作前置放大器，如AD521。 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用哪些干扰措施。 答:1)数字信号负逻辑传输 2)提高数字信号的电压等级 3)通过光电耦合隔离 23 4)提高输入端的限电压 (8)计算机控制系统中一般有几种接地形式,常用的接地技术有哪些, 答:一般有以下三种接地形式: 1)安全接地 2)工作接地 3)屏蔽接地 常用的接地技术有五点: 1)浮地-屏蔽接地 2)一点接地 3)多点接地 4)屏蔽接地 5)设备接地 第四章 顺序控制与数字控制技术 同步习题(客观题): 选择题: 1、A 2、D 3、D 4、B 名词解释 (1)顺序控制:是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控制。 (2)数字程序控制技术:就是能够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。 (3)逐点比较法:由于采用的是“一点一比较，一步步逼近”方法，因此称为逐点比较法。 简答: (1)顺序控制有哪几种类型。 答:1)按顺序执行的继电-接触器控制系统 2)半导体逻辑顺序控制系统 3)可编程顺序控制器系统 4)微机顺序控制系统 24 (2)顺序控制系统的组成、特点是什么, 答:顺序控制系统是由系统控制器、信号检测、执行机构及被控对象组成。 顺序控制系统的特点: 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 (3)数字程序控制有哪几种方式, 答:1)按控制对象的运动轨迹分类 2)根据有无检测反馈元件分类 (4)逐点比较法插补原理是什么, 答: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，获得步步逼近的效果。 (5)直线插补过程分为哪几个步骤,有几种终点判别方法, 答:1)第一象限内的直线插补 2)4个象限的直线插补 3)直线插补计算的程序实现 有以下几种判别方法: 1)在加工过程中利用终点坐标值(x，y)与动点坐标值(z，y)每走一步比较一eemm 次，直至两者相等为止。 2)在加工过程中取终点坐标z和y中的较大者作为终点判别的依据，称此较大ee 者为长轴，另一为短轴。在插补过程中，只要沿长轴方向上有进给脉冲，终判计 数器就减1，而短轴方向的进给不影响终判计数器。由于插补过程中长轴的进给 脉冲数一定多于短轴的进给脉冲数，长轴总是最后到达终点值，所以，这种终点 判断方法是正确的。 3)用一个终点判别计数器，存放z和y两个坐标的总步数n，x或y坐标每进xy 给一步，n减1，当n=0时，即到达终点。 xyxy (6)简述反应式步进电动机的机构和工作原理。 答:应式步进电动机分为转子和定子两个部分。 工作原理为:电源都是采用单极性的直流电源。对步进电机定子的各相绕组以适当的时序经行通电。 25 第五章 数字控制器设计 同步习题(客观题): 选择题: 1、A 2、B 3、C 4、B 5、D 6、C 7、D 8、D 名词解释 (1)振铃现象:是指数字控制器的输出u(kT)以1/2采样频率大幅度衰减的振荡。 (2)振铃幅度:是用来衡量振铃强烈的程度，,,定义为:数字控制器在单位阶跃输 入作用下，第,输出与第,输出之差。 简答: (1)数字控制器模拟化设计方法有哪些步骤, 答:,)设计假想的连续控制器,(,) ,)选择采用周期(,) ,)将,(,)离散化为,(,) ,)设计由计算机实现的控制方法 ,)校验 (2)有哪几种改进的数字PID控制器, 答:有四种: 1)积分分离PID控制算法 2)不完全微分PID控制算法 3)带死区的PID控制算法 4)消除积分不灵敏区的PID控制 (3)简述几种常用的数字PID算法的改进措施。 答:,)积分分离数字PID控制算法 ,)带死区的数字PID控制算法 3)不完全微分数字PID控制算法 4)微分先行PID控制算法 (4)扩充临界比例度法和扩充响应曲线法的整定步骤有哪些, 答:1)选择合适的采样周期T 26 2)选择控制度 3)选择控制度后按5.2求得T、K、T、T值 pid 4)参数的整定只给出一个参考值，需要经过实际调整，直到获得满意的控制效 果为止 (5)简述常用的参数调整方法有哪几种, 答:1)归一参数整定法 2)变参数寻优法 (6)简述离散化设计方法的设计步骤。 答:1)由H(s)和G(s)求取广义对象的脉冲传递函数HG(z) o 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G(z) c 3)根据式(5.19)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 (7)最少拍控制器的设计必须考虑那几个问题。 答:1)稳定性 2)准确性 3)快速性 4)物理可实现性 (8)采样周期的选择需要考虑那些因素, 答:1)从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在95%的系统的过渡过程时间内，采样6次,15次即可。 2)从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。 3)从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间;当被控对象的纯滞后时间τ较大时，常选T=(1/4~1/8)τ。 4)从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，当主机字长较小时，若T过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。另外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因此T必须大于执行机构的调节时间。 (9)扩充临界比例度法整定PID参数的步骤: 答:1)选择一个足够短的采样周期T，例如被控过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。 27 2)逐渐加大比例系数Kp，使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts，并记下此时的比例系数Kp，将其记作临界振荡增益Ks。此时的比例度 1为临界比例度，记作d=。 sKs 3)选择控制度，所谓控制度是数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比。 4)根据控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。 5)按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。 (10)扩充响应曲线法整定PID参数的步骤: 答:1)断开数字调节器，让系统处于手动操作状态。将被调量调节到给定值附近并稳定后，然后突然改变给定值，即给对象输入一个阶跃信号。 2)用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图所示。 3)在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ、被控对象的时间常数Tc，以及它们的比值Tc/τ。 4)由τ、Tc、Tc/τ值，查表，求出数字控制器的T、Kp、Ti和Td。 (11)何为振铃现象,如何消除振铃现象, 答:所谓振铃现象是指数字控制器的输出u(k)以接近二分之一的采样频率大幅度上下摆动。它对系统的输出几乎是没有影响的，但会使执行机构因磨损而造成损坏。 消除振铃现象的方法: 1)参数选择法 对于一阶滞后对象，如果合理选择期望闭环传递函数的惯性时间常数T0和采样周期T，使RA?0，就没有振铃现象。即使不能使RA?0，也可以把RA减到最小，最大程度地抑制振铃。 2)消除振铃因子法 找出数字控制器D(z)中引起振铃现象的因子(即z=-1附近的极点)，然后人为地令其中的z=1，就消除了这个极点。根据终值定理，这样做不影响输出的稳态值，但却改变了数字控制器的动态特性，从而将影响闭环系统的动态响应。 28 (12)前馈控制完全补偿的条件是什么,前馈和反馈相结合有什么好处, GsDsGS0+=答:前馈控制完全补偿的条件是。 )))(((nn 如果能将扰动因素测量出来，预先将其变化量送到系统中进行调整，这样在被调量改变之前就能克服这些扰动的影响。这种扰动的预先调整作用就称为前馈。若参数选择得合适，前馈控制可取得良好的控制效果。但实际上，前馈控制环节的参数不易选得那么准确，而且一个实际系统的扰动也不只一个，因此反馈控制还是不可少的。主要扰动引起的误差，由前馈控制进行补偿;次要扰动引起的误差，由反馈控制予以抑制，这样在不提高开环增益的情况下，各种扰动引起的误差均可得到补偿，从而有利于同时兼顾提高系统稳定性和减小系统稳态误差的要求。 (13)与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点, 答:与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制的优点: 1)模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统。 2)模糊控制不用建立对象精确的数学模型。 3)模糊控制系统的鲁棒性好。 4)模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。 (14)多变量控制系统解耦条件是什么, Fs答:多变量控制系统解耦条件是系统的闭环传递函数矩阵为对角线矩阵。 )( 第六章 控制系统的数据处理技术 同步习题(客观题): 选择题: 1、A 2、B 3、D 4、D 5、D 6、B 7、D 名词解释 (1)组态:组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。 (2)工业控制组态软件:工控组态软件主要是指数据采集与过程控制的专用软件，它们提供自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，能够为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。 (3)软件干扰技术:软件抗干扰技术是当系统受干扰后，使系统恢复正常运行或输入 29 信号受干扰后去伪存真的一种辅助方法。此技术属于一种被动抗干扰措施，但是由于软件抗干扰设计灵活，节省硬件资源，操作起来方便易行，所以软件抗干扰技术越来越受到人们的重视。 (4)指令冗余:单片机操作时序完全由程序计数器PC控制，一旦PC因干扰出现错误，程序便脱离正常轨道，出现“乱飞”、改变操作数数值以及将操作数误认为操作码等。为了使“乱飞”程序迅速纳入正轨，应该多用单字节指令，并在关键地方插入一些空操作指令NOP或将有效单字节指令重写，这就叫做指 令冗余。 简答: (1)干扰的作用途径是什么, 答:无论是内部干扰还是外部干扰，都是从以下几个途径作用于系统的。 1) 传导耦合 2) 静电耦合 3) 电磁耦合 4) 公共阻抗耦合 (2)什么是共模干扰和串模干扰,如何抑制, 答:共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成得。消除共模干扰的方法有以下几种:变压器隔离;光电隔离;浮地屏蔽;采用具有高共模抑制比的的仪表放大器作为输入放大器。 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。消除串模干扰的方法有以下几种:在输入回路中接入模拟滤波器;使用双积分式A/D转换器;采用双绞线作为信号线;电流传送。 (3)数字滤波与模拟滤波相比有什么特点, 答:数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点: 1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好; 2)数字滤波可以对频率很低(如0.01Hz)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷; 3)数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。 (4)常用的数字滤波方法有几种,它们各自有什么特点, 答:常用的数字滤波方法有7种。 1)程序判断滤波法:是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现得最大偏差。 2)中值滤波法:它对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引 30 起的脉动干扰比较有效。 3)算术平均值滤波法:它适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。它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。 4)加权平均值滤波:可以提高滤波效果 5)滑动平均值滤波法:采样时间短，可以提高检测速度 6)惯性滤波法:适用于慢速随机变量的滤波 7)复合数字滤波:比单纯的平均值滤波的效果要好 (5)算术平均值滤波、加权平均值滤波以及滑动平均滤波三者的区别是什么, 答:算术平均值法适用于对压力、流量等周期脉动信号的平滑，这种信号的特点是往往在某一数值范围附近作上、下波动，有一个平均值。这种算法对信号的平滑程度取决于平均次数N，当N较大时平滑度高，但灵敏度低;当N较小时，平滑度低，但灵敏度高，应该视具体情况选取N值。对于一般流量，通常取N=12;若为压力，则取N=4。 在算术平均滤波中，N次采样值在结果中所占的比重是均等的，即每次采样值具有相同的加权因子1/N。但有时为了提高滤波效果，往往对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子。这种方法称为加权平均滤波法，也称滑动平均或加权递推平均。 加权因子选取可视具体情况决定，一般采样值愈靠后，赋予的比重越大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例，系统对正常变化的灵敏性也可提高，当然对干扰的灵敏性也稍大了些。滑动平均值滤波法，依次存放N次采样值，每采进一个新数据，就将最 早采集的那个数据丢掉，然后求包含新值在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。 (6)计算机控制系统的常用接地方法是什么, 答:(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 (7)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, 答: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。 31 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。 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 32 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。 第七章 复杂控制技术 同步习题(客观题): 选择题: 1、A 2、A 3、B 4、D 简答: (1)什么是数控系统,数控系统包括哪些, 答: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)什么是顺序控制系统,它由哪几部分组成, 答:微机顺序控制方式是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顺序地进行工作。一般地，把按时序或事序规定工作的自动控制称为顺序控制。它包括系统控制器、输入电路、输入接口、输出电路、输出接口、检测机构、显示与报警电路。 3)微机数控系统由哪些部分组成,各部分的作用是什么, ( 答: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 33 骤, 答: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 第八章 计算机控制系统设计与实现 同步习题(客观题): 选择题: 1、D 2、B 3、D 4、D 简答: (1)三相步进电机有哪几种工作方式,分别画出每种工作方式的各相通电顺序和电压波形图。 答:有三种工作方式: 1)三相单三拍工作方式 各相的通电顺序为A?B?C,各相通电的电压波形如图所示。 34 2)三相双三拍工作方式 双三拍工作方式各相的通电顺序为AB?BC?CA。各相通电的电压波形如图所示。 3)三相六拍工作方式 在反应式步进电机控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生了六拍工作方式，其通电顺序为A?AB?B?BC?C?CA。各相通电的电压波形如图所示。 (2)什么是过程通道,过程通道有哪些分类, 答: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。 按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道;按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。 (3)数字量过程通道由哪些部分组成,各部分的作用是什么, 35 答: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。 (4)简述两种硬件消抖电路的工作原理。 答: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。 (5)简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。 答: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。 (6)模拟量输入通道由哪些部分组成,各部分的作用是什么, 答: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/Digital Converter，简称A/D转换器或ADC)。 36 第九章 智能控制技术基础 同步习题(客观题): 判断题: 1、? 2、? 3、? 4、? 5、? 简答: (1)计算机控制系统的控制过程是怎样的? 答: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)实时、在线方式和离线方式的含义是什么, 答: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。 (3)微型计算机控制系统软件有什么作用,说出各部分软件的作用。 答:软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。 1)系统软件:它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。 系统软件包括: a.操作系统:即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等; b.诊断系统:指的是调节程序及故障诊断程序; c.开发系统:包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等; d.信息处理:指文字翻译、企业管理等。 37 2)应用软件:它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。 应用软件包括: a.过程监视程序:指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等; b.过程控制计算程序:指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等; c.公共服务程序:包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。 3)数据库:数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检索，相应软件设计指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据等。 (4)微型计算机控制系统的特点是什么, 答:微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点: a.控制规律灵活多样，改动方便 b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制 c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高 d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度 (5)计算机控制系统的发展趋势是什么, 答:大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。 a.普及应用可编程序控制器 b.采用集散控制系统 c.研究和发展智能控制系统 (6)采样保持器有什么作用,试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。 答: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。 (7)在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器,为什么, 38 答: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)A/D转换器的结束信号有什么作用,根据该信号在I/O控制中的连接方式，A/D转换有几种控制方式,它们在接口电路和程序设计上有什么特点, 答:A/D转换器的结束信号的作用是用以判断本次AD转换是否完成。 常见的A/D转换有以下几种控制方式，各自特点如下 1)延时等待法:EOC可不和I/O口连接，程序设计时，延时大于ADC转换时间后，取数据。 2)保持等待法:EOC与READY相连,EOC无效时,自动插入等待状态。直至EOC有效时，取数据。 3)查询法: EOC可以和任意I/O口连接，程序设计时，反复判断EOC是否有效，直至EOC有效时，取数据。 4)中断响应法: EOC与外部中断相连，AD转换结束后,发中断申请,在中断服务程序中取数据。 第十章 控制网络技术 同步习题(客观题): 选择题: 1、B 2、C 3、D 判断题: 1、? 2、? 3、? 4、? 5、? 简答: (1)何谓总线,总线有什么功能,总线标准是怎样形成的, 答: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 39 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。 (2)试述总线的分类、各类总线间的关系。 a.根据总线不同的结构和用途，总线有如下的几种类型: 1)专用总线 我们将只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线。专用总线的基本优点是其具有较高的流量，多个部件可以同时发送或接受信息，几乎不会出现总线争用的现象。在全互连或部分互连以及环形拓扑结构中使用的总线就是专用总线。 2)非专用总线 非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线。每个部件都能通过共享总线与接在总线上的其他部件相连，但在同一时刻，却只允许2个部件共享通信，其他部件间的通信要分时进行，因此准确地应称之为分时共享总线。 b.根据总线的用途和应用环境，总线可以有如下几种类型: 1)局部总线 局部总线又称为芯片总线。它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，如图所示。它是构成中央处理机或子系统内所用的总线。局部总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类。 2)系统总线 系统总线又称内总线和板线总线，即微型计算机总线，用于各单片机微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多机系统，如Multibus总线、STD总线、VME总线、PC总线等。一般微型机系统总线如图所示。 3)外总线 外总线又称为通信总线，用于微处理机与其他智能仪器仪表间的通信。外总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上，外总线如图所示。 常用的外总线有:连接智能仪器仪表的IEEE-488通用接口总线;RS-232C和RS-422 40 串行通信总线等。 4)根据总线传送信号的形式，总线又可分为两种。 A并行总线 如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。 B串行总线 串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。 3)简述STD总线的特点。 ( 答:STD总线在工业控制中广泛采用，是因为它有以下特点: (1)小板结构，高度模块化。 (2)严格的标准化，广泛的兼容性。 (3)面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用。 (4)高可靠性。 (4)简述RS—232C总线的特点。 答:微机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通讯。通讯距离可达15m，传输数据的速率可任意调整，最大可达20Kb/s。 (5)什么是现场总线, 答:现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。所以现场总线既是通信网络，又是自控网络。 41