2018年--计算机控制系统--复习题答案

1.画出典型计算机控制系统的基本框图。

2.微型计算机控制系统的特点是什么？

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

3.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

4.给出常规的直接设计法或离散化设计法的具体设计步骤。

答：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?(z)；

(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

5.说出实施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。

6.简述两种硬件消抖电路的工作原理

(1).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。

(2).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。

7.什么是干扰，干扰来源，抗干扰措施

答：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。外部干扰和内部干扰。硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。

8.某加热炉温度变化范围为0～1600℃，经温度变送器和调理电路输出电压为

1～5V，再经ADC0809 转换（ADC0809 的输入范围1～5V），使计算当采样数值为9BH 时，所对应的加热炉温度是多少？

9.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。

10.线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？

线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模

z i<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。

11.阶跃响应不变法的基本思想是什么？

阶跃响应不变法的基本思想是：离散近似后的数字控制器的阶跃响应序列与模拟控制器的阶跃响应的采样值一致。

12.简要说明多路开关的主要特点

答：半导体多路开关的特点是：（答5条即可）

（1）采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排；

（2）直接与TT电平相兼容；

（3）内部带有通道选择译码器，使用方便；

（4）可采用正或负双极性输入；

（5）转换速度快，通常其通或关断时间1ms左右,有些产品已达到几十到几百纳秒（ns）；、

13.什么是采样或采样过程？

答：采样或采样过程，就是抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程，有时也称为离散化过程。

14.PID 调节系统中，微分调节起何作用？为什麽在有些系统中采用不完全微

分算式，它与常规算式有哪些区别？

答：微分的作用是加快调整速度。由于微分只存在于瞬间，因而有时会使系统产生震荡，而使调节品质下降。为了避免震荡，在一些系统中采用不完全微分算法，它的基本思想是使微分作用漫漫减弱，以避免由于微分突然下降到0而产生震荡。

15.PWM 控制意味着什么？它有什么作用？微型机控制系统中是怎样实现

的？

答：PWM是脉冲宽度调速系统，它用来控制马达的转速和方向。其方法是通过改变对电机的通电时间达到调整电机转速的目的。具体作法是，首先根据电机转速的要求，确定占空比，即通电时间与通电周期之比，再按照通、断电时间送出控制模型，使电机按要求的转速运转。方向是通过改变4个开关的通电状态来实现的。

16.抖动、重键都是键盘设计中经常遇到的问题，用什麽方法可以解决

答：抖动是键盘工作中的常见现象，它将影响计算机对按键的查询工作的准确性。

常采用的防抖措施有：①软件延时程序（一般为10--20毫秒）。②硬件防抖电路：双稳态电路及滤波电路。

17.与PID 控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？

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。

18.说明小功率直流电机双向控制原理，并说明如何实现正、反控制。小功率

直流电机双向控制原理图，如下所示：

向控制原理图，如下所示：

图中，当SW1和SW4闭合时，马达正转；

当SW2和SW3闭合时，马达反转；

当SW1和SW3或SW2和SW4闭合时，马达刹车；

当SW1、SW3、SW2和SW4都断开时，马达滑行。

19.简述数字滤波技术，其算法有哪些?

所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法。

20.数字控制器的连续化设计步骤？

设计假想的连续控制器、选择采样周期T、将DS离散化为Dz、设计由计算机实现的控制算法、校验五个步骤。

21.连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？

(1).答：与连续控制系统相比，计算机控制系统具有以下特点：

(2).计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。

(3).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。

(4).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。

(5).计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。

(6).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。

(7).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。

22.简述典型的计算机控制系统中所包含的信号形式。

(1).连续信号

连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的，也可以是断续的。

(2).模拟信号

模拟信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值在某一时间范围内是连续的。模拟信号是连续信号的一个子集，在大多数场合与很多文献中，将二者等同起来，均指模拟信号。

(3).离散信号

离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。

(4).采样信号

采样信号是离散信号的子集，在时间上是离散的、而幅值上是连续的。在很多场合中，我们提及离散信号就是指采样信号。

(5).数字信号

数字信号是幅值整量化的离散信号，它在时间上和幅值上均是离散的。

23.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？

实时性是指工业控制时计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件作出反应的特性。

在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称在线方式或联机方式。

在生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式称离线方式或脱机方式。

由计算机控制系统的工作原理可知，计算机控制系统要进行实时数据采集，实

时控制决策，实时控制输出。在生产过程中系统要对生产过程进行跟踪与作出实时的反应，所以计算机控制系统要考虑实时性。

24.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：由四部分组成

（1）主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算（如调节规律运算、最优化计算等）和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。

（2）输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。

（3）外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等）和外存贮器（磁盘）。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台

还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。

（4）检测与执行机构

a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号（0～5V或4～20mA）后，再送入微机。

b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构（调节阀）来控制进入加热炉的煤气（或油）量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。

25.计算机控制系统的发展趋势是什么？

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

26.什么是过程通道？过程通道有哪些分类？

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。

27.在PID 调节器中系数k p 、ki、kd各有什么作用？它们对调节品质有什

么影响？

系数kp为比例系数，提高系数kp可以减少偏差，但永远不会使偏差减少到0，而且无止境地提高系数kp最终将导致系统不稳定。比例调节可以保证系统的快速性。

系数ki为积分常数，ki越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间加长。积分调节可以消除静差，提高控制精度。

系数kd为微分常数，kd越大微分作用越强。微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响。

28.采样周期的选择需要考虑那些因素？

1.给定值的变化频率

2.被控对象的特性

3.使用的控制算式和执行机构的类型

4.控制的回路数

29.什么是计算延时？

当采样信号送入CPU，按控制算法要求进行数据处理时，由于计算机执行每条指令均需要一定时间，这样，从数据采样到结果输出之间就要产生一定的时间延迟，称为计算延时。

30.什么是信号调理

答：为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号

调理。

31.什么是有源I/V 变换

32.什么是积分分离

当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以消除静差，提高精度。

33.什么是软件陷阱

软件陷阱就是在非程序区设立拦截措施，使程序进入陷阱的技术。即通过一条引导程序，强行将跑飞的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。程序陷阱安排在以下四种地方：未使用的中断向量区，未使用的大片ROM区

34.什么是积分饱和

当系统存在一个方向的误差时，由于积分的累加作用会使控制量一直增大，可能会使控制量达到执行器的执行阈值，如果此时误差的方向发生改变，控制量会逐渐减小，控制量也会退出饱和区，执行器也会在阈值内执行；如果此时误差方向还是没有改变，控制量会继续增大但是执行器会一直保持在阈值，此时控制量就进入了饱和区。进入饱和区越深，退出饱和区时间就会越长，在饱和区时执行器会一直在阈值位置，如果误差发生反向，执行器不会立刻有反应，控制量会慢慢减小，等执行器推出饱和区才会有反应。这样就会使控制的动态响应变差，控制性能变差。

抗积分饱和算法：若u(k-1)>Umax，只累加负的误差；若u(k-1)

35.什么是接口

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。

36.什么是过程通道

过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括AI、AO、DI、DO。（AnalgoyInput/Output、DigitalInput/Output）

37.什么是量化

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。