第1章概述
1.什么是自动控制、控制系统、自动化和控制论
[指导信息]:参见自动控制的基本概念。
自动控制(autocontrol)：不用人力来实现的控制，通常可用机械、电气等装置来实现。通常相对手动控制而言。
控制系统(control system)：通过控制来实现特定功能目标的系统。而系统(system)是由相互联系、相互作用要素组成的具有一定结构和功能的有机整体。控制系统通常有一定的规模和复杂性，否则常称为控制装置或控制机构。
自动化(automation)：在无人工干预情况下，一个或多个控制系统或装置按规定要求和目标的实现过程。自动化强调的是自动控制过程，其核心概念是信息。
控制论(cybernetics)：研究各类系统的调节和控制规律的科学。各类系统包括动物(及人类)和机器系统。自从1948 年诺伯特·维纳发表了着名的《控制论——关于在动物和机中控制和通讯的科学》一书以来，控制论的思想和方法已经渗透到了几乎有的自然科学和社会科学领域。控制论着重于研究过程中的数学关系。
2.控制的本质是什么
[指导信息]:参见1.1.2 自动控制中的基本问题。
控制过程本质上是一系列的信息过程，如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等。控制系统中的目标信息、被控对象的初始信息、被控对象和环境的反馈信息、指令信息、执行信息等，通常由电子或机械的信号来表示。
3.自动控制中有哪些基本问题
[指导信息]:参见1.1.2 自动控制中的基本问题。
自动控制中的基本问题包括：自动控制系统的结构、过程、目标和品质等。
结构包括组成及其关系两个部分；控制过程主要为一系列的信息过程，如信息获取、信息传
输、信息加工、信息施效等；目标规则体现了系统的功能；控制品质即为控制的质量，可通过系统的性能指标来评价。
4.一个控制系统由哪些部分组成试结合一个实例来说明。
[指导信息]:参见1.1.2 自动控制中的基本问题。
一个控制系统可以由控制单元、执行单元、反馈单元、被控对象、目标规则组成，它们的相互关系参见图 1 5所示。
控制系统结构框图
5.控制系统的性能指标有哪些试结合一个实例来说明。
[指导信息]:参见1.1.2 自动控制中的基本问题。
控制系统的性能指标有传统意义上的性能指标和广义的评价指标。统意的性能指标有稳定性、快速性、准确性等。广义的评价指标包括可靠性、操作性、互换性、效率以及性价比等。
（结合实例来说明略。）
6.一个典型的计算机控制系统由哪些部分组成它们的关系如何
[指导信息]:参见1.2.1 计算机控制系统的结构。
计算机系统分为硬件系统和软件系统，硬件系统包括计算机、输入输出接口、过程通道(输入通道和输出通道)、外部设备(交互设备和通信设备等)，软件系统包括系统软件和应用软件，其中计算机系统作为控制单元，见图1 6所示。
典型计算机控制系统的结构框图
7.计算机控制系统有哪些分类试比较DDC、SCC、DCS和FCS的各自特点。
[指导信息]:参见1.2.2计算机控制系统的分类。
分类方法有：按系统结构的分类、按控制器与被控对象的关系分类、按计算机在控制系统中的地位和工作方式分类、按控制规律分类。
其中DDC(Direct Digital Control)、SCC(Supervisory Computer Control)、DCS(Distributed Control System) 和FCS(Field bus Control System)是按计算机在控制系统中的地位和工作方式来分类的。
DDC中的计算机直接承担现场的检测、运算、控制任务，相当于“一线员工”。
SCC系统中的SCC计算机主要完成监督控制，指挥下级DDC计算机完成现场的控制，相当于“车间主任”或“线长”。
DCS由多台分布在不同物理位置的计算机为基础，以“分散控制、集中操作、分级管理”为原则而构建的控制系统，DCS中的计算机充当各个部门的“管理人员”，如过程管理、生产管理、经营管理等职能。
FCS是建立在网络基础上的高级分布式控制系统。在FCS中，控制器、智能传感器和执行器、交互设备、通信设备都含有计算机，并通过现场总线相连接。这些计算机的功能不仅仅在于对一般信息处理，而是更强调计算机的信息交换功能。
8.试通过实例来说明不同控制规律的特征。
[指导信息]:参见1.2.2计算机控制系统的分类。
不同控制规律分类有恒值控制、随动控制、PID控制、顺序控制、程序控制、模糊控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。
恒值控制：控制目标是系统的输出根据输入的给定值保持不变，输入通常是在某一时间范围内恒定不变或变化不大的模拟量。如恒温炉的温度控制，供水系统的水压控制，传动机构的速度控制。
随动控制：控制目标是要求系统的输出跟踪输入而变化，而输入的值通常是随机变化的模拟量，往往不能预测。如自动导航系统、自动驾驶系统、阳光自动跟踪系统、雷达天线的控制等。
PID控制：根据给定值与输出值之间偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行的反馈控制，是工业上适用面较广、历史较长、目前仍得到广泛应用的控制规律。许多连续变化的物理量如温度、流量、压力、水位、速度等的控制，都可采用PID控制。许多恒值控制和某些随动控制也可采用PID规律来实现。
顺序控制：根据给定的动作序列、状态和时间要求而进行的控制。如交通信号灯的控制、电梯升降的控制、自动包装机、自动流水线的控制。
程序控制（数值控制、数字控制）：指根据预先给定的运动轨迹来控制部件行动。如线切割机的控制、电脑绣花机的控制。
模糊控制：基于模糊集合和模糊运算，采用语言规则表示法进行的控制。在许多家用电器（电饭煲、洗衣机等）、工业过程控制等领域得到了越来越多的应用。
最优控制（最佳控制）：使系统的某些指标达到最优，而这些指标往往不能直接测量，如时间、能耗等。
自适应控制：在工作条件改变的情况下，仍能使控制系统对被控对象的控制处于最佳状态。它需要随时检测系统的环境和工作状况，并可随时修正当前算法的一些参数，以适应环境和工作状况的改变。
自学习控制：能够根据运行结果积累经验，自行改变和完善控制的算法，使控制品质愈来愈好。它有一个积累经验和主动学习的过程，可以适时地调整算法的结构和参数，以不断地提高自身算法质量。
9.计算机控制系统中获取信息、传输信息、加工信息、执行信息等过程分别与哪些技术有关
[指导信息]:参见1.2.3 计算机控制技术及其发展。
计算机控制系统中的获取信息、传递信息、加工信息、执行信息等过程都有相应的技术来实现，而这些过程中的信息大部分由电子信号来表示，信息处理的工具是电子计算机。在这些过程用到的计算机控制技术包括控制用计算机技术、输入输出接口与过程通道技术、控制网络与数据通信技术、数字控制器设计与实现技术、控制系统的人机交互技术、控制系统的可靠性技术以及计算机控制系统的设计技术等。
10.学习计算机控制技术可遵循哪些原则
[指导信息]:参见1.3.2 学习方法。
学习计算机控制技术可遵循的原则有系统化、信息化、规范化、实用化。
系统化原则：要认识到控制系统是具有一定结构和功能的有机整体，可将其分解为相互联系、相互作用的各个子系统，它们的子功能可通过外特性来描述。
信息化原则：可从信息化的本质来看待一个控制过程。计算机是一个强大的信息处理工具，一个合适的信息表达形式是信息得到有效处理的前提，控制规律的数据形式表达是信息加工的关键，而时间和空间是信息处理的两大限约要素，因此计算机的速度和存储空间是其重要的性能指标。
规范化原则：为提高系统的构建效率，降低维护费用，应从规范化的要求来分析和设计一个控制系统。应了解和掌握控制系统从底层的标准元器件、信号类型、总线标准、通信协议到组态软件的编程语言、开放式的监控软件。这些规范化技术通常有较长的生命周期，重点掌握这些技术也是提高学习效率的一个要素。
实用化原则：从实用化的角度来理解控制技术的应用水平。在市场经济的环境下，生命力强的技术必然会有性能和价格上的优势，性价比高的产品必然会得到应用广泛，低碳环保的产品会受到更多用户的欢迎。因此，我们要随时了解当前技术、产品性能和价格情况，在设计时尽可能选用性价比好的技术和产品，避免重复使用低级落后技术，减少低性能、高价格、高能耗、不可靠、难维护的劣质系统。
第2章计算机控制系统的理论基础
1.简述输入输出描述方法和状态空间描述方法的各自特点。
[指导信息]:参见2.1.1 控制系统的描述方法。
输入输出描述方法也称激励响应法，它是基于系统的输入与输出之间的因果关系来描述系统特性的，主要适用于描述单变量输入和单变量输出的系统。输入输出描述方法中，系统的输出不仅与当前的输入有关，还与过去的输入和输出有关。
状态空间描述方法是基于系统状态转换为核心，不仅适用于描述单变量输入和单变量输出的系统，也能适用于多变量的场合。系统的输出仅与当前的系统输入和状态变量有关。
2.连续系统和离散系统分别使用哪些数学工具来表示
[指导信息]:参见2.1.1 控制系统的描述方法。
对连续系统用到的数学工具有微分方程、拉氏变换和传递函数，对离散系统用到的数学工具有差分方程、Z变换和脉冲传递函数。
对连续系统，可用微分方程、脉冲响应、传递函数建立系统模型；对离散系统，可用差分方程、脉冲响应、脉冲传递函数建立系统模型；
对连续系统和离散系统，都可用方框图来描述系统结构。
3.什么是连续系统的传递函数什么是离散系统的脉冲传递函数它们有什么实用意义
[指导信息]:参见2.1.5 用传递函数表示的系统模型，脉冲传递函数。
连续系统的传递函数定义为零初始条件下系统输出y(t)的拉氏变换与输入r(t)的拉氏变换之比，即：离散系统的脉冲传递函数(也称Z传递函数)可定义为：
其中，Y(z)为系统输出序列y(k)的Z变换，R(z)为输入序列r(k)的Z变换。
传递函数或脉冲传递函数都反映了系统固有本质属性，它与系统本身的结构和特征参数有关，而与输入量无关。利用传递函数的表达式就能分析出系统的特性，如稳定性、动态特性、静态特性等；利用传递函数可通过求解方程代数而不是求解微分方程，就可求出零初始条件下的系统响应。
特别指出，通过实验的方法，求出离散系统的脉冲传递函数更为方便有效。
4.方框图有哪些符号要素和等效变换规则
[指导信息]:参见2.1.6 系统的方框图。
系统的方框图是线图形式的系统模型，由方框、有向线段和相加节点组成，方框图的变换规则有：并联、串联和反馈。参见表2-3和表2-4。
5.画出状态空间模型框图，写出输出方程和状态方程表达式。
[指导信息]:参见2.1.7 状态空间概念和模型框图和离散系统的状态空间描述。
离散系统的状态空间描述与连续系统类似，其模型框图参见图2-14所示。A为状态矩阵、B为输入矩阵、C为输出矩阵、D为传输矩阵，延时单元z-1可以看成一组D型触发器或数据寄存器。
离散系统的状态空间描述方法
输出方程和状态方程表达式用矩阵表示为：
6. 简述采样过程和采样定理。
[指导信息]: 参见2.3.2 采样过程和采样定理。
设模拟信号为e(t)，经采样开关后输出为采样信号e*(t)。理想的采样信号e*(t)的表达式为：
通常在整个采样过程中采样周期T 是不变的，这种采样称为均匀采样，为简化起见，采样信号e*(t)也可用序列e(kT)表示，进一步简化用e(k)表示，此处自变量k 为整数。
香农的采样定理(也称抽样定理或取样定理)：只要采样频率f s 大于信号(包括噪声)e(t)中最高频率f max 的两倍，即f s ≥2f max ，则采样信号e*(t)就能包含e (t)中的所有信息，也就是说，通过理想滤波器由e*(t)可以唯一地复现e(t)。
7. 已知某离散系统的脉冲传递函数模型如下表达式，求相应的零极点增益模型和状态空间模型(可尝试借助MATLAB 工具)。
[指导信息]: 参见2.3.7 离散系统的状态空间描述。
零极点增益模型如下：
状态空间模型如下：
其中：
8. 写出下列序列x1(k)、x2(k)对应的Z 变换。
[指导信息]: 参见2.3.3 序列和差分方程。
x1(k)=2+1z -1+3z -2+4z -4 x2(k)=1+2z -1+8*z -2/(1-z -1)
9. 写出下列Z 表达式所对应的序列表达式和序列图。
(1)421235)(1---+-+=z z z z X ；(2)4172112)(2----+=z z
z X (3)211
3.01.1110)(3---+-=z z z z X ； (4)11847.01)6065.01(69.4)(4--+-=z
z z X [指导信息]: 参见2.3.3 序列和差分方程。
x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k) 所对应的序列表达式和序列图如下：
x1 (k)＝5δ(k)+3δ(k-1) -δ(k-2) +3δ(k-3)
x2(k)＝3δ(k)+2δ(k-1)+4δ(k-2) +8δ(k-3)+9δ(k-4)+ 32δ(k-5)+64δ(k-6)+……
x3 (k)＝0+10δ(k-1)+11δ(k-2) +δ(k-3)+δ(k-4)+ δ(k-5)+δ(k-6)+……
x4 (k)＝δ(k )δ(k-1) +δ(k-2) δ(k-3) +δ(k-4)+……
x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k) 所对应的序列图如下：
10. 已知控制算式 y(k) ＝ (k-1) ＋ (k), 试根据输入 x(k) 写出相应的响应 y(k)。
[指导信息]: 参见2.3.3 序列和差分方程。
11. 离散系统稳定的充要条件是什么
[指导信息]: 参见2.4.2 稳定性分析。
根据自动控制理论，连续系统稳定的充要条件是系统传递函数的特征根全部位于s 域左半平面，而对离散系统稳定的充要条件是系统脉冲传递函数的特征根全部位于z 平面的单位圆中。
12. 动态特性主要是用系统在单位阶跃输入信号作用下的响应特性来描述。常见的有哪些具体的指标
[指导信息]: 参见2.2.2 连续系统的分析和设计方法回顾和 动态特性分析。
系统的动态特性可通过多项性能指标来描述，常见的具体指标有上升时间tr 、峰值时间tp 、调节时间ts 和超调量δ等。
13. 已知如下所示的离散系统的G(z)、D(z)，试分别求出不同R(z)情况下的稳态误差ess 。 其中：)6.01)(1()8.01(2.0)(1111------+=z z z z z G 、1
15.01)6.01(5.2)(--+-=z z z D ；R(z)分别取： (1)()1
11--=z z R 、(2)211)1()(---=z z z R [指导信息]: 参见2.4.3 静态误差分析。 因为)
1)(5.01()8.01(5.0)6.01)(1()8.01(2.05.01)6.01(5.2)()(1111111111-----------++=--+?+-=?z z z z z z z z z z z G z D ，所以系统是I 型系统。
(1) ()1
11--=z z R 时，稳态误差)(k e ss 为0。 (2) 2
11
)1()(---=z z z R 时，稳态误差)(k e ss 为v K 1，（取T=1），其中 则 667.16
.011)(≈==v ss K k e
第3章 数字控制器的设计与实现
1. 简述数字控制器近似设计与解析设计法的设计过程。
[指导信息]: 参考3.1.1 近似设计法。
数字控制器D(z)的近似设计过程如下：
先设计控制器的传递函数D(s)（需要运用自动控制理论知识）。
选择合适的离散化方法，将D(s)离散化，获得与D(s)性能近似的D(z)。
检验计算机控制系统闭环性能。进行优化。必要时，重新修正D(s)后，再离散化。
对D(z)满意后，将其变为数字算法，在计算机上编程实现。
数字控制器D(z)的解析设计过程如下：
·根据系统的G(z)、输入R(z)及主要性能指标，选择合适的采样频率；
·根据D(z)的可行性，确定闭环传递函数Φ(z)；
·由Φ(z)、G(z)，确定D(z)；
·分析各点波形，检验计算机控制系统闭环性能。若不满意，重新修正Φ(z)。
·对D(z)满意后，将其变为数字算法，在计算机上编程实现。
2. 已知某对象的传递函数如下，分别用向后矩形法和梯形变换法求出相应的脉冲传递函数，设采样周期T=1s 。
342)(1+=s s G ，()()()15.011.01.02++=s s s G ，342)(32+++=s s s s G
[指导信息]: 参见3.2.1 积分变换法。
根据公式(3-3)和(3-5)计算。
用向后矩形法求解(设T=1)：
用梯形变换法(设T=1)
3. 已知某对象的传递函数如下，分别用脉冲响应不变法和带保持器的阶跃响应不变法求出相应的脉冲传递函数，设采样周期T=1s 。
[指导信息]: 参见3.2.2 零极点匹配法和 等效变换法。
零极点匹配法（略）。
等效变换法求解：
4. 写出PID 的传递函数D(s)，并分别用向后矩形法和梯形变换法求出相应的D(z),要求将表达式整理成规范的分式，设采样周期T=1s 。
[指导信息]: 参见3.2.1 积分变换法和 数字PID 控制算法。
PID 的传递函数D(s) 如下：
用向后矩形法求出相应的D(z) 如下：
用梯形变换法求出相应的D(z) 如下：
5. PID 的Kp 、Ki 、Kd 参数各有什么作用
[指导信息]: 参见3.3.1 PID 控制的原理。
比例系数Kp 的增大利于提高灵敏度，加快调节速度，减小稳态误差，但不能消除稳态误差。Kp 过大时，系统容易引起振荡，趋于不稳定状态。
积分时间Ti 是消除系统稳态误差的关键，Ti 要与对象的时间常数相匹配，Ti 太小，容易诱发系统振荡，使系统不稳定；Ti 太大，则减小稳态误差的能力将削弱，系统的过渡过程会延长。
微分时间Td 的主要作用是加快系统的动态响应，即可以减少超调量，又可减小调节时间。但引入Td 后，系统受干扰的影响会增加。
6. 数字PID 控制的参数整定方法有哪些各有什么特点
[指导信息]: 参见3.3.3 数字PID 控制的参数整定。
数字PID 控制的参数整定方法常见的有扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、归一参数法和经验整定法等。
扩充临界比例度法在闭环系统中进行，在整定过程中允许出现振荡。
扩充响应曲线法通过开环实验获得对象的动态特性，实验过程中不会出现振荡。
归一参数整定法根据经验数据，人为地设定“约束条件”，只需要改变Kp ，就可观察控制效果。
7. 数字PID 控制算法有哪些改进的方法
[指导信息]: 参见3.3.2 数字PID 控制算法。
主要的改进包括积分项的改进、微分项的改进、串接滤波单元等。
积分项的改进有：积分项分离的PID 算式，变速积分的PID 算式，饱和停止积分的PID 算式。 微分项的改进有：不完全微分的PID 算式和微分先行PID 算式。
串接滤波单元：基于连续系统传递函数的数字滤波器，基于逻辑判断来实现的滤波器。
8. 已知某控制系统的G(z)如下，假定R(z)分别在阶跃信号、单位速度信号激励下，按最少拍随动系统设计方法，求出D(z)，并画出各点波形。
[指导信息]: 参见3.4.2 最少拍随动系统的设计。
(1)在阶跃信号激励下:
因为G(z)具有因子1z -，无单位圆外的零点，则Φ(z) 应包括1z -因子；
G(z)分母和R(z)均有)(1
z 1--因子则Ge(z)应包含)(1z 1--；又因为)(z Ge 1Φ(z)-=，Φ(z)和Ge(z)应该是1z -同阶次的多项式，所以有：
两式中的a ，b 为待定系数。将上两式联立，得：
111--=+-az bz
b ，比较等式两侧，得到解：???==1
b b a 所以：
各点波形：
序列数据: k: 0 1 2 3 4 5 6 7
r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1
e(k):
p(k):
y(k):
(2)在单位速度信号激励下:
因为G(z)含有因子1z -，则Φ(z)分子应包括1z -； G(z)分母有)(1z 1--因子，R(z) 分母有21z 1)(--均则Ge(z)应包含21z 1)(--；又因为)(z Ge 1Φ(z)-=，Φ(z)和Ge(z)应该是1z -同阶次的多项式，所以有：
式中a 、b 、c 为待定系数，求解上述方程组可得：a =2,b =,c=1。所以有：
各点波形：
注意：按最少拍随动系统设计方法，p(k)会有纹波。
序列数据:
k: 0 1 2 3 4 5 6 7
r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7
e(k):
p(k):
y(k):
9. 已知某控制系统的G(z)如下，假定分别在阶跃信号、单位速度信号激励下，按最少拍随动系统设计方法，求出D(z)，并画出各点波形。
[指导信息]: 参见3.4.2 最少拍随动系统的设计。
参见3.4.2 最少拍随动系统的设计。
(1)在阶跃信号激励下:
因为G(z)具有因子1z -，有单位圆外的零点z=，则Φ(z) 应包括1z -因子和)5.11(1
-+z ；G(z)分母和R(z)均有)(1z 1--因子，则Ge(z)应包含)(1z 1--；又因为)(z Ge 1Φ(z)-=，Φ(z)和Ge(z)应该是1z -同阶次的多项式，所以有：
两式中的a ，b 为待定系数。将上两式联立，得： ?
???==--a b a b 5.1)1(，???==6.04.0b a 所以：
各点波形：
序列数据:
k: 0 1 2 3 4 5 6 7
r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1
e(k):
p(k):
y(k):
(2)在单位速度信号激励下:
解：因为G(z)含有因子1z -，则Φ(z)分子应包括1
z -； G(z)分母有)(1z 1--因子，R(z) 分母有21z 1)(--均则Ge(z)应包含21z 1)(--；又因为)(z Ge 1Φ(z)-=，Φ(z)和Ge(z)应该是1z -同阶次的多项式，所以有：
所以有：a=-c+2,a*b+a*3/2=2*c-1,a*b*3/2=-c ；
(参考MATLAB 命令：[a,b,c]=solve('a=-c+2','a*b+a*3/2=2*c-1','a*b*3/2=-c');)
解得：a =26/25,b =-8/13,c =24/25,所以有：
各点波形：
注意：按最少拍随动系统设计方法，p(k)会有纹波。
序列数据:
k: 0 1 2 3 4 5 6 7
r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7
e(k):
p(k):
y(k):
10. 按最少拍无纹波随动系统设计方法，求出前面习题8和习题9的D(z)，并画出各点波形。
[指导信息]: 参见3.4.3 最少拍无纹波随动系统的设计。
(1)在阶跃信号激励下:
111)(--=z
z R , )4.01)(1()6.01(5.0)(1111------+=z z z z z G 因为G(z)具有因子1z -，单位圆内的零点z=，则Φ(z) 应包括1z -和(1+因子；G(z)分母和R(z)均有)(1z 1--因子则Ge(z)应包含)(1z 1--因子；又因为)(z Ge 1Φ(z)-=，Φ(z)和Ge(z)应该是1z -同阶次的多项式，所以有：
两式中的a ，b 为待定系数。将上两式联立，可求得：a=，b=。
(参考MATLAB 命令：[a,b]=solve('a= (1-b)', '*a)=b');)
所以有：
将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数
各点波形：
注意：按最少拍无纹波随动系统设计方法，p(k)不会有纹波。
序列数据:
k: 0 1 2 3 4 5 6 7
r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1
e(k):
p(k):
y(k):
(2)在单位速度信号激励下:
211)1()(---?=z z T z R ,)
4.01)(1()6.01(
5.0)(1111------+=z z z z z G 因为G(z)含有因子1z -和零点z=，因此，Φ(z)中应含有1z -、(1+项；G(z)分母和R(z)均有)
(1
z 1--因子则Ge(z)应包含)(1z 1--；又因为)(z Ge 1Φ(z)-=，Φ(z)和Ge(z)应该是1z -同阶次的多项式，所以有：
式中a 、b 、c 为待定系数，由此得方程组：
求解上述方程组可得：a =;b =;c =。
(参考MATLAB 命令：[a,b,c]=solve('a=-(-2+c)','a*+b)=-(1-2*c)','a**b=-c');)
或?????+--=-=-=Φ------3213
21516.00.031 1.4841)(.51600.031 1.484)(1)(z z z z Ge z z z z Ge z
将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数
各点波形：
注意：按最少拍无纹波随动系统设计方法，p(k)不会有纹波。
序列数据:
k: 0 1 2 3 4 5 6 7
r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7
e(k):
p(k):
y(k):
(3)在阶跃信号激励下:
由G(z)可知Φ(z) 应包括1z -和(1+和(1+因子；由G(z)和R(z 可知Ge(z)应包含)(1z 1--因子；Φ
(z)和Ge(z)应该是1z -同阶次的多项式，所以有：
两式中的a,b,c,d 为待定系数。a =4/11;b =7/11;c =3/55;
(参考MATLAB 命令：[a,b,c]=solve('3/20*a=c','(8/5*a)=-(c-b)','a=-(b-1)'))
求得：a =4/11,b =7/11,c =3/55,则有：
将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数
各点波形：
序列数据:
k: 0 1 2 3 4 5 6 7
r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1
e(k):
p(k):
y(k):
(4)在单位速度信号激励下: ,211)1()(---?=z z T z R )2.01)(6.01)(1()
1.01)(5.11(2)(1111
11---------++?=z z z z z z z G
由G(z)可知Φ(z) 应包括1z -和(1+和(1+因子；由G(z)和R(z 可知Ge(z)应包含)(1z 1--因子；Φ(z)和Ge(z)应该是1z -同阶次的多项式，所以有：
(参考MATLAB 命令：[a,b,c,d]= solve('3/20*a*b=-d','(8/5*a*b+3/20*a)=(2*d-c)', '(a*b+8/5*a)= (-d+2*c-1)' , 'a=(-c+2)' ) )
求得：a =592/605,b =-93/148,c =618/605,d =279/3025.,以及：
将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数
各点波形：
序列数据：
k: 0 1 2 3 4 5 6 7
r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7
e(k):
p(k):
y(k):
附：不同输入信号下的各点波形：
(1)在三个阶跃信号激励下:
111)(--=z z R , )4.01)(1()6.01(5.0)(1111------+=z z z z z G ，
)375.01()4.01(25.1)(11--?+-?=?=z z Ge(z)G(z)Φ(z)z D 如果输入是速度函数，则会存在误差，如下所示：
(2)在三个单位速度信号激励下:
211)1()(---?=z z T z R ,)
4.01)(1()6.01(
5.0)(1111------+=z z z z z G (3)在三个阶跃信号激励下:
(4)在三个单位速度信号激励下: ,211)1()(---?=z z T z R )
2.01)(6.01)(1()1.01)(5.11(2)(111111---------++?=z z z z z z z G 11. 根据下列控制器的D(z)，分别画出直接式、串行实现法和并行实现法的实现框图和相应的输出方程和状态方程。
21212.01.016.06.33)(1-----+++=z z z z z D 、212
13211.02.0)(2-------+=z z z z z D
[指导信息]: 参见3.5.1 实现框图与算法。
（1）对D1(z)，采用直接式1和直接式2的实现框图如下：
D1(z)对应直接式1实现框图的状态方程和输出方程如下：
状态方程：
输出方程：
D1(z)对应直接式2实现框图的状态方程和输出方程如下：
状态方程：
输出方程：1·
D1(z)串行实现法的表达式为：
（实现框图略。）
D1(z)并行实现法的表达式为：
（实现框图略。）
（2）对D2(z)，采用直接式1和直接式2的实现框图如下：D2(z)对应直接式1实现框图的状态方程和输出方程如下：状态方程：
输出方程：
D2(z)对应直接式2实现框图的状态方程和输出方程如下：状态方程：
输出方程：
D2(z)串行实现法的表达式为：
（实现框图略。）
D2(z)并行实现法的表达式为：
（实现框图略。）
第4章控制系统中的计算机及其接口技术
1.工业控制计算机有哪些要求基于PC机工业控制计算机其结构与普通PC机有何不同
[指导信息]:参见4.1.1 工业控制计算机的特点和结构。
对工业控制计算机的要求主要体现在其所具有特点：适应性、可靠性、实时性、扩展性等方面。
基于PC机工业控制计算机其结构与普通PC机不同之处是前者在机械结构、元器件选用和电源配置等方面比普通PC机的可靠性更高。
2.工业控制中的嵌入式系统可选择哪些设计模式
[指导信息]:4.1.2 嵌入式系统与单片机。
嵌入式系统的设计通常与其架构有关，通常有基于片上系统(SoC:System on Chip)、系统级封装(SiP:System-in-a-Package)、模块级系统(SOB:System-on-Board)的设计模式。
3.通过查阅资料，了解目前常见的8位和32位微控制器的特点和性能指标。
[指导信息]:建议利用网络资源查阅有关资料。
提示：可查阅有关微控制器厂商的网站，了解目前常见微控制器的特点和性能指标。
4.通过查阅资料，了解某种工业控制计算机产品的构成、性能指标和适用场合。
[指导信息]:利用网络资源查阅有关资料。
提示：可查阅某工业控制计算机厂商的网站，了解某种产品的构成、性能指标和适用场合。
5.接口数据传输中有哪些定时和协调信号
[指导信息]:参见4.2.1 接口与总线。
定时信号有：CPU或DMA控制发出的读(Read)或写(Write)信号，来实现CPU或存储器与外设之间的数据传输。
协调信号有请求(REQ)和应答(ACK)或选通(Strobe)和就绪(Ready)。
6.接口技术中有哪些数据传输的方式各有什么特点
[指导信息]:参见4.2.1 接口与总线。
根据定时和协调的不同要求，数据传输的实现有直接传输、程序查询、定时查询、中断传输和DMA 等几种方式。特点请参见4.2.1 接口与总线。
7.接口与总线有哪些分类
[指导信息]:参见4.2.1 接口与总线。
按接口所连接的功能部件来分，有过程通道接口、人机交互接口、存储设备接口和通信接口。按接口的数据传输特征进行分类，有并行接口和串行接口；按接口和总线连接部件的技术特征可分为芯片级总线、板级总线(也称系统总线)和通信总线(也称外部总线)。
8.RS-232C和RS-485各有什么特点
[指导信息]:参见4.2.3 串行接口。
提示：可通过传输方式、传输速率、传输距离、信号类型、连接方式、能否组网、应用情况等方面
来比较。
9.I2C总线和SPI总线各有什么特点
[指导信息]:参见4.2.3 串行接口。
提示：可通过总线结构、时序、传输速率、传输距离、适用场合等方面来比较。
10.简述Infranet、Intranet、Internet之间的关系。
[指导信息]:参见4.2.4 现场总线。
FCS中，形成最底层的控制网称为Infranet。Infranet的网络连接现场节点包括控制现场的传感器、执行器以及人机接口HMI(如安全监控器)等。Infranet可与企业内部网Intranet相连，实现企业内部管理、财务、办公及人事等的信息化。Intranet再与全球信息网Internet相连，实现企业之间的信息交流。最终可构成一个完整的企业网络三级体系结构。
11.简述现场总线的技术特征.
[指导信息]:参见4.2.4 现场总线。
现场总线的主要技术特征有：(1). 数字计算和数字通信；(2). 互操作性和互换性；(3). 传输介质的多样化；(4). 适应性和可靠性等。
12.画出I2C总线上主器件对地址为1010110的从器件写入2字节5BH和87H的时序。
[指导信息]:参见4.2.3 串行接口。
提示：参考图4 28 I2C总线的传输数据格式。
13.画出SPI总线上主器件向从器件写入A5H的时序。
[指导信息]:参见4.2.3 串行接口。
提示：图4 30 SPI总线的四种时钟工作方式和图 4 31 SPI总线传输数据实例。
14.控制系统中对人机交互有哪些要求
[指导信息]:参见4.3.1 人机交互及其要求。
主要包括可理解性和易操作性。可理解性包括确定性、关联性、层次性、一致性等要素。易操作性包括方便性、有序性、健壮性、安全性等要素。
15.通过查阅资料，有哪些嵌入式操作系统
[指导信息]:参见4.4.1 系统软件。
提示：利用网络资源，查阅相关资料。
第5章计算机控制系统中的过程通道
1.简述传感器与变送器的异同。
[指导信息]:参见5.1.1 传感器和变送器。
变送器(Transmitter)是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器通常称为变送器。变送器有较强的信号处理能力、能输出标准信号信号。
2.变送器输出的信号通常为多少变送器与输入通道的连接方式有哪些请给出连接示意图。
[指导信息]:参见5.1.1 传感器和变送器。
通用的标准信号为直流电流4～20mA或直流电压1～5V等。另外，对智能变送器还能输出规范的数字信号。变送器信号的传输连接方式通常有四线制、三线制和两线制传输。连接示意图见图5-1。3.IEEE1451标准所指的变换器(Transducer)、检测器(Sensor)和执行器(Actuator)之间是什么关系
[指导信息]:参见5.1.2 IEEE 1451智能变换器标准。
要点：智能变换器(Transducer)可以是一种传感器或检测器(Sensor)，也可以是一种执行器(Actuator)，或者是两种的组合，它可以作为信息系统与外界联系的一个信息节点。
4.试比较伺服电机和步进电机的各自特点。
[指导信息]:参见5.1.4 伺服电机和步进电机。
提示：可通过结构和工作原理、控制精度、矩频特性、过载能力、成本等方面比较。伺服电机及其构成的伺服系统，特别是交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，在控制性能要求不是很高的场合可选用步进电机，而对控制精度不高，成本更低的场合，可选择伺服电机及其简单的开环控制驱动器。
5.简述在控制系统中变频器和电动执行器的作用。
[指导信息]:5.1.5 变频器与电动执行器。
变频器主要用于实现电机的变速运行。电动执行器(也称电动力执行机构)接受来自调节器、工控机、DCS、计算机等仪表系统的控制信号，变成位移推力或转角力矩，完成调节的机械动作。变频器和电动执行器在控制系统中完成信息施效的作用。
6.简述控制系统中信号的类型和处理的要求。
[指导信息]:参见5.2.1 控制系统中的信号种类及特点。
提示：可参考表5 2 信号类型和处理要求。
7.什么是信号调理输入通道中的信号调理包括哪些
[指导信息]:参见5.2.1 控制系统中的信号种类及特点。
信号调理(Signal Conditioning)是指将敏感元件检测到的各种信号转换为规范标准信号。
数字量输入通道中的信号调理主要包括消抖、滤波、保护、电平转换、隔离等。
模拟量输入通道的调理内容有：电流-电压信号转换、电阻-电压信号转换、电压放大以及隔离等，调理后的信号通常为一定大小的电压信号，然后由A/D转换器变为数字信号。
8.什么是格雷(Gray)码它有哪些特点
[指导信息]: 5.2.2 数字量信号处理方式。
格雷(Gray)码特点是数值上大小相邻的编码，在逻辑上也相邻。逻辑上相邻的编码仅有1位不同，这样可保证按数值大小递增递减变化时，输出逻辑上相邻的编码，不会出现多于1位的码同时变化，这样可避免由于编码递增或递减变化时造成的干扰。
9. 画出电阻-电压信号转换电路示意图。
[指导信息]: 参见5.2.3 模拟量信号处理方式。
可参考图 5-22 电流-电压信号转换。
10. A/D 转换器有哪些性能指标
[指导信息]: 参见5.2.3 模拟量信号处理方式。
主要性能指标有(1). 接口特性(Interfacing)；(2). 量程(Range) ；(3). 分辨率(Resolution) ；(4). 误差和精度(Error&Accuracy);(5). 转换速率(Conversion Rate);(6). A/D 转换的方法。
11. A/D 转换的方法有哪些各有什么特点
[指导信息]: 参见5.2.3 模拟量信号处理方式。
提示：参考表 5-5 各种A/D 转换方法比较。
12. 某水箱水位正常工作时的变化范围为 0cm ～100cm ，经压力变送器变换为1～5V 标准电压信号后送至8位A/D 转换器ADC0831，其输入量程为0～5V 。当水箱水位的高度为25cm 时，ADC0831 的转换结果约为多少
[指导信息]: 参见5.2.3 模拟量信号处理方式和 传感器和变送器。
提示：先求当水箱水位的高度为25cm 时，压力变送器输出的电压信号（2V ），然后转换为ADC0831 的输出结果（2V/5V*255）。
13. 已知某A/D 转换器的分辨率为12位bit ，转换时间为10μs ，误差为±1LSB 。在没有采样保持的情况下，为保证数据精度，则输入信号的频率最高为多少若采用了采样保持器后，理论上输入信号的频率最高可为多少
[指导信息]: 参见5.2.4 数据采集的原理和实现。
对t A/D ＝10μs 的12位ADC 芯片，为保证其量化精度：1/4096，则输入信号允许的最大频率为： 理论上输入信号的频率最高可为最大采样频率kHz f MAX s 100t 1
A/D ＝ 。
14. 试画出一个利用多路选择器构成的64X8bit 数字信号数据采集系统示意图。
[指导信息]: 参见5.2.4 数据采集的原理和实现。
示意图如下。
15. 试画出一个利用多路开关构成的32路模拟信号数据采集系统示意图。
[指导信息]: 参见5.2.4 数据采集的原理和实现。
示意图如下。
16. 开关量的功率驱动有哪些器件各有什么特点
[指导信息]: 参见5.3.2 输出通道中的开关信号驱动。
开关量的功率驱动可以由晶体管、场效应管或集电极开路的TTL 电路、漏极开路的MOS 电路、电
磁式继电器、固态继电器、可控硅等功率器件组成。
17.D/A转换器有哪些性能指标
[指导信息]:参见5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。
主要性能指标有分辨率、线性度、转换精度、建立时间、温度系数、电源抑制比、输入形式、输出形式。
18.计算机通过8位D/A转换器控制某三相电加热器，加热器的输出功率范围为 0～8kW，可接受4～20mA的标准电流信号来改变其输出功率，8位D/A转换器的输出范围为0～20mA，如计算机送给D/A 转换器的数据为80H(十六进制)时，加热器输出功率约为多少
[指导信息]:参见5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。
提示：先计算D/A转换器数据为80H(十六进制)时的输出电流（10mA），再计算加热器接受电流信号后的输出功率（(10-4)/16*8kW）。
19.某8位D/A转换电路如所示，当Vref＝4V时，B点输出范围为－4V至＋4V。若要求B点的输出电压为－2V，则输出到D/A芯片的二进制数为多少此时的A点电压为多少
[指导信息]:参见5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。
输出到D/A芯片的二进制数为(-2V-(-4V))/(4V-(-4V))*256=64(D)=01000000(B), 此时的A点电压为+1V。
20.画出直流伺服电机驱动电路框图。
[指导信息]:参见5.3.4 电机控制。
提示：可参考图5 63 直流伺服电机驱动电路框图。
21.画出步进电机驱动电路框图。
[指导信息]:参见5.3.4 电机控制。
提示：可参考图5 66 步进电机的驱动电路框图。
22.结合步进电机驱动器THB6064的应用电路，画出正转3步和反转4步有关控制信号(ENABLE、CLK、CW、RES ET、M1、M2、M3)的时序(假设采用半步方式)。
/CCW
[指导信息]:参见5.3.4 电机控制。
结合步进电机驱动时序，参考表5 17 THB6064引脚的功能描述和图 5 71 THB6064的应用电路，
CW为0（低电平），后可画出相应时序。ENABLE=1（高电平），CLK8个脉冲，前3个脉冲时，/CCW
CW为1（高电平），M1、M2、M3=000（均为低电平）。（时序图略）
4个脉冲时，/CCW
第6章控制系统的可靠性与抗干扰技术
1.什么是控制系统中的可靠性其含义有哪些
[指导信息]:参见6.1.1 可靠性的概念。
控制系统的可靠性通常是指在一定条件下，在规定时间段完成规定功能的能力。可靠性的概念有两层含义：一是系统在规定的时间内尽可能减少错误和故障的发生；二是发生了错误和故障后能迅速进行维修，尽快恢复正常工作。
2.错误(Error)和故障(Failure)有何区别如何正确对待
[指导信息]:参见6.1.1 可靠性的概念。
瞬时性的、功能上出现偏差的异常状态，称之为错误，错误不经停机修理也可恢复到正常工作状态；固定性的、功能部件其必要操作能力消失的异常状态，称之为故障，故障只有通过修理才能恢复到正常状态。错误和故障往往是不可避免的，这需要有正确的态度和策略来对待。
3.简述早期故障、耗损故障、偶发故障产生的原因和应对的策略。
[指导信息]:参见6.1.1 可靠性的概念。
早期故障的发生是由于元器件质量差，软件、硬件设计欠完善等“先天不足”原因所造成的。应对的策略有：通过调试系统及时发现问题，优化设计结构、选择优质部件。
耗损故障的发生是由于元器件使用寿命已到所致。应对的策略有：预先更换寿命将到期的元器件，定期检查或更换关键元件和部件。
偶发故障是随机的，通常发生于早期故障和耗损故障之间，在故障发生后，需进行应急维修。应对的策略有：采取故障诊断、故障恢复技术、冗余技术等。
4.什么是电磁兼容性(EMC)其含义有哪些
[指导信息]:参见6.1.2 电磁兼容性。
电磁兼容性(EMC：Electromagnetic Compatibility)并非指电与磁之间的兼容，而是指在不损害信号所含信息的条件下，信号和干扰能够共存的程度。国际电工委员会(IEC)对EMC的定义是：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
电磁兼容实际有两方面的含义，一方面是设备或系统本身不应对周围其他设备或系统造成不能承受的电磁干扰(EMI:Electro Magnetic Interference)；另一方面是设备或系统应具有较低的电磁敏感度(EMS:Electro Magnetic Susceptibility)，能防御来自周围环境中的电磁干扰。
5.产生干扰的必要条件有哪些(EMC的四要素)
[指导信息]:参见6.1.2 电磁兼容性。
噪声的发生(即有噪声源的存在)、噪声的接收(即有受扰体的存在)、噪声的传播(即有耦合途径的存在)、以及上述三者在时间上的一致性。
6.噪声有哪些分类
[指导信息]:参见6.1.3 噪声的分类和耦合方式。
浅谈计算机控制技术及应用 摘要：随着科学技术的发展，人们越来越多的用计算机来实现控制。近年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信与网络技术和微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的发展。然而，设计一个性能好的计算机控制系统是非常重要的。计算机控制系统主要由硬件和软件两大部分组成，一个完整的控制系统还需要考虑系统的抗干扰性能，系统的抗干扰性能力是关系到整个系统可靠运行的关键。 关键词：计算机控制技术、系统、应用 Chat computer control technology and its application Abstract：With the development of science and technology, more and more people use computers to achieve control. In recent years, computer technology, automation technology, detection and sensor technology, CRT display technology, communications and network technology and the rapid development of microelectronic technology, a computer control technology has brought great development. However, the design of a computer control system for good performance is very important. Computer control system is mainly composed of two major components of hardware and software, a complete control system also need to consider the anti-interference performance of the system, the system is related to the anti-jamming capabilities and reliable operation of the system key. Key words：computer control technology、system、apply 正文： 一、计算机控制技术的概述 1、计算机控制的概念 （1）开环控制系统 若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称该系统为开环控制系统。在开环 控制系统中，既不需要对系统的输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与输入量 进行比较。 （2）闭环控制系统 凡是系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统都叫作闭环控制系统，即闭环 系统是一个反馈系统。闭环控制系统中系统的稳定性是一个重要问题。
2014年上学期《计算机控制技术》复习大作业及参考答案========================================================== 一、选择题（共20题） 1.由于计算机只能接收数字量，所以在模拟量输入时需经（ A ）转换。 A．A/D转换器B．双向可控硅 C．D/A转换器D．光电隔离器 2.若系统欲将一个D/A转换器输出的模拟量参数分配至几个执行机构，需要接入（ D ）器件完成控制量的切换工作。 A．锁存器锁存B．多路开关 C．A/D转换器转换D．反多路开关 3.某控制系统中，希望快速采样，保持器的保持电容CH应取值（ A ）。 A．比较小B．比较大C．取零值D．取负值 4. 在LED显示系统中，若采用共阳极显示器，则将段选模型送至（ B ）。 A．阳极B．阴极 C．阴极或阳极D．先送阴极再送阳极 5. 电机控制意味着对其转向和转速的控制，微型机控制系统的作法是通过（B ）实现的。 A．改变定子的通电方向和通电占空比 B．改变转子的通电方向和通电占空比 C．改变定子的通电电压幅值 D．改变转子的通电电压幅值 6.计算机监督系统（SCC）中，SCC计算机的作用是（B） A．接收测量值和管理命令并提供给DDC计算机 B．按照一定的数学模型计算给定植并提供给DDC计算机 C．当DDC计算机出现故障时，SCC计算机也无法工作 D．SCC计算机与控制无关 7. 键盘锁定技术可以通过（C）实现。 A．设置标志位 B．控制键值锁存器的选通信号 C．A和B都行 D．定时读键值 8. RS-232-C串行总线电气特性规定逻辑“1”的电平是（C）。 A．0．3 伏以下B．0．7伏以上 C．-3伏以下D．+3伏以上 9. 在工业过程控制系统中采集的数据常搀杂有干扰信号，（D）提高信/躁比。 A．只能通过模拟滤波电路 B.只能通过数字滤波程序 C.可以通过数字滤波程序/模拟滤波电路 D.可以通过数字滤波程序和模拟滤波电路 10．步进电机常被用于准确定位系统，在下列说法中错误的是（B ）。 A．步进电机可以直接接受数字量 B．步进电机可以直接接受模拟量 C．步进电机可实现转角和直线定位 D．步进电机可实现顺时针、逆时针转动
《计算机控制技术》课程设计单闭环直流电机调速系统
1 设计目的 计算机控制技术课程是集微机原理、计算机技术、控制理论、电子电路、自动控制系统、工业控制过程等课程基础知识一体的应用性课程，具有很强的实践性，通过这次课程设计进一步加深对计算机控制技术课程的理解，掌握计算机控制系统硬件和软件的设计思路，以及对相关课程理论知识的理解和融会贯通，提高运用已有的专业理论知识分析实际应用问题的能力和解决实际问题的技能，培养独立自主、综合分析与创新性应用的能力。 2 设计任务 2.1 设计题目 单闭环直流电机调速系统 实现一个单闭环直流电机调压调速控制，用键盘实现对直流电机的起/停、正/反转控制，速度调节要求既可用键盘数字量设定也可用电位器连续调节，需要有速度显示电路。扩展要求能够利用串口通信方式在PC上设置和显示速度曲线并且进行数据保存和查看。 2.2 设计要求 2.2.1 基本设计要求 （1）根据系统控制要求设计控制整体方案；包括微处理芯片选用，系统构成框图，确定参数测围等； （2）选用参数检测元件及变送器；系统硬件电路设计，包括输入接口电路、逻辑电路、操作键盘、输出电路、显示电路； （3）建立数学模型，确定控制算法； （4）设计功率驱动电路； （5）制作电路板，搭建系统，调试。 2.2.2 扩展设计要求 （1）在已能正常运行的微计算机控制系统的基础上，通过串口与PC连接； （2）编写人机界面控制和显示程序；编写微机通信程序；实现人机实时交互。
3方案比较 方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 方案二：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案三：采用由电力电子器件组成的H 型PWM 电路。用单片机控制电力电子器件使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在电力电子器件的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM 调速技术。 兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调整围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。 4单闭环直流电机调速系统设计 4.1单闭环调速原理 4.1.1 闭环系统框图 4.1.2 调速原理 直流电机转速有： 常数Ke Ka 不变，Ra 比较小。 所以调节Ua 就能调节n 。 n n I K R K U K R I U n d d a e e d ?-=Φ -Φ=-=0φa a a U I U ≈-
《微机控制技术》课程设计报告 课题：最少拍控制算法研究专业班级：自动化1401 姓名： 学号： 指导老师：朱琳琳 2017年5月21日
目录 1. 实验目的 (3) 2. 控制任务及要求 (3) 3. 控制算法理论分析 (3) 4. 硬件设计 (5) 5. 软件设计 (5) 无纹波 (5) 有纹波 (7) 6. 结果分析 (9) 7. 课程设计体会 (10)
1.实验目的 本次课程设计的目的是让同学们掌握微型计算机控制系统设计的一般步骤，掌握系统总体控制方案的设计方法、控制算法的设计、硬件设计的方法。学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法；研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成；熟悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。复习单片机及其他控制器在实际生活中的应用，进一步加深对专业知识的认识和理解，使自己的设计水平、对所学知识的应用能力以及分析问题解决问题的能力得到全面提高。 2.控制任务及要求 1.设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍有纹波控制和无纹波控制。 对象特性G （s ）＝ 采用零阶保持器H 0（s ），采样周期T ＝,试设计单位阶跃，单位速度输入时的有限拍调节器。 2.用Protel 、Altium Designer 等软件绘制原理图。 3.分别编写有纹波控制的算法程序和无纹波控制的算法程序。 4.绘制最少拍有纹波、无纹波控制时系统输出响应曲线，并分析。 3.控制算法理论分析 在离散控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。最少拍系统，也称为最小调整时间系统或最快响应系统。它是指系统对应于典型的输入具有最快的响应速度，被控量能经过最少采样周期达到设定值，且稳态误差为定值。显然，这样对系统的闭环脉冲传递函数)(z φ提出了较为苛刻的要求，即其极点应位于Z 平面的坐标原点处。 1最少拍控制算法 计算机控制系统的方框图为： 图7-1 最少拍计算机控制原理方框图 根据上述方框图可知，有限拍系统的闭环脉冲传递函数为： ) ()(1)()()()()(z HG z D z HG z D z R z C z +==φ (1) )(1)()(11)()()(1z z HG z D z R z E z e φφ-=+== (2) 由(1) 、(2)解得：
计算机控制技术课后习题答案 第一章绪论 1.计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：P2 (1)实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入 (2)实时决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将 要采取的控制策略。 (3)实时控制：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2 .计算机控制系统是由哪几部分组成？画出方块图并说明各部分的作用。P3 答：（1）计算机控制系统是由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部组成。 （2）方块图如下图1.1所示： 图1.1 计算机控制系统的组成框图 作用：①工业控制机软件由系统软件、支持软件和应用软件组成。其中系统软件 包括操作系统、引导程序、调度执行程序，它是支持软件及各种应用软件的最基 础的运行平台；支持软件用于开发应用软件；应用软件是控制和管理程序； ②过程输入输出设备是计算机与生产过程之间信息传递的纽带和桥梁。 ③生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。 3. 计算机控制系统的实时性、在线方式、与离线方式的含义是什么？为什么在计 算机控制系统中要考虑实时性？P2 (1)实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做 出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并 作相应操作的方式。 (2)在计算机控制系统中要考虑实时性，因为根据工业生产过程出现的事件能够保 持多长的时间；该事件要求计算机在多长的时间以内必须作出反应，否则，将对
《计算机控制技术》课程教学大纲 Computer Control Technology 课程编号：2000830 适用专业：电气工程及其自动化 学时数：32 学分数：2 执笔者：童亦斌编写日期：2002.5 一、课程的性质与目的 课程性质：本课程是电气工程及其自动化专业基础课程，属选修课。 主要任务：1．了解计算机控制系统的组成及应用领域； 2．熟悉计算机控制系统输入输出通道的工作及设计方法； 3．初步掌握数字滤波及数字PID的基本设计方法； 4．掌握计算机控制系统的抗干扰技术。 二、课程教学内容 第一章计算机控制系统概论 计算机控制的一般概念和计算机控制系统的组成。 要求学生了解计算机控制的一般概念以及它与传统控制系统的主要区别。 第二章基本输入输出接口技术 计算机通用输入输出接口。 要求学生了解计算机输入输出接口设计的一般原则。 第三章计算机控制系统输入输出通道 计算机控制系统模拟输入通道、数字输入通道、模拟输出通道和数字输出通道的设计原则。 重点：计算机控制系统输入输出通道的设计原则。 难点：计算机控制系统输入输出通道与计算机软件设计的配合。 第四章数字滤波 数字滤波的作用和基本方法。 要求学生了解数字滤波的作用与基本方法，掌握基本的数字滤波原理。 作业：参考教材第十章第3题。 第五章数字PID 数字PID设计的基本设计方法。 重点：数字PID的设计方法和基本步骤。 难点：数字PID的设计方法。 要求学生了解数字PID设计的基本方法，并掌握准连续PID控制算法和最少拍系统设计的方法和步骤。 作业：参考教材第六章习题与思考题第1、2、3题。 第六章计算机控制系统的抗干扰技术 干扰的形式、传播和作用方式，计算机控制系统的抗干扰技术。 重点：计算机控制系统的抗干扰技术。 要求学生理解干扰的产生、传播以及作用于系统的基本原理，掌握一些计算机控制系统的实用抗干扰方法。 三、课程教学的基本要求 本课程学时较短，相关内容比较多，课堂教学以重点内容和综合介绍设计方法为主。 1．课堂教学：讲授与讨论相结合。讲授采用板书，讨论以提问和安排思考题为主。
第一章 1．计算机系统由哪些部分组成？并画出方框图。 解： 若将自动控制系统中控制器的功能用计算机或数字控制装置来实现，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图1-1所示。因此，简单说来，计算机控制系统就是由各种各样的计算机参与控制的一类系统。 图1-1 计算机控制系统基本原理图 在计算机控制系统中，控制规律是用软件实现的，计算机执行预定的控制程序就能实现对被控参数的控制。控制器与执行机构之间是DA转换器，负责将数字信号转换成模拟信号；AD转换器则相反将传感器采集的模拟信号，转换成数字信号送给控制器。 2．计算机控制系统是怎样分类的？按功能和控制规律可分为几类？ 解： 计算机控制系统与其所控制的对象、采取的控制方法密切相关。因此，计算机控制系统的分类方法很多，可以按照系统的功能、控制规律或控制方式等进行分类。 按功能及结构分类：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统、工业以太网控制系统、综合自动化系统。 按照控制规律分类：程序和顺序控制、比例积分微分控制(简称PID控制)、最少拍控制、复杂规律的控制、智能控制。 3．计算机控制系统的主要特点有哪些？ 解： 主要有以下特点： 1．数字模拟混合的系统。在连续控制系统中，各处的信号是连续模拟信号。而在计算机控制系统中，除仍有连续模拟信号外，还有离散信号、数字信号等多种信号。因此，计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。 2．灵活方便、适应性强。一般的模拟控制系统中，控制规律是由硬件电路实现的，控制规律越复杂，所需要的模拟电路往往越多，如果要改变控制规律，一般就必须更改硬件电路。而在计算机控制系统中，控制规律是由软件实现的，计算机执行预定的控制程序就能实现对被控参数的控制，需要改变控制规律时，一般不对硬件电路作改动，只要改变控制程序就可以了。 3．可实现复杂控制规律。计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能，能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。 4．离散控制。在连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行的，控制器对产生的偏差也是连续调节的。而在计算机控制系统中，计算机每隔一定时间间隔，向A/D转换器发出启动转换信号，并对连续信号进行采样获得离散时间信号，经过计算机处理后，产生的控制时间信号通过D/A将离散信号转换成连续时间信号输出，作用于被控对象。因此，计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。
第1章概述 ............................................................... 1-2第2章计算机控制系统的理论基础 ........................................... 2-1第3章数字控制器的设计与实现 ............................................. 3-1第4章控制系统中的计算机及其接口技术 ..................................... 4-1第5章计算机控制系统中的过程通道 ......................................... 5-1第6章控制系统的可靠性与抗干扰技术 ....................................... 6-1第7章控制系统的组态软件 ................................................. 7-1第8章 DCS集散控制系统.................................................... 8-1第9章计算机控制系统的解决方案 ........................................... 9-1第10章计算机控制技术在简单过程控制中的应用 ............................. 10-1第11章计算机控制技术在流程工业自动化中的应用 ........................... 11-1
微机控制技术的发展概况及趋势 微机控制技术是以微型计算机作为机电一体化的控制器，结合微型计算机的工作原理和接口设计，相应的控制硬件和软件以及它们的配合，实现对控制对象的控制的一门技术。它的发展离不开自动控制理论和计算机技术的发展，随着科学技术的发展，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。 本文从计算机控制系统的发展历史，我国工业控制机及系统的发展应用，计算机控制系统的发展趋势，这几个方面来阐述微机控制技术的发展概况及相关趋势。 计算机控制系统在60年代引入控制领域当时计算机是控制调节器的设定点, 具体的控制则由电子调节器来执行, 这种系统称为计算机监控系统。在60 年代末期出现了用一台计算机直接控制一个机组或一个车间的控制系统,简称集中控制系统。这种控制系统即常说的直接数字控制(DDC)系统。计算机DDC 控制的基本思想是使用一台计算机代替若干个调节控制回路功能。这个控制系统由于只有一台计算机而且没有分层，所以非常有利于集中控制盒运算的集中处理，并且能得到很好的反映，并且，各个控制规律都可以直接实现。但是，如果生产过程复杂，则该系统的可靠性就很难保证了。系统的危险性过于集中, 一旦计算机发生故障, 整个系统就会停顿。[7] 70 年代随着电子技术的飞速发展,随着大规模集成电路的出现和发展, 集散控制系统（DCS）出现，之后在此基础上，随着生产发展的需要而产生了一种更新一代的控制系统，即分布式控制系统。典型的集散控制系统具有两层网络结构下层负责完成各种现场级的控制任务,上层负责完成各种管理、决策和协调任务。 90年代以来，随着各个学科的发展和交叉融合，随着现代大型工业生产自动化的不断兴起, 利用计算机网络作为控制工具的综合性控制系统，计算机集成系统（CIPS）应运而生。它紧密依赖于最新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术，并且终将成为未来控制系统的发展趋势。 我国工业控制发展的道路是比较曲折的，20世纪80年代末到90年代初，我国市场上大都是首先引进了成套设备，在引进成套设备的同时相继引进了各种工控系统，来填充国内在这方面的不足，90年代后，在我国一批科学家的带领下，我国逐渐有了自己设计的控制系统和装置，建立自己的实验室，生产出属于自己版权的产品，然后在原有技术的基础上进行二次开发和应用，从1997年开始，大陆本土的IPC厂商开始进入该市场，IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术。[1] 目前国内的工控机供应渠道主要来源于中国台湾及内地的厂商，国外的产品（例如RADISYS、ROCKWELL、INTEL等）经过几年的市场拼杀后，由于成本高、价格高、服务难，现已完全退出国内市场。目前，国内的IT业研发、加工技术力量不断提升；各类芯片和各类器件、生产设备在国际市场基本可平等选购；软件资源的可移植性可节省大量的人力、物力。在这些有利条件下，国内一些厂商抓住机会快速崛起，利用本土综合竞争优势逐步将国外品牌挤出国内工控市场。某些企业以每年超过100%的资产增长速度，鼎立于国内的工控市场，而且
《计算机控制技术与系统》课程 思考题与习题 第一章绪论 简述计算机控制技术发展史。 简述计算机控制系统的类型、结构和特点。 计算机控制与常规控制主要不同点在哪里 典型计算机控制系统有哪几部分组成，画出方框图。 什么叫做动态系统 对计算机控制系统的基本要求是什么 简述调节系统与跟踪系统（随动系统）的特点。 典型计算机集成制造系统（CIMS）有哪四个功能系统和两个支持系统 第二章过程通道 采样定理对于采样周期的选取有什么意义 写出采样过程的数学描述形式。 影响采样周期选择的因素主要有哪些 多路采样装置的主要作用是什么，常用采样器包括哪些 过程通道的采样周期T是否越小越好，为什么 A转换的工作方式主要有哪几种，简述其原理。 2.7A/D转换的工作方式主要有哪几种，简述其原理。 简述模入通道结构与各组成部分功能。 简述过程通道的类型和基本功能。 简述开关量通道的基本构成形式和主要作用。 简述开关量通道的抗干扰措施有哪些。 模出通道的类型主要有哪几种，各有什么特点 保持器在过程通道中的作用是什么，举例分析。 某热工过程有16点温度信号，变化范围: 150--850 C, 采用微机监测。
求解问题： 1、 若经A/D 转换后的数字量每个脉冲对应的实际温度小于等于 C , 则A/D 分辨率至少为多少才能保证该精度 2、写出A/D 转换后的数字量与被测点实际温度间关系式。 3、该处理方式零点迁移量为多少 第三章 理论基础 求下图示离散系统脉冲传递函数G(z) 已知采样系统如下图所示，求下图示离散系统脉冲传递函数G(z)和当闭环系统稳定时K 的取值范围。 分析下图所示采样系统，当采样周期T=1，开环增益K=5时的稳定性。 给定传递函数 1 10+s K ，试以10倍的转角频率为近似的截止频率m ω，求满足采样定理的采样频率s ω和采样周期T 。 证明离散系统脉冲响应的z 变换即为离散系统传递函数。 设离散系统结构如下图所示，图中D(z)为数字PID 调节器，其差分方程为 )]2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=k e k e k e K k e K k e k e K k u d i p
第1章概述.................................................................................................................................... 1-2第2章计算机控制系统的理论基础.......................................................................................... 2-1第3章数字控制器的设计与实现.............................................................................................. 3-1第4章控制系统中的计算机及其接口技术.............................................................................. 4-1第5章计算机控制系统中的过程通道...................................................................................... 5-1第6章控制系统的可靠性与抗干扰技术.................................................................................. 6-1第7章控制系统的组态软件....................................................................................................... 7-1第8章DCS集散控制系统.......................................................................................................... 8-1第9章计算机控制系统的解决方案.......................................................................................... 9-1第10章计算机控制技术在简单过程控制中的应用............................................................ 10-1第11章计算机控制技术在流程工业自动化中的应用 ....................................................... 11-1
一、填空：（每空１分，共３０分） １、计算机基本的五个组成部分是、、、和。 ２、工业控制计算机的各类有工业控制机、工业控制机和。 ３、计算机内，数的表示方法有数、数和数三种。 ４、单片机可以分为单片机和单片机两种机型。 ５、单片机在开发系统时，可以使用语言、语言和语言。 ６、ＭＣＳ－５１系列单片机中共有七种寻址方式，分别是寻址、寻址、寻址、寻址、寻址、寻址、寻址。 ７、在汇编语言中，分支语句是通过语句来实现的。 ８、循环语句是指按某种规律重复执行的程序语句。 ９、在执行完子程序，返回继续执行生程序前恢复其原有内容，这称为。 １０、一个完整的中断处理有中断、中断、中断和中断。 二、选择：（每题２分，共２０分） １、一个完整的计算机系统是由和软件两部分组成的。 Ａ主机Ｂ硬件Ｃ程序Ｄ外设 ２、计算机内部一律采用进制数存储数据。 Ａ十Ｂ八Ｃ二Ｄ十六 ３、伪指令是程序员发给汇编程序的指令，也称命令。 Ａ二进制Ｂ汇编Ｃ高级Ｄ人工命令 ４、顺序控制就是依次执行、无分支、无循环和调用。 Ａ从上到下Ｂ从下到上Ｃ从里到外Ｄ从外到里 ５、有条件跳转语句可以分为语句和多分支语句。 Ａ跳转语句Ｂ单分支语句Ｃ顺序语句Ｄ转移语句 ６、ＣＰＵ和外部通信有通信和串行通信。 Ａ并行Ｂ异步Ｃ同步Ｄ位传送 ７、总线按功能和规范分为总线、内总线和外总线。 Ａ数据Ｂ地址Ｃ片Ｄ控制 ８、地址总线的宽度为位。 Ａ８Ｂ４Ｃ３２Ｄ１６ ９、５１系列单片机内部４个双向的并行Ｉ/Ｏ端口，共根引脚。 Ａ３２Ｂ１６Ｃ８Ｄ６４ １０、两个字长的二进制位数是。 Ａ８Ｂ１６Ｃ３２Ｄ６４ 三、名词解释：（每题４分，共２０分） １、微处理器： ２、工业控制计算机（ＩＰＣ）：
计算机控制技术课程设计任务书 题目1：通用数字PID调节器设计 1、主要技术数据和设计要求 主要技术数据：8路模拟量输入：适配1～5V输入，量程自由设定；8路输出控制信号：1～5V标准电压输出；输入模拟量转换精度：0.1%；RS232串行通讯通口。 控制模型：数字PID控制算法；PID参数范围：比例带Kp：1-999.9%，积分时间Ti：1-9999秒（Ti=9999时积分切除），微分时间Td:：0-9999秒（Td=0时微分切除）。 调节控制器使用51内核的单片机，完成对8路模拟信号的切换、信号变换、A/D转换；单片机对数据处理后（含数字滤波、数值变换），送到显示和通讯部分，并经PID运算处理后通过D/A转换器输出。经信号变换和信号分配后输出8路控制信号。设计中应充分考虑干扰问题。 2、设计步骤 一、总体方案设计、控制系统的建模和数字控制器设计 二、硬件的设计和实现 1. 选择计算机机型（采用51内核的单片机）； 2. 设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口等）； 3. 设计键盘、显示接口电路； 4. 设计8路模拟量输入输出通道； 5. 设计RS232串行通讯通口； *6. 其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）。 三、软件设计 1. 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块； 2. 编写数字PID调节器软件模块； 3. 编写数字滤波程序； *4. 编写A/D、D/A转换器处理程序模块； *5. 其它程序模块(显示与键盘等处理程序)。 四、编写课程设计报告，绘制完整的系统电路图。
计算机控制技术课程设计任务书 题目2：双闭环直流电动机数字调速系统设计 1、主要技术数据和设计要求 主要技术数据：直流电动机（对象）的主要技术参数如下：直流电动机Ped=3kW，Ued=220v ，ned=1500r/min，电枢回路总电阻R=2.50欧姆，电动机回路电磁时间常数TL=0.017s，机电时间常数TM=0.076s，电势常数Ce=0.1352V/r·min)，晶闸管装置放大倍数Ks=30，整流电路滞后时间Ts=0.0017s。 主要技术指标：速度调节范围0-1500r/min，速度控制精度0.1%（额定转速时），电流过载倍数为1.5倍。 主要要求：直流电动机的控制电源采用PWM控制方式，在其输入电压为0-5伏时可以输出0-264伏电压，为电机提供最大25安培输出电流。速度检测采用光电编码器，且假定其输出的A、B两相脉冲经光电隔离辨向后获得每转1024个脉冲的角度分辨率和方向信号。电流传感器采用霍尔电流传感器，其原副边电流比为1000：1，额定电流为50安培。采用双闭环（速度和电流环）控制方式。 2、设计步骤 一、总体方案设计、控制系统的建模和数字控制器设计 二、硬件的设计和实现 1. 选择计算机机型（采用51内核的单片机）； 2. 设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口等）； 3. 设计键盘、显示接口电路； 4. 设计输入输出通道（速度反馈、电流反馈电路、输出驱动电路等）； *5.它相关电路的设计或方案（电源、通信等）。 三、软件设计 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块； 2. 编写数字调节器软件模块； 3. 编写A/D转换器处理程序模块； *4.编写输出控制程序模块； *5.其它程序模块(数字滤波、显示与键盘等处理程序)。 四、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图。
第一章 1.计算机系统由哪些部分组成？并画出方框图。 解： 若将自动控制系统中控制器的功能用计算机或数字控制装置来实现，就构成了计算机控 制系统，其基本框图如图1-1所示。因此，简单说来，计算机控制系统就是由各种各样的计算机参与控制的一类系统。 图1-1 计算机控制系统基本原理图 在计算机控制系统中，控制规律是用软件实现的，计算机执行预定的控制程序就能实现对被控参数的控制。控制器与执行机构之间是DA转换器，负责将数字信号转换成模拟信号；AD转换器则相反将传感器采集的模拟信号，转换成数字信号送给控制器。 2?计算机控制系统是怎样分类的？按功能和控制规律可分为几类？ 解： 计算机控制系统与其所控制的对象、采取的控制方法密切相关。因此，计算机控制系统 的分类方法很多，可以按照系统的功能、控制规律或控制方式等进行分类。 按功能及结构分类：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统、工业以太网控制系统、综合自动化系统。 按照控制规律分类：程序和顺序控制、比例积分微分控制（简称PID控制）、最少拍控制、复杂规律的控制、智能控制。 3.计算机控制系统的主要特点有哪些？解： 主要有以下特点： 1.数字模拟混合的系统。在连续控制系统中，各处的信号是连续模拟信号。而在计算机控制系统中，除仍有连续模拟信号外，还有离散信号、数字信号等多种信号。因此，计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。 2?灵活方便、适应性强。一般的模拟控制系统中，控制规律是由硬件电路实现的，控制规律越复杂，所需要的模拟电路往往越多，如果要改变控制规律，一般就必须更改硬件电 路。而在计算机控制系统中，控制规律是由软件实现的，计算机执行预定的控制程序就能实 现对被控参数的控制，需要改变控制规律时，一般不对硬件电路作改动，只要改变控制程序 就可以了。 3?可实现复杂控制规律。计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能，能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。 4.离散控制。在连续控制系统中，给定值与反馈值的比较是连续进行的，控制器对产生的偏差也是连续调节的。而在计算机控制系统中，计算机每隔一定时间间隔，向A/D转 换器发出启动转换信号，并对连续信号进行采样获得离散时间信号，经过计算机处理后，产
计算机控制技术及工程应用复习资料
一、第一章 1）计算机控制系统的监控过程步骤 a.实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入； b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策； c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务； 2）按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？ 数据采集系统（DAS）操作指导控制系统(OGC) 直接数字控制系统（DDC） 监督计算机控制系统（SCC）分散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS） 3）计算机控制装置种类 可编程控制器；可编程调节器；总线式工控机；单片微型计算机；其他控制装置 4）计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？ 同：1）计控系统是由常系统演变而来的； 2）两者的结构基本相同 异：1）计控系统中处理的信号有两种：模拟信号和数字信号。而常系统处理的只有模拟信号2）计控系统具有智能化 3）计控系统有软件也有硬件，而常系统只有硬件 二、第二章 1）4 位 D/A 转换器为例说明其工作原理 假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、BS0全部与“1”端相连。根据电流定律，有： 由于开关 BS3 ~ BS0 的状态是受要转换的二进制数 D3、D2、D1、D0 控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通式： 考虑到放大器反相端为虚地，故： 选取R fb = R ，可以得到： 对于n 位 D/A 转换器，它的输出电压V OUT与输入二进制数B( Dn-1~ D0) 的关系式可写成： 结论：可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻 Rfb以及基准电压VREF有关。
第一章计算机控制系统概述 习题及参考答案 1.计算机控制系统的控制过程是怎样的? 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.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，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内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”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。 3.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？ 由四部分组成。
图1.1微机控制系统组成框图 (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
10电气（2）班姓名：陆继赟学号：01 计算机控制技术及应用 一、计算机控制技术应用和发展 在近10多年里，计算机技术得到了极大的发展和完善；无论是在系统硬件成本，还是在计算速度和存贮容量方面都取得了很大的进步。特别是面向用户的编程语言也大大简化了。同时，由于采用了更多的可靠元件、尖端的设计工艺，增加了容错技术、冗余诊断程序，系统的可靠性也得到较大的提高；传统的过程控制功能与诸如生产计划、调度、优化及操作控制等实时信息处理和决策应用的不断渗透、融合，使通过高级计算机控制实现各种过程高性能目标的手段变得越来越可靠和更为强劲有力；功能价格比也日趋合理。因而，使计算机控制在工业中的应用得到了迅猛的发展，而且正越来越广泛地应用于石油、化工、钢铁、造纸、电力等工业部门，并在提高设备处理能力和生产效率、产品质量；有效利用能源(水、人力、材料等资源)，满足环保、人身安全等严格要求及在日益激烈的国内外市场竞争中，发挥着举足轻重的作用。 二、（一）、计算机控制技术的概述 1、计算机控制的概念 （1）开环控制系统 若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称该系统为开环控制系统。在开环 控制系统中，既不需要对系统的输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与输入量 进行比较。 （2）闭环控制系统 凡是系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统都叫作闭环控制系统，即闭环 系统是一个反馈系统。闭环控制系统中系统的稳定性是一个重要问题。 2、计算机控制系统 采用计算机进行控制的系统称为计算机控制系统，也称它为数字控制系统。若不考
虑量化问题，计算机控制系统即为采样系统。进一步，若将连续的控制对象和保持器一 起离散化，那么采样控制系统即为离散控制系统。所以采样和离散系统理论是研究计算 机控制系统的理论基础。 3、计算机控制系统的控制过程 （1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 （2）实时控制决策：对采集到的被控量进行数据分析和处理，并按已定的控制规律决 定进一步的的控制过程。 （3）实时控制：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 4、计算机控制系统的特点 （1）结构上。计算机控制系统中除测量装置、执行机构等常用的模拟部件之外，其执 行控制功能的核心部件是数字计算机，所以计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。 （2）计算机控制系统中除仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数字等多种信号形式。 （3）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号，从而使计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析和设计。 （4）计算机控制系统中，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂的控制规律和对控制方案进行在线修改，使系统具有很大灵活性和适应性。 （5）计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算能力，一个控制器（控制计算机）经常可以采用分时控制的方式而同时控制多个回路。 （6）采用计算机控制，如分级计算机控制、离散控制系统、微机网络等，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。 5、计算机控制系统的组成 计算机控制系统主要由硬件和软件两大部分组成，而一个完整的计算机系统应由下列几部分组成：被控对象、主机、外部设备、外围设备、自动化仪表和软件系统。 （1）硬件：a)由中央处理器，时钟电路，内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分。 b)通用外围设备按功能可分为输入设备、输出设备和外存储器三类。 c)过程Ｉ／Ｏ通道，又称过程通道。 d)通用接口电路，一般有并行接口、串行接口和管理接口（包括中断管理、 直接存取DMA管理、计数/定时等）。 e)传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量。变送器的作 用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机借口使用的标准的电 信号（如０～１０ＭＡＤＣ）。 f)计算机控制系统一般要有一套专供运行操作人员使用的控制台称为运行 操作台，操作台一般包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声 信器、数字显示器或ＣＲＴ显示器等。 （2）软件：软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协 调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。 （二）集成系统控制 计算机技术的不断发展，使计算机系统的数据采集、处理、存贮、高速执行复杂计算任