计算机控制系统

第1章绪论

1.什么是计算机控制系统？计算机控制系统由哪几部分组成？

答：计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统。

计算机控制系统的组成：计算机控制系统由计算机（工业控制机）和生产过程两大部分组成。

2.计算机控制系统的典型型式有哪些？

答：计算机控制系统的典型型式包括：操作指导控制系统；直接数字控制系统（DDC）；监督控制系统（SCC，也称设定值控制）；集散控制系统（DCS）；现场总线控制系统（F CS）和综合自动化系统。

3.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？

答：所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。

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为在线方式或联机方式；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做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。

4.讨论计算机控制系统的发展趋势。

答：网络化、扁平化、智能化、综合化。

第2章计算机控制系统的硬件设计技术

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，分别说明各元器件的作用。

6.什么是采样过程、量化、孔径时间？

答：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。

在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字信号总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间称为孔径时间。

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？

答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器（为了防止在A/D转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，因而采用采样保持器来使得信号维持一段时间）。

并不是所有的模拟量输入通道都需要采样保持器的，因为采样保持器是为了防止在A/D 转换之前信号就发生了变化，致使A/D转换的结果出错，所以只要A/D转换的时间比信号变化的时间短就不需要。

8.一个8位A/D转换器，孔径时间为100us,如果要求转换误差在A/D转换器的转换精度（0.4%）内，求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？

12.请分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推导出输出电压与输入数字量之间的关系式。

答：

14.基于RS-485串行总线的主从分布式测控系统的结构形式是怎样的？

答：基于RS-485总线可构成下图所示的主从分布式测控系统，其中可编程控制器（PLC）、智能调节器、智能远程I/O模块的等装置大都具有RS-485总线，可作为测控系统的从站，实现控制功能；PC或IPC作为系主站，并配有RS-232/485转换器，实现对系统定的监控与管理。

15.什么是串模干扰和共模干扰？如何抑制？

答：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。

抑制方法：滤波器、双积分式A/D转换器、前置放大或者隔离屏蔽等、利用元器件的特性来抑制、选择带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线（具体见书64页）。

所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。

抑制方法：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比。

16.MAX1232有哪些主要功能？

答：主要功能有：电源监控、按钮复位输入、监控定时器（看门狗）。

17.计算机控制系统中一般有哪几种地线？请画出回流法接地和一点接地示意图。

答：在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。

18.什么叫信号调理？画出小功率输入调理电路原理图，并说明工作原理。

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。

19.简要分析和说明RS-232C、RS-422A、RS-485三种标准串行通信接口的性能（不同）。

答：RS-232C采用单端驱动单端接受电路，多线传输是有公共地线，方法简单，但是不能区分有驱动电路产生的有用信号和外部引入的干扰信号。

RS-422A采用驱动和差分接收方法，从根本上消除了地线。在实现两点之间的远程通信时，需要采用两对平衡差分电路形成全双工传输电路。

RS-485是RS-422A的变型，它与RS-422A一样都是采用平衡差分电路，但RS-485为半双工工作方式，可用一对平衡差分信号线来连接。

20.什么是平衡传输方式和不平衡传输方式？

答：平衡方式是用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器是用双端差动方式输入信号的。

不平衡方式是用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单线输入信号的。

3数字控制技术

2.什么是逐点比较法插法？直线和圆弧插补计算过程各有哪几个步骤？

答：所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。

直线插补计算过程的4个步骤：偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判断。

圆弧插补计算过程的5个步骤：偏差判别、坐标进给、偏差计算、坐标计算、终点判断。

4.若加工第一象限直线OA，起点O（0,0），终点A（11,7）。要求：

（1）按逐点比较法插补进行列表计算；

（2）作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

解：（1）坐标进给的总步数，，，，。插补计算过程如下表3-1所示：

（2）走步轨迹图 5.设加工第一象限逆圆弧，起点A（6,0），终点B（0,6）。要求：（1）按逐点比较法插补进行列表计算；（2）作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。解：（1）坐标进给的总步数，，，，，，。插补计算过程如下表3-2所示：

（2）走步轨迹图

6.三相步进电动机有哪几种工作方式？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，分别是：单三拍，双三拍，三相六拍

各种工作方式的通电顺序及波形图：（1）单三拍、通电方式：，波形如图（a）（2）双三拍、通电方式：，波形如图（b）（3）三相六拍、通电方式：，波形如图（c）

7.采用PC（ISA或PCI）总线和8255A设计x轴步进电机和y轴步进电机的控制接口，要求：（1）画出接线电路原理图；（2）分别列出x轴y轴步进电机在三相单三拍、三相双三拍和三相六拍方式下的输出字表。

答：（1）接线电路原理图

第4章常规及复杂控制技术

1.数字控制器的连续化设计步骤是什么？

答：设计步骤为：（1）设计假想的连续控制器D（s）

（2）选择采样周期T

（3）将D（s）离散化为D（Z）

（4）设计由计算机实现的控制算法

（5）校验

8.数字控制器的离散化设计步骤是什么？

答：设计步骤为：（1）根据控制系统的性能指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数

（2）根据式求广义对象的脉冲传递函数

（3）根据式求取数字控制器的脉冲传递函数

（4）根据式求取控制量的递推传递函数计算公式

9.数字控制器的工程实现包括那几个部分？

主要是指：给定值和被控量，偏差处理，控制算法的实现，控制量处理以及手动自动切换。

10.选择采样周期要考虑哪些因素？

答:（1）首要要考虑的因素：香农采样定理给出了采样周期的上限。采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出所耗费的时间，系统的采样周期只能在和之间选择。

（2）其次要考虑以下给方面的因素：

1）给定值的变化频率；2）被控对象的特性；3）执行机构的类型；4）控制算法的类型；5）控制的回来数

11.数字PID增量型控制算法

12.增量式算法与位置式算法相比的优点是：

①增量算法不需要累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或者计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。

②增量式算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响较大。

③采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。

13.为消除积分不灵敏区，通常采用以下措施：

答：措施为：

①增加D/A和A/D转换位数，加长运算字长，这样可以提高运算精度。

②当积分项连续几次出现输出精度的情况时，不要把它们作为“零”舍掉，而是把它们一次次累加起来，即，直到累加值大于时，才输出，同时把累加单元清零。

15.后差分法计算（P104）

第7章计算机控制系统软件设计

5.某炉温度变化范围为0～1500，要求分辨率为5，温度变送器输出范围为0～5V。若A /D转换器的输入范围为0～5V，则求A/D转换器的字长应为多少位？若A/D转换器的字长不变，现在通过变送器零点迁移而将信号零点迁移到800，此时系统对炉温变化的分辨率为多少？

6.某执行机构的输入变化范围为4～20mA,灵敏度为0.05mA，应选D/A转换器的字长为多少位？

7.温度-20～+50，温度变送器变换为1～5V电压，送至12位A/D转换器AD574（0～5V），计算：（1）若AD574的转换结果为800H时，对应的系统温度为多少？

8.中位值滤波法是怎样的？该滤波法适用于什么情况？

答：中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次（）且是奇数，并按大小顺序排列；再取中间值作为本次采样的有效数据。

中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果更好。即在每个采样周期，先采用中位值滤波法得到m个滤波值，再对这m个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参数。

第8章分布式测控网络技术

1.工业局部网络通常有哪4种拓补结构？各有什么特点？

答：4种拓补结构：星形、环形、总线型和树形。

各自特点：

（1）星形：1）网络结构简单，便于控制和管理，建网容易

2）网络延迟时间短，传输错误率较低

3）网络可靠性较低，一旦中央节点出现故障将导致全网瘫痪

4）网络资源大部分在外围点上，相互之间必须经过中央节点中转才能传送消息

5）通信电路都是专业线路，利用率不高，故网络成本较高

（2）环形：1）信息流在网络中式沿固定的方向流动，故两节点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制

2）环路中每个节点的收发信息均由环路口控制，因此控制软件较简单

3）环路中，当某节点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性

4）环结构其节点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制

（3）总线型：1）结构简单灵活，扩展方便

2）可靠性高，网络响应速度快

3）共享资源能力强，便于广播式工作

4）设备少，价格低，安装和使用方便

5）由于所有节点共用一条总线，因此总线传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合

（4）树形：树形结构是分层结构，使用与分级管理和控制系统。与星形结构相比，由于通信线路总长度较短，故它的连网成本低，易于维护和扩展，但结构较星形复杂。网络中除叶节点及其连线外，任一节点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。

2.工业局部网络常用的传输访问控制方式有哪三种？各有什么优缺点？

答：3种控制方式：冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、令牌环（Token Ring）、令牌总线（Token Bus）

各自的优缺点：

（1）冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）：

CSMA/CD方式原理较简单，且技术上较易于实现。网络中各节点出于同等地位，无需集中控制，但不能提供优先级控制，所有节点都有平等竞争的能力，在网络负载不重情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。

（2）令牌环（Token Ring）：

优点是能够提供可调整的访问控制方式，能提供优先权服务，有较强的实用性。缺点是需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失将会降低环路利用率；控制电路复杂。

（3）令牌总线（Token Bus）：

优点：1）吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加

2）控制功能不随电缆线长度的增加而减弱

3）不需冲突检测，故信号电压可以有较大的动态范围

4）具有一定的实时性

缺点是节点获得令牌的时间开销较大，一般一个节点都需要等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。

3.什么是现场总线？有哪几种典型的现场总线？它们的特点怎样的？

答：现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，与控制系统和现场仪表联用，组成现场总线控制系统。

5种典型的现场总线：CAN、Lonworks、ProfiBUS、HART、FF。

各自的特点：

（1）CAN（控制器局域网络）：

1）CAN通信速率为、，节点数110个，传输介质为双绞线或光纤等

2）CAN采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据

3）CAN可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，用此特点可方便的构成多机备份系统。

4）CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息；按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。

5）CAN支持4类报文帧：数据帧，远程帧，出错帧，超载帧。采用短帧结构，每帧有效字数为8个。这样传输的时间短，受干扰的概率低，且具有较的检错效果。

6）CAN采用循环冗余检验CRC（Cyclic Redundancy Check）及其它检错措施，保证了极低的消息出错率

7）CAN节点具有自动关闭功能，当节点错误严重时的情况下，则自动切断与总线的联系，这样不影响总线正常工作。

8）CAN单片机：Motorola公司生产的带CAN模块的MC68HC05x4，Philips公司生产82C200，Intel公司生产带CAN模块的P8XC592

9）CAN控制器：Philips公司生产的82C200，Intel公司生产的82527

10）CANI/O器件：Philips公司生产的82C150，具有数字和模拟I/O接口

（2）LONWORKS（局部操作网络）：

1）LONWORKS通信速率为，，节点数为32000个，传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线等

2）LONWORKS采用Lon Talk通信协议，该协议遵守国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI（Open System Interconnection）全部7层模型

3）LONWORKS的核心是Neuron（神经元）芯片，内含了3个8位的CPU：第1个C PU为介质访问控制处理器，实现Lon Talk协议的第1层和第2层；第2个CPU为网络处理器，实现Lon Talk协议的第3层至第6层；第3个CPU为应用处理器，实现Lon T alk协议的第7层，执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务

4）Neuron芯片的编程语言为Neuron C，它是从ANSI C派生出来的。LONWORKS提供了一套开发工具LonBuilder和NodeBuilder

5）Lon Talk协议提供了5种基本类型的报文服务：确认（Acknowledged），非确认（U nacknowledged）,请求/响应（Request/Response），重复（Repeated），非确认重复（Unacknowledged Repeated）

6）Lon Talk协议的介质访问控制子层（MAC）对CSMA作了改进，采用一种新的称作P redictive P-Persistent CSMA，根据总线负载随机调整时间槽n(1～63)，从而在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小化

（3）PROFIBUS（过程现场总线）

1）PROFIBUS-PA（Process Automation）用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险爆炸区域

2）PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）用于一般自动化

3）PROFIBUS-DP用于工业自动化，适用于分散的外围设备

PROFIBUS引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。在一个确定的应用中，按照PROFIBUS规范来定义模块，写明其硬件和软件的性能，规范设备功能与PROFIBU S通信协议的一致性。

PROFIBUS为开放系统协议，为了保证产品质量，在德国建立了FZI信息研究中心，对制造厂和用户开放，对其产品进行一致性检测和实验性检测。

（4）HART（可寻址远程传感器数据通路）:

可寻址远程传感器数据通路HART是美国Rosemount研制，HART协议参照ISO/OSI 模型的第1、2、7层，即物理层、数据链路层和应用层，主要有如下特性：

1）物理层采用基于Bell 202通信标准的FSK技术，即在4～20mA DC模拟信号上叠加FSK数字信号，逻辑1为1200Hz，逻辑0为2200Hz，波特率为1200b/s，调制信号为或0.25（250为负载）。用屏蔽双绞线单台设备距离为3000m，而多台设备互连距离为1500m

2）数据链路层数据帧长度不固定，最长25个字节。可寻地址为0～15，当地址为0时，处于4～20mA DC与数字通信兼用状态；当地址为1～15时，则出入全数字通信状态。通信模式为“问答式”或“广播式”。

3）应用层规定了3类命令；第一类是通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品；第二类是普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品；第三类是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。另外，为用户提供了设备描述语言（DDL， Device Descriptio n Language）。

（5）FF（现场总线基金会）现场总线

现场总线基金会（FF）是国际公认的唯一不附属于某企业的公正非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定统一的现场总线国际标准，无专利许可要求，可供任何人使用。现场总线标准参照ISO/OSI模型的1、2、7层，即即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层。FF推行的现场总线标准以IEC/ISA SP-50标准为蓝本。