计算机控制技术试卷及答案(1).pdf

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1、计算机控制系统试卷一答案一、简答题（每小题5 分，共 50 分）1.画出典型计算机控制系统的基本框图。答：典型计算机控制系统的基本框图如下：2.根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？答：根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。(1)周期采样指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。(2)同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。(3)非同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。(4)多速采样如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样

2、。(5)随机采样若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。3.简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数 KP可以减小静差，但是 KP过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。(2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e 不为零，它将通过累积作用影响控制量u，

3、从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数TI大，则积分作用弱，反之强。增大TI将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。(3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。4.采样保持器 LF398 工作原理图如下图，试分析其工作原理。答：LF398 的电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关S 的通断，若 IN+的电压高于 IN-的电压，则 S 闭合，由 A1、A3组成跟随器，并向CH端外接的保持电容充电；IN

4、+的电压低于 IN-的电压时，则S 断开，外接电容保持 S断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至outA。5.线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模 zi1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。6.为什么会出现比例和微分饱和现象？答：当给定值发生很大跃变时，在PID 增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(由于积分项的系数一般小得多，所以积分部分的增量相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，其中计算值的多余信息没有执行就遗失了，从而影

5、响控制效果。7.什么是振铃现象？如何消除振铃现象？答：所谓振铃(Ringing)现象，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振荡。有两种方法可用来消除振铃现象。第一种方法是先找出 D(z)中引起振铃现象的因子(z=-1 附近的极点)，然后令其中的z=1，根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳态值。第二种方法是从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期T 及系统闭环时间常数Tc，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。8.什么是嵌入式系统？如何理解嵌入式系统的定义？答：目前国内普遍被认同的嵌入式系统定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可

6、靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。通常，从以下几个方面来理解嵌入式系统的定义：(1)以应用为中心是指嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。(2)嵌入式系统以计算机技术为基础，是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和Internet网络技术与具体应用对象相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统可以根据实际系统的需要对软、硬件进行剪裁以适应实际系统在功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面的要求。说明嵌入式系统存在着一个较为通用的软、硬件内核。这个内核往往是几kB

7、 到几十 kB 之间的微内核，正是由于微内核的存在，才使得嵌入式系统能够根据实际应用系统的需要在软、硬件方面得以顺利地裁剪或扩充。9.简述网络控制系统的特点。答：网络控制系统通常具备下述特点：(1)非定常性。数据到达的时刻不再是定常和有规则的,更不能再用简单的采样时间来刻画。(2)非完整性。由于数据在传输中可能发生丢失和出错，数据不再是完整的，当然数字控制中也可能有类似的现象，但在网络控制中发生的可能性要大得多。(3)非有序性。由于网络传输时间的不确定，先产生的数据可能迟于后产生的数据到达远程控制系统。因此,数据到达的次序可能不再遵守原有的时间顺序。(4)非确定性。由于数据到达的随机性，整个控

8、制过程已不再是一个确定性的系统,而是一个随机系统。10.简述故障诊断技术所包含的内容。答：故障诊断主要包括以下几个方面的内容。(1)故障的特征提取通过测量用定量和定性的信息处理技术获取反映系统故障的特征描述。(2)故障的分离与估计根据获得的故障特征确定系统是否出现故障以及故障的程度。(3)故障的评价和决策根据故障分离与估计的结论对故障的危害及严重程度做出评价，近而决策出是否停止任务的进程以及是否需要维修更换故障元部件。二、已知系统的差分方程为（10 分）)2()1()(krkyky输入信号是0001)(kkkr初始条件为1)0(y，试写出输出脉冲序列()y k。解：1)0(y1)0()1()1

9、(yry2)1()0()2(yry1)2()1()3(yry2)3()2()4(yry1)4()3()5(yry三、设被控对象传递函数为)1()(pssKsG，在对象前接有零阶保持器，试求广义对象的脉冲传递函数。（10 分）解：广义对象传递函数)1(e1)(ssKssGTs对应的脉冲传递函数为1112121111111e()()(1)111(1)(1)(1)(1)11eee1(e1)1e1(1)(1e)TsTTTTTTKG zG sss sTzKzKzsszzzTKTzzTzzZZZ四、已知被控对象传递函数为)11.0)(18(20)(sssG试用“二阶工程最佳”设计法确定模拟控制器Gc(s)

10、，并用后向差分法给出等效的数字控制器形式。（10 分）解：经动态校正后系统的开环传递函数为)11.0)(18(20)()()()(cc0sssGsGsGs应选择 Gc(s)为 PI 控制器，其基本形式为sTssGIc1)(为使 PI 控制器能抵消被控对象中较大的时间常数，可选择8则有0cII81201()()()(81)(0.11)(0.11)20s sG s G sTT sssss根据二阶工程最佳设计法则，应有22I2211.0220TTT解之得4IT于是得到模拟控制器的传递函数为)811(2)11(418)(IPcssKKsssG对以上的模拟 PI 控制器，根据后向差分近似的等效变换方法，

11、得等效的数字控制器：11)81(2)()(11czzTsGzDTzs五、已知广义被控对象:)1(1e1)(ssssGTs,给定 T=1s(20 分)针对单位斜坡输入设计最小拍有纹波控制系统,并画出系统的输出波形图。解：由已知条件，被控对象含有一个积分环节，有能力产生单位斜坡响应。求广义对象脉冲传递函数为11121211111111e1()()(1)111(1)(1)(1)(1)11e0.368(10.718)(1)(10.368)TsG zG sss szzzsszzzzzzzZZZ可以看出，G(z)的零点为-0.718(单位圆内)、极点为 1(单位圆上)、0.368(单位圆内)，故 u=0,

12、v=0(单位圆上除外),m=1。根据稳定性要求，G(z)中 z=1 的极点应包含在e(z)的零点中，由于系统针对等速输入进行设计，故p=2。为满足准确性条件另有e(z)=(1z1)2F1(z),显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设1101()()zzcc z011(1)1(1)20cccc解得1,210cc。闭环脉冲传递函数为111212e()(2)2()1()(1)zzzzz z zz则1111e()5.435(1 0.5)(10.368)()()()(1)(1 0.718)zzzD z z G zzz11223412()()()(2)234(1)zY zR z zzzzzzz（图略

13、）。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

14、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010mA DC 或 420mA 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

15、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、0.003922D、0.0009775 3.专家控制系统大致可以分为（D）专家自整定控制专家自适应控制专家监督控制混合型专家控制仿人智能控制A、B、C、D

16、、4.一个 8 位的 A/D 转换器(量化精度0.1%)，孔径时间3.18 m，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、50HzC、100Hz D、500Hz 5.某热处理炉温度变化范围为01350，经温度变送器变换为15V 的电压送至ADC0809，ADC0809的输入范围为05V，当 t=KT 时，ADC0809 的转换结果为6A，此时炉温为（C）A、588.98B、288.98C、361.23D、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

17、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扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法。4.数字控制器算法的工程实现分为哪六部分？答：包括给定值处理、被控量处理、偏差处理、控制算法的实现、控制量处理、自动手动处理。5.数字控制器的连续化设计步骤

18、？答：设计假想的连续控制器、选择采样周期 T、将 DS离散化为 Dz、设计由计算机实现的控制算法、校验五个步骤。一、填空题（共20 分，每题2 分）1.计算机系统由和两大部分组成。计算机、生产过程2.集散控制系统（DCS）的结构模式为：.操作站控制站现场仪表3.变送器输出的信号为或的统一信号。010mA、420mA 4.模拟输出通道的结构型式主要取决于的构成方式。输出保持器5.数控系统一般由数控装置、和检测装置等。驱动装置、可编程控制器1.6.设线性定常系统的输出方程为()()tCx=ty，y（t）以最少的N拍跟踪参考输入r（t），必须满足条件y（N）=Cx（N）=0r7.常用的状态观测器有3

19、 种：、预报观测器、现时观测器、降阶观测器8.“若 A则 B，否则 C”，用模糊关系表示为()()CABA=RU9.在一些对程序流向起决定作用的指令前插入两条指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确轨道。NOP10.采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应二、选择题（共15 分，每题3 分）2.如果模拟信号频谱的最高频率为maxf，只要按照采样频率（A ）进行采样，那么采样信号就能唯一的复观。A.maxf2f B.maxf21f C.maxf2f 时，采用PI 控制 B.当()ke时，采用PD控制C.当()ke时，采用PD控制 D.当()ke时，采用PI 控制三、名词解释（共30 分，每题6 分）1

20、.接口过程通道量化自动校准 HMI 四、简答题（共20 分，每题5 分）1.什么是计算机控制系统？它的工作原理是怎样的？2.什么是共模干扰？如何抑制？3.直线插补计算过程有哪几个步骤？4.程序设计通常分为哪五个步骤？5.如何消除积分饱和？填空题1.计算机、生产过程2.操作站控制站现场仪表3.010mA、420mA 4.输出保持器6.驱动装置、可编程控制器6.y（N）=Cx（N）=0r7.预报观测器、现时观测器、降阶观测器8.()()CABA=RU9.NOP 10.减少电磁感应名词解释2.接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁。3.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。4

21、.所谓量化，就是采用一组数据来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。5.自动校准是指在系统开机后或每隔一定时间自动测量基准参数，然后计算误差模型，获得并存储误差补偿因子。6.HMI 就是使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口。简答题计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。从本质上看，计算机控制系统的工作原理可纳为以下三个步骤：实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出共模干扰时指A/D 转换器两个输入端上公有的干扰电压。其抑制方法：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比。偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判断问题定义、程序设计、编码、调试、改进

22、和再设计对计算出的控制量u（k）限幅，同时，把积分作用切除掉。一、填空题（合计20 分，每空1 分）1、实时的概念不能脱离具体的过程，一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个、实时系统必定是在线系统。2、典型的工业生产过程可分为：连续过程、离散过程、批量过程3、计算机控制系统的典型型式：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、综合自动化控制系统。4、计算机控制系统的发展趋势：控制系统的网络化、智能化、扁平化、综合化。5、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。6、在计算机控制系统中，模拟量输入通道的任务是把系统中检测到

23、的模拟信号，变成、二进制数字信号，经接口送往计算机。7、计算机控制系统的CPU 抗干扰措施常采用看门狗、电源监控（掉电检测及保护）、复位 等方法。8、对于任意的极点配置，L 具有唯一解的充分必要条件是被控对象完全能控。（反馈控制规律L 满足方程：|zI-F+GL|=(z)）9、香农采样定理：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f2fmax进行采样，那么采样信号y*(t)就能唯一地复观y(t).10、程序设计通常分为5 个步骤，即 问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计。二、选择题(合计 15 分，每题 3 分)1、如图 1 所示，Vout为 8 位

24、D/A 转换器的双极性输出端，若输入数字量D=11100000（B），基准参考电 VREF=5V，则 Vout为：（C）A、4.375V B、-4.375V C、3.75VD、-3.75V 2、对于电动组合仪表DDZ-型采用的标准电动信号是：（B）A、DC 010mA、DC020V B、DC420mA、DC15V C、DC 010mA、DC15V D、DC420mA、DC020V 3、某一个输入电路，其共模干扰电压Ucm=100，Ucm转换成串模干扰压为Un=10，则该电路的CMRR(常用共模抑制比)为：（A ）A、20 B、10 C、200 D、100 4、q=20mV 时，量化误差为10m

25、V，0.9901.009V 范围内的采样值，其量化结果都是：（D）A、2 B、1 C、100 D、50 5、软件抗干扰技术包括：（D ）数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱A、B、C、D、三、名词解释(合计 30 分，每题6分)信号调理有源 I/V 变换积分分离模糊集合软件陷阱名词解释为了将外部开关量信号输入到计算机、必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。主要是利用有源器件运算放大器、电阻来实现将变送器输出的标准电流信号变换成标电压信号。在 PID 控制中，为了提高控制性能，当偏差e(k)较大时，取消

26、积分作用（采用PD 控制）；当偏差 e(k)较小时才将积分作用投入（采用PID控制）。在人类思维中，有许多模糊的概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和外延的集合。就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。四、简答题(合计 20 分，每题 5 分)1、什么叫共模干扰，其抑制方法有哪些？共模干扰也称共态干扰，是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。抑制方法有：变压器隔离、光电隔离、浮地隔离、采用仪表放大器提高共模抑制比。2、在计算机控制系统中，一般有哪几种地线？模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地五种。3、简述逐点比较法插补刀具或绘

27、图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看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。如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走如此，走一步、看一看，比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。4、设加工第二象限直线OA，起点为 O（0，0），终点坐标为A（-4，6），试用直线插补法在图（2）上做出走步轨迹图（标明方向）。设计题：1、数据存放方式可以采用环形队列结构来实现。设环形队列地址为40H4FH 共 16 个单元，用R0作队尾指示，其程序流程图如图所示。程序清单如下

28、所列。(猜可能会考的编程题目：计算机控制)FLT30:ACALL INPUTA;采新值放入A 中MOV R0,A;排入队尾INC R0;调整队尾指针MOV A,R0;ANL A,#4FH;建立新队尾指针MOV R0,A;初始化MOV R1,#40F MOV R2,#00H MOV R3,#00H FLT31:MOV A,R1;取一个采样值ADD A,R3;累加到 R2,R3 中R3 存本位MOV R3,A CLR A ADDC A,R2;R2 存进位MOV R2,A INC R1 CJNE T1,#50H,FLT31;累计完 16 次0A(4,6)FLT32:SWAP A;(R2,R3)/16

29、 XCH A,R3 SWAP A ADD A,#80H;四舍五入ANL A,#0FH ADDC A,R3 RET;结果在 A 中2、设计一串行输入12 位 D/A 转换接口电路并写出程序代码1、AD7543 和 8031 单片机的接口设计：8031 的串行口选用方式0(移位寄存器方式)，其 TXD 端移位脉冲的负跳变将RXD 输出的位数据移入 AD7543，利用 P1.0 产生加载脉冲，由于是低电平有效，从而将AD7543 移位寄存器A 中的内容输入到寄存器B 中，并启动 D/A，单片机复位端接AD7543 的消除 CLR 端，以实现系统的同步。由于 AD7543 的 12 位数据是由高字节至

30、低字节串行输入的，而8031 单片机串行口工作于方式0 时，其数据是由低字节至高字节串行输出的。因此，在数据输出之前必须重新装配，并改变发送顺序，以适应AD7543 的时序要求。如表3 所列，其中数据缓冲区DBH 为高字节存储单元，DBL为数据低8 位存储单元。改变数据发送顺序的程序如下：OUTDA：MOV A，DBH；取高位SWAP；高 4 位和低 4 位交换MOV DBH，A MOV A，DBL；取低位ANL A，OFOH；截取高 4 位SWAP；高 4 位和低 4 位交换ORL A，DBH；合成，(DBH)=D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 LCALL ASMBB；顺序

31、转换MOV DBH，A；存结果(DBH)=D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 MOV A，DBL；取低位ANL A，OFH；截取低4 位SWAP；交换，(A)=D3 D2 D1 D0 0 0 0 0 LCALL ASMBB；顺序转换MOV DBL，A；存结果(A)=0 0 0 0 D0 D1 D2 D3 MOV A，DBH MOV SBUF，A；发送高8 位JNB TI；等待发送完成CLR TI；发送完毕，清标志MOV A，DBL MOV SBUF，A；发送低4位JNB TI；等待CLR TI；发送完毕CLR P1.0；A 寄存器加载到B 寄存器NOP SETB P1.0；恢复

32、REF ASMBB：MOV R6，00H MOV R7，08H CLR C ALO：RLC A XCH A，R6 RRC A XCH A，R6 DJNZ R7，AL0 XCH A，R6 RET 这种方式的单片机串行通讯口与AD7543 的接口电路，其波特率固定为CPU 时钟频率的1/12，如果CPU 的频率为6MHz，那么波特率为50kbps，位周期为20s，显然，这种连接方法只能用于高速系统。2、AD7543 与单片机普通输入输出口线的连接：AD7543 可以用 8031 的 P1 口实现数据传送。这种方法的波特率可调，传输速度由程序控制。电路与图 2 相同，仅把8031 的数据输出端由RX

33、D 引脚改为 P1.1，将移位脉冲输出端由TXD 改为 P1.2口线，P1.0 仍为加载脉冲输出。其程序如下：FS：MOV R7，04H MOV A，DBH；数据高4 位SWAP LOOP1：RLC A MOV P1.0；输出LCALL PULSE；移位脉冲输出DJNZ R7，LOOP1；4 位未完继续MOV R7，08H MOV A，DBLH；数据低8 位 LOOP2：RLC A MOV P1.0 C；输出LCALL PULSE；移位脉冲输出DJNZ R7，LOOP2；8 位未完继续CLR P1.1；输出加载脉冲NOP SETB P1.1 RET；传送完毕PULSE：SETB P1.1；输出高电平MOV R3,4 PULS1:DJNZ R3,PULS1 CLR P1.1;输出低电平MOV R3，4 PULS2:DJNZ R3,PULS2 RET 其中 FS 为 AD7543 驱动程序，子程序PULSE 为移位脉冲形成程序，改变R3 的数值可以改变移位脉冲的频率。从而改变串行通讯波特率。