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1、. . . 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
2、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(Direct Digital Control)系统就是通过检测元
3、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(Supervisory Computer Control)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)
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围完成的，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”
5、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9
6、0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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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010mA或420mA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
12、元组合仪表，DDZ-型的输出信号标准为010mA,而DDZ-型和DDZ-S系列的输出信号标准为420mA，因此，针对以上情况我们来讨论I/V变换的实现方法。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。CR1R2IDV+5V无源I/V变换电路对于010mA输入信号，可取R1=100，R2=500，且R为精密电阻，这样当输入的I为010mA电流时，输出的V为05V.对于420mA输入信号，可取R=100，R=250，且R为精密电阻，这样当输入的I为420mA时，输出的V为15V。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
13、，如图所示。R2 为精密电阻，阻值为250，通过取样电阻R2 ，将电流信号转换为电压信号。取R3=1K，R4 设定为4.7K电位器，通过调整Rf的值，可使010mA输入对应于05V的电压输出，420mA输入对应于15V的电压输出。VCR1R2+-AI+-ARfR4R3R5 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
14、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
15、，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，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，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100S，如果要求转换误差在A/D转换器的转换精度(0.4%)，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
