计算机控制系统习题答案刘士荣
计算机控制系统课后习题答案1
第一章课后参考答案1-1简述计算机控制系统的控制过程。
计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下三个步骤：1)实时数据采集：对被控量进行采样测量，形成反馈信号；2)实时控制计算：根据反馈信号和给定信号，按一定的控制规律，计算出控制量；3）实时控制输出，向执行机构发出控制信号，实现控制作用。
1-2什么是实时性？有哪些因素影响系统的实时性？硬件：1）控制器计算速度2）传感器采集速度3）执行器反应时间4）A/D、D/A转换速度软件：1）操作系统调度2）中断响应处理方式（包括定时器）3）延时函数的设置实时性：即信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内即时完成的，超出这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
1-3计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分作用是什么？计算机的硬件主要包括主机、输入输出通道和外部设备。
主机：主机是计算系统的核心，通过接口向系统的各个部分发出各种指令，对被控对象进行检测和控制。
输入输出通道：输入输出通道是计算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计算机可以接收的数字信号，过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据，转化成可以对生产对象进行控制的的信号。
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。
外部设备：外部设备是实现计算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，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，还应有按键或开关，完成系统的启、停等功；操作台还要保证操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
1-4计算机控制系统的软件由哪几部分组成？各部分作用是什么？计算机控制系统软件分为系统软件、应用软件及数据库。
系统软件是有计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。
对用户来说，系统软件只是用来开发应用软件的工具，不需要自己设计。
计算机控制系统部分习题参考答案
计算机控制系统部分习题参考答案作者: 日期:1.12设有模拟信号（0〜5）V 和（2.5〜5）V ，分别用8位、10位和12位A/D 转换器，试计算 并列出各自的量化单位和量化误差。
t - * ttnax yXmr 直儿川人--------- 生一 ——答：量化单位q=(2.5 EB v第一章1.1计算机控制系统是怎么样分类的？按功能和控制规律可各分几类？ 答：计算机控制系统可按功能分类，按控制规律分类和按控制方式分类。
按功能计算机控制系统的分类： （1 ）数据处理系统。
（2）直接数字控制（简记为 （3 ）监督控制（简记为 SCC 。
（ 4）分级控制。
（5）集散控制。
（6）计算机控制网络。
按照控制规律计算机控制系统的分类： （1）程序和顺序控制。
（2）比例积分微分控制（简 称PID 控制）。
（3）有限拍控制。
（4）复杂规律控制。
（5）智能控制。
DDC 。
1.2计算机控制系统由哪些部分组成？并画出方框图。
答：计算机控制系统由控制对象、执行器、测量环节、数字调节器及输入输出通道等组成。
方框图：P115图1.21输出反馈计算机控制系统 1.9简述采样定理及其含义。
答：采样定理：如果采样角频率 &2园丁大于2區!i ，即 題』，则采样的离散信 号H t ）能够不失真地恢复原来的连续信号 y （t ）。
式中杠z|是连续信号y （t ）的频谱特性 中的最高角频率。
含义：要使采样信号⑴ 能够不失真地恢复原来的连续信号 y （t ），必须正确选择采 样角频率，使 1.10多路巡回检测时，采样时间0,采样周期T 和通道数N 之间的关系。
答：采样时间是足够短的时间,y(kT) El y(kT+固),0<,量化误差E = q/2]解:丫(z)=E]U(z)+U(z)- EY(z)=(吃二i +%)U(z)-Y(z)1.14试述数模转换器的作用？如何选择转换器的位数?答：数模转换器把数字量 u(kT)转换成离散的模拟量模-数转换器的位数n ,当位数足够多时，转换可以达到足够高的精度。
计算机控制系统习题参考答案
4) 集散控制系统：分散控制，集中操作，分级管理，综合协调，实现高级复杂的控制。 系统成本较高，且各厂商的 DCS 有各自的标准，不能互联。
2
计算机控制系统习题参考答案
5) 现场总线控制系统：分散控制，环境适应性强，维护简易，成本低，可靠性高，并且 在同一国际标准下可实现真正的开放式互联系统结构。
1) 增量型算法无需累加，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小；而位置型
算法要用到过去误差的所有累加值，容易产生大的累加误差。
2) 增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小；而位置型是控制量的全量输出，
误动作影响大。
3) 增量型算法可实现手动到自动的无冲击切换。
4-4 什么叫积分饱和作用？它是怎样引起的，如何消除？ 如果执行机构已到达极限位置，仍不能消除静差时，由于积分作用，尽管 PID 差分 方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就叫积分饱和。 在控制过程的起动、结束、大幅度增减设定值或出现较大扰动时，短时间内系统的 输出会出现很大的偏差，这些偏差经过积分项累加，有可能使控制量超出执行机构的极 限位置，因而不能按照控制量的要求动作，产生饱和效应，使系统输出出现较大的超调 和长时间的波动。 消除方法：可采用积分分离式 PID 控制算法，其基本思想是大偏差时，去掉积分作 用，以免积分作用使系统稳定性变差；小偏差时，投入积分作用，以便消除静差，提高 控制精度。亦可采用变速积分 PID 控制算法，其基本思想是设法改变积分项的累加速度，
1)
f(t)=a mt
* -k mT -1 2mT -2 Z [ f(t) ] =Z f (t) = ∑ f(kT)z =1+a z +a z +... k=0 ∞
(完整版)计算机控制系统课后习题答案
1-1 什么是计算机控制系统？画出一个实际计算机控制系统原理结构图，并说明一个计算机控制系统由哪些部分组成及各部分的作用。
利用计算机参与控制的系统称为计算机控制系统。
1-2 简述计算机控制系统的控制过程。
实时数据采样实时计算控制量实时控制实时管理1-3 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范围内完成的，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：生产过程和计算机系统直接连接，并接受计算机直接控制的方式称为在线或联机方式。
(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的方式叫做“脱机”方式或“离线”方式。
1-4 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？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。
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。
(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)。
(4)生产过程装置a.测量变送单元：为了测量各种参数而采用的相应检测元件及变送器。
b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构。
1.5 计算机控制系统的软件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。
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。
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。
计算机控制系统课后答案
计算机控制系统课后答案1. 概述计算机控制系统是指利用计算机进行控制的系统，它采用计算机硬件和软件的协同作用，对被控对象进行监测、测量、判断以及控制操作的任务。
本文将回答计算机控制系统课后习题，以帮助读者加深对该课程的理解。
2. 习题答案2.1 什么是计算机控制系统？计算机控制系统是指利用计算机硬件和软件的协同作用，对被控对象进行监测、测量、判断以及控制操作的系统。
其核心是计算机的控制程序，通过对输入信号的处理和对输出信号的控制，实现对被控对象的精准控制。
2.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统主要由以下几个组成部分构成：•输入设备：用于采集被控对象的状态信息，将其转化为数字信号输入到计算机中。
•输出设备：将计算机产生的控制信号转化为可被被控对象接受的信号。
•中央处理单元（CPU）：负责执行控制程序，对输入信号进行处理和判断，并产生相应的控制信号。
•存储器：用于存储控制程序和控制数据。
•总线：用于传输控制信号和数据，连接CPU、存储器和输入输出设备。
2.3 计算机控制系统的特点•精确性：计算机控制系统能够对被控对象进行精确的控制，实时调整控制参数，确保控制过程的稳定性和准确性。
•灵活性：通过编写不同的控制程序，可以实现对不同对象的控制，具有很高的灵活性。
•可靠性：计算机控制系统具有自主诊断和故障处理能力，当出现故障时，能够自动检测、定位和修复错误，提高了系统的可靠性。
•扩展性：计算机控制系统可以根据需要增加或替换硬件设备，增加系统的功能和性能。
•可维护性：计算机控制系统通常使用模块化设计，方便对系统进行维护和升级。
2.4 计算机控制系统的应用领域计算机控制系统广泛应用于工业自动化领域，例如：•工业生产线控制：计算机控制系统可以对生产线上的各个环节进行监控和控制，提高生产效率和产品质量。
•交通信号控制：计算机控制系统可以对交通信号灯进行精确控制，实现交通流量的调度和优化。
•智能家居系统：计算机控制系统可以对家庭设备进行智能控制，实现远程操控和自动化管理。
计算机控制系统刘世荣第一章 步进电机
• 步进电动机速度控制
控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制 系统发出脉冲的频率或者换相的周期。系统可以用 两种方法确定脉冲的周期（频率）： 软件延时
定时器 软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法 实现的，它占用CPU时间。定时器方法是通过设置定 时时间常数的方法来实现。
步进电动机的闭环控制辑线路控制器的缺点。1. 步进电动机的开环控制
• 串行控制 具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱 动电源之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源中 必须含有环形分配器，其功能框图如图所示
•并行控制
用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相 驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包含环 形分配器，其功能必须由微机系统完成。系统实现脉冲分 配器的功能又有两种方法：纯软件方法;软、硬件相结方法；
b. 软件环形分配器
一般微机系统需要进行如下设置： 设置输出接口 设输出口的A0接U相；A1接V相；A2接W相。 设计环形分配子程序
在存储器中建立环形分配表。
设计延时子程序 设计延时子程序来控制步进频率。
存储元件地址 K＋0 K＋1 K＋2 K＋3 K＋4 K＋5
单元内容 01H（0001） 03H（0011） 02H（0010） 06H（0110） 04H（0100） 05H（0101）
（1）步进控制器
① 包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、 反转向控制门等。
② 作用: 把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。 ③ 采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器。
优点：线路简化，降低成本降低，可靠性提高。
灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。 （2）功率放大器 把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。
计算机控制系统作业参考答案
《计算机控制系统》作业参考答案作业一第一章1.1什么是计算机控制系统？画出典型计算机控制系统的方框图。
答：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制. 控制系统中的计算机是由硬件和软件两部分组成的.硬件部分: 计算机控制系统的硬件主要是由主机、外部设备、过程输入输出设备组成; 软件部分: 软件是各种程序的统称，通常分为系统软件和应用软件。
图1.3-2 典型的数字控制系统1.2.计算机控制系统有哪几种典型的类型？各有什么特点。
答：计算机控制系统系统一般可分为四种类型：①数据处理、操作指导控制系统；计算机对被控对象不起直接控制作用,计算机对传感器产生的参数巡回检测、处理、分析、记录和越限报警，由此可以预报控制对象的运行趋势。
②直接数字控制系统；一台计算机可以代替多台模拟调节器的功能，除了能实现PID调节规律外, 还能实现多回路串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解藕控制，以及自适应、自学习,最优控制等复杂的控制。
③监督计算机控制系统；它是由两级计算机控制系统：第一级DDC计算机, 完成直接数字控制功能；第二级SCC计算机根据生产过程提供的数据和数学模型进行必要的运算，给DDC计算机提供最佳给定值和最优控制量等。
④分布式计算机控制系统。
以微处理机为核心的基本控制单元，经高速数据通道与上一级监督计算机和CRT操作站相连。
1.3.计算机控制系统与连续控制系统主要区别是什么？计算机控制系统有哪些优点？答：计算机控制系统与连续控制系统主要区别：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用计算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制。
与采用模拟调节器组成的控制系统相比较，计算机控制系统具有以下的优点：(1)控制规律灵活，可以在线修改。
(2)可以实现复杂的控制规律，提高系统的性能指标.(3)抗干扰能力强，稳定性好。
计算机控制系统课后习题参考答案刘士荣版—
思考题与习题 6-6 具有纯滞后补偿的控制系统如图6-12所示，采样周期1T s =，对象为221()1s s G s e e s --=+， 求Smith 预估器的控制算式)(k y τ。
解采样周期T =1s 。
试推导完全补偿前馈控制器()n D z 输出()n u k 。
解相应的微分方程为：对上式进行离散化，得：s T 1=Θ ∴ 上式为：即 )3(3)2(1.3)1(9.0)(-+---=k n k n k u k u n n此式即为完全补偿前馈控制器的控制算法。
注意：1、除了上面的2道题外，第6章要求过的还有：6-2 ：参考课本内容及例题6-3（包括响应曲线）：参考课本内容及例题图6-12 具有纯滞后补偿的控制6-11：参考课本图6-17和图6-22第6章这些题要求全面掌握！2、理解：下图是一个简单的水位控制系统。
⑴试说明它的工作原理。
⑵指出系统的被控对象、被控量、给定量（输入信号）。
⑶画出系统工作原理的方框图。
答：⑴这个简单的水位控制系统是通过浮球和杠杆来实现的。
浮球可以检测水位的高低，这个信息通过杠杆来调节进水阀门来实现对水位的调节，控制。
这个调节作用也是一个负反馈过程，当水位升高时，浮球位置上移，从而使阀门下移，减小进水量，使水位不再上升。
当水位下降时，浮球位置下移，从而使阀门上移，增加进水量，使水位不再下降。
⑵图中输入信号是浮球的理想位置，被控对象是进水阀门、被控量是水池的水位。
可以看出，浮球的实际位置是水位的检测信号。
⑶一定要明白什么是控制系统的控制量和被控量！又如可控硅（交流调压）电炉温度控制系统中：控制量是电压，被控量是炉温！。
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习题参考答案
1-1典型的计算机控制系统与常规控制系统之间有哪些区别
常规：由控制计算机系统与生产过程（被控对象、执行机构、测量变送）组成，结构相对复杂，可靠性较低，成本稍高；
典型：结构简单、控制灵活、安全；但是需要人工操作，速度受限制，不能控制多个对象，实用性好。
1-3计算机控制系统结构有哪些分类并指出主要的应用场合。
1.操作指导控制系统
2.直接数字控制系统
3.计算机监督控制系统
4.集散控制系统操作管理功能的集中和控制功能的分散
5.现场总线控制系统
6.工业过程计算机系统集成制造系统综合管理、指挥调度和经营管理
2-3 信号调理单元的功能是什么通常包括那些电路
放大、电平变换、电隔离、阻抗变换、线性化和滤波，将传感器输出的电信号尽可能不失真地转变为标准的电流或电压信号（通常为4～20mA、0～5V等）。
通常包括标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。
2-5 仪表放大器与普通运算放大器有何不同其特点有哪些
对于输出阻抗大，共模电压高的输入信号，需要用到高输入阻抗和高共模抑制比的差动放大器，仪器放大器是专为这种应用场合设计的增益可调的放大器。
如果由普通的运放构成增益可设定的差动放大器，因其输入阻抗低，电阻参数对称性调整复杂，共模抑制比低，故而不适合作为传感器输出信号的差动放大器。
2-7 为何要使用I/V变换电路
为了后续的检测、放大、调理电路如果只是检测变化缓慢的电流大小，可以直接用电流检测电路即可但是如果要检测变化较快、很小、存在干扰的电流信号呢，就要进行I/V变换了。
比如光电检测中的输出即是电流信号，有的在uA级，有的在mA级，你必须变换后进行放大、滤波等处理才能由AD采样。
2-9 在模拟量输入通道中，为何通常要使用可编程放大器
答：因为在模拟输入通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到模数转换器的同一量程范围内获取适合的分辨力，所以常要使用可编程放大器。
2-11 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采样保持器的作用是：在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。
并不是所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器，如被采样的模拟信号的变化频率相对于A/D 转换的转换速度较低的话，可以不加采样保持器。
2-13 A/D转换器有哪些技术指标
(1) 分辨率通常用转换后的数字量的位数表示，如8位、10位、12位、16位等
(2) 量程它是指所能转换的电压范围。
如5V、10V等。
(3) 转换精度它是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。
(4) 转换时间它是指启动A/D到转换结束所需的时间，即孔径时间。
(5) 工作温度范围较好的A/D转换器的工作温度为-40～85℃，一般的为0～70℃。
2-14 一个12位的A/D转换器，孔径时间为20μs，绝对精度为±1LSB，若不使用采样保持器，为了确保转换精度，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少
C
2-16 为什么模拟量输出通道中要有零阶保持器通常用何电路实现
计算机控制系统中通常采用零阶保持器，即前一采样时刻的输出值原封不动的（理想化的）保持到下一采样时刻到来。
零阶保持器通常用和模拟量输入通道中的采样保持器一样的电容保持电路来实现。
2-17.为何在模拟量输出通道中通道中通常有V/I 转换电路
答：这是因为在长距离传输信号时容易引入干扰，而电流传输具有较强的抗干扰能力。
2-18 数字量输入通道主要由哪些电路构成
答：数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路等组成。
2-19 数字量输入通道中的调理电路通常哪几种功能
电平转换、滤波、隔离和过电压保护
2-25某热处理炉温度变化的范围为0～1350℃,经温度变送器变换为1～5V 电压输入AD574A ，AD574A 的输入范围为0～10V 。
当t=k T 时， AD574A 的转换结果为56AH ，问此时炉内的温度为多少度
3-1 工业控制计算机有什么主要特点有哪几种主要类型
工业控制计算机的主要特点
(1) 可靠性高
(2) 实时性好
(3) 环境适应能力强
(4) 输入和输出模板配套好
(5) 系统通信功能强
(6) 系统开放性和扩充性好
(7) 控制软件包功能强 (8) 后备措施齐全，具有冗余性
4-8（2） 已知模拟调节器的传递函数为s
s s E s U s D 5.0121)()()(++==，试写出相应数字控制器的位置型控制算式，设采样周期s T 5.0= 解 5-3试说明比列、积分、微分控制作用的物理意义
（1）比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
(0.5)()0.5(1)(2)()2(1)
T u k u k T e k e k +--=+--
t t r =)(21)1()(--=Φz z e （2） 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分时间常数越大，积分作用越弱，反之则越强。
（3） 微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
5-4 调节系统在纯比例作用下已整定好，加入积分作用后，为保证原稳定度，此时应将比例系数增
大还是减小 解 减小
5-5 要消除系统的稳态误差，通常选用哪种调节规律 解 PI 或PID
思考题与习题
6-1最小拍设计的要求是什么在设计过程中怎样满足这些要求它有什么局限性
6-2系统如图6-44所示，求r(t)=t 时最小拍系统的D(z).
T=代入：
由于 有
6-16什么叫模糊控制模糊控制与PID 控制有什么区别
（1）模糊控制是模糊集合论，模糊言语变量和模糊逻辑推理为基础的一类计算机控制算略，是一种非线性控制。
（2）区别：模糊控制能对复杂的和难以建模的过程进行简单有效的控制，但是不具有积分环节， 因而很难消除稳态误差， 常在平衡点附近产生小幅整荡；而PID 控制是过程控制中应用最广泛的一种基本控制规律，具有 原理简单、 使用方便、 稳定性和鲁棒性 较好的特点。
9-1简述计算机控制系统的设计原则和步骤。
系统设计的原则：
1.安全可靠
2.满足工艺要求
3.操作维护方便
4.实时性强 5通用性好 6.经济效益高
系统设计的步骤：
1.工程项目与控制任务的确定阶段
1).甲方提出任务委托书
2).乙方研究任务委托书
3).双方对委托书惊醒确认性修改
4).乙方初步进行系统总体方案设计
5)乙方进行方案可行性论证
6).签订合同书
2.工程项目的设计阶段
（1）组件项目研制小组
（2）系统方案设计
（3）方案论证与评审
（4）硬件与软件的细化设计
（5）硬件与软件的调试
（6）系统的组装
3.离线方针和调试阶段
4.在线调试和运行阶段.
9-2在做计算机控制系统总体方案设计时，要考虑哪些问题
答：包括系统结构、组成方式、现场设备的选择、硬件与软件的功能划分、控制策略和控制算法的确定等。
9-3提高计算机控制系统的可靠性，软件方面有哪些方法
1.计算机控制系统失控表现
2.输入/输出数字量的软件抗干扰技术
3.指令冗余技术
4.软件陷阱技术。