《计算机控制系统》课后题答案 刘建昌等科学出版社
计算机控制技术课后习题答案
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。
计算机控制系统第一章部分习题答案
1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？
答：计算机控制系统可按照系统的功能，控制规律和控制方式进行分类。
按功能可分为：数据处理系统、计算机控制网络、直接数字控制、监督控制、分级控制、集散型控制。
按控制规律可分为：程序和顺序控制、PID控制、有限拍控制、智能控制、复杂规律控制。
2计算机控制系统由哪些部分组成？并画出方框图。
答：由数字控制器，D/A转换器，保持器，执行器，被控对象，测量元件，变送元件，A/D 转换器。
3设有模拟信号（0-5）V和（2.5-5）v，分别用8、10、12位的A/D转换器，试计算并列出各自的量化单位和量化误差。
答：量化单位q=(y*max-y*min)/(2n-1) ≈(y*max-y*min)/2n
量化误差ε=q/2
4计算机控制系统有哪些主要的性能指标？如何衡量？
答：计算机控制系统的性能指标主要有稳定性，能控性，能观测性，稳态性能和动态性能。
相应的用稳定裕量（相角裕量和幅值裕量），稳态误差，超调量，调节时间，上升时间，峰值时间，震荡次数和综合指标（末值型指标，积分型指标，复合型指标）来衡量一个系统的好坏和优劣。
5计算机将向哪些方向发展？
答：最优控制，自适应控制，集散型控制，分级控制，系统辨识。
最新计算机控制系统课后习题答案
2.1 在计算机控制系统中，为了获取系统的运行状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输入。
2.2 把从控制对象检测到的模拟信号，转换成二进制数字信号，经I/O接口送入计算机。
2.3 在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关(如对电磁阀的控制)或启/停(如各种交、直流电机的控制)，某些控制算法(如脉宽调制方法，最优控制中的乒乓控制算法等)也需要控制执行机构在一定时间T内全负荷工作一段时间t(0≤t≤T)，这些控制可通过计算机开关量输出通道来实现。
2.4 把计算机输出的数字量转换成模拟量。
2.5 光电耦合器的作用：从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。
常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。
光电耦合器的用法：下图为原理图。
当输入侧(即发光二极管)流过一定的电流IF时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通;当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。
这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。
2.5 光电耦合器的注意事项：① 输入侧导通电流要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使发光二极管发光。
不同的光电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流IF=10mA。
② 频率特性受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。
因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔离器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。
③ 输出端工作电流光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。
一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。
2.5 光电耦合器的注意事项：④ 输出端暗电流这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。
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。
之答禄夫天创作利用计算机介入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，包含人机联系设备(操纵台)、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.丈量变送单元：为了丈量各种参数而采取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。
系统软件包含：a.操纵系统：即为管理程序、磁盘操纵系统程序、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：包含各种程序设计语言、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。
计算机控制系统课后参考答案概论
2-1 简述过程通道的作用、类型和组成？作用：过程通道是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。
类型：按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。
组成：【数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。
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、并行接口电路和定时计数电路等组成。
数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。
其中：输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量，进行电平转换，将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题。
模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。
(1)I/V变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。
(2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。
(3)采样保持器：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。
在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。
这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。
(4)A/D转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模/数转换器(Analog/Digital Converter，简称A/D转换器或ADC)。
模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、功率放大和V/I变换等信号调理电路组成。
(1)D/A转换器：模拟量输出通道的核心是数/模转换器(Digital/Analog Converter,简称D/A 转换器或DAC)。
它是指将数字量转换成模拟量的元件或装置。
(2)V/I变换：一般情况下，D/A转换电路的输出是电压信号。
在计算机控制系统中，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减少由于传输带来的干扰和衰减，需要采用电流方式输出模拟信号。
计算机控制系统课后答案 (3)
计算机控制系统课后答案问题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技术对物理过程或机械设备进行监控、控制和管理的系统。
它由计算机硬件、软件和工程配套设备等多个组成部分构成。
计算机控制系统具有实时性好、反应速度快、准确性高等特点，广泛应用于各种工业自动化领域。
问题2：计算机控制系统的组成部分有哪些？计算机控制系统由以下几个部分组成：1.传感器和执行器：传感器用于感知物理过程的状态和参数，并将其转换为电信号，以便计算机能够处理。
执行器根据计算机的指令来执行控制动作，控制物理过程或机械设备的运行。
2.计算机硬件：包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出接口等。
计算机硬件负责接收传感器采集的数据，并根据预设的算法进行处理和判断，进而控制执行器的动作。
3.计算机软件：包括控制算法、界面程序等。
控制算法根据输入的传感器数据进行计算和判断，生成相应的控制指令。
界面程序提供控制系统的人机交互界面，使操作员能够对系统进行监控和控制。
4.工程配套设备：包括可编程逻辑控制器（PLC）、仪表仪器等。
这些设备与计算机系统相连，作为中间装置，用于完成不同领域的控制任务。
问题3：计算机控制系统的工作原理是什么？计算机控制系统的工作原理是通过传感器采集物理过程的状态和参数，将其转换为电信号输入到计算机系统中。
计算机根据预设的控制算法，对输入的数据进行处理和判断，生成相应的控制指令。
这些控制指令通过输出接口发送给执行器，执行器根据指令来执行相应的控制动作，从而实现对物理过程或机械设备的控制。
计算机的工作过程可以理解为以下几个步骤：1.信号采集：传感器采集物理过程的状态和参数，并将其转换为电信号。
2.信号处理：计算机系统接收传感器的电信号，对其进行滤波、放大、数字量化等处理，以获取准确的数据。
3.控制计算：根据输入的数据，计算机系统进行控制算法的计算和判断，生成相应的控制指令。
4.控制输出：控制指令通过输出接口发送给执行器，执行器根据指令来执行相应的控制动作。
计算机控制系统习题答案
（ c ）由系统结构图
C ( z ) NG2 ( z ) R ( z ) DD 2 ( z )Gh ( z )G1G2 ( z ) E ( z ) DD1 ( z )Gh ( z )G1G2 ( z ) E ( z ) R( z ) C ( z ) NG2 ( z ) R( z ) DD 2 ( z )Gh ( z )G1G2 ( z ) DD1 ( z )Gh ( z )G1G2 ( z ) R ( z ) C ( z ) C ( z) NG2 ( z ) R( z ) DD 2 ( z )Gh ( z )G1G2 ( z ) DD1 ( z )Gh ( z )G1G2 ( z ) R ( z ) 1 DD1 ( z )Gh ( z )G1G2 ( z ) 1 DD1 ( z )GhG1G2 ( z )
1
计算机监督控制 SCC 系统有两种类型，一种是 SCC+模拟调节器，另一种是 SCC+DDC 控制系统。SCC 的优点是不仅可进行复杂控制规律的控制，而且工作可靠性高，当 SCC 出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。 1.4 实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ 解答：(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。 1.5 如果按应用场合分类，计算机控制系统大致可以分为几类？各有什么主要特点？ 解答： （1）数据采集与监视控制系统。特点：机构简单，控制灵活安全，特别适应于未 摸清控制规律的系统，常被用于计算机控制系统研究的初级阶段，或用于试验新的数学 模型和调制新的控制程序等。 （2）直接数字控制系统。特点：a、控制灵活。只要改变算法程序，就可以方便地改变 控制方法，无需改变系统任何硬件。b、可以有效地实现较复杂的控制，用来改善控制 品质。c、可以实现多回路控制，费用比模拟系统节省。 （3）计算机监督控制系统。特点：SCC 的优点是不仅可进行复杂控制规律的控制，而 且工作可靠性高，当 SCC 出故障时，下级仍可继续执行控制任务。 （4）分布式计算机控制系统。特点：a、分布式结构。b、具有较高的可靠性。c、设计， 开发与维护，操作方便。 1.6 为什么说计算机集成制造系统是工业自动化的发展趋势？ 解答：大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而 使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模， 以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求。
计算机控制系统习题参考答案
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81/210/219.5mV ⨯=±，而8位A ／D 的相对精度为%59.0%1002/)2/1(8=⨯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。
(完整版)《计算机控制系统》课后题答案-刘建昌等科学出版社
第一章计算机控制系统概述习题与思考题1.1什么是计算机控制系统?计算机控制系统较模拟系统有何优点？举例说明。
解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，被称为计算机控制系统.与模拟系统相比，计算机控制系统具有设计和控制灵活，能实现集中监视和操作,能实现综合控制，可靠性高，抗干扰能力强等优点。
例如，典型的电阻炉炉温计算机控制系统，如下图所示：炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号（毫伏级），再经变送器变成标准信号（1—5V或4—20mA）从现场进入控制室;经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的温度给定比较，得到偏差信号，该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量,再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压（220V）进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的;电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小,从而调节炉温变化，最终达到计算机内部的给定温度。
由于计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。
还可以通过软件的标准化和模块化，这些控制软件可以反复、多次调用。
又由于计算机具有分时操作功能，可以监视几个或成十上百个的控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来,组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。
计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时,能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预,这些都是传统模拟控制无法胜任的。
在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。
另一方面，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。
计算机控制系统_课后答案全解
第1章习题B 习题B1-1 举例说明2-3个你熟悉的计算机控制系统，并说明与常规连续模拟控制系统相比的优点。
B1-2 利用计算机及接口技术的知识，提出一个用同一台计算机控制多个被控参量的分时巡回控制方案。
B1-3 题图B1-3是一典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图。
由雷达测出目标的高低角、方位角和斜距，信号经滤波后，由模拟式计算机计算出伺服系统高低角和方位角的控制指令，分别加到炮身的高低角和方位角伺服系统，使炮身跟踪指令信号。
为了改善系统的动态和稳态特性，高低角和方位角伺服系统各自采用了有源串联校正网络和测速反馈校正，同时利用逻辑电路实现系统工作状态的控制(如偏差过大时可断开主反馈，实现最大速度控制，当偏差小于一定值后实现精确位置控制)。
试将其改造为计算机控制系统，画出系统原理结构图。
题图B1-3典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图B1-4水位高度控制系统如题图B.1-4所示。
水箱水位高度指令由W1 电位计指令电压u r确定，水位实际高度h由浮子测量，并转换为电位计W2 的输出电压u h。
用水量Q1 为系统干扰。
当指令高度给定后，系统保持给定水位，如打开放水管路后，水位下降，系统将控制电机，打开进水阀门，向水箱供水，最终保持水箱水位为指令水位。
试把该系统改造为计算机控制系统。
画出原理示意图及系统结构图。
题图B1-4 水箱水位控制系统原理示意图B1-5 题图B1-5为一机械手控制系统示意图。
将其控制器改造为计算机实现，试画出系统示意图及控制系统结构图。
题图B1-5机械手控制系统示意图B1-6题图B1-6为仓库大门自动控制系统示意图。
试将其改造为计算机控制系统，画出系统示意图。
题图B1-6 仓库大门自动控制系统示意图B1-7车床进给伺服系统示意图如题图B1-7所示。
电动机通过齿轮减速机构带动丝杠转动，进而使工作台面实现直线运动。
该系统为了改善系统性能，利用测速电机实现测速反馈。
试将该系统改造为计算机控制系统，画出系统示意图。
计算机控制技术课后习题答案
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,改变输出的角位移或直线位移,并通过调节机构改变被调介质的流量或能量,使生产过程符合预定的要求;例如,在温度控制系统中,微机根据温度的误差计算出相应的控制量,输出给执行机构调节阀来控制进入加热炉的煤气或油量以实现预期的温度值;常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式,也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制;4.微型计算机控制系统软件有什么作用说出各部分软件的作用;软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和;整个计算机系统的动作,都是在软件的指挥下协调进行的,因此说软件是微机系统的中枢神经;就功能来分,软件可分为系统软件、应用软件及数据库;1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;对用户来说,系统软件只是作为开发应用软件的工具,是不需要自己设计的;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;2应用软件:它是面向用户本身的程序,即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序;应用软件包括：a.过程监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等；b.过程控制计算程序：指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序,其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等；c.公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序;3数据库：数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检索,相应软件设计指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据等;5.微型计算机控制系统的特点是什么微机控制系统与常规的自动控制系统相比,具有如下特点：a.控制规律灵活多样,改动方便b.控制精度高,抑制扰动能力强,能实现最优控制c.能够实现数据统计和工况显示,控制效率高d.控制与管理一体化,进一步提高自动化程度6.操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何它们之间有何区别和联系1操作指导控制系统：在操作指导控制系统中,计算机的输出不直接作用于生产对象,属于开环控制结构;计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理,计算出各控制量应有的较合适或最优的数值,供操作员参考,这时计算机就起到了操作指导的作用;其原理框图如图所示;图操作指导控制系统原理框图2直接数字控制系统DDC系统：DDCDirect Digital Control系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测,经输入通道送给微机,微机将检测结果与设定值进行比较,再进行控制运算,然后通过输出通道控制执行机构,使系统的被控参数达到预定的要求;DDC系统是闭环系统,是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式;其原理框图如图所示;图 DDC系统原理框图3计算机监督控制系统SCC系统：SCCSupervisory Computer Control系统比DDC 系统更接近生产变化的实际情况,因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制,系统不能运行在最佳状态,而SCC系统不仅可以进行给定值控制,并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等;SCC系统的原理框图如图所示;图 SCC系统原理框图SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展;7.计算机控制系统的发展趋势是什么大规模及超大规模集成电路的发展,提高了计算机的可靠性和性能价格比,从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛;为更好地适应生产力的发展,扩大生产规模,以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求,目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面;a.普及应用可编程序控制器b.采用集散控制系统c.研究和发展智能控制系统本章作业简述几类常见的计算机控制系统的特点及其应用领域;第二章输入输出过程通道习题及参考答案1.什么是过程通道过程通道有哪些分类过程通道是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;按信息传递的方向来分,过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分,过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道;2.数字量过程通道由哪些部分组成各部分的作用是什么数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道;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、并行接口电路和定时计数电路等组成;数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成;其中：输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量,进行电平转换,将其通断状态转换成相应的高、低电平,同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动,以及进行信号隔离等问题;3.简述两种硬件消抖电路的工作原理;采用积分电路的硬件消抖电路,首先利用积分电路将抖动的高频部分滤出,其次利用施密特触发器整形;采用RS触发器的硬件消抖电路,主要是利用RS触发器的保持功能实现消抖;4.简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用;光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成,如图所示;输入电流流过二极管时使其发光,照射到光敏三极管上使其导通,完成信号的光电耦合传送,它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离;图光电耦合器电路图5.模拟量输入通道由哪些部分组成各部分的作用是什么模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成;1I/V变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力,减少了信号的衰减,为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便;2多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件;3采样保持器：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间;在进行A/D转换时间内,希望输入信号不再变化,以免造成转换误差;这样,就需要在A/D转换器之前加入采样保持器;4A/D转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量,能够完成这一任务的器件,称为之模/数转换器Analog/Digital Converter,简称A/D转换器或ADC;6.对理想多路开关的要求是什么理想的多路开关其开路电阻为无穷大,其接通时的导通电阻为零;此外,还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠;7.采样保持器有什么作用试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响;采样保持器的作用：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间;在进行A/D 转换时间内,希望输入信号不再变化,以免造成转换误差;这样,就需要在A/D转换器之前加入采样保持器;保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响;保持电容值小,则采样状态时充电时间常数小,即保持电容充电快,输出对输入信号的跟随特性好,但在保持状态时放电时间常数也小,即保持电容放电快,故保持性能差；反之,保持电容值大,保持性能好,但跟随特性差;8.在数据采样系统中,是不是所有的输入通道都需要加采样保持器为什么不是,对于输入信号变化很慢,如温度信号；或者A/D转换时间较快,使得在A/D转换期间输入信号变化很小,在允许的A/D转换精度内,就不必再选用采样保持器;D转换器的结束信号有什么作用根据该信号在I/O控制中的连接方式,A/D转换有几种控制方式它们在接口电路和程序设计上有什么特点A/D转换器的结束信号的作用是用以判断本次AD转换是否完成;常见的A/D转换有以下几种控制方式,各自特点如下延时等待法:EOC可不和I/O口连接,程序设计时,延时大于ADC转换时间后,取数据;保持等待法:EOC与READY相连,EOC无效时,自动插入等待状态;直至EOC有效时,取数据;查询法: EOC可以和任意I/O口连接,程序设计时,反复判断EOC是否有效,直至EOC 有效时,取数据;中断响应法: EOC与外部中断相连,AD转换结束后,发中断申请,在中断服务程序中取数据;10.设被测温度变化范围为0o C~1200o C,如果要求误差不超过,应选用分辨为多少位的A/D 转换器 选择依据：124.0120012log ≈⎪⎭⎫ ⎝⎛+≥n 11.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路模拟量数据采集程序;本例给出用8031、DAC0809设计的数据采集系统实例;把采样转换所得的数字量按序存于片内RAM 的30H~37H 单元中;采样完一遍后停止采集;其数据采集的初始化程序和中断服务程序如下：初始化程序：MOV R0,30H ；设立数据存储区指针MOV R2,08H ；设置8路采样计数值SETB IT0 ；设置外部中断0为边沿触发方式SETB EA ；CPU 开放中断SETB EX0 ；允许外部中断0中断MOV DPTR,FEF8H ；送入口地址并指向IN0LOOP ： MOVX DPTR,A ；启动A/D 转换,A 的值无意义HERE ： SJMP HERE ；等待中断中断服务程序：MOVX A,DPTR ；读取转换后的数字量MOV R0,A ；存入片内RAM 单元INC DPTR ；指向下一模拟通道INC R0 ；指向下一个数据存储单元DJNZ R2,INT0 ；8路未转换完,则继续CLR EA ；已转换完,则关中断CLR EX0 ；禁止外部中断0中断RETI ；中断返回INT0： MOVX DPTR,A ；再次启动A/D转换RETI ；中断返回12.模拟量输出通道由哪几部分组成各部分的作用是什么模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、功率放大和V/I变换等信号调理电路组成;1D/A转换器：模拟量输出通道的核心是数/模转换器Digital/Analog Converter,简称D/A转换器或DAC;它是指将数字量转换成模拟量的元件或装置;2V/I变换：一般情况下,D/A转换电路的输出是电压信号;在计算机控制系统中,当计算机远离现场,为了便于信号的远距离传输,减少由于传输带来的干扰和衰减,需要采用电流方式输出模拟信号;许多标准化的工业仪表或执行机构,一般是采用0～10mA或4～20mA的电流信号驱动的;因此,需要将模拟电压信号通过电压/电流V/I变换技术,转化为电流信号;13.采用DAC0832和PC总线工业控制机接口;请画出接口电路原理图,并编写产生三角波、梯形波和锯齿波的程序;设计一八路数据采集及其回放系统;要求八路数据巡回检测,存储10组数据,输数据为电压信号0-5V,检测精度<1%;CPU、AD、DA可任选;Uo第五章微机数控系统习题及参考答案1.什么是数控系统数控系统包括哪些数控系统是采用数字电子技术和计算机技术,对生产机械进行自动控制的系统,它包括顺序控制和数字程序控制两部分;2.什么是顺序控制系统它由哪几部分组成微机顺序控制方式是指以预先规定好的时间或条件为依据,按预先规定好的动作次序顺序地进行工作;一般地,把按时序或事序规定工作的自动控制称为顺序控制;它包括系统控制器、输入电路、输入接口、输出电路、输出接口、检测机构、显示与报警电路;3.微机数控系统由哪些部分组成各部分的作用是什么由五部分组成;1输入装置：一般指微机的输入设备,如键盘;其作用是输入数控系统对生产机械进行自动控制时所必需的各种外部控制信息和加工数据信息;2微机：微机是MNC系统运算和控制的核心;在系统软件指挥下,微机根据输入信息,完成数控插补器和控制器运算,并输出相应的控制和进给信号;若为闭环数控系统,则由位置检测装置输出的反馈信息也送入微机进行处理;3输出装置：一般包括输出缓冲电路、隔离电路、输出信号功率放大器、各种显示设备等;在微机控制下,输出装置一方面显示加工过程中的各有关信息,另一方面向被控生产机械输出各种有关的开关量控制信号冷却、启、停等,还向伺服机构发出进给脉冲信号等;4伺服机构：一般包括各种伺服元件和功率驱动元件;其功能是将输出装置发出的进给脉冲转换成生产机械相应部件的机械位移线位移、角位移运动;5加工机械：即数控系统的控制对象,各种机床、织机等;目前已有专门为数控装置配套设计的各种机械,如各种数控机床,它们的机械结构与普通机床有较大的区别;4.什么是逐点比较插补法直线插补计算过程和圆弧插补计算过程各有哪几个步骤逐点比较法插补运算,就是在某个坐标方向上每走一步即输出一个进给脉冲,就作一次计算,将实际进给位置的坐标与给定的轨迹进行比较,判断其偏差情况,根据偏差,再决定下一步的走向沿X轴进给,还是沿Y轴进给;逐点比较法插补的实质是以阶梯折线来逼近给定直线或圆弧曲线,最大逼近误差不超过数控系统的一个脉冲当量每走一步的距离,即步长;直线插补计算过程的步骤如下：1偏差判别：即判别上一次进给后的偏差值Fm是最大于等于零,还是小于零；2坐标进给：即根据偏差判断的结果决定进给方向,并在该方向上进给一步；3偏差计算：即计算进给后的新偏差值Fm+1,作为下一步偏差判别的依据；4终点判别：即若已到达终点,则停止插补；若未到达终点,则重复上述步骤;圆弧插补计算过程的步骤如下：1偏差判别2坐标进给3偏差计算4坐标计算5终点判别5.若加工第二象限直线OA,起点O0,0,终点A-4,6;要求：1按逐点比较法插补进行列表计算；2作出走步轨迹图,并标明进给方向和步数;解：由题意可知xe =4,ye=6,F=0,我们设置一个总的计数器Nxy,其初值应为Nxy=|6-0|+|-4-0|=10,则插补计算过程如表3—1所示;根据插补计算过程表所作出的直线插补走步轨迹图如下图所示;表3—11按逐点比较法插补进行列表计算；2作出走步轨迹图,并标明进给方向和步数;解：插补计算过程如表3—2所示;终点判别仍采用第二种方法,设一个总的计数器Nxy ,每走一步便减1操作,当Nxy=0时,加工到终点,插补运算结束;下图为插补过程中的走步轨迹;表3—2波形图;有三种工作方式： 1三相单三拍工作方式各相的通电顺序为A →B →C,各相通电的电压波形如图所示;图单三拍工作的电压波形图2三相双三拍工作方式双三拍工作方式各相的通电顺序为AB →BC →CA;各相通电的电压波形如图所示;图双三拍工作的电压波形图3三相六拍工作方式在反应式步进电机控制中,把单三拍和双三拍工作方式结合起来,就产生了六拍工作方式,其通电顺序为A →AB →B →BC →C →CA;各相通电的电压波形如图所示;图三相六拍工作的电压波形图8. 采用三相六拍方式控制X 轴走向步进电机; 主程序:MOV A,0FH；方向输入信号MOV P1,AXMM ： MOV A,P1 JNB ,XM ；=0反转 LCALL STEP1；调正转子程序 SJMP XMMXM ： LCALL STP2；调反转子程序SJMP XMM +X 走步子程序：STEP1： MOV DPTR,TAB ；指表头 CLR AMOVX A,A+DPTR ；取数非非非光电隔离功率放大步进电机AB C方向控制“1”正83CJNE A,05H,S11；是否最后单元 MOV DPTR,TAB；重置表头SJMP S12S11： INC DPTR ；地址加1S12： MOV R0,7FH；延时S13： DJNZ R0,S13；CLR A；MOVX A,A+DPTR；取数据MOV P1,ARET-X走步子程序：STEP2： MOV DPTR,TABCLR AMOVX A,A+DPTR；CJNZ A,01H,S21MOV DPTR,TABADD DPTR,0006HSJMP S12S21： CLR CDEC DPLSJMP S12TAB： DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H本章作业若加工第二象限直线OA和圆弧AB,已知直线起点O0,0,终点A-4,6;圆弧起点A-4,6,终点A-6,10要求：1按逐点比较法插补进行列表计算；2作出走步轨迹图,并标明进给方向和步数;第四章 微型计算机控制系统的控制算法习题及参考答案1.数字控制器的模拟化设计步骤是什么 模拟化设计步骤：1设计假想的模拟控制器DS 2正确地选择采样周期T 3将DS 离散化为DZ4求出与DS 对应的差分方程 5根据差分方程编制相应程序; 2.某连续控制器设计为试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器DZ; 双线形变换法：把112+-•=z z T s 代入,则 前向差分法：把Tz-z 1=代入,则 后向差分法：把Tzz s 1-=代入,则3.在PID 调节器中系数p k 、i k 、d k 各有什么作用它们对调节品质有什么影响 系数p k 为比例系数,提高系数p k 可以减小偏差,但永远不会使偏差减小到零,而且无止境地提高系数p k 最终将导致系统不稳定;比例调节可以保证系统的快速性; 系数i k 为积分常数,i k 越大积分作用越弱,积分调节器的突出优点是,只要被调量存在偏差,其输出的调节作用便随时间不断加强,直到偏差为零;在被调量的偏差消除后,由于积分规律的特点,输出将停留在新的位置而不回复原位,因而能保持静差为零;但单纯的积分也有弱点,其动作过于迟缓,因而在改善静态品质的同时,往往使调节的动态品质变坏,过渡过程时间加长;积分调节可以消除静差,提高控制精度;系数d k 为微分常数,d k 越大微分作用越强;微分调节主要用来加快系统的相应速度,减小超调,克服振荡,消除系统惯性的影响;4.什么是数字PID 位置型控制算法和增量型控制算法试比较它们的优缺点;为了实现微机控制生产过程变量,必须将模拟PID 算式离散化,变为数字PID 算式,为此,在采样周期T 远小于信号变化周期时,作如下近似T 足够小时,如下逼近相当准确,被控过程与连续系统十分接近： 于是有：uk 是全量值输出,每次的输出值都与执行机构的位置如控制阀门的开度一一对应,所以称之为位置型PID 算法;在这种位置型控制算法中,由于算式中存在累加项,因此输出的控制量uk 不仅与本次偏差有关,还与过去历次采样偏差有关,使得uk 产生大幅度变化,这样会引起系统冲击,甚至造成事故;所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值,而是其增量时,可以采用增量型PID 算法;当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时,一般均采用增量型PID 控制算法;与位置算法相比,增量型PID 算法有如下优点：1位置型算式每次输出与整个过去状态有关,计算式中要用到过去偏差的累加值,容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项,从而可消除调节器的积分饱和,在精度不足时,计算误差对控制量的影响较小,容易取得较好的控制效果;2为实现手动——自动无扰切换,在切换瞬时,计算机的输出值应设置为原始阀门开度u 0,若采用增量型算法,其输出对应于阀门位置的变化部分,即算式中不出现u 0项,所以易于实现从手动到自动的无扰动切换;3采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用,所以即使计算机发生故障,执行器仍能保持在原位,不会对生产造成恶劣影响; 5.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式,设采样周期T=; 则()()()()s SE .s E s SU .s U 1700850+=+ 把T=代入得 位置型 增量型6.有哪几种改进的数字PID 控制器 有四种：1积分分离PID 控制算法 2不完全微分PID 控制算法 3带死区的PID 控制算法4消除积分不灵敏区的PID 控制10: 什么叫积分饱和 它是怎样引起的如何消除。
计算机控制系统习题及部分解答 (1)
∑∞
类似， e−k (s+1)T
k =0
=
1
−
1 e − (1+ s
)T
e ， −T (s+1)
< 1 ，所以有
F
*
(s)
=
1
−
1 e−Ts
−
1
−
1 e−T
(
s
+1)
2-3 试分别画出 f (t) = 5e−10t 及其采样信号 f * (t) 的幅频曲线（设采样周期 T＝0.1s）。
解：连续函数 f (t) = 5e−10t 的频率特性函数为： F ( jω) = 5 。 10 + jω
d-4
2-4 若数字计算机的输入信号为 f (t) = 5e−10t ，试根据采样定理选择合理的采样周期 T，设
信号中的最高频率为 ωm 定义为 F ( jωm ) = 0.1 F (0) 。
解：
F(s) =
5 s +10
； F ( jω) =
5 jω +10
；
所以有
由此可得 依采样定理得：
5
= 0.1 F (0) = 0.1× 5 = 0.05 ，
2-6 已知信号 x = Acos(ω1t) ，通过采样频率 ωs = 3ω1 的采样器以后．又由零阶保持器恢复
成连续信号，试画出恢复以后信号的频域和时域曲线；当 ωs = 10ω1 时，情况又如何?
比较结果。 解：本题信号的频谱为脉冲，如题图 2-6(a)所示。
d-7
F ( jω)
Aπ
ω1
ω1
ω(rad / s)
连续幅频曲线可以用如下 MATLAB 程序绘图：
计算机控制系统习题及部分解答 (1)
∞
∞
∞
∞
∑ ∑ ∑ ∑ F * (s) = f (kT )e−kTs = (1 − e−kT )e−kTs = e−kTs − e−kT (s+1)
k =0
k =0
k =0
k =0
∑ 因为
∞
ekTs
k =0
= 1 + e−Ts
+
e−2Ts
+
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
1
−
1 e−Ts
,
e−Ts < 1 ，(依等比级数公式)
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW+ws)*i)); G11=[g0];
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW-ws)*i)); G12=[g0];
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW+2*ws)*i)); G21=[g0];
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW-2*ws)*i)); G22=[g0];
题图 1-6 飞机连续模拟式姿态角控制系统结构示意图
第2章 习 题
2-1 下述信号被理想采样开关采样，采样周期为 T，试写出采样信号的表达式。
(1) f (t) = 1(t)
(2) f (t) = te−at
(3) f (t) = e−at sin(ωt)
解：
∞
∑ (1) f *(t) = 1(kT )δ (t − kT ) ； k =0 ∞
连续幅频曲线可以用如下 MATLAB 程序绘图：
step=0.1; Wmax=100; w2=-Wmax; y2=5*abs(1/(10+w2*i)); W=[w2]; Y=[y2]; for w=-Wmax:step:Wmax
计算机控制系统习题及部分解答
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW+ws)*i)); G11=[g0];
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW-ws)*i)); G12=[g0];
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW+2*ws)*i)); G21=[g0];
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW-2*ws)*i)); G22=[g0];
题图 1-6 飞机连续模拟式姿态角控制系统结构示意图
第2章 习 题
2-1 下述信号被理想采样开关采样，采样周期为 T，试写出采样信号的表达式。
(1) f (t) = 1(t)
(2) f (t) = te−at
(3) f (t) = e−at sin(ωt)
解：
∞
∑ (1) f *(t) = 1(kT )δ (t − kT ) ； k =0 ∞
结果表明，不满足采样定理，高频信号将变为低频信号。
2-8
试证明
ZOH
传递函数
Gh
(s)
=
1
−
e− s
sT
中的 s＝0 不是 Gh
(s)的极点，而
Y
(
s
)
=
1
− e− s2
sT
中，只有一个单极点 s＝0。
证明：
Gh
(s)
=
1
−
e s
−
sT
≈ 1− (1− sT
+ (−sT )2 / 2 + ⋅ ⋅⋅ = T − T 2s + ⋅⋅ ⋅⋅
计算。采样幅频曲线可以用如下 MATLAB 程序绘图：
T=0.1;
[计算机控制系统答案]计算机控制系统 _课后答案全解
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相关资料一: 计算机控制系统_课后答案全解第1章习题B 习题B1-1 举例说明2-3个你熟悉的计算机控制系统，并说明与常规连续模拟控制系统相比的优点。
[]B1-2 利用计算机及接口技术的知识，提出一个用同一台计算机控制多个被控参量的分时巡回控制方案。
B1-3 题图B1-3是一典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图。
由雷达测出目标的高低角、方位角和斜距，信号经滤波后，由模拟式计算机计算出伺服系统高低角和方位角的控制指令，分别加到炮身的高低角和方位角伺服系统，使炮身跟踪指令信号。
为了改善系统的动态和稳态特性，高低角和方位角伺服系统各自采用了有源串联校正网络和测速反馈校正，同时利用逻辑电路实现系统工作状态的控制(如偏差过大时可断开主反馈，实现最大速度控制，当偏差小于一定值后实现精确位置控制)。
试将其改造为计算机控制系统，画出系统原理结构图。
题图B1-3典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图B1-4水位高度控制系统如题图B.1-4所示。
水箱水位高度指令由W1 电位计指令电压ur确定，水位实际高度h由浮子测量，并转换为电位计W2 的输出电压uh。
用水量Q1 为系统干扰。
当指令高度给定后，系统保持给定水位， 1计算机控制系统答案计算机控制系统_课后答案全解如打开放水管路后，水位下降，系统将控制电机，打开进水阀门，向水箱供水，最终保持水箱水位为指令水位。
[）试把该系统改造为计算机控制系统。
画出原理示意图及系统结构图。
题图B1-4 水箱水位控制系统原理示意图B1-5 题图B1-5为一机械手控制系统示意图。
将其控制器改造为计算机实现，试画出系统示意图及控制系统结构图。
题图B1-5机械手控制系统示意图B1-6题图B1-6为仓库大门自动控制系统示意图。
计算机控制系统习题及部分解答
ωs = ω1
ω
−ω1
ω1
题图 2-5-1
ω (rad / s )
当采样频率 ωs = 4ω1 时，采样频谱如题图 2-5-1 所示。由于满足采样定理，通过理想滤波 器后，可以不失真恢复原连续信号。 （见题图 2-5-2）
d-6
Fh ( jω )
Aπ
ωs = 4ω1
ω (rad / s )
−ω1
o
题图 1-3 模拟式雷达天线俯仰角位置伺机控制系统原理示意图
1-4
水位高度控制系统如题图 1-4 所示。 水箱水位高度指令由 W1 电位计指令电压 ur 确定， 水位实际高度 h 由浮子测量，并转换为电位计 W2 的输出电压 uh。用水量 Q1 为系统 干扰。当指令高度给定后，系统保持给定水位，如打开放水管路后，水位下降，系统 将控制电机，打开进水阀门，向水箱供水，最终保持水箱水位为指令水位。试把该系 统改造为计算机控制系统。画出原理示意图及系统结构图。
ω1
Aπ
9ω1 ωs
ω (rad / s)
Fh 2 ( jω )
ω1
9ω1 ωs
ω (rad / s)
题图 2-6
该信号通过采样频率 ωs = 3ω1 的采样器，又由零阶保持器恢复成连续信号，该恢复信号 的频域频谱如图 2-6(b)所示。 该信号通过采样频率 ωs = 10ω1 的采样器，又由零阶保持器恢复成连续信号，该恢复信号 的频域频谱如图 2-6(c)所示。 结果表明，当采样频率较低时，零阶保持器输出阶梯较大，高频分量较大。 时域曲线（这里省略） 已知信号 x = sin(t )和y = sin(4t ), 若ωs = 1,3, 4, 试求各采样信号的 x(kT)及 y(kT)， 并说明
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第一章计算机控制系统概述习题与思考题1.1什么是计算机控制系统？计算机控制系统较模拟系统有何优点？举例说明。
解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，被称为计算机控制系统。
与模拟系统相比，计算机控制系统具有设计和控制灵活，能实现集中监视和操作，能实现综合控制，可靠性高，抗干扰能力强等优点。
例如，典型的电阻炉炉温计算机控制系统，如下图所示：炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号（毫伏级），再经变送器变成标准信号（1-5V或4-20mA）从现场进入控制室；经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的温度给定比较，得到偏差信号，该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压（220V）进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小，从而调节炉温变化，最终达到计算机内部的给定温度。
由于计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。
还可以通过软件的标准化和模块化，这些控制软件可以反复、多次调用。
又由于计算机具有分时操作功能，可以监视几个或成十上百个的控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。
计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时，能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预，这些都是传统模拟控制无法胜任的。
在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。
另一方面，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。
因此，计算机控制系统具有上述优点。
1.2计算机控制系统由哪几部分组成？各部分的作用如何？解答：计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成。
被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号（1-5V或4-20mA）；再经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制被控对象的物理量，实现控制要求。
1.3应用逻辑器件设计一个开关信号经计算机数据总线接入计算机的电路图。
解答：1.4应用逻辑器件设计一个指示灯经过计算机数据总线输出的电路图。
解答：1.5设计一个模拟信号输入至计算机总线接口的结构框图。
解答：模拟量输入通道组成与结构图1.6设计一个计算机总线接口至一个4~20mA模拟信号输出的结构框图。
解答：1.7 简述并举例说明内部、外部和系统总线的功能。
解答：内部总线指计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连，是微处理器总线的延伸，是微处理器与外部硬件接口的通路，图1.8所示是构成微处理器或子系统内所用的并行总线。
内部并行总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类。
图1.8 内部并行总线及组成系统总线指计算机中各插件板与系统板之间的总线（如Multibus 总线、STD 总线、PC 总线），用于插件板一级的互连，为计算机系统所特有，是构成计算机系统的总线。
由于微处理器芯片总线驱动能力有限，所以大量的接口芯片不能直接挂在微处理器芯片上。
同样，如果存储器芯片、I/O 接口芯片太多，在一个印刷电路板上安排不下时，采用模块化设计又增加了总线的负载，所以微处理器芯片与总线之间必须加上驱动器。
系统总线及组成如图1.10所示。
图1.10 系统总线及组成外部总线指计算机和计算机之间、计算机与外部其他仪表或设备之间进行连接通信的总线。
计算机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。
外部总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上，外部总线及组成如图1.11所示。
图1.11 外部总线及组成1.8 详述基于权电阻的D/A 转换器的工作过程。
解答：D/A 转换器是按照规定的时间间隔T 对控制器输出的数字量进行D/A 转换的。
D/A 转换器的工作原理，可以归结为“按权展开求和”的基本原则，对输入数字量中的每一位，按权值分别转换为模拟量，然后通过运算放大器求和，得到相应模拟量输出。
相应于无符号整数形式的二进制代码，n 位DAC 的输出电压out V 遵守如下等式：2 31223()2222n out FSR n B B B B V V =++++ (1.3) 式中，FSR V 为输出的满幅值电压，1B 是二进制的最高有效位，n B 是最低有效位。
以4位二进制为例，图1.12给出了一个说明实例。
在图1.12中每个电流源值取决于相应二进制位的状态，电流源值或者为零，或者为图中显示值，则输出电流的总和为：3124234()2222out B B B B I I =+++ (1.4) 我们可以用稳定的参考电压及不同阻值的电阻来替代图1.12中的各个电流源，在电流的汇合输出加入电流/电压变换器，因此，可以得到权电阻法数字到模拟量转换器的原理图如图1.13所示。
图中位切换开关的数量，就是D/A 转换器的字长。
图1.12 使用电流源的DAC 概念图图1.13 权电阻法D/A 转换器的原理图1.9 D/A 转换器误差的主要来源是什么？解答：D/A 转换的误差主要应由D/A 转换器转换精度（转换器字长）和保持器（采样点之间插值）的形式以及规定的时间间隔T 来决定。
1.10 详述逐次逼近式A/D 转换器的工作过程。
解答：逐次逼进式A/D 转换器原理图如图1.14所示，当计算机发出转换开始命令并清除n 位寄存器后，控制逻辑电路先设定寄存器中的最高位为“1”其余位为“0”，输出此预测数据为100…0被送到D/A 转换器，转换成电压信号f V ，后与输入模拟电压g V 在比较器中相比较，若g f V V ≥，说明此位置“1”是对的，应予保留，若g f V V <，说明此位置“1”不合适，应置“0”。
然后对次高位按同样方法置“1”，D/A 转换、比较与判断，决定次高位应保留“1”还是清除。
这样逐位比较下去，直到寄存器最低一位为止。
这个过程完成后，发出转换结束命令。
这时寄存器里的内容就是输入的模拟电压所对应的数字量。
图1.14 逐次逼近式A/D 转换器原理框图1.11详述双积分式A/D 转换器的工作过程。
解答：双积分式A/D 转换器转换原理框图如图1.15(a)所示，转换波形如图1.15(b)所示。
当t=0，“转换开始”信号输入下，g V 在T 时间内充电几个时钟脉冲，时间T 一到，控制逻辑就把模拟开关转换到ref V 上，ref V 与g V 极性相反，电容以固定的斜率开始放电。
放电期间计数器计数，脉冲的多少反映了放电时间的长短，从而决定了输入电压的大小。
放电到零时，将由比较器动作，计数器停止计数，并由控制逻辑发出“转换结束”信号。
这时计数器中得到的数字即为模拟量转换成的数字量，此数字量可并行输出。
(a) (b)图1.15 双积分式A/D 转换器原理及波形图1.12 A/D 转换器误差的主要来源是什么？解答：A/D 转换的误差主要应由A/D 转换器转换速率（孔径时间）和转换精度（量化误差）来决定。
1.13简述操作指导控制系统的结构和特点。
解答：操作指导系统的结构如图1.16所示。
它不仅提供现场情况和进行异常报警，而且还按着预先建立的数学模型和控制算法进行运算和处理，将得出的最优设定值打印和显示出来，操作人员根据计算机给出的操作指导，并且根据实际经验，经过分析判断，由人直接改变调节器的给定值或操作执行机构。
当对生产过程的数学模型了解不够彻底时，采用这种控制能够得到满意结果，所以操作指导系统具有灵活、安全和可靠等优点。
但仍有人工操作、控制速度受到限制，不能同时控制多个回路的缺点。
图1.16 操作指导系统框图1.14简述直接数字控制系统的结构和特点。
解答：直接数字控制系统DDC 结构如图1.17所示。
这类控制是计算机把运算结果直接输出去控制生产过程，简称DDC 系统。
这类系统属于闭环系统，计算机系统对生产过程各参量进行检测，根据规定的数学模型，如PID 算法进行运算，然后发出控制信号，直接控制生产过程。
它的主要功能不仅能完全取代模拟调节器，而且只要改变程序就可以实现其他的复杂控制规律，如前馈控制、非线性控制等。
它把显示、打印、报警和设定值的设定等功能都集中到操作控制台上，实现集中监督和控制给操作人员带来了极大的方便。
但DDC 对计算机可靠性要求很高，否则会影响生产。
图1.17 直接数字控制系统1.15简述计算机监督控制系统的结构和特点。
解答：监督控制系统有两种形式。
（1）SCC 加模拟调节器的系统这种系统计算机对生产过程各参量进行检测，按工艺要求或数学模型算出各控制回路的设定值，然后直接送给各调节器以进行生产过程调节，其构成如图1.18所示。
这类控制的优点是能够始终使生产过程处于最优运行状态，与操作指导控制系统比较，它不会因手调设定值的方式不同而引起控制质量的差异。
其次是这种系统比较灵活与安全，一旦SCC 计算机发生故障，仍可由模拟调节器单独完成操作。
它的缺点是仍然需采用模拟调节器。
图1.18 SCC 加调节器的系统框图（2）SCC 加DDC 的系统在这种系统中，SCC 计算机的输出直接改变DDC 的设定值，两台计算机之间的信息联系可通过数据传输直接实现，其构成如图1.19所示。
这种系统通常一台SCC计算机可以控制数个DDC计算机，一旦DDC计算机发送故障时，可用SCC计算机代替DDC的功能，以确保生产的正常进行。
图1.19 SCC加DCC的系统框图1.16简述集中控制系统的结构和特点。
解答：这种系统是由一台计算机完成生产过程中多个设备的控制任务，即控制多个控制回路或控制点的计算机控制系统。
控制计算机一般放置在控制室中，通过电缆与生产过程中的多种设备连接。
集中控制系统具有结构简单、易于构建系统造价低等优点，因此计算机应用初期得到了较为广泛的应用。
但由于集中控制系统高度集中的控制结构，功能过于集中，计算机的负荷过重，计算机出现的任何故障都会产生非常严重的后果，所以该系统较为脆弱，安全可靠性得不到保障。
而且系统结构越庞大，系统开发周期越长，现场调试，布线施工等费时费力不，很难满足用户的要求。