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第2章 输入输出接口与过程通道技术—习题参考答案 8
习题参考答案
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。

2-11 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。A/D转换器的转换精度取决于量化误差q、微分线性度误差DNLE和积分线性度误差INLE。通常用绝对精度和相对精度两种表示方法。绝对精度常用数字量的位数表示法，如绝对精度为±1/2LSB。，相对精度用相对于满量程的百分比表示。如满量程为10V的8位A／D转换器，其绝对精度为，而8位A／D的相对精度为FSR。
精度和分辨率不能混淆。即使分辨率很高，但温度漂移、线性不良等原因可能造成精度不是很高。
(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？

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？
模拟量输出通道中要有输出保持器，这是因为计算机控制是分时的，每个输出回路只能周期地在一个时间片上得到输出信号，即这时执行部件得到的是时间上离散的模拟信号，而实际的执行部件却要求连续的模拟信号，因此为了使执行部件在两个输出信号的间隔时间内仍然能得到输出信号，就必须有输出保持器，通过它将前一采样控制时刻的输出信号保持下来，直到下一个采样控制时刻到来，重新得到新的输出信号
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。

2-19 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

2-24 常用数字滤波有几种方法？各有何特点何用途？
限幅滤波、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、加权递推平均滤波法和一阶惯性滤波法。
平均值滤波法适用于周期性干扰，中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰，惯性滤波法适用于高频及低频的干扰信号，加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控制对象。如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤波法或限幅滤波法，然后再用平均值滤波法。

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=KT时， AD574A的转换结果为56AH，问此时炉内的温度为多少度？
解 ，，，，

或解：对应的电压值为

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
工业控制计算机的主要类型
(1) 通用型IPC
(2) 工业总线工控机
(3) DCS现场控制站
(4) 智能程控仪表和总线型测控仪表
(5) 嵌入式工控机
(6) PLC
(7) 单元式控制器。

3-2 何谓总线？何谓总线标准？
总线是连接一个或多个部件的一组电缆的总称，通常包括地址总线、数据总线和控制总线。
总线标准是指芯片之间、插板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规范。总线标准包括硬件和软件两个方面，如总线工作时钟频率、总线信号线定义、总线系统结构、总线仲裁机构与配置机构、电气规范、机械规范和实施总线协议的驱动与管理程序。

3-12 RS-232C和RS-485是什么总线？试对两者进行对比。
RS-232C、RS-485为串行总线。

RS-232C接口为非平衡型，每个信号用一根导线，所有信号回路共用一根地线。信号速率限于20kbit/s内，电缆长度限于15m之内。其电性能用±12V标准脉冲，并采用负逻辑。
RS-485接口采用二线差分平衡传输，其一根导线上的电压是另一根导线上的电压值取反。还具有比RS-232C更长的距离、更快的速度以及更多的节点。RS-485更适用于多台计算机或带微控制器的设备之间的远距离数据通信。

RS-232C和RS-485之间的转换可采用相应的RS-232C/RS-485转换模块。
3-14 IPC工业控制机在结构上与普通PC机有何不同？
工业环境等应用现场的条件相对恶劣，最常见的问题是粉尘、辐射、电磁场干扰和高温等。在一些特殊的应用场合，例如地层下施工或坑道内，还要求有防潮、防震、抗冲击等能力。IPC工业控制机是控制系统的核心部件，应当能适应上述基本的环境要求。IPC结构包括下列各项：
①19in标准工业机箱（符合IEARS-310）：全钢结构，适合工业环境，具有防电磁干扰能力。
②ISA总线或PCI总线兼容的无源总线底板：有6槽、8槽、12槽、14槽、20槽几种。
③磁盘驱动器框架：能容纳1个软盘、1个硬盘、1个CD-ROM驱动器。
④双冷却风扇：分别安装在前面板及后面板电源单元中，由于前风扇为进风，后面风扇为排风，在设计上使得进风量大于排风量，从而保证了机箱内的正压力，防止灰尘侵入，防止腐蚀性气体进入。
⑤前风扇处安装有可拆卸式过滤罩：用于空气过滤。
⑥防尘和保证运行安全的带锁门：在前面板安装一个带锁门，门内装有磁盘驱动器、电源开关、复位开关和指示灯。平常工作时将门关闭，锁好，以防止灰尘侵入，对磁盘工作予以保护，同时也防止了他人的误动作影响主机的运行，保证了运行的安全。
⑦防振可调节夹钳：可调节上下高度，带有橡胶缓冲体，用于模板压紧，提高抗振能力。
⑧指示灯：1个LED指示电源上电（绿色），1个LED指示键锁状态（Keyboard-Lock），一个LED指示硬盘驱动器在工作（红色）。
⑨开关：电源开关（ON/OFF），复位开关（RESET），键锁开关（Keyboard-Lock)。
⑩喇叭：阻抗8Ω。
⑩供电电源：有200W、250W、300W等工业开关电源，输出+5V，30A；5V，0.5A；+12V，12A；12V，0.5A四种规格直流电压。它具有过功率和短路保护功能，当功率超过300～400W时，电源自动保护。输入电压为ACl70～240V，输入频率为47～63Hz。

3-15 DCS现场控制站结构上有何特点？通常有哪几个部分组成？
DCS现场控制站是DCS系统的核心部分，接受工程师站的初始下装数据，完成数据采集、工程单位变换、控制运算、控制输出，通过监控网络将数据和诊断结果传到系统数据库等功能。现场控制站内大部分采用分布式的结构。
DCS现场控制站由主控单元、智能I/O单元、总线与通讯接口、电源单元和专用机柜等部分组成。为确保控制系统的实时性、安全性和可靠性，现场控制站内部的很多部件都采用冗余配置。
5-2 已知模拟调节器的传递函数为，试写出相应数字控制器的位置型控制算式，设采样周期
解

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

5-8 试画出不完全微分PID控制器的结构图，并推导出其增量算式。
图5-4 不完全微分PID控制器

解

对图5-4b，有

其对应的微分方程

上式离散化后，经整理可得

微分分量的增量算式

不完全微分PID控制器的增量算式

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，对象为， 求Smith预估器的控制算式。
解
图6-12 具有纯滞后补偿的控制系统

则预估器的传递函数为

6-12 前馈控制结构图如图6-18，设被控对象的干扰通道和控制通道的传递函数分别为

采样周期T=1s。试推导完全补偿前馈控制器输出。
解

相应的微分方程为：

对上式进行离散化，得：

上式为：

即
此式即为完全补偿前馈控制器的控制算法。

6-15 参照“年青”的隶属函数，写出“很年青"的隶属函数，并画出其曲线；对x=30，40，50，分别求出属于“很年青”的隶属度。
解