计算机控制技术第版部分课后题答案.doc

第一章
1、 计算机控制系统是由哪几部分组成？画出方框图并说明各部分作用。
答:计算机控制系统由工业控制机、 过程输入输出设备和生产过程三部分组成; 框图P3。
1）工业控制机关键用于工业过程测量、 控制、 数据采集、 DCS操作员站等方面。
2）PIO设备是计算机与生产过程之间信息传输通道, 在二者之间起到纽带和桥梁作用。
3）生产过程就是整个系统工作多种对象和各个步骤之间工作连接。
2、 计算机控制系统中实时性、 在线方法与离线方法含义是什么？为何在 计算机控制系统中要考虑实时性？
（1）实时性是指工业控制计算机系统应该含有能够在限定时间内对外来事件做出反应特征; 在线方法是生产过程和计算机直接相连, 并受计算机控制方法; 离线方法是生产过程不和计算机相连, 并不受计算机控制, 而是靠人进行联络并作对应操作方法。
（2）实时性通常要求计算机含有多任务处理能力, 方便将测控任务分解成若干并行实施多个任务, 加紧程序实施速度; 在一定周期时间对全部事件进行巡查扫描同时, 能够随时响应事件中止请求。
3.计算机控制系统有哪多个经典形式？各有什么关键特点？
（1）操作指导控制系统（OIS）
优点: 结构简单、 控制灵活和安全。
缺点: 由人工控制, 速度受到限制, 不能控制对象。
（2）直接数字控制系统(DDC) （属于计算机闭环控制系统）
优点: 实时性好、 可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SCC）
优点: 生产过程一直处于最有工况。
（4）集散控制系统
优点: 分散控制、 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
优点: 与DOS相比降低了成本, 提升了可靠性。
（6）PLC+上位系统
优点: 经过预先编制控制程序实现次序控制, 用PLC替换电器逻辑, 提升了控制是现代灵活性、 功效及可靠性。

第二章
1、 什么是工业控制计算机？它们有哪些特点？
答: 工业控制计算机是将PC机CPU高速处理性能和良好开放式总线结构体系引入到控制领域, 是工业自动化设备和信息产业基础设备关键。
特点以下:
可靠性高; 实时性好; 环境适应性强; 模块化设计, 完善I/O通道; 系统扩充性好; 系统开放性好; 控制软件包功效强。
2、 为何要制订计算机总线标准？采取总线结构有哪些优点？
答: 从用户角度提出要求, 为了实现兼容目, 就要求各插件几何尺寸相同, 插头插针数相同, 插头上个插针定义相同, 以及控制插件工作时序相同。
从工业控制机制造厂角度出发: 按总线标准生产插件, 将使其产品应用面更广, 从而一个厂家无须生产工业控制机全部插件, 它只需生产本厂有专长插件和OEM产品即可。综上提出了对总线标准要求。
优点: 工业控制机采取了总线以后, 不仅能够提升系统效率和处理速度, 简化工业控制机系统结构, 使系统易于扩充, 而且大大简化系统硬件设计过程, 减轻了软件设计和调试工作, 缩短了软件研制周期, 从而降低了系统成本。其次总线模板化结构设计也为系统维修提供了方便。

第三章
2、 计算机与模拟量输入接口交换信息有哪些种控制方法？它们各有什么优缺点？
①程序查询方法: 这种方法程序设计比较简单, 可靠性高, 但实时性差。因CPU大量时间都花在“查询”上, 所以只能用在实时性要求不高或控制回路较少系统中。
②延时采样方法: 这种方法硬件设计简单, 但信息传输比程序查询方法慢。
③中止方法: CPU与A/D是并行工作, 从而提升了系统工作效率。
④DMA方法: 不经过CPU累加器中转, 大大降低了数据传送时间, 使传输速率大大提升。
3、 模拟量输入接口设计关键处理哪多个方面问题？
答: 关键处理以下问题: 数据输出线连接方法; 选通信号、 开启转换及读出控制信号连接方法; 电源和地线处理; 与计算机信息传输方法。
4、 模拟量输入通道有哪几部分组成？
答: 模拟量输入通道通常由I/U变换, 多路转换器、 程控放大器、 采样、 保持器、 A/D转换器、 接口及控制逻辑等组成。
5、 采样/保持器作用是什么？是否全部模拟量输入通道中都需要采样/保持器？为何？
答: 计算机只能接收和处理时间离散数码。它能够代表某一物理量数值大小, 也能够代表字符约定代码, 这些都称为数字信号。过程控制中大量信号是模拟信号, 所以, 计算机要取得原始信息, 则应对模拟信号进行采样与量化, 立即其转化成数字信号。
7、 隔离放大器分多个形式？各有什么特点？
答: （1）变压器耦合隔离放大器: 线性和稳定性好, 隔离电压和共模抑制比高, 应用电路简单, 频带较宽; （2）光耦合隔离放大器: 关键起到抗共模干扰和良好安全保障作用。
8、 一个8位A/D转换器, 孔径时间为100μs,假如要求转换误差在A/D转换器转换精度（0.4%）内, 求许可转换正弦波模拟信号最大频率是多少？
答: tA/D=100us,σ=0.4%, 有公式σ=2πftA/D得: f=σ/(2πtA/D)=6.4Hz

第四章
1、 滤波作用是什么？数字滤波与硬件滤波相比有何特点？
答: 经过模拟量输入通道采集到生产过程多种物理参数（如温度、 压力、 流量、 料位和成份等）。这原始数据中可能混杂了干扰噪声, 需要进行数字滤波; 也可能与实际物理量成非线性关系需要进行线性化处理。为了能到真实有效数据, 有必需对采集原始数据进行数字滤波和数据处理。
所谓数字滤波, 就是在计算机中用某种计算方法对输入信号进行数学处理, 方便降低干扰在有用信号中比重, 提升信号真实性。这种滤波方法不需要增加硬设备, 只需要依据预定滤波算法编制对应程序即可可达成信号滤波目。
2、 常见数字滤波方法有哪多个？分别使用于什么场所？怎样综合利用这多个滤波方法？
答: 常见数字滤波方法有: 限幅滤波法（即程序判定法）, 中位值滤波法, 平均值滤波法和惯性滤波法。
平均值滤波法使用于周期性干扰, 中位值滤波法和限幅滤波法适适用于偶然脉冲干扰, 惯性滤波法适适用于高频及低频干扰信号, 加权平均值滤波法适适用于纯拖延较大被控制对象。
假如同时采取多个滤波方法, 通常先用中位值滤波法或限幅滤波法, 然后再用平均值滤波法。
4、 数字PID控制算法位置式算式和增量式算式本质是否一样, 试分析二者区分。
位置式PID数字控制器输出是全量输出, 是实施机构所应达成位置, 数字控制器输出跟过去状态相关, 计算机运算工作量大, 需要对e(k)作累加, 而且, 计算机故障有肯能使输出作大幅度改变, 这种情况在往往在生产实践中不许可, 而且有些场所可能造成严重事故。
增量式PID数字控制器是位置式一个改善。该方法较为安全, 在计算时不需要进行累加, 仅需要最近几次误差采样值。
5、 数字PID控制为何采取积分分离, 采取积分分离有时又会出现残差是何原因, 怎样避免？
答: 系统中加积分校正以后, 会产生积分饱和和过大超调量, 这对一些生产过程是绝对不许可, 引进积分分离算法, 既保持了积分作用, 又减小了超调量, 使得控制性能有了较大改善。积分分离算法要设置积分分离阀Eo,
当│e(k)│≤│Eo│时, 也即偏差值│e(k)│比较小时, 采取PID控制, 可确保系统控制精度。
当│e(k)│>│Eo│,即偏差较大时采取PD控制, 可使超调量大幅度降低。
6、 数字PID控制为何采取抗积分饱和？怎样预防积分饱和？
答: 当控制量达成饱和后, 闭环系统相当于被断开, 积分器输出可能达成非常大数值。
当控制量进入饱和区后, 只实施消弱积分项累加, 而不进行增大积分项累加。抗积分饱和算法抗积分饱和依据是抗积分饱和算法系统最终控制输出u(k)。
7、 实际微分PID控制算法与理想微分PID控制算法相比有何优点？ 为何？
答: 理想微分PID算法微分作用仅局限于一个采样周期有一个大幅度输出, 在实际使用时会产出两方面问题: 一是控制输出可能超出实施机构或D/A转换上下限; 二是实施机构响应速度可能跟不上, 无法在短时间内跟踪这种较大微分输出。这么在大干扰作用情况下, 首先会是算法中微分不能充足发挥作用, 其次也会对实施机构产生一个大冲击作用。相反, 不完全微分PID算法因为惯性滤波存在, 是微分作用可连续多个采样周期, 有效避免了上述问题上述问题产生, 所以含有愈加好控制性能。
8、 数字PID控制算法偏差微分和测量值微分区分在何处？
答: 当软开关DV/PV切向DV位置时, 则选择偏差微分方法; 当软开关DV/PV切向PV位置式则选择测量微分方法。
9、 数字PID控制器中输出保持和输出安全物理含义分别是什么？二者区分何在？
输出保持: 当软开关FH/NH切向NH位置时, 现时刻控制量u(k)等于前一时刻控制量u(k-1), 也就是说, 输出控制量保持不变。当软开关FH/NH切向FH位置时, 又恢复正常输出方法。软开关FH/NH状态通常来自系统安全报警开关。
安全输出: 当软开关FS/NS切向NS位置时, 现时刻控制量等于预置安全输出量MS。当软开关FS/NS切向FS位置时, 又恢复正常输出方法。软开关FS/NS状态通常来自系统安全报警开关。
13、 多变量控制系统解耦条件是什么？
答: 系统闭环传输矩阵Wb (s)为对角线矩阵。
14、 模糊控制器由哪几部分组成？各有何作用？P128
答: 模糊控制系统控制器是模糊控制器.
输入量模糊化接口、 数据库、 规则库、 推理机和输出解模糊接口5 个部分

第五章
1、 干扰信号起源可分为哪多个？
工业控制计算机系统外部干扰能够分为三类, 即电源干扰、 空间干扰、 设备干扰。
内部干扰关键是分布电容、 分布电感引发耦合感应、 电磁场辐射感应、 长线传输波反射、 多点接地造成电位差引发干扰, 寄生振荡引发干扰, 甚至元器件产生噪声干扰。
2、 干扰信号进入到计算机控制系统中关键耦合方法有哪多个？各有何特点？
答: 可分为四类: 静电耦合方法、 电磁耦合方法、 共阻抗耦合方法、 电磁场辐射耦合方法。
⑴静电耦合方法: 当两根导线平行放置一定距离时, 该两根导线之间电容就组成了它们相互间电容性耦合。其作用机理是一根导线在另一根导线静电场中时, 肯定受到该电场影响。
⑵电磁耦合方法: 在设备内部, 线圈或变压器漏磁就是一个很大 干扰源; 在设备外部, 当两根导线在较长距离内敷设或架设时, 将会产生电磁干扰。
⑶共阻抗耦合方法: 当两个电路电流经一个公阻抗时, 一个电路在 该阻抗上所产生电压降会影响到另一个电路, 该种耦合方法称为公共阻抗耦合方法。
⑷电磁场辐射耦合方法:电磁场辐射干扰是一个无规则干扰, 它极 易经过电源而耦合到系统中。另外, 过长信号输入线和输出线以及控制线含有天线效应, 它们既能接收干扰波, 又能辐射干扰波。
3、 简述空间干扰方法？
答: 关键采取方法有:
①空间隔离: 使敏感设备或信号线远离干扰源（如大型动力设备及大变压器等）
②屏蔽: 对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层。
③电气布线: 合理地选择信号线, 并在实际施工中正确地敷设信号线来抑制干扰。
6、 什么是系统可靠性, 提升计算机控制系统可靠性有哪些关键路径？
答: 可靠性指机器、 零件或系统, 在要求工作条件下, 在要求时间内含有正常工作性能能力。
提升计算机系统硬件可靠性方法有: 冗余结构设计, 不易发生故障硬件设计。
提升计算机控制系软件可靠性方法有: 分散结构设计, 容错技术, 指令冗余, 信息冗余, 标准化。

第六章
1.工业企业网络控制结构是怎样划分？
按网络层次结构, 将企业网络系统划分为三层: 底层控制网、 企业内部网络、 互联网;
按网络功效结构, 将工业网络划分为3层: 企业资源计划层、 制造实施系统层、 现场总线控制系统层。
2、 什么是工业网络？工业网络有哪几部分组成？
工业网络是在一个企业范围内将信号检测数据传输、 处理存放、 计算、 控制等设备或系统连接在一起, 以实现企业内部资源共享, 信息管理、 过程控制、 经营决议并能够访问企业外部资源和提供限制性外部访问, 是企业生产管理和经营能够高效率协调运作, 从而实现企业集成管理和控制一个网络环境。
按网络层次结构, 将企业网络系统划分为三层: 底层控制网、 企业内部网络、 互联网;
按网络功效结构, 将工业网络划分为3层: 企业资源计划层、 制造实施系统层、 现场总线控制系统层。
3、 工业控制网络和IT计算机网络关键区分是什么？
工业控制网络中数据通信以引发物质或能量运动为最终目。
1）控制网络实时性 2）网络结构线状化 3）工业环境使用场所 其她特点P169
4、 现场总线定义是什么？
现场总线是一个用于底层工业控制和测量设备之间连接数字式、 串行、 多点通信数据总线。
5、 现场总线在工业网络中处于什么位置？它关键作用？
现场总线属于工业网络中控制网络范围, 在工业网络功效层次结构中处于底层位置, 所以它是组成整个工业网络基础。 关键作用: 进行过程数据采集, 进行直接数据控制, 进行设备和系统监测和诊疗, 实施安全性和冗余方面方法。
6、 简述现场总线结构特点和技术特点 P194
结构特点: 采取简化OSI参考模型, 第一层物理层提供机械、 电气功效和规程特征。第二层数据链路层, 是现场总线关键, 定义了一系列服务于应用层功效和向下与物理层接口, 提供了介质存取控制和信息传输差错检测功效。
第三层应用层, 第四层用户层。
技术特点: 1）实时性 2）互操作性 3）交换性 4）开放性 5）现场设备智能化与功效自治性 6）经济性 7）安全性 8）可靠性

第九章
1、 简述计算机控制系统设计标准和通常步骤。
标准: （1）满足工艺要求 （2）安全可靠 （3）操作、 维护与维修方便 （4）实时性强 （5）通用性好 （6）经济效益高
步骤: （1）计算机控制系统总体方案设计
（2）硬件工程设计与实现
（3）软件工程设计与实现
（4）控制系统调试与运行
2、 简述计算机控制总体设计方案关键内容。
答: 生产工艺和现场环境调研、 硬件总体方案设计、 软件总体方案设计、 系统总体方案