计算机控制习题答案
第二章习题
2.1 方波序列)(t m T 如图P2.1所示，其表示式为：
[])()(1
)(ττ----=
∑∞
-∞
=kT
t u kT t u t m k T
其中)(t u 为单位阶跃函数，T 为方波序列周期，τ为方波宽度。
图P2.1
0 τ T 2T
m T (t )τ
1
t
（1）若将)(t m T 表示成富氏级数∑
∞
-∞
==
n t
jn n T s e
C t m ω)(，试求C n ，式中T s /2πω=为方
波序列角频率；
dt e
t u T C t
jnw T
T T n s --?
=
22)(1，在]2
,2[T
T -
中，仅],0[τ上，τ1)(=t u ，故
)1(111
)(10
2
2
τ
τ
τ
τττs s s s jnw s o
t jnw s t
jnw t
jnw T
T T n e
T
jnw e
T
jnw dt e
T
dt e
t u T
C ------=
-
==
=
?
?
当0→τ时，
)1(1
lim
1)1(1lim
lim 0
τ
ττ
τττ
τs s jnw s jnw s e
T
jnw e
T
jnw Cn -→-→→-=
-=
T
e
T
e j n w T j n w e
T j n w s s s j n w j n w s
s
j n w s
1lim 1lim 1
)1(lim
10
=
=
=
'
'
-=
-→-→-→τ
ττ
ττ
ττ
（2）若用连续信号f （t ）对方波序列m T （t ）
调制，即),()()(*t f t m t f T m =试求)(*t f m 的拉氏变换)(*
s F m ； ∑
∑∑∞
-∞
=∞
-∞
=∞-∞
=-
=====n n s n
t
jnw n n t
jnw n
T m
jnw s F C e
t f L C e
C
t f L t f t m L t f L s F s s )
(])([
])
([)]()([)]([)(*
*
当0→τ时, T
C n 1→,∑∞
-∞
=-
=n s m jnw s F T
s F )(1
)(*
（3）若f （t ）为有限带宽，最高角频率为m ω，m T (t ) 频率为s ω≥m ω2，试回答用理想低通滤波器
能否由)(*
t f m
精确恢复信号f （t ）？ 由于载波信号不是理想脉冲信号，而是有一定宽度的方波序列，但f(t)是有限带宽信号，而且
,2m s w w ≥故能精确恢复。当0→τ时，可以认为是理想脉冲信号，而此时保证有,2m s w w ≥，故
可以精确恢复。
（4）当0→τ时，试重新回答（1）、（2）、（3）。 见上面各小题中的相关内容。
2.2 已知信号由有用信号)(t f s 和噪声)(t n 混合而成，即)()()(t n t f t f s +=，其相应频谱为
)()()(ωωωN F F s +=，如图P2.2所示。
图P 2.2 ω1>2ωm
21
试回答能否用理想采样和理想低通滤波器单独完整取得)(ωs F ？如何选取采样频率s ω？
首先需要,2m s w w ≥保证)(*jw F 相邻频谱不重叠；其次需要)(*jw F 与)(*jw N 相邻频谱不重叠，即需要m s m s w w w w w w +>?>-22；又由于m m m s w w w w w w 312>+>+>,故条件为
m s w w w +>2
2.3 已知连续系统开环传递函数为)
160040)(4()
5()(2
++++=s s s s K s G ，若进行计算机控制，试确定采
样周期上限值。
)
)320()20)((14
1(
4)
5()
160040)(4()
5()(2
2
2
++++=++++=
s s s K s s s s K s G ,
则有30
33
2022,20
1,4
11
111πππτ=
=
=
=
=
w t T ,
故40
1
)303,201,41(21min
min ==πT 80121min ==T T
2.4 设连续系统的开环传递函数为10,2)(2
2
2
<<++=
ξω
ξωωn
n n
s s
s W 若用计算机控制，取系统阶
跃响应上升时间的
3
1为采样周期T ，试求T 与n ωξ,的关系。
2
2
2
2)(n
n n
w s w s
w s W ++=
ξ,在10<<ξ时是二阶有阻尼系统，其单位阶跃响应为
)sin(111)(1)()(2
θξ
ξ+--
=??
=-t w e
t y s
s W s Y d t
w n ,其中n d w w 21ξ-=，这是一个衰
减的正弦震荡。上升时间r t 为响应第一次到稳态值的时间，即此时有πθ=+r d t w ，又ξθa r c o s =。
所以n
d
r w w t 2
1arccos ξξπθπ--=
-=
，故n
r w t T 2
13arccos 3
1ξξπ--=
=
2.5 求下列函数的采样信号的拉氏变换)(*
s F m 。
（1）t e t f T t ,)()2(--=≥0；
0,)()
2(≥=--t e
t f T t ，故Ts
T
Ts n nTs
nT
Ts
n nTs
e
e e
e
e
e
e
nT f s F ---∞
=---∞
=-*
-=
==
∑∑
1)()(20
20
（2）t T t u t f ),()(-=≥0，)(t u 为单位阶跃函数。
0),()(≥-=t T t u t f ，0)(1)(=-=-≥T t u T t u T t ，否则时，，则有
Ts
Ts n nTs
Ts
n nTs
n nTs
n nTs
e
e
e
e
e
T nT
u e
T nT
u e
nT f s F --∞
=--∞
=-∞
=-∞
=-*
-=
=-=
-=
=
∑∑∑∑
1)()()()(0
1
2.6 求下列函数的Z 变换，并表示成闭合形式。
（1）t T t u e t f T t ),2()()2(-=--≥0，)(t u 为单位阶跃函数；
1
20
2
2
)
2(1)]([)]2([)]([---∞
=--------=
==-=∑z
e
z z
e
z
t u e Z z T t u e Z t f Z T
n n
nT
t
T t
（2）k a k f k ,)(=≥0整数；
1
11)]([-∞
=--=
=
∑az
z
a
t f Z n n
n
（3）t t t f ,)(=≥0；
)]([][)]([t tu Z t Z t f Z ==，由Z 变换的复域微分定理得到，
2
1
)
1()11
(
)]([)()]([][)]([-=--=-=-===-z Tz z
dz d
Tz
t u Z dz
d Tz z U dz
d Tz t tu Z t Z t f Z
（4）t a t e t f at ,0,sin )(>=-ω≥0；
]
sin [)]([wt e
Z t f Z at
-=
∑
∑
∑∑
∞
=∞
=--∞=---∞=--
=
-=
=
=0
][212)sin(][sin )]([n n n
iwnT
n n
iwnT
n
iwnT
iwnT
n n
z
e
z
e
i
z
i
e e
z
wTn wt Z t f Z
1
)cos(2)sin(][
21
2
+-=
--
-=
-wT z z wT z e
z z e
z z
i iwT
iwT
由复位移定理，1
)cos(2)
sin(]sin [2
2+-=
-wT z e z e
wT z e
wt e
Z aT
aT
aT
at
（5）t e t f at ωcos )(-=，a >0；
同（4）的解法，由于1
)cos(2))cos((][cos )]([2
+--=
=wT z z wT z z wt Z t f Z ，
故1
)cos(2))
cos((]cos [2
2+--=
-wT z e z e
wT z e
z e wt e
Z aT
aT
aT
aT
at
（6）t t t f ,)(2=≥0。 类似于（3）得到
3
2
2
2
)
1()1(])
1([
][][)]([-+=
--=-==z z z T z Tz
dz d
Tz
t Z dz
d Tz
t Z t f Z
2.7 求下列拉氏变换象函数的Z 变换。 （1）)
1()(1+=
-s T ke
s G Ts
；
)
(1]11[
]1
1[
]
[)]([)(1
1
11
1
1
1
1
1
1T T
T T
e
z Ts
e
z T k
z
e
z T k T s Z z T k s T Z ke
s F Z z F Ts
-----=--=
-=
+
=
+==
（2）s
e
s T k s G Ts
--+=
?
1)
1()(1；
])
1(1[
)1(])
1(1[
)]
1([)]([)(1
1
1
1T s s Z z
T k s T s Z e
k s F Z z F Ts
e
z Ts
+
-=
+-==-=-
而)
1)(1()1(]11
11[
]111[
])
1(1[
1
1
1
11
1
11
11
1
1
1
-----------=---=+
-
=+
z
e
z
e z T z
e
z
T T s s
Z T T s s Z T T
T T
T T
故1
1
1
1
11)
1(])
1(1[
)1()(1
1
1
1
1
T T
T T
T T
T T
e
z e
k
z
e e
z
k
T s s Z z
T k z F ---------=--=+
-=
（3）)
()(2a s s ke
s G Ts
+=
-；
]11[
])
(1[
])
(1[
]
[)]([)(2
2
2a
s s
Z z
a
k a s s Z kz
a s s Z ke
s F Z z F Ts
e
z Ts
+-
=
+=+==--=-
)
)(1()
1()
1)(1()1(]1111[
1
1
31
1
2
aT
aT
aT
aT
aT
e
z z az e
k z
e
z e
z
a k z
e
z
z
a
k --------------=
---=--
-=
（4）)
3(1)(2
++=
s s s s G ；
i
p pt
p pT
z
e p p p i p z
e
p p p p s F Z z F 31
2
1
2
]
11
)3(1
)
3[(]11
)3(1)
0[()]([)(=-=--++-+-++-==1
31
31
31
2
11
6
3111
6
3111
31]11
)3(1
)
3[(--
---=----
-+-
-=
-++++z
e
i z
e
i z
z
e p p p i p it
it
i
p pt
（5）)
1()(2
++=s s s k s G 。
2
311
2
1
2
]
11
)1(1)
2
31[(]11
)1(1)
0[()]([)(i
p pt
p pT
z
e p p
p i
p z
e p p
p p k s F Z z F +
-=
-=--+++
--
+-++-==2
311
2
]
11
)1(1
)
2
31[(i
p pt
z
e p p p i
p -
-=
--++-
--
+ ]11
6
3311
6
3311[
1
2
311
2311
----+
---+-
---
-=z
e i
z e i z
k t
i t
i
2.8 求下列Z 变换函数F (z )所对应的时间序列初值和终值。
（1）1
)(+=
z z z F ；
11lim
)(lim )0(=+==∞
→∞
→z z z F f z z ， 1
11
)1(1
)
1(1
+-=+-=
+--z z z z z
z z z z
，单位圆上有极点，无终值
（2）5
.05.1)(2
+-=
z z
z
z F ；
05.05.11lim
5
.05.1lim
)(lim )0(2
=+-=+-==∞
→∞
→∞
→z z z z z
z F f z z z 25
.01lim
)
1)(5.0()1(lim
5
.05.1)
1(lim )(lim 1
1
2
1
1
=-=---=+--=→→-→∞
→z z z z
z
z z z
z
z
kt f z z z k
（3）)
)(1()(a z z z z F +-=
；
0)
1)(1(1
lim
))(1(lim
)(lim )0(=+-=+-==∞
→∞
→∞
→z
a z a z z z
z F f z z z
a
z a z z z z
z a z z z z
+=
+--=
+---1)
)(1()1()
)(1()
1(1
，则
当a
a
z kt f a z k +=
+=<→∞
→111lim
)(lim ,11
,否则无终值
（4）2
1
1
1
5.215.1211)(----+--
-=
z
z
z z
z F 。
1
)5.25.10
11(
lim )5.215.1211(
lim )(lim )0(1
2
1
1
1
=+--
-=+--
-==-∞
→----∞
→∞
→z z z
z
z z
z F f z z z
))
5.0)(2(5.12
()1(lim
)5.215.1211)(1(lim )(lim 1
2
1
1
1
1
1
---
--=+--
--=→-----→∞
→z z z z z z
z z
z
z z
z
kt f z z k
05
.01lim
)
5.0)(2(21lim
1
2
1
=--=----=→→z z z z z z z
z z z
2.9 求下列Z 变化函数F (z )的对应时间序列f (k )。 （1）1
23
)(1
2
1
+--=
---z z
z z F （用长除法）；
3
2
1
5
4
3
4
3
4
3
2
3
2
3
2
1
2
1
2
1
12
1
97539189797147)575105)35363)321----------------------------+-+--+--+--+--+--+--+-+-z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z z
z
z
z
z z z z
z
z z
z
故有 -----=---3
2
1
9753)(z z z
z F 则},9,7,5,3{)}({ ----=k f
（2）)
)(1()
1()(T
T
e
z z e
z z F -----=
；
1
1
1111)11
1(
)
)(1()
1()(--------
-=
--
-=---=
z
e
z
e
z z z e z z e z z F T
T
T
T
故kT
t
e
kT u k f e
t u t f s s s F ---=-=+-
=)()(,)()(,1
11)(
（3）9
.0)(+=
z z z F ；
9
.0)(+=
z z
z F ，故k
z z Z k f )9.0(])
9.0([
)(1
-=--=-
（4）)
1)(1()1()(2
+--+=
z z z z z z F ；
)
231)(2
31)(1()1()
1)(1()1()(2
i z i
z z z z z z z z z z F --
+-
-+=
+--+=
，故
2
311
2
311
1
2
1
])
2
31)(1()1([
])
2
31)(1()1([
]
1
)1([
)(i
z k i
z k z k i
z z z z z i
z z z z z z z z
z z k f -=
-+=
-=-+-
-++--
-+++-+=
3
cos
22)
2
31(
)2
31(
12πk i
i
k
k
k
-=--+-?=
（5）2
2
2
cos 2)(r
z b r z z
z F +?-=
。
))
sin (cos ))(sin (cos (cos 2)(2
2
2
2
b i b r z b i b r z z
r
z b r z z
z F --+-=
+?-=
，
)
sin (cos 1
2
)
sin (cos 1
2
]
)
sin (cos [
]
)
sin (cos [
)(b i b r z k b i b r z k b i b r z z
z b i b r z z
z k f +=--=---++-=
b
i b i b b i b r b
ri b i b r
b
ri b i b r
k k k
k k k k sin 2]
)
sin (cos )
sin [(cos sin 2)sin (cos sin 2)sin (cos 1
1
1
1
1
1
++++++--+=
++
--
=
b
b k r
k
s i n )1s i n (+=
2.10 求下列函数F (s )的修正Z 变换。 （1）)
1(1)(+=
s s s F ；
T
mT
T
mT
e
z e
z z
e
z
e
z
z
m z F s s
s s s F ----------
-=
--
-=
+-
=
+=
1
111),(,1
11)
1(1)(1
1
1
1故
（2）a
s e
s F T
+-=
-21)(。【【题目有错】】
若a
s e
s F Ts
+-=
-21)(，则
)
()1(1)
1(]1)[
,()
1(),(2
2
1
1
2
2T
mT T
mT
e
z Ts
e
z z e z z
e
z
e z
a
s m z F e
m z F Ts
-------=---=
--=+-=
若a
s e
s F T
+-=
-21)(，则
T
mT
T
T
mT
T
T
e
z e
e
z
e
z
e
e
a
s m z F e
m z F -----------=
--=+-=)1(1)
1(]1)[
,()1(),(21
1
22
2.11 求下列函数F (s )的Z 变换。 （1）)
1()(3.0+=
-s s e
s F Ts
；
)
1()(3.0+=
-s s e
s F Ts
，
故7
.03
.013.0]
1
11[
]
)
1(1[
])
1(1[
)]([)(=-=-+-
=+=+==m m m m Ts
s s
Z s s Z e
s s Z s F Z z F
T
T
m T
mT
e
z e
z z
e
z
e
z
z
--=--------
-=
--
-=7.07
.01
1
1
11
1]
11[
（2）)
2)(1()(6.0++=
-s s se
s F Ts
。
)
2)(1()(6.0++=
-s s se
s F Ts
故6
.016.0]
)
2)(1([
])2)(1([
)]([)(-=-++=++==m m Ts
s s s Z e
s s s Z s F Z z F
T
T
T
T p pT
mpT
p pT
mpT
e
z e
e
z e
e
z e
p p
e
z e
p p 28.04.02
1
2]12[
-----=-=-+
--=
-++
-+=
第三章习题
3.1 分别用递推法和Z 变化法求解下列差分方程，并求差分方程相应的Z 传递函数。 （1）)1(1.0)()2(2.0)1(9.0)(-+=-+-+k r k r k y k y k y ， 已知k k y ,0)(=≤k k r ,
1)(,0=≥0；
递推法如下：
;1.1)1()0(1.0)1()1(2.0)0(9.0)1(,1=?+=-++=y r r y y y k
;11.0)2(1.1)1(9.0)2()1(1.0)2()0(2.0)1(9.0)2(,2=?=+?+=++=y y y r r y y y k
;
781.0)3(1.1)1(2.0)2(9.0)3()2(1.0)3()1(2.0)2(9.0)3(,3=?=++?+=++=y y y y r r y y y k Z 变换法如下：
由于k 必须从1开始算式才有意义，所以令m ＋1＝k ，则m 从0开始 ),(1.0)1()1(2.0)(9.0)1(m r m r m y m y m y ++=-+++?
),(1.0)]0()([)(2.0)(9.0)]0()([1
z R zr z zR z Y z z Y zy z zY +-=++-?-
)0(,1)0(,1
11)()(1
==-=
-=
=
=
-∞
=-∞
=-∑
∑
y r z z z
z
z
k r z R n n
n n
又
1
1.11
)
1.0()0()()1.0()(
2.0)(9.0)(1
-=
--+=-+=++?-z z z z z z zr z R z z Y z z Y z zY
)
4.0)(
5.0)(1(1.1)(2
++-=
?z z z z
z Y ，
得到3个极点，有公因子z ，所以用反演积分法求得
5
.01
4
.01
1
1
)
4.0)(1(1.1)
5.0)(1(1.1)
4.0)(
5.0(1.1)(-=+-=+=++-+
+-+
++=z k z k z k z z z
z z z
z z z
k y
1
1
1
)
5.0(3
22)
4.0(7
55121
11+++-?+
-?-
?=k k k
（2）)()(2)1(3)2(k r k y k y k y =++++， 已知0,0)(,1)0(,1)1(,1)0(≠==-==k k r r y y 。
递推法如下：
2)2(112)1(3)2()0()0(2)1(3)2(,0=?=?+-+?=++=y y r y y y k ;4)3(0)1(2)2(3)3()1()1(2)2(3)3(,1-=?=-++?=++=y y y r y y y k ;8)4(0)2(2)4(3)4()2()2(2)3(3)4(,2=?=+-+?=++=y y r y y y k
Z 变换法如下：
z
z z R z Y z z z R z Y zy z zY zy y z z Y z 2)()()23()()(2)]0()([3)]1()0()([2
2
2
2
++=++?=+-+--
2
1)
2)(1()
1()(101)()(2
++=
+++=
?=+?==
∑
∞
=-z z z z z z Y z z
k r z R n n
又，
分子没有公因子z ，得到1个极点z=-2，用反演积分法求得
0,)
2()1()(1
2
1
>--=+=--=-k z
z k y k z k
3.2 求下列Z 传递函数对应的差分方程，并分别用直接实现法和嵌套实现法求其对应的状态空间表示式，同时绘出相应的状态信流图。 （1）2
.09.05.223)(2
2
+-+-=
z z z z z G ；
)()5.223()()2.09.0(2
.09.05.223)()
()(2
2
2
2
z X z z z Y z z z z z z z G z X z Y +-=+-?+-+-=
=
)(5.2)1(2)2(3)(2.0)1(9.0)2(k x k x k x k y k y k y ++-+=++-+?，初始条件为0
直接实现法：
2
1
21
2
1
212.09.019.17.032.09.015.223)(--------+-++
=+-+-=
z
z
z
z
z
z z
z
z W ，所以状态空间表示式如下：
[]??
???+=??
?
???+??????-=+)
(3)(9.17.0)()(01)(012.09.0)1(k u k X k y k u k X k X 嵌套实现法：
2
1
21
2
1
212.09.019.17.032.09.015.223)(--------+-++
=+-+-=
z
z
z
z
z
z z
z
z W ，所以状态空间表示式如下：
[]??
???+=??????+??????-=+)(3)(01)()(9.17.0)(02.019.0)1(k u k X k y k u k X k X （2）4
3
2
1
3
2
14522143)(-------+-+---+=
z
z
z
z
z
z
z z G 。
)
()43()()45221(4522143)()
()(3
2
1
4
3
2
1
4
32
1
3
2
1z X z
z
z
z Y z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z z G z X z Y --+=+-+-?+-+---+=
=--------------)3(3)2()1()(4)4(4)3(5)2(2)1(2)(---+-+-=-+---+--?k x k x k x k x k y k y k y k y k y
直接实现法：
4
3
2
1
4
32
1
4
3
2
1
3
2
14522116239744522143)(---------------+-+-+-+-+
-=+-+---+=
z
z
z z z z
z
z
z
z z
z
z
z
z z W
[]??
?
??????---=?
???
??
??????+??
???????
?
??--=+?)
(4)(162397
)()
(000
1)(01000010
000145
2
2)1(k u k X k y k u k X k X 嵌套实现法：
4
3
2
1
4
32
1
4
3
2
1
3
2
14522116239744522143)(---------------+-+-+-+-+
-=+-+---+=
z
z
z z z z
z
z
z
z
z
z
z
z
z z W
[]??
?
?
?????-=????
????????--+????????????--=+?)(4)(0001)()(162397)(0004100501020012)1(k u k X k y k u k X k X 3.3 已知离散系统的状态空间表示式为
??
?+=+=+)
()()()
()()1(k Dr k Cx k y k Br k Ax k x 其中0,]10[,01,0103==??
????=????
??-=D C B A 。
（1）求)(),(z Y z X 以及()r k 到)(k y 的Z 传递函数；
)
(011
03
)0(103)()()0()()(1
1
1
1z R z z zX z z z BU A zI zX A zI z X ??
?
?????
??
??-++??
??
??-+=-+-=---- )()3(1
31)0(13
103)(011)3(103
1)0(1)
3(103
1)(z R z z z X z z z z R z z z z zX z z z z z X ????
?
???????+++?
??
???????++=???
???????
?
???????
+++????
?????
???
++=? [])()3(1)0(13
1
)(10
)()()(z R z z X z z X z DU z CX z Y ++??
?
?
??+==+=
)3(1)()()()(00)0(0,)
()()(1
+=
-=??
????=
-z z B A zI C z U z Y z W X z U z Y z W ＝，＝，即当初始状态为
（2）当,]01[)0(,0)(T x k r ==求)(k y ；
310113
1
)()3(1)0(13
1
)(+=
??
?
???????
??+=++????
??+=z z z R z z X z z Y 1
3
1
)
3(3
)
3()(--=--=++=?k z k z z
z k y
（3）当,]00
[)0(),()(==x k u k r 求)(k y 。
)3)(1(11)3(1)]([)3(1)()3(1)0(13
1
)(+-=
-+=+=++??
?
?
??+=z z z z z z k u Z z z z R z z X z z Y 1
1
3
1
1
1
)
3(25.01
25.01
3
)(---=-=--?-?=-+
+=
?k k z k z k z z
z z
k y
3.4 已知离散系统的状态空间表示式为
?
?
?=+=+)()()()()1(k Cx k y k Bu k Ax k x 其中]10[,01,1101=??
?
???=????
??=C B A ；
已知1)2(,1)1(,1)2(,0)1(-====u u y y ，试求当k =3时的状态值)3(x 。
[][][][]???
??
?
?=+=??
????+++=??
?
???+??
????+??????????????????
=++==+=?
??
???+=??????===??
????==?=1
110)101)011101(1101
(10))1())0()0((()2(010)0(1101
10)0()1()0(,)0()0()()()(c a c a c a c b a Bu BU AX A C y b a b a a X CAX y c U b a X X CA k y k Cx k y k
得到
，令由状态方程：
?
?
?
???=??????++=??????+??????+=+=?+=+010)0()0()1()()()1(b a c a c b a a BU AX x k Bu k Ax k x 由状态方程：
??
?
???=-???????+???????+????????????????
??=++=?31)1(01)1010111
01
(11
01
)2())1()1(()3(Bu Bu Ax A x 3.5 图P3.5所示系统，其中)(s G h 为零阶保持器，)
2)(1()(++=
-s s e
s G Ts
。
y*(t )
图P3.5
（1）分别求 y (s )和y (z )；
)
2)(1(1)
()()()()(++-==--*
*
s s e
s
e
s R s G s G s R s y Ts
Ts
h
)(])2)(1(1
[
)()1(])2)(1(1)
([)(s R s s s e
e
s s e
s
e
s R s Y Ts
Ts
Ts
Ts
*
**
-*-*--*
*++-=++-=?
)
(]2
1
211
1121[))(1()(])2)(1(1
[))(1()(1
1
1
1
z R s s s
Z z
z
z R s s s Z z z z Y ++
+-
-=++-=?----
)(]11
211111
21
)[)(1()(1
21
1
1
1z R z
e
z
e
z z
z
z Y T
T
--------+--
--=?
（2）当)()(k u k r =（单位阶跃序列），求)(k y 。
1
11
)(),()(--=
=z
z R k u k r 当
T
T
T
T
e
z e
z z z
z
e
z
e z z z
z Y 21
1
21
1
1
1
1
2111
1
2111]
11
211111
21
)[
)(1()(-----------+
--
-=
--+
--
--= T
k T
k k e
e
k y )1(2)1(12
11
2
1)(-----?+-?=?
3.6 试求图P3.6所示系统的y (s )和y (z )。
y (z )
图P3.6
)()()()()()()()()(*
*134*124s R s G s G s G s R s G s G s G s Y += )()()]()([)()]()()([)(*
1
**
34*
*
124*
s R s G
s G s G s R s G s G s G s Y +=
)()())()()(13
4124z R z G z G G z R z G G G z Y （+= 3.7 已知连续被控对象的状态空间表示式为
?
?
?=+=)()()
()()(t Cx t y t Gr t Fx t x 其中，]10[,10,3210=??
?
???=????
??--=C G F ，若用计算机控制并用零阶保持器恢复控制信号r (t )，试
求该被控对象的等效离散化状态空间表示式，及其Z 传递函数G (z )。
?
?
?=+=+)()()
()()1(k CX k y k Bu k AX k X 式为等效离散状态空间表达
[]?
=?=
-==--T
C G dt e
B F sI L e
A FT
FT
1
1
10,],][[其中有：
]
)2)(1()
2)(1(2)2)(1(1
)2)(1(3[]32
1[]][[1
1
111?????
?
???
???
++++-+++++=??
?
?
??
+-=-==-----s s s s s s s s s s L s s L F sI L e
A FT
??
????+-+---=??
??
?
?????+--
+-+--
+-+-
++-+=---------T
T
T T T T T
T e
e
e e e
e e e s s s s s s s s L 22221
2222]2211221221
11
2
112
[
?
?
?
??
?
???+--=??
???????????+-+---=
?=
------------T
T T T T T
T
T
T T T T T T T
dt e
e e e dt e
e
e
e e
e e e G dt e
B FT
220
22220
2102222 ???
?
????-+-=????
??????-+-=--------T
T T T
T
T T T T T
e e e e
e e e e 22020
2212121 []???
????
=?
??
?
???
?-+-+??????+-+---=+?------------)
(10)()
(2121)(2222)1(222222k X k y k u e e e e k X e e e e e
e
e e k X T T T T
T T T T T
T
T
T []]
10)2)(1()
2)(1(2)2)(1(1
)2)(1(310
1[
)1(])(1[
)]([)(1
1???
?????????
??
?
???
++++-+++++-=--==---s s s s s s s s s s s
Z z
G F sI C s e
Z s G Z z G Ts
]1111)[
1(]2
11
1[)1(])
2)(1(1
[
)1(1
21
1
1
1---------
--=+-
+-=++-=z
e
z
e
z s s Z z
s s Z z T
T
)
)(())(1(][1222T
T
T T
T
T
e
z e
z e
e z e
z z e
z z z
z ----------=
----=
3.8 试求图P3.8(a)和图P3.8 (b)所示计算机控制系统的闭环传递函数W (z )。
(a)
(b)
图P3.8
（1）))()()(()(*
3*2
s E s E s G s Y += ?????-=?-==?==?=)
()()()()()()()()()()()()()()()()()(***11
*
*2*3*23*
1*1*2*112s R s Y s E s R s Y s E s R s D s E s R s D s E s E s D s E s E s D s E
)]()())()()(()[()]()()[()(*
*2***1**3*2**s R s D s R s Y s D s G s E s E s G s Y +-=+=
Z 变换：)
()(1)
()]()([)
()()(121z G z D z G z D z D z R z Y z w ++=
=
（2）)()()()()()(*
*
*
11s R s Y s E s R s Y s E -=?-=
))()()(()()()()()()(*
*
*
*
1*
1*
2*
112s R s Y s D s E s D s E s E s D s E -==?=
)
()]
()([1)]
()([)())()(()]()([)())()()(()()(*2
*
1**1*3
*
3*2*1*3*3*213s E s G s H s G s H s E s E s E s G s H s E s E s E s G s H s E +=
?-=?-=
))()(()]()([)())()()(()()(*
3*
2*
10*
*
3*
210s E s E s G s G s Y s E s E s G s G s Y -=?-=
)
()()(1)
()()
()()(01101z D z G G z H G z G G z D z R z Y z w ++=
=
第四章习题
4.1 设计算机控制系统结构如图所示。
K 值允许范围。
]11
11[)1(])
1(11[
)(2
1
s
s s
Z z k s s s
e
kZ z G Ts
+
++
-
-=+-=--开环传函：
)1111(])
1(1111)[1(1
11
1
2
1
11
1
1
------------+
--+
-=-+
-+
--
-=z
Tz
z
e z k z
Tz z
e
z z
k T
T
)
1)(()
1()1())1)(1()
1()1()1)(1((
1
1
1
1
2
1
1
1
---+-++-=
---+-+---=--------------z e
z Te
e
k z T e
k z z
e z
e
Tz
z
z z
e
k T
T
T
T
T
T
T
)
1()1()1)(()
1()1()
(1)()(T
T
T
T
T
T
T
Te
e
k z T e
k z e
z Te
e
k z T e
k z G z G z W --------+++-+---+-++-=
+=
闭环传函：
)1()1()1)(()(T
T
T
T
Te e
k z T e
k z e z z F -----+-++-+--=特征多项式：
T
T
T
T
T
e
kTe
k ke
z e
kT k ke z -----+-+---+-+)1(2
＝
T
T
T
T
T
T
T
kTe
kT w e
kTe
k ke w kTe
e kT k ke w
w z --------+-+-++-+-+-?-+=
)1(2)2222(112
带入将
计算Routh 阵列：
2222222221
2
T
T
T
T
T
T
T
T
kTe
kT kTe
kT e
kTe k ke kTe e
kT k ke w w -----------+-+-+-+-
??
???>-?>-->+-?>-+-++<-++?>-+-+-?--------------0)1(01
)1(02222222)22(02222k e T kTe kT e k Te e e kTe k ke e k Te e T kTe e kT k ke T T T
T T T T T T T T T T T (1) T ＝0.1s 时
???
????>?>-≈--->?+<-+?-------恒成立恒成立
00)1(1.034.201.1111)11.1(0)1(2)21.21.0(1
.01
.01.01
.01.01.01.0k k e e e k e k e k e k e 34.200<
(2) T ＝1s 时
??
??
?????>?>-≈---≈-+
312)1(2)13(1
1
1
1
11
1
1
1k k e e e k e k e e e k e k e 39.20<
4.2 试确定下列关于Z 的特征方程的根相对于Z 平面上单位圆的分布。 （1）0
5.025.123=+--z z z （2）0122234=+-+-z z z z （3）01.03523=+++z z z （4）07.07.17.123=-+-z z z （2）特征多项式：122)(2
3
4
+-+-=z z z z z F Raibel 阵列
1
2121
3
4--z z
i
i
z z i 代替以)1(ε+有1)1(2)21()31(2)41()(2
34++-+++-+=z z z z z F εεεε
对应的Raibel 阵列为
ε
ε
ε
ε
εεε
εεε
εεεε283
403162106441281
)1(221)31(2410
1
2
34
------+-++-+z z z
z z
当0>ε时，1,3==+
+
N p n n ；当0<ε时，3,1==-
-N p n n
单位圆内根数目1=-p n ，单位圆外根数目1=+
N n ，单位圆上根数目213=-=--
+p p n n
（4）特征多项式：7.07.17.1)(23-+-=z z z z F Raibel 阵列 0
51
.089.251.07
.07.17.111
2
3--z
z z
i
i
z z i 代替以)1(ε+有7.0)1(7.1)21(7.1)31()(2
3-+++-+=z z z z F εεε
对应的Raibel 阵列为 ε
ε
εε
εε
εεε2.151
.081.061.142.451.031.751.0651.07
.0)1(7.1)21(7.1310
12
3
?-+--+-++-+均z
z z z
当0>ε时，0,3==++
N p n n ；当0<ε时，2,1==-
-N p n n
单位圆内根数目1=-p n ，单位圆外根数目0=+
N n ，单位圆上根数目213=-=--
+p p n n
4.3 下列G (z )是计算机单位反馈控制系统的开环Z 传递函数，试求保证闭环系统稳定的其中参数K 值允许范围。 （1）1
)
15.1()(32
--+=
z z z K z G ；（2）)
5.0)(1()
5.0()(2
+--=
z z z z K z G 。
(2) )
5.0)(1()
5.0()(2
+--=
z z z z K z G
闭环传递函数为2
2
)
5.0()5.0)(1()
5.0()(-++--=
z K z z z z K z W
得到特征多项式为：K z K z K z z F 25.0)5.0()5.0()(2
3
++--+= 由M-S-C 判据，得到
???
??
??=<+++-+--=-->?>++--+=?1,0,1940)25.0)5.0()5.0(1()1()1(0025.0)5.0()5.0(1)1()
3()2()1(3
j K K K K F K K K K F j α
对于(3)，0
0)
1()
1(0
)1(21)
(0
)
(0
0,,25.01
25.0a a a a a a a a a a K K a a i
n n i i
j j j n j
n ---=
=
?=
==
=
又αα
α
2
18
74
11
)
5.0(25.0)5.0(12
1
320)
1(2
--
-
=----?=
-=
?K K
K K K a a a a a a
2
2
12
2
2
3
2
0)
1(0
16
11218
74
1,16
111
625.01K
K K K K
a a a a -
-
--
=
-
=-=
-=
?α故
589
75
89
71,4110+
-<<-
-?
<
综合上述三个式子的结果得到：9
4
0<
4.4 已知离散系统的状态方程为)()1(k Ax k x =+， 其中（1）???? ??-=4.18.410A ；（2）?? ? ???--=5.000 5 .1A ，试用李亚普诺夫稳定性判据分别判断系统在（1）和（2）两种情况下的稳定性。 （2） ???? ??--==+5.00 5 .1),()1(A k Ax k x ，由I Q Q P PA A T =-=-取, ?? ????--=??????-??????--?????????? ??--?1001 5.0005 .15.0005 .12221 12112221 1211p p p p p p p p ???? ????? ?-??? ?? ??--=???? ??---340054 10 01 75.025.025.025.122211211 阵为P p p p p P 负定，则0=e X 在其领域Ω内是不稳定的。 4.5 已知计算机控制系统框图如图P4.5所示， 图P4.5 （1）当D （z ）=1求该系统稳态误差系数Kp ，Kv ，Ka ，并按下列输入求系统稳态误差。 （i ）1)(=t r （ii ）t t r 21)(+= （2）当15.05.1)(--=z z D ，重复（1）的要求。 （1） ? ? ? ???----=??????+?-=-------11 111)1(110)1(101)(z e z e z Tz s s s e Z z G T T Ts T=0.2秒 ? ?????---=----11 11819.01181.012.010)(z z z z z G )()()()(0z G z G z D z W == ∞==→)(lim 01 z w K z p 2)()1(lim 01 1 =-=-→z w z K z v 0)()1(lim 02 1 1 =-=-→z w z K z a （i ）1)(=t r 单位阶跃 0)(,011==?=+=∞∞p p p e t e K e （ii ）t t r 21)(+= 2 .0)(1 .0,011=?== =+=∞∞t e K T e K e v v p p (2) 1 5.05.1)(--=z z D 时 令??????++-+??-=????? ?+?-=--111110)1()1(101)(21 s s s Z z s s s e Z z G Ts )1)1(1( 10)1111) 1()( 1(101 1 1 11 1 2 1 11 --------------- -=-+ -- --=z e z e z Tz z e z z Tz z T T T )2.0)(1)1(1( 10)5.05.1()()()(1 1 1 11 0=--- --==-------T z e z e z Tz z z G z D z W T T 0)()1(lim ,2)()1(lim ,)(lim 02 1 1 01 1 01 =-==-=∞==-→-→→z W z K z W z K z W K z a z v z p (1) 1 11)(,1)(--==z z R t r 则，单位阶跃 稳态误差为：011=+= p K e (2) 2 1 11 ) 1(211)(,21)(----+ -= +=z Tz z z R t t r 则 稳态误差为：2.02 11)) 1(211 ( )(11 ) 1(lim 2 1 11 01 1 =++= -+ -+-=----→v p z K T K z Tz z z W z e 4.6 设稳定离散系统Z 传递函数为H (z )，输入信号为k T k k u ,cos )(ω=≥0整数，T 为采样周期，试证明系统稳态输出序列为：)cos()(θω+=T k M k y ，其中)(,)(T j T j e H e H M ωωθ∠==。 证明： )(21cos jkwT jkwT e e kwt -+= 令)(21cos ,k k jwT jwT kwT e e αα αα-= ?==- ][21 ][cos α α ---= z z z z kTw Z } ) (2 1) (2 1{ ]}[cos )({)(] [cos )()(1 1α α -- -===--z z z H z z z H z kTw Z z H z kT y kTw Z z H z Y α α k k Pi z k e A Ae z z Y s k y +===-∑] )([Re )(1 )(2 1),(2 1ααH A H A == ) cos()(2 1,2 1)()(θαθθ θ +=?= = ?∠=∠=-kwT M k y Me A Me A H e H j j jwT 4.7 已知计算机控制系统框图如图P4.7所示。 图P4.7 试求如下（1）、（2）、（3）三种情况下的该系统闭环Z 传递函数和输出单位阶跃响应序列。 （1）1 85.0)(,25 .0)(4.0--= += -z z z D s e s G Ts , T =1秒 专业： 年级： 学区： 姓名： 学号： 考试日期： 装 订 线 计算机控制技术 试卷B 题 号 一 二 三 四 五 总 分 评卷人 复核人 分数 一、填空题（每空2分，共10空，总共 20 分）。 1．常用的AD 转换方法有： 计数法 、 双积分法 ， 逐次逼近法 。 2. 常用的AD 转换的启动信号有 脉冲方式 和 电平方式 方式。 3. 8051单片机IO 接口编码方式为 统一编址 ，INTEL8088的IO 编码方式为 独立编址。 4. I/O 通道的干扰类型包括： 串模干扰 和 共模干扰 。 5. 大林算法的设计原则是 以大林算法为模型的数字控制器，使闭环系统的特性为时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同 。 二、选择题（每小题 2 分，共10题，总共20 分）。 1.防止抖动是能否正确读取键值的必要环节，实现方法是（ A ）。 A ．可以用硬件电路或软件程序实现 B ．只能用滤波电路或双稳态电路实现 C ．只能用软件程序实现 D ．只能用延时程序实现 2. LCD 显示的关键技术是解决驱动问题，正确的作法是（ D ）。 A ．采用固定的交流电压驱动 B ．采用直流电压驱动 C ．采用交变电压驱动 D ．采用固定的交变电压驱动 3. 小功率直流电机控制控制系统中，正确的作法是（ B ） A ．改变定子上的通电极性，以便改变电机的转向 B ．改变转子上的通电极性，以便改变电机的转向 C ．在定子上通以交流电，电机可周期性变换转向 D ．在转子上通以交流电，电机可周期性变换转向 4.在实际应用中，PID 调节可根据实际情况调整结构，但不能（ D ）。 A ．采用增量型PID 调节 B ．采用带死区的PID 调节 C ．采用PI 调节 D ．采用I D 调节 5. 若用4位共阳极LED 和74LS04构成光报警系统，使最高位发光其余位不发光的报警模型是（ A ）。 A ．1000 B B ．0001B C ．1111B D ．0000B 6. 关于ADC0809中EOC 信号的描述，不正确的说法是（ D ）。 A. EOC 呈高电平，说明转换已经结束 B. EOC 呈高电平，可以向CPU 申请中断 C. EOC 呈高电平，表明数据输出锁存器已被选通 D. EOC 呈低电平，处于转换过程中 7. 采样/保持器的逻辑端接+5V ，输入端从2.3V 变至2.6V,输出端为（ A ）。 A ．从2.3V 变至2.6V B ．从2.3V 变至2.45V 并维持不变 C ．维持在2.3V D ．快速升至2.6V 并维持不变 8. 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 《计算机控制系统》第二次作业答案 一、单项选择题。本大题共16个小题，每小题3.0 分，共48.0分。在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。 1.（）是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置。 ( A ) A.传感器 B.A/D转换器 C.D/A转换器 D.互感器 2.在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道是（）。( B ) A.接口 B.过程通道 C.模拟量输入通道 D.开关量输入通道 3.所谓量化，就是采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为（）。 ( B ) A.模拟信号 B.数字信号 C.程序代码 D.量化代码 4.数控系统一般由输入装置、输出装置、控制器和插补器等四大部分组成，这些功能 都由（）来完成。 ( C ) A.人 B.生产过程 C.计算机 D.实时计算 5.外界干扰的扰动频率越低，进行信号采集的采样周期应该越（）。 ( A ) A.长 B.短 C.简单 D.复杂 6.数字PID控制器是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律，其中能迅速反应误差， 从而减小误差，但不能消除稳态误差的是（）。 ( C ) A.微分控制 B.积分控制 C.比例控制 D.差分控制 7.在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须采用数值逼近的方法。当采样周期 短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为（）。 ( B ) A.微分方程 B.差分方程 C.积分方程 D.离散方程 8.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 （）所耗费的时间，系统的采样周期只能在Tmin和Tmax之间选择。 ( A ) A.输入输出 B.A/D采样时间 C.D/A转换时间 D.计算时间 9.在有交互作用的多参数控制系统中，振铃现象有可能影响到系统的（）。 ( B ) A.可靠性 B.稳定性 C.经济性 D.通用性 10.在实际生产过程中，因为前馈控制是一个（），因此，很少只采用前馈控制的方案， 常常采用前馈－反馈控制相结合的方案。 ( A ) A.开环系统 B.闭环系统 C.稳定系统 D.不稳定系统 11.软件是工业控制机的程序系统；其中面向控制系统本身的程序，并根据系统的具体 要求，由用户自己设计的软件称作（）。 ( B ) A.系统软件 B.应用软件 C.支持软件 D.控制软件 12.在程序设计的过程中，程序设计人员选取一种适当地高级（或汇编）语言，书写程 序的步骤叫做（）。 ( D ) A.编译 B.程序设计 C.调试 D.编码 13.一个12位的A/D转换器，其量化精度约为0.02%，若其孔径时间为10微妙，如 果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正旋波模拟信号的最大频率为（）。 ( C ) A.2HZ B.3HZ C.4HZ 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 计算机控制技术习题 1.1 什么是计算机控制系统？它由哪几个部分组成？ 1.2 计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么优缺点？ 1.3 实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ 1.4 工业控制机的哪几个部分组成？各部分的主要作用是什么？工业控制机的特点有哪些？ 1.5 什么是总线、内部总线和外部总线？ 1.6 PC总线和STD 总线各引线的排列和含义是怎样的？ 1.7 RS-232C 和 IEEE-488 总线各引线的排列和含义是怎样的？ 2.1 什么是接口、接口技术和过程通道？ 2.2 采用74LS244和74LS273与PC总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输入接口和8路数字量(开关量)输出接口，请画出接口电路原理图，并分别编写数字输入和数字输出程序。 2.3 采用8位 A/D 转换器 ADC0809 通过 8255A 与PC总线工业控制机接口，实现8路模拟量采集。请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。 2.4 用12位 A/D 转换器 AD574 通过 8255A 与PC总线工业控制机接口，实现模拟量采集。请画出接口原理图，并设计出A/D转换程序。 2.5 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,并分别说明各元器件的作用？ 2.6 什么是采样过程、量化、孔径时间？ 2.7 采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟器输入通道中都需要采样保持器？为什么？ 2.8 一个8位 A/D 转换器，孔径时间为100μs, 如果要求转换误差在A/D 转换器的转换精度 (0.4 %) 内，求允许转换的正选波模拟信号的最大频率是多少？ 2.9 试用 8255A 、AD574、LF398、CD4051 和PC总线工业控制机接口，设计出8路模拟量采集系统。请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模拟量的数据采集程序。 2.10 采用DAC0832和PC总线工业控制机接口，请画出接口电路原理图，并编写D/A转换程序。 一、]t b 填空题 1.工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两个组成部分。 2.计算机控制系统中常用的控制器有可编程序控制器、工控机、单片机、DSP、智能调节器等。 3.在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式。 4.ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器。 5.模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 6.信号接地方式应采用一点接地方式，而不采用多点接地方式。 7.按极点配置设计的控制器通常有两部分组成，一部分是状态观测器，另一部分是控制规律。 8.模块化程序设计一般包括自顶向下和自底向上两种设计方法。 9.线性表、数组、堆栈和队列的共同特点是要求连续的存储单元来顺序存放数据元素。 10.计算机控制系统的输入变送器和输出执行机构的信号统一为0~10mA DC或4~20mA DC。 二、名词解释 1.采样过程按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，变成在时刻0、T、2T、…kT的一连串脉冲输出信号的过程 2.地线”是信号电流流回信号源的地阻抗路径 3.数字程序控制就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械(如各种加工机床)按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制 4.数据是描述客观事物的数、字符，以及所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的集合 5.积分饱和如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算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 三、选择题（合计15分，每题3分） 1.下列不属于数字控制方式的是（C ） A、点位控制 B、直线控制 C、网格控制 D、轮廓控制 2.8位的A/D转换器分辨率为（ C ） A、0.01587 B、0.007874 C、0.003922 D、0.0009775 3.专家控制系统大致可以分为（D ） ①专家自整定控制②专家自适应控制③专家监督控制④混合型专家控制⑤仿人智能控制 A、①②③⑤ B、②④⑤ C、②③④⑤ D、①③④⑤ 4.一个8位的A/D转换器(量化精度0.1%)，孔径时间3.18μm，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为（B ） A、5Hz B、50Hz C、100Hz D、500Hz 5.某热处理炉温度变化范围为0~1350℃，经温度变送器变换为1~5V的电压送至ADC0809，ADC0809的输入范围为0~5V，当t=KT时，ADC0809的转换结果为6A，此时炉温为（C ） A、588.98℃ B、288.98℃ C、361.23℃ D、698.73℃ 四、简答题（合计20分，每题5分） 1.什么是干扰，干扰来源，抗干扰措施。 答：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。外部干扰和内部干扰。硬件措施，软件措施，软硬结合的措施 2.逐点比较法插补原理。 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 1两种 USB口的特点及区别？通用指标，传输模式，U SB 器件，硬件接口。 答： 两种 USB的特点： (1)USB 接口支持设备的热插拔功能 , 采用菊花式的连接 . (2)USB 有2电源线(5V),2 数据线 ,采用差分信号传输 ,可为连接在其上的设备提供 5V 电压 /100mA电流的供电 ,最大可提供 500mA的电流 . (3)一个 USB控制器可以连接多达 127个外设 ,而两个外设间的距离(线缆长度)可达 5 米. 两种 USB的区别 : 协议不同 ,USB1.1 传输速率是 12Mbps,USB2.0 传输速率是 480Mbps. 2光驱、硬盘、软驱的总线形式。 答： (1)光驱 :IDE ATA/ATAPI ，内部并行总线 . (2)硬盘:IDE SATA ，内部并行总线 . (3)软驱:软驱分内置和外置两种 ,内置软驱使用专用的 FDD接口 ,而外置软驱一般用于笔 记本电脑 , 使用 USB接口 . 3I2C、 SPI、SCI 总线的特点？ 答： (1)I2C 总线由数据线 SDA与时钟线 SCL两条线构成通信线路，既可以发送数据也可以接收数据，在 CUP与被控 IC 之间，IC 与 IC 之间都可以进行双向传送，最高传输速度为 400Kbps. (2)S PI 是一个环形总线结构 , 是一种标准的四线同步双向串行总线 , 在 SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换 , 可以同时发出和接收串行数据 . (3)S CI 是一种通用异步通信接口 UART. SCI 模块采用标准非归零( NRZ)数据格式 ,能够实现多 CPU之间或同其他具有兼容数据格式 SCI 端口的外设进行数据通信 . 4指出 RS-232、RS-485、 USB等总线的特点及发展趋势。 答： (1)RS-232 的特点：全双工数据传输，单端输入输出 , 有地线、发送和接受三条线即可实现数据传输 , 传输速率 20kb/s ，传输距离限于 15m,采用单端驱动和接收电路 . 采用负逻辑高电平为( -5--15v )，低电平为 (5-15v) ，电源电压为 +15v 或 +12v. (2)R S-485 的特点：半双工工作方式，差分信号传输，传输距离为几十米到上千米，速率 10Mbit/s, 采用屏蔽双绞线传输 . 可连接 32 个设备 . 电平逻辑“ 1”以两线间的电压差为 (+2 — 6V)表示；逻辑“ 0”以两线间的电压差为 (-2 —6V)表示，外接电源电压一般为 5v. (3)USB 即插即用 ,菊花式连接 ,有 2电源线( 5V)，2数据线，而两个外设间的距离(线缆长度)可达 5米,差分信号传输 , 可外接 127 个设备. 5、简要归纳 ISA、 PCI 和 STD三种端口的特点。 答： ISA：有 98 根信号线，数据线宽 16 位，地址线宽 24 位，总线时钟 8MHz，中断源为边沿触发，数据传输速度为 16MB/S。 PCI：64 位总线( 3.3V )或者 32 位( 5V)，最高总线频率为 33.3MHz/66MHz，数据传输速度为 80MB/S，(最高传输速度为 133MB/S)，支持 10 个外设。 计算机控制技术复习 1.典型的工业生产过程分为哪几种？ 答:典型的工业过程分为3种:连续过程,离散过程和批量过程. 2.计算机控制系统的工作步骤分为哪几步？ 答:计算机的工作步骤分为3步:实时数据采集,实时数据决策和实时数据处理. 3.计算机控制技术的工作方式有哪几种？ 答:计算机控制技术的工作方式有2种,即在线方式和离线方式. 4.为什么要强调计算机控制中的实时性？ 答:所谓实时性,就是指信号的输入,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,控制也就失去的意义.所以要强调计算机控制中的实时性. 5.常用的计算机控制系统主机有哪几种？ 答:常用的计算机控制系统主机有可编程控制器,工控机,单片机,DSP和智能调节器. 6.工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括哪两个组成部分。 包括硬件和软件。 7.计算机控制系统是由哪几部分组成的？各部分的作用是什么？ 主要由硬件和软件两部分组成，硬件包括：主机及操作台、通用外设I/O接口与通道、信号的检测及变送、执行机构、被控对象组成；软件包括：系统软件、应用软件。 8.计算机控制系统中集散控制系统的体系结构分为哪几部分？ 答:计算机控制系统中集散控制系统(DCS)的体系结构分为分散过程控制级,集中操作监控级,综合信息管理级三部分. 9、计算机控制系统有哪四种形式的信号？各有什么特点? (1)连续模拟信号：时间和信号的幅值都是连续的。 (2)阶梯模拟信号：时间是连续的，信号的幅值是阶梯形的。 (3)采样信号：时间是离散的，信号的幅值是连续的脉冲信号。 (4)数字信号：信号的时间以及幅值都是离散的，且幅值经过了量化处理。 10.现场总线控制系统的结构模式分为哪几部分？ 答:现场总线控制系统(FCS)的结构模式为操作站---现场总线智能仪表两层结构.(DCS为操作站-控制站-现场仪表三层结构模式) 11、什么叫输入/输出通道?它是由哪些部分组成的？ 在微型计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道称为输入输出通道。 输入输出通道的组成：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道组成。 12计算机监督系统（SCC）中，SCC计算机的作用是什么？ 按照一定的数学模型计算给定值，并提供给DDC计算机 13.什么是计算机的总线？ 答:所谓总线,就是计算机各模块之间互联和传送信息(指令,地址和数据)的一组信号线.分为内部总线和外部总线. 14.计算机的外部总线有哪几种？ 答:计算机的外部总线有RS-232C,RS-485,IEEE-488,USB等等. 15.RS-232C串行通信总线采用什么传输方式？为什么RS-232C的传输距离不远？ 答:RS-232C串行通信总线采用的是不平衡传输方式.由于发送器和接收器之间有公共 山东科技大学2010-2011学年第二学期《计算机控制技术》考试试卷 一、简答题（每题4分，共40分） 1、简述计算机控制的典型形式有几种。 2、简述接口和过程通道的定义。 3、绘制计算机控制系统框图。 4、简要说明PID控制器的P、I、D作用。 5、简述数字滤波方法的种类。 6、简要回答DDC的含义。 7、简单说明模数转换和数模转换的物理意义。 8、简要说明采样定理的物理意义。 9、简要介绍采样保持器的作用，举一个例子。 10、采样周期的选定应注意什么问题？ 二、计算题（每题10分，共10分） 利用后向差分法和双线性变换法将下式进行离散化。并写出差分方程和绘制程序流程图。 三、计算题（每题20分，共20分） 将离散化，求取位置算法和增量算法表达式，并绘制实时性较高的程序编写流程图。 四、计算题（每题10分，共10分） 若加工第一象限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）做出走步轨迹图，并标明进给方向和参数。 五、设计题 假设ADC0809的端口地址经编译器译码得到为FOH，画出8051与ADC0809的连接器，并写出从IN7路采集信号的程序。 六、计算题（每题10分，共10分） 已知模拟调节器的传递函数，采用数字PID算式实现，试分别写出相应的连续位置型PID和增量型PID算式及其各自的离散化方程。设采用周期T=0.2s。 详细答案 一、 1、计算机控制系统的典型形式: (1)操作指导控制系统。优点：结构简单，控制灵活和安全，缺点是由人工操作，速度受到限制，不能控 制多个对象。 （2）直接数字控制系统（DDC），实时性好，可靠性高和适应性强。 （3）监督控制系统（SSC），是生产过程始终处于最优工况。 （4）分型控制系统（DCS），分散控制，集中操作，分级管理。 （5）现场总线控制系统（FCS），降低成本，提高可靠性，可实现真正的开放式互连系统结构 2、接口定义：接口是连接通道与计算机的中间设备，经接口联系，通道便于接受微机的控制，使用它可 达到由微机从多个通道中选择特定通道的目的。 过程通道：过程通道是主机与工业生产过程之间信号的传递和转换的连接通道。 4、比例控制作用：对当前时刻的偏差信号e(t)进行放大或衰减，控制作用的强弱取决于比例 系数；特点：它能迅速反应误差，从而减小误差，加快响应速度。 缺点：不能消除静态误差，过大甚至造成系统不稳定。 积分控制作用：通过对误差累积的作用影响控制量，并通过系统的负反馈作用减小偏差； 特点：与e(t)存在全部时段有关，只要有足够的时间,积分控制将能够消除稳态误差。 缺点：不能及时地克服扰动的影响 微分控制作用：反应e(t) 变化的速度，在偏差刚刚出现时产生很大的控制作用，具有超前控制作用； 作用：有助于减小超调和调整时间，改善系统的动态品质; 缺点：不能消除系统的稳态误差。 5、数字滤波方法的种类： 1、限幅滤波法（又称程序判断滤波法） 优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰 缺点：无法抑制那种周期性的干扰平滑度差 2、中位值滤波法 优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰；对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜 3、算术平均滤波法 优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动 缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM 4、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法） 优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统 缺点：灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费RAM 5、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法） 优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差缺点：测量速度较慢，和算术平均滤波法一样，比较浪费RAM 6、限幅平均滤波法 优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 .计算机控制系统是由哪级部分组成的各部分作用硬件组成：微控制器或微处理器、ROM、RAM、外部设备、网络通信接口、实时时钟、电源。软件组成：系统软件和应用软件。作用：硬件中有A/D 称为模拟数字转换器，它包括采样保持和量化，其输出为数字形式，何时采样由计算机控制。 D/A称为数字模拟转换器，它是将数字信号转换成模拟信号形成控制量。应用软件根据要解决的问题而编写的各种程序，系统软件包括 操作系统，开发系统。 .为适应控制现场的工作环境，对工业控制机有何要求 （1）适应性（2）可靠性（3）实时性（4）扩展性 结构：（1）基于通用计算机的结构（2）基于嵌入式系统的结构 . PCI总线，CPCI总线，PC/104总线以及RS232,RS422,RS485有何特点，电平特性，适用场合 .何谓IO接口在计算机控制系统中为什么要有IO接口 （1）解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题 （2）解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题 （3）解决CPU的负载能力和外围设备端口的选择问题 .计算机与外围设备交互信息有哪几种控制方式各有何优缺点 （1）并行通信。优点：传送速度快、信息率高。缺点：传输线多，成本高（2）串行通信。全双工方式RS-422 ,RS-232。半双工方式RS-485 （3）同步通信。要求收发双方具有同频同相的同步时钟信号，每帧信息开始加特定的同步字符，不允许有间隙 （4）异步通信。开始位，停止位，发送的字符间允许有间隙 .模拟输入通道中为何要加采样保持器，采样保持器的组成及要求是什么（1）用采样保持电路使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变 （2）孔径时间：AD转换器完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。 孔径误差：在孔径时间ta/d内，由于输入信号x(t)的变化所引起的误差称为孔径误差δ。 以ta/d＝10μs的10位ADC芯片为例： 为保证不低于%的转换精度 的主要性能指标有哪些10V8位的ADC转换精度如何计算 (1). 接口特性(2). 量程(3). 分辨率(4). 误差和精度(5). 转换速率(6). A/D转换的方法 一个8位A/D转换器，孔径时间为100。如果要求转换误差在A/D转换精度（%）内，求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少 f=(2*pi*100*10^(-6)*100)= 请分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推出输出电压与输入数字量之间的关系式。 微机p328 什么是数字PID位置控制算法和增量型控制算法试比较它们的优缺点。 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和增量型控制算法，设采样周期T= 第2章 习题参考答案 1.什么是接口、接口技术和过程通道？ 答： 接口是计算机与外设交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。 接口技术是研究计算机与外部设备之间如何减缓信息的技术。 过程通道是计算机与生产过程之间的信息传送和转换的连接通道。 2.采用74LS244和74LS273与PC/ISA 总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输入接口和8路数字量（开关量）输出接口，请画出接口电路原理图，并分别编写数字量输入和数字量输出程序。 答： 数字量输入接口 设片选端口地址为port MOV DX,port MOV DPTR,PORT MOVX A,@DPTR IN AL,DX 74LS244 PC 总线 *IOR(*RD)_ 数字量输出接口 MOV AL,DATA MOV A,DATA MOV DX ，port MOV DPTR,PORT OUT DX,AL MOVX @DPTR,A 3.用8位A/D 转换器ADC0809与8051单片机实现8路模拟量采集。请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。 输出信号 PC 总线 (*WR) 程序： ORG 0000H MOV R0，#30H ；数据区起始地址存在R0 MOV R6，#08H ；通道数送R6 MOV IE，#84H ；开中断 SETB IT1 ；外中断请求信号为下跳沿触发方式MOV R1，#0F0H ；送端口地址到R1 NEXT：MOVX @R1，A ；启动A/D转换 LOOP:SJMP LOOP INC R0 INC R1 DJNZ R6，NEXT ；8路采样未接受，则转NEXT CLR EX1 ；8路采样结束，关中断 END 中断服务程序： ORG 0003H ；外中断1的入口地址 AJMP 1000H ；转中断服务程序入口地址 ORG 1000H MOVX A，@R1 ；读入A/D转换数据 MOV @R0，A ；将转换的数据存入数据区 RETI ；中断返回 ORG 0000H MOV R1，#30H MOV R2，#0F0H A1: MOV DPTR, R2 MOVX @DPTR, A LOOP: JNB P3.2 , LOOP MOVX A, @DPTR MOV @R1，A INC R2 INC R1 CJNE R2, 0F7H, A1 END 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。 一、填空题（合计20分，每题2分） 1.工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两个组成部分。 2.计算机控制系统中常用的控制器有可编程序控制器、工控机、单片机、DSP、智能调节器等。 3.在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式。 4.ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器。 5.模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 6.信号接地方式应采用一点接地方式，而不采用多点接地方式。 7.按极点配置设计的控制器通常有两部分组成，一部分是状态观测器，另一部分是控制规律。 8.模块化程序设计一般包括自顶向下和自底向上两种设计方法。 9.线性表、数组、堆栈和队列的共同特点是要求连续的存储单元来顺序存放数据元素。 10.计算机控制系统的输入变送器和输出执行机构的信号统一为0~10mA DC或4~20mA DC。 二、名词解释（合计30分，每题5分） 1.采样过程按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，变成在时刻0、T、2T、…kT的一连串脉冲输出信号的过程。 2.地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。” 3.数字程序控制就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械(如各种加工机床)按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制 4.数据是描述客观事物的数、字符，以及所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的集合。 5.积分饱和如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算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 三、选择题（合计15分，每题3分） 1.下列不属于数字控制方式的是（ C ） A、点位控制 B、直线控制 C、网格控制 D、轮廓控制 2.8位的A/D转换器分辨率为（ C ） A、0.01587 B、0.007874 C、0.003922 D、0.0009775 3.专家控制系统大致可以分为（D ） ①专家自整定控制②专家自适应控制③专家监督控制④混合型专家控制⑤仿人智能控制 A、①②③⑤ B、②④⑤ C、②③④⑤ D、①③④⑤ 4.一个8位的A/D转换器(量化精度0.1%)，孔径时间3.18μm，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为（ B ） A、5Hz B、50Hz C、100Hz D、500Hz 5.某热处理炉温度变化范围为0~1350℃，经温度变送器变换为1~5V的电压送至ADC0809，ADC0809的输入范围为0~5V，当t=KT时，ADC0809的转换结果为6A，此时炉温为（C ） A、588.98℃ B、288.98℃ C、361.23℃ D、698.73℃ 四、简答题（合计20分，每题5分） 1.什么是干扰，干扰来源，抗干扰措施。答：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。外部干扰和内部干扰。硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。 2.逐点比较法插补原理。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。 3.简述数字滤波技术，其算法有哪些?答：所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干 《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。 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。 (4)可以得到比较高的控制精度。 (5)能同时控制多个回路，一机多用，性能价格比高。 (6)便于实现控制、管理与通信相结合，提高工厂企业生产的自动化程度. (7)促进制造系统向着自动化、集成化、智能化发展。 图1.3-2 典型的数字控制系统 给定 第1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： (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。 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： 工业计算机 PIO 设备 生产过程 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？ （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）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并 行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查 扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。 CPU/MEM 人-机接口 内部总线 系统支持版 磁盘适合 器 数字量输出（DO ）通道 数字量输入（DI ）通道 模拟量输出（AO ）通道 模拟量输入（AI ）通道 电气开关 电气开关 执行机构 测量变送 被控对象 选择题： 1. 采用ADC0809构成模拟量输入通道，ADC0809在其中起（D）作用？ A. 模拟量到数字量的转换 B. 数字量到模拟量的转换 C. 模拟量到数字量的转换和采样保持 D．模拟量到数字量的转换和多路开关 2. 模拟量输入通道中，选用“采样保持器”的作用是？ 2. 在微型机控制系统中模拟量输出通道中，最关键的器件是（D）。 A. 多路开关 B. 光电隔离器 C. A/D转化器 D. D/A转换器 填空题： 1. 计算机控制系统的一般类型中，DDC是指直接数字控制系统，D/A的意思是实现数字信号转化成模拟信号。 2. 采样/保持器具有两种工作方式，它们是：采样状态和保持状态。 3. 对于一个10位A/D转换器，基准电源的信号电压为10.24V时，它的绝对精度为10mv，它的分辨率为10mv；分辨率的含义是指满刻度电压与2^n的比值。 4. 在计算机控制系统中，采样周期T的确定很重要，因为它关系到，T太大，则。 简答题： 1、画出典型计算机控制系统的基本框图。 2. 过程通道有哪四种类型？ 3.简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。 4. 什么是振铃现象？大林算法如何消除振铃现象？ 5. 采样周期的选择应综合考虑哪几个因素？ （1）首先要考虑的因素：香农采样定理给出采样周期的上限； m ax T ≤π/ω。 （2）其次要考虑一下各方面的因素： 1）给定值变化频率：加到被控对象的给定值变化频率越高，采样频率应越高。 2）被控对象的特性：若被控对象是慢速的热工或化工对象时，采样周期一般取得较大；若被控对象是较快速的系统时，采样周期应取得较小。 3）执行机构的类型：执行机构动作惯性大，采样周期应该大一些，否则执行机构来不及反映数字控制器输出值的变化。 4）控制算法的类型：当采用PID 算法时，积分作用和微分作用与采样周期T 的选择有关。 5）控制的回路数：控制的回路数n 与采样周期T 有下列关 系：1n j j T T =≥∑ 简单计算题：已知差分方程为 y(k+2) – 5y(k+1) + 6y(k) = 0, 其初始条件为y(0) = 0, y(1) = 1, 求y(k)在k ≥0时的值。 水温控制系统 一,任务 设计并制作一个水温自动控制系统,控制对象为1升净水,容器为搪瓷器皿.水温可以在一定范围内由人工设定,并能在环境温度降低时实现自动控制,以保持设定的温度基本不变. 二,要求 1.基本要求 (1)温度设定范围为40～90℃,最小区分度为1℃,标定温度≤1℃. (2)环境温度降低时(例如用电风扇降温)温度控制的静态误差≤1℃. (3)用十进制数码管显示水的实际温度. 2.发挥部分 (1)采用适当的控制方法,当设定温度突变(由40℃提高到60℃)时, 减小系统的调节时间和超调量. (2)温度控制的静态误差≤0.2℃. (3)在设定温度发生突变(由40℃提高到60℃)时,自动打印水温随时间变化的曲线. 设计 一,方案设计与论证 本题目要求:能在40 ℃至90 ℃范围内设定控制水温, 静态控制精度为0.2 ℃.并具有快速性与较小的超调,以及十进制数码管显示,温度曲线打印. 测量部分 采用温度传感器铂电阻Pt1000.铂热电阻的物理化学 性能在高温和氧化性介质中很稳定,线性较好.在0—100 ℃时,最大非线性偏差小于0.5 ℃.铂热电阻与温度关系 是:Rt = R0(1+At+Bt*t) 其中Rt 是温度为t 时电阻; R0是温度为0 ℃时电阻; A,B 为温度系数. 驱动控制部分 此方案采用SPCE061A 单片机实现,此单片机内置8路 ADC,2路DAC.另外,该芯片内置JTAG 在线仿 真,编程接口,可以方便实现在线调试. 二,系统硬件电路设计 2.1 电路方框图及说明 方框图说明 键盘设定 数据采集 SPCE061A 数据显示 串口接口--pc-- 打印 继电器 热电炉 语音提示 一、填空 1.计算机控制技术可用于计算机控制系统及自动化仪表。 2.计算机监督系统SCC的作用是：按照一定的数学模型计算给定值并提供给DDC计算机。 3.闭环控制系统是指输出量经反馈环节回到输入端，对控制产生影响。 4.多路开关的作用是完成模拟量的切换。 5..采用ADC0809构成模拟量输入通道，ADC0809在其中起模拟量到数字量的转换和多路开关的作用。 7.ADC0809中EOC呈高电平，可以向CPU申请中断，说明转换已经结束，EOC 呈低电平，说明处于转换过程中。 8.当D/A转换器的位数多于处理器的位数时，需要两级数据缓存，数据分批传送，输入的所有数字位必须同时进行转换。 9.防止抖动是能否正确读取键值得必要环节，实现方法是可以用硬件电路或软件程序实现。 10.采用共阴极LED多位数码管显示时，位选信号为低电平，段选信号为高电平。 11.在LED多位数码管显示电路中，段选模型决定数码管显示的内容。 12..开关量控制系统中，常设有光电隔离器，起耦合、隔离和开关的作用。 14.小功率直流电机控制系统中，改变转子上的通电极性，以便改变电机的转向。 15..RS-232-C串行总线电气特性规定逻辑1的电平是-3V以下。 18..采用全双工通信方式，数据传输的方向性结构为可以在两个方向上同时传输。 20.半双工可以在两个方向上传输，但不能同时传输。 21.采用异步传输方式，设数据位为7位，1位校验位，1位停止位，则其通信效率为70%. 22.在工业过程控制系统中采集的数据常掺杂有干扰信号，可以通过数字滤波程序和模拟滤波电路来提高信/噪比。 23.标度变换就是把数字量转换成人们熟悉的十进制工程量。 24.使A/D转换器满量程信号达到均一化的含义是任何情况下A/D转换器的输入最大值都为满量程。 25.比例调节的强弱可调，作用比较强，几乎贯穿整个调节过程。 26.在计算机控制系统中，T的确定十分重要，原因是T太小，系统精度不够。 27.一般而言，纯微分控制不使用，因为微分作用仅出现在偏差变化的过程中。 28.PID调节可根据实际情况调整结构，但不能采用ID调节。 29.PI调节系统，I作用随时间的增长而加强，只要时间足够长，静差一定会消除。 30.引起调节的根本原因是偏差，偏差的正、负决定调节作用的方向；偏差的大、小决定调节作用的强弱；偏差为零，调节作用为零。 二、选择题 1. 下面关于微型计算机控制技术的叙述，正确的是（D）。 A．微型计算机控制技术只能用于单片机系统 B．任何控制系统都可以运用微型计算机控制技术 C．微型计算机控制技术不能用于自动化仪表 D．微型计算机控制技术可用于计算机控制系统及自动化仪表 2. 计算机监督系统（SCC）中，SCC计算机的作用是（B）。 A．接受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值并提供给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 3．关于现场总线控制系统，下面的说法中，不正确的是（C）。 A．省去了DCS 中的控制站和现场仪表环节 B．采用纯数字化信息传输 C．只有同一家的FCS 产品才能组成系统 D．FCS强调“互联”和“互操作性 4.闭环控制系统是指（B）。A．系统中各生产环首尾相接形成一个环 B．输出量经反馈环节回到输入端，对空置产生影响 C．系统的输出量供显示和打印 D．控制量只与控制算法和给定值相关 5．下列缩写表示现场可编程控制逻辑阵列的是（D）。 A．PLC B．PLD C．GAL D．FPGA 6.多路开关的作用（A）。 A．完成模拟量的切换 B．完成数字量的切换 C．完成模拟量与数字量的切换 D．完成模拟量和数字量的切换 6.A/D转换器的VREF（-）VREF（+）分别接-5V和+5V，说明它的（A）。A．输入为双极性，范围是-5V至+5V B．输入为双极性，范围是-10V至+10V C．输出为双极性，范围是-FFH至+FFH D．输入为单极性，范围是0至+5V 7.在LED多位数码管显示电路中，（B） A．位选模型决定数码管显示的内容 B．段选模型决定数码管显示的内容 C．段选模型决定哪位数码管显示 D．不需要位选模型 8.无论动态显示还是静态显示都需要进行译码，即将（D） A．十进制数译成二进制数 B．十进制数译成十六进制数 C．十进制数译成ASCII码 D．十进制数译成7段显示码 9.在计算机交流电机控制系统中，需要解决的问题是（D） A．将交流变成只留后并放大 B．将直流变成交流后并放大 C．设单向开关，使直流电通过并放大 D．设双向开关，使交流电通过并放大 10.开关量控制系统中，常设有光电隔离器，下面的描述中错误的是（A） A．将被控系统与微型机控制控制系统间完全断开，以防CPU受到强电的冲击 B．将被控系统与微型计算机控制系统通过光电效应连接成系统，实现控制。 C．控制信号到位时被控电路接通，否则电路切断，起开关作用 D．耦合、隔离和开关11.小功率直流电机控制系统中，正确的做法是（B） A．改变定子上的通电极性，以便改变电机的转向 B．改变转子上的通电极性，以便改变电机的转向 C．在定子上通以交流电，电机可周期性变换转向 D．在转子上通以交流电，电机可周期性变换转向 12.RS-232-C串行总线电气特性规定逻辑1的电平是（C） A．0.3V以下 B．0.7V 以下 C．-3V以下 D．+3V以上 13．主计算机与通信处理机通过RS-232C电缆相接，两台设备的最大距离为（C）时，适合用近距离电缆连接 A．5米 B．10米 C．15米 D．20米 14.采用全双工通信方式，数据传输的方向性结构为（A） A．可以在两个方向上同时传输 B．只能在一个方向上传输 C．可以在两个方向上传输，但不能同时进行 D．以上均不对 15.下列关于半双工的叙述中，正确的是（C） A．只能在一个方向上传输 B．可以在两个方向上同时传输 C．可以在两个方向上传输，但不能同时传输 D．以上均不对 16.RS-232C的电气特性规定使用（D） A．TTL电平 B．CMOS电平 C．正逻辑电平 D．负逻辑电平 17.采用异步传输方式，设数据位为7位，1位校验位，1位停止位，则其通信效率为（B） A．30% B．70% C．80% D．20% 18.在工业过程控制系统中采集的数据常掺杂有干扰信号，（D）来提高信/噪比A．只能通过模拟滤波器 B．只能通过数字滤波器 C．可以通过数字滤波程序或模拟滤波电路 D．可以通过数字滤波程序和模拟滤波电路 19.若模拟量微机控制系统的采样部分选用数字表，则（B） A．微机直接接收数字量，无须在进行滤波 B．微机直接接受数字量，仍需进行滤波 C．须将数字表的输出先转换成模拟量，再送入微机处理 D．无论数字量还是模拟量微机都能接收，但需要进行滤波计算机控制技术考试卷B卷
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