《计算机控制系统》课后题答案_刘建昌等科学出版社.docx

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1、第一章计算机控制系统概述习题与思考题1.1 什么是计算机检制系优计算Ut制钝做模板系级有何优点学例说明解:由计算机参与异作为核心环节的自动拄机系烷，敕称为计算机控制乐场.与梗拟系统相比，计算机拉职系统具有设计和控制灵活，能实况集中监视和操作，能实现膝合控制，可作性高.抗干扰能力强导优点。例如.典型的电阻炉炉温计算机控制系统，如以以以下列图所示：炉展计算机控制系烷工作过在如下：电加炉温度这一腑足量经过热电/检测后，变成.电信号毫伏以），再接变送35变成标注信号（1-5V或4-2OmA）从现场进入控制定；经A/D转换器宋拼后变成数字信号送入计M机.与计算机内部的擀戊,给定总叫.将到的星信奇,该信号

2、经过计鼻机内部的应用妆件,即控制鼻法运算后得到一个控制信号的散字量.再经由D/A转换器将该数字量控：W代号船换成模拟黄；控制信号理以更作用于执行机构触发盥，过而拉制双向晶河也对交流电压（220V）进展PWM调制，到达控制加热电阻两瑞电压的目的：电阻两述电压的上下决定了电相加热舱力的大小,从而调节炉浸变化,最终到达计算机内部的怜定温度.由于计算机控：W系统中，散字控：W器的控制算法是逋过战程的方法未实现的，所以很容分实现多种控制算法，修改拄制算法的叁数也比照方便。还可以通迂软件的标准化和模块化，这些控制改件可以反复、尾次调用.又由于计算机具有分时操作功觉,可以监视几个或成十上百个的控制量,把生产

3、过程的各个校控对象都皆足足来.姐成一个统一的控制系统,使于集中益视、集中操作管理.计算机拄制不仅能实现常规的控初规律，而且由5计算机的汜忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与家数变化时，能及畀进展利斯、选择最适宜的方案进展按配，必要计可以通过人机计话导方式进展人工干预,这些探是传统模也控制无法胜任的.在计总枇控制系统中,可以利用程序实现故障的白诊断、白修复功!.使计算依控制系筑具有很好的可维护性,另一方而.计算机控助东妮的控配算法是通i：Ut件的方式来实现的，狂序代码存储于计算机中，一曲情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力技强。因此.计总机控制系统具有

4、上述优点。1.2 计算机核制It由那几局部各局部的作用假批何M：计算机拄赳乐场典型构造由数字控加器、D/A给换盥、执行机构和被控对总、制量变送环节、采样开关而A/D冷换环节等组成。被控对象的物理也及过测量变送坏节变成标泄信号（1-5V4-2011A）:再经A/D转换2S采样后变成澈字信号进入计算机.计算机利用戈内部的控制算法运算后得到一个控$4信号的-Fi.再及由D/A转换独将该数学芝控的信号转投成模桢量；控附仃号模拟量作用5执行机构触发驾，选而控制被控计象的物理量,实现控制要家.1.3 应用逆科$件谀计一个开关他号处计算机数樨思蝶接入计算机*BB.解冬：1.4 住用视料片件设计一个,示灯经过

5、计算机Iut总战出的电路图.解冬：1.5 设计一个模板信号入至计算机星羯接口的构连图.解冬：银加量输入总址组叔构选国1.6 谀计一个计算机M线摸口至一个4201模板信号,山的构迨气国.：1.7 It迷升率例说内部、外部和京线尊级的动色.解:内部总找指计算枕内部各外国芯片与处置器之网的总线，用于芯片一级的互连，是微处理JS总理的延伸，是微处理若与外部松件拄口的通路，IB1.8所示是构成微处理35*子系统内所用的并行总货.内部井疔总我通常包括比址总准、数据总统和拄制总煤三关。S1.8内部并柠会及及煌诙系烧总线梢计算机中各始件坂与系境板之间的总线（如MUItibUS总线、STD总线、PC总找工用于拈

6、件板一级的互连，为计算枇系统所挣有,是构成计算机系统的总理。由于微处理器芯片总发弊动能力有限，所以大量的接口芯片不能直接挂在微处理器芯片上。PJ4.如果在俄3芯片、I/O接D芯片太多.在一个印刷电路板上安排不下时,采用模块化谀计叉增加了总线的货气，所以微处境器芯片与总奴之间必须加上笑动器.系统总线及组成如国1.10所示.图1.10家煤总找及蛆武外部总找招计鼻机和计算机之阿、计耳机与外部其他仪表或议各之间逝展连接通信的慌.计算机作为一种设价，通汉设总线和其他设备遗展信息与教媒女换，它用于设备一级的互连。外部总统通常通过总线控制方拄按在系统总线上，外部总线及组成如由1.11所示。图1.11分部总埃

7、及投成1.8 评it*于权电Bt的D/AASMXit4.解不：D/A转换器是按骐规定的时间间隔T时拉机器榆出的敬字量进展D/A.转换的.D/A传换后的工作原理，可以为姑为“校权展开求和”的根本原则，时枪人数字堂中的每一位，按权值分期转换为建拟量，然后通过运乩放大区求和,耕到相应模拟黄馅出。相应于无符号筌致彩式的二遗赳代码，ndDAC的箱出电压匕u,遴守如下等式：2匕“=匕sg+*+*+争63）式中，匕m为输出的篇幅依电压，瓦是二迨制的最高有效0,乩是最低有效0.以4位二进制为例，图1.12给出了一个说明实例.在图1.12中每个电流法便取决于相应二进制位的状态，电流源伍或,者为零.或者为图中显示

8、值,时检出电流的总和为：心+/冬冬）11.4）W1.22*2,2$我们可以用自定的格考电压及不冏阻值的电阻汆替代IB1.12中的各个电流湿，在电流的皋合恰出参加电注/电压变换器,因此,可以得到以电阳法咏字到模加黄转换2的原理国加图1.13所示。图中住切换开关的数量,就是D/A转换若的字长.S1.12使E电源对的DACM金M1.13Ufcu*0A移换IJ的限理用1.9 D/A*模B候支的主委宗i大什么解冬：D/A转操的误发主要应由D/A转换若转换精度转换天字长和保持若采样点之间拓依）的肪K以及娓定的时间回属T来决定.1.10 评述逐次退远式A/D带提W的工作过程.解冬：逐次遇进是A/D轼摸器原理

9、国如困1.14所示，当计用机发出转换开场命令并去除n住存放JS后,控制逻蚌电珞先设定存放JS中的最高住为“1*其余住为“0.输出此预测效提为1000就送到D/A将换若.舲换成电压信号匕.后与外人模拟电压匕在比照若中相比呢，假设匕2匕，说明此便置“1。是时的，应于保存，（RiiVVf,说明此位置“1”不适宜.应工“0*。然后对次高位按同样方法叉1*.D/A转换、比照与列断,决定次高位应保存1”还是去除.这样逐位比照下去，近到存放器Ift低一(1为止.这个过程完成后.发出忖换完毕命令.这时存放:K里的内容.沈是1人的理拟电区所计应的数字比。国1.14逐次逼返KA/D岭拼24鹿J1.框出1.11 评

10、述网积分式A/D林筑B的工件比权.解：双貌分式A/D能倏器龄摸原理框田加国1.15（八）所示，转换波形如图1.15(b)所示.当t=0,“转换开埼”信号输人下，匕在T时间内充电几个时冲脉冲，时回T一凡控制比辑就把模拟开关转换到匕，,上.I的与匕嫉性相反,电束以固定的斜芈开场放电，放电期间计坡龄计数，脉冲的多少反映了放电时间的长陋,从而决定了榆入电区的大小。放电到零时，将由比照器动作,计妣百停顿计数.并由控骷运驿发出“转操完毕.信号。这时计数式中环到的轨字即为模拟量转换成的数字量.此数字立可并行跄出.（八）(b)H1.15双伐分代A/D.传授55原理风波电区1.12 A粉象总候丈的主要东戈什么解

11、冬：A/D转换的送左主要立由A/D转我器转关连率札径时间和林轶情度量化误Z)来决定.1.13 H或操作器导检制系统的构迨和物点.郁冬：操作指导系统的构造如Ifi1.16所亦。它不伍提供现场册况和遇展异常报警,而且还按#预先建议的数学模型和控制算法进展运算和处理.将得出的我比议定值打印和显示出来，操作人员根据计算机冶出的操作指导，并且根据实除泾历，经过分析判断,由人直按改更调节招的给定位*操作执疔机构。当时生产过崔的教学模型了解不够拗底it,东用这种控制；捞得到满意结果,所以操作指导系统具有灵活、安全和可亦等优点。但仍有人工操作、控$彳遑度受到堆制.不危问时控制多个回路的接点.由1.16操作抗导

12、系优柜由1.14 M或直接敷字检制系统的构造和停点.解冬：五按敦字控制系统DDC构造如国1.17所示。这釜控制是计算机把运算结果立技翻出去控制生产过程,蓟价DDC系统.这吴系统寓于用坏系统,计算机系统计生产过程各参量进区检测，根据规定的教学模型，如PID算法进技运算，照后发出控制信号，JI按控制生产注把。它的主要功能不仅能完全取代操拟调节能，而且只更改变作序笠可以实况其他的夏奈控制规律,如前情控制、酢伐性控配导。它把星示、打印、报警和设定伍的设定等功能都集中到操作控制台上，实蜕集中雷视和控制给操作人55带来了风大的方便.但DDC叶计耳机可索性安求很高，否则会影响生产.S1.17R挟秋宇控制杀婉

13、1.15 M迩计算髭量视控制系他的拘途加钟点.解冬：监视控制系统有两件册式.1)SCC%模拟调节器的系统这种系统计算机对生产过崔各参董进展检测，校工艺要术或教学模空算出各校制回路的设定值.热后直接送绐各调节否以进展.生产过程调节,K构成如由1.18所示.达类控制的优点是能够始终使生产过程处于最优运行技态.与操作指导控制系统比照.它不会四手网设定值的方坎不同而引起控制质量的息异.其次是这种系烷比照灵活与安仝，一旦SCC计算机发生故除,仍可由模拟调节抬单独完成操作。它的缺点是仍然需氽用候!以调节公。1.19 NiFCStt丈的构造加验点.解现场总线控制系统（FCS.FieIdbUSContro1.

14、System的体系构造主委表现在：现场通信同络、现场设备互连、控制功能分散、通信理供电、开放式互连同络答方面。由于FCS底层产品都走带有CPU的智能单元.FCS突破了传统DCS底房产品4-20mA校物信号的传输.智能单元点近现场设各.它们可以分别独立地完成测量、校正、调些、诊断和控制的功能,由现场总线苏议将它们连接在一起，任何一个单元出现故障都不会甯响到其它单元，更不会影响全局,实现了彻底的分散控制，仗系统更安全、更可弥。传统模拟控制系统采用一对一的设各连螟,按照控制回路通展连接。FCS米用了皆能仪表智施传感西、智能找行若号）.利用的此仪表的通信功施,实现了卸底的分散控制.图1.22为传观控制

15、系统与FCS的构造比照.图1.22传垃拄物系烷与理均总理校*）系优构造的比.根1.20 WI号偿中的从检b应调是什么要求-:.1.21 *能例或接入计算机有儿科途径解:两种，一种是435串行方式，另一种是以太网方式。1.22 4fH计算机检制系4U涉及的立要理论向慝，率例说解:1.信号变换问题多数乐筑的被控对象及执行郃件、测量部件是连块梗极式的，而计算机控制系烧在构造上通常是由模拟与数字界伴蛆成的混合系统。同时，计算加是串行工作的，必须核一定的氽样问隔（称为采存周期对连扰信奇进展不祥.将其变成时间上是惭线的离我信号.并进而变成数字信号才能进入计算机：反之,从计算机腑出的数字信号.也要经过D/A变换成模以信号，才能将按初信号作用在被控时常之上.所以，计算机拄飘乐烷殊有连块WU以信号外，还有禹致候极、再致数字等怙号影式，是一种混合信号系统。这种系统构造和信号形式上的特点,使信号安换向建成为计算机控制系统特有的、必须面对和解决的问超。2 .对象建模与性能分析计算机控制系饨条想是由物离做系统的计算机和纯连续系婉的被拄对而构成的混合系统，但是为了分析和设计方便，通禽都是将其等效地化为隔效系统来处理。对于居傲系统，通常使用时战的是分方程、夏数城,的Z变操和脉冲传递房敦、频城的级率叶性以及用数状态空阿方框作为系统数学描述的根本