计算机控制系统(第二版)李元春主编第二章习题答案

第二章习题答案
2.7 多路A/D转换器电路有几种常见方案，各有什么优、缺点？ 采用集成多路A/D转换器，或选择内含集成多路A/D转换器的微处 理器。这种方案的设计简洁、可靠性高，在转换精度、线性度、温度 漂移、通道数等可以满足要求的情况下，应优先考虑采用；但也应注 意有时各模拟量输入互相串扰的问题。 每个模拟量输入配置一个A/D转换器。当系统中模拟量输入较多 时，硬件费用会迅速增加、可靠性降低，一般不采用这种方案，仅在 考虑转换速度、各模拟量互相串扰等情况下使用。 采取多路模拟量输入复用一个A/D转换器的方案。
2.15 解：将系统的开环传递函数写成
G( s)
K s 5
2
1 1 2 s [ s 32 ] 0.25 0.04
从而：T1＝0.25秒，1＝0.04秒，1＝2/32秒0.196秒。得min＝0.04 秒。 2.16 答案略。
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2.6 在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换 器的孔径时间(即转换时间)而造成较大的转换误差，克服的方法是在 A/D转换器之前设置采样保持电路。采样保持器平时处于“采样”状态， 跟踪输入信号变化；进行A/D转换之前使其处于“保持”状态，则在 A/D转换期间一直保持转换开始时刻的模拟输入电压值；转换结束后， 又使其变为“采样”状态。2.6节中的“采样”指抽取连续信号在离散 时间瞬时值的序列过程。
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2.9 完成采样操作的装置称为采样开关。 根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。 (1) 周期采样 (2) 同步采样 (3) 非同步采样 (4) 多速采样 (5) 随机采样
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2.10 函数有下列性质 ： (t t0 )dt 1 。即在任意t0时刻， 函数 的积分或函数的强度为1。根据函数的这个性质，对任意连续函数 f(t)和任意整数k有
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。
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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。
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2.13 推导略。零阶保持器在奈奎斯特频率以外的增益不为零，在相位上 相当于引入T/2的时间延迟，因此其性能劣于理想低通滤波器，信号恢 复效果也稍差。 2.14 随着保持器的阶数增加，信号恢复的效果越好，但带来的问题是实 现复杂、相移增大，所以计算机控制系统中很少采用高阶保持器。高阶 保持器主要用于没有闭环控制要求的通讯信号处理等领域。
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。
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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


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f (t ) (t kT )dt f (kT ) 其中，T为采样周期。
从上式可以看出， (t-kT) 可以把f(t)在kT时刻的值提取出来，也就是 说，函数具有采样功能。
函数的几何图示
(t-kT)函数的几何图示
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2.11 函数表示为： (t kT ) 1。k为任意整数。那么理想采样开关可以
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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。在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电流而可能引起 的误触发，并予以处理。 ⑤ 隔离电压
它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。
⑥ 电源隔离 光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。无论是输入隔离还是 输出隔离，只要采取光电隔离措施，就必须保证被隔离部分之间电气 完全隔离，否则就起不到隔离作用了。
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2.8 实现多路的模拟量信号输出，一般有以下两种方案。 第一种方案是为每一个通道设置一个独立的D/A转换器。这种方案的 优点是转换速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出现故障也不会 影响其他通道的工作，相应软件的编制也比较简单。但是，如果模拟量 信号输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的 D/A转换器时，这一问题尤为严重。 第二种方案是多通道复用一个D/A转换器，并辅以多路模拟开关和采 样保持放大器来实现，如图2.34所示。这个方案是由计算机通过多路模 拟开关分时地把一个D/A转换器的输出送至各个采样保持放大器，并由 保持电容对模拟量信号进行保持。该方案优点是成本较低，缺点是电路 结构复杂、精度低、可靠性差，受运算放大器的输入阻抗、模拟开关和 保持电容的漏电阻等因素的影响，导致保持电容上的电压信号逐渐衰减， 需要计算机定时刷新输出，也因此占用了CPU的大量时间。此方案适用 于输出通道不多且对速度要求不高的场合。
描述为理想单位脉冲函数序列：
T (t )
k
(t kT )

2.12 采样定理: 如果连续信号f(t)具有有限频谱，其最高频率为 max , 则对f(t)进行周期采样且采样角频率 s 2max 时，连续信号f(t)可以由采 * 样信号 f * (t ) 唯一确定，亦即 f (t ) 可以无失真地恢复f(t)。 从理论上讲，采样频率越高就越能如实反映被采样的连续信号的特 征信息。但是，从计算机控制系统角度来讲，选取过高的采样频率会使 系统对硬件的要求过高，造成成本攀升，并且还会使干扰对系统的影响 明显上升。因此，应该综合考虑计算机控制系统中采样周期的选择问题。
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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。