計算機控制技術及其應用第11章 計算機控制技術在流程工業自動化中的應用 思考題與習題 指導信息第1章 概述1. 什么是自動控制、控制系統、自動化和控制論？指導信息: 參見1.1自動控制的基本概念。自動控制(autocontrol)：不用人力來實現的控制，通常可用機械、電氣等裝置來實現。通常相對手動控制而言。控制系統(control system)：通過控制來實現特定功能目標的系統。而系統(system)是由相互聯系、相互作用要素組成的具有一定結構和功能的有機整體。控制系統通常有一定的規模和復雜性，否則常稱為控制裝置或控制機構。自動化(automation)：在無人工干預情況下，一個或多個控制系統或裝置按規定要求和目標的實現過程。自動化強調的是自動控制過程，其核心概念是信息。控制論(cybernetics)：研究各類系統的調節和控制規律的科學。各類系統包括動物(及人類)和機器系統。自從1948 年諾伯特維納發表了著名的控制論關于在動物和機中控制和通訊的科學一書以來，控制論的思想和方法已經滲透到了幾乎有的自然科學和社會科學領域。控制論著重于研究過程中的數學關系。2. 控制的本質是什么？指導信息: 參見1.1.2 自動控制中的基本問題。控制過程本質上是一系列的信息過程，如信息獲取、信息傳輸、信息加工、信息施效等。控制系統中的目標信息、被控對象的初始信息、被控對象和環境的反饋信息、指令信息、執行信息等，通常由電子或機械的信號來表示。3. 自動控制中有哪些基本問題？指導信息: 參見1.1.2 自動控制中的基本問題。自動控制中的基本問題包括：自動控制系統的結構、過程、目標和品質等。結構包括組成及其關系兩個部分；控制過程主要為一系列的信息過程，如信息獲取、信息傳輸、信息加工、信息施效等；目標規則體現了系統的功能；控制品質即為控制的質量，可通過系統的性能指標來評價。4. 一個控制系統由哪些部分組成？試結合一個實例來說明。指導信息: 參見1.1.2 自動控制中的基本問題。一個控制系統可以由控制單元、執行單元、反饋單元、被控對象、目標規則組成，它們的相互關系參見圖 1 5所示。控制系統結構框圖5. 控制系統的性能指標有哪些？試結合一個實例來說明。指導信息: 參見1.1.2 自動控制中的基本問題。控制系統的性能指標有傳統意義上的性能指標和廣義的評價指標。統意的性能指標有穩定性、快速性、準確性等。廣義的評價指標包括可靠性、操作性、互換性、效率以及性價比等。（結合實例來說明略。）6. 一個典型的計算機控制系統由哪些部分組成？它們的關系如何？指導信息: 參見1.2.1 計算機控制系統的結構。計算機系統分為硬件系統和軟件系統，硬件系統包括計算機、輸入輸出接口、過程通道(輸入通道和輸出通道)、外部設備(交互設備和通信設備等)，軟件系統包括系統軟件和應用軟件，其中計算機系統作為控制單元，見圖 1 6所示。典型計算機控制系統的結構框圖7. 計算機控制系統有哪些分類？試比較DDC、SCC、DCS和FCS的各自特點。指導信息: 參見1.2.2計算機控制系統的分類。分類方法有：按系統結構的分類、按控制器與被控對象的關系分類、按計算機在控制系統中的地位和工作方式分類、按控制規律分類。其中DDC(Direct Digital Control)、SCC(Supervisory Computer Control)、DCS(Distributed Control System) 和FCS(Field bus Control System)是按計算機在控制系統中的地位和工作方式來分類的。DDC中的計算機直接承擔現場的檢測、運算、控制任務，相當于“一線員工”。SCC系統中的SCC計算機主要完成監督控制，指揮下級DDC計算機完成現場的控制，相當于“車間主任”或“線長”。DCS由多臺分布在不同物理位置的計算機為基礎，以“分散控制、集中操作、分級管理”為原則而構建的控制系統，DCS中的計算機充當各個部門的“管理人員”，如過程管理、生產管理、經營管理等職能。FCS是建立在網絡基礎上的高級分布式控制系統。在FCS中，控制器、智能傳感器和執行器、交互設備、通信設備都含有計算機，并通過現場總線相連接。這些計算機的功能不僅僅在于對一般信息處理，而是更強調計算機的信息交換功能。8. 試通過實例來說明不同控制規律的特征。指導信息: 參見1.2.2計算機控制系統的分類。不同控制規律分類有恒值控制、隨動控制、PID控制、順序控制、程序控制、模糊控制、最優控制、自適應控制、自學習控制等。恒值控制：控制目標是系統的輸出根據輸入的給定值保持不變，輸入通常是在某一時間范圍內恒定不變或變化不大的模擬量。如恒溫爐的溫度控制，供水系統的水壓控制，傳動機構的速度控制。隨動控制：控制目標是要求系統的輸出跟蹤輸入而變化，而輸入的值通常是隨機變化的模擬量，往往不能預測。如自動導航系統、自動駕駛系統、陽光自動跟蹤系統、雷達天線的控制等。PID控制：根據給定值與輸出值之間偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進行的反饋控制，是工業上適用面較廣、歷史較長、目前仍得到廣泛應用的控制規律。許多連續變化的物理量如溫度、流量、壓力、水位、速度等的控制，都可采用PID控制。許多恒值控制和某些隨動控制也可采用PID規律來實現。順序控制：根據給定的動作序列、狀態和時間要求而進行的控制。如交通信號燈的控制、電梯升降的控制、自動包裝機、自動流水線的控制。程序控制（數值控制、數字控制）：指根據預先給定的運動軌跡來控制部件行動。如線切割機的控制、電腦繡花機的控制。模糊控制：基于模糊集合和模糊運算，采用語言規則表示法進行的控制。在許多家用電器（電飯煲、洗衣機等）、工業過程控制等領域得到了越來越多的應用。最優控制（最佳控制）：使系統的某些指標達到最優，而這些指標往往不能直接測量，如時間、能耗等。自適應控制：在工作條件改變的情況下，仍能使控制系統對被控對象的控制處于最佳狀態。它需要隨時檢測系統的環境和工作狀況，并可隨時修正當前算法的一些參數，以適應環境和工作狀況的改變。自學習控制：能夠根據運行結果積累經驗，自行改變和完善控制的算法，使控制品質愈來愈好。它有一個積累經驗和主動學習的過程，可以適時地調整算法的結構和參數，以不斷地提高自身算法質量。9. 計算機控制系統中獲取信息、傳輸信息、加工信息、執行信息等過程分別與哪些技術有關？指導信息: 參見1.2.3 計算機控制技術及其發展。計算機控制系統中的獲取信息、傳遞信息、加工信息、執行信息等過程都有相應的技術來實現，而這些過程中的信息大部分由電子信號來表示，信息處理的工具是電子計算機。在這些過程用到的計算機控制技術包括控制用計算機技術、輸入輸出接口與過程通道技術、控制網絡與數據通信技術、數字控制器設計與實現技術、控制系統的人機交互技術、控制系統的可靠性技術以及計算機控制系統的設計技術等。10. 學習計算機控制技術可遵循哪些原則？指導信息: 參見1.3.2 學習方法。學習計算機控制技術可遵循的原則有系統化、信息化、規范化、實用化。系統化原則：要認識到控制系統是具有一定結構和功能的有機整體，可將其分解為相互聯系、相互作用的各個子系統，它們的子功能可通過外特性來描述。信息化原則：可從信息化的本質來看待一個控制過程。計算機是一個強大的信息處理工具，一個合適的信息表達形式是信息得到有效處理的前提，控制規律的數據形式表達是信息加工的關鍵，而時間和空間是信息處理的兩大限約要素，因此計算機的速度和存儲空間是其重要的性能指標。規范化原則：為提高系統的構建效率，降低維護費用，應從規范化的要求來分析和設計一個控制系統。應了解和掌握控制系統從底層的標準元器件、信號類型、總線標準、通信協議到組態軟件的編程語言、開放式的監控軟件。這些規范化技術通常有較長的生命周期，重點掌握這些技術也是提高學習效率的一個要素。實用化原則：從實用化的角度來理解控制技術的應用水平。在市場經濟的環境下，生命力強的技術必然會有性能和價格上的優勢，性價比高的產品必然會得到應用廣泛，低碳環保的產品會受到更多用戶的歡迎。因此，我們要隨時了解當前技術、產品性能和價格情況，在設計時盡可能選用性價比好的技術和產品，避免重復使用低級落后技術，減少低性能、高價格、高能耗、不可靠、難維護的劣質系統。11. 請收集有關資料，了解計算機控制技術近期的發展動向。（略）12. 請收集有關參考教材，了解計算機控制技術相關課程的教學內容。（略）- 11-1 -第2章 計算機控制系統的理論基礎1. 簡述輸入輸出描述方法和狀態空間描述方法的各自特點。指導信息: 參見2.1.1 控制系統的描述方法。輸入輸出描述方法也稱激勵響應法，它是基于系統的輸入與輸出之間的因果關系來描述系統特性的，主要適用于描述單變量輸入和單變量輸出的系統。輸入輸出描述方法中，系統的輸出不僅與當前的輸入有關，還與過去的輸入和輸出有關。狀態空間描述方法是基于系統狀態轉換為核心，不僅適用于描述單變量輸入和單變量輸出的系統，也能適用于多變量的場合。系統的輸出僅與當前的系統輸入和狀態變量有關。2. 連續系統和離散系統分別使用哪些數學工具來表示？指導信息: 參見2.1.1 控制系統的描述方法。對連續系統用到的數學工具有微分方程、拉氏變換和傳遞函數，對離散系統用到的數學工具有差分方程、Z變換和脈沖傳遞函數。對連續系統，可用微分方程、脈沖響應、傳遞函數建立系統模型；對離散系統，可用差分方程、脈沖響應、脈沖傳遞函數建立系統模型；對連續系統和離散系統，都可用方框圖來描述系統結構。3. 什么是連續系統的傳遞函數？什么是離散系統的脈沖傳遞函數？它們有什么實用意義？指導信息: 參見2.1.5 用傳遞函數表示的系統模型，2.3.6 脈沖傳遞函數。連續系統的傳遞函數定義為零初始條件下系統輸出y(t)的拉氏變換與輸入r(t)的拉氏變換之比，即：離散系統的脈沖傳遞函數(也稱Z傳遞函數)可定義為：其中，Y(z)為系統輸出序列y(k)的Z變換，R(z)為輸入序列r(k)的Z變換。傳遞函數或脈沖傳遞函數都反映了系統固有本質屬性，它與系統本身的結構和特征參數有關，而與輸入量無關。利用傳遞函數的表達式就能分析出系統的特性，如穩定性、動態特性、靜態特性等；利用傳遞函數可通過求解方程代數而不是求解微分方程，就可求出零初始條件下的系統響應。特別指出，通過實驗的方法，求出離散系統的脈沖傳遞函數更為方便有效。4. 方框圖有哪些符號要素和等效變換規則？指導信息: 參見2.1.6 系統的方框圖。系統的方框圖是線圖形式的系統模型，由方框、有向線段和相加節點組成，方框圖的變換規則有：并聯、串聯和反饋。參見表 2-3和表 2-4。5. 畫出狀態空間模型框圖，寫出輸出方程和狀態方程表達式。指導信息: 參見2.1.7 狀態空間概念和模型框圖和2.3.7 離散系統的狀態空間描述。離散系統的狀態空間描述與連續系統類似，其模型框圖參見圖2-14所示。A為狀態矩陣、B為輸入矩陣、C為輸出矩陣、D為傳輸矩陣，延時單元z-1可以看成一組D型觸發器或數據寄存器。離散系統的狀態空間描述方法輸出方程和狀態方程表達式用矩陣表示為：6. 簡述采樣過程和采樣定理。指導信息: 參見2.3.2 采樣過程和采樣定理。設模擬信號為e(t)，經采樣開關后輸出為采樣信號e*(t)。理想的采樣信號e*(t)的表達式為：通常在整個采樣過程中采樣周期T是不變的，這種采樣稱為均勻采樣，為簡化起見，采樣信號e*(t)也可用序列e(kT)表示，進一步簡化用e(k)表示，此處自變量k為整數。香農(C.E.Shannon)的采樣定理(也稱抽樣定理或取樣定理)：只要采樣頻率fs大于信號(包括噪聲)e(t)中最高頻率fmax的兩倍，即fs2fmax，則采樣信號e*(t)就能包含e (t)中的所有信息，也就是說，通過理想濾波器由e*(t)可以唯一地復現e(t)。7. 已知某離散系統的脈沖傳遞函數模型如下表達式，求相應的零極點增益模型和狀態空間模型(可嘗試借助MATLAB工具)。指導信息: 參見2.3.7 離散系統的狀態空間描述。零極點增益模型如下：狀態空間模型如下：其中：8. 寫出下列序列x1(k)、x2(k)對應的Z變換。指導信息: 參見2.3.3 序列和差分方程。x1(k)=2+1z-1+3z-2+4z-4 x2(k)=1+2z-1+8*z-2/(1-z-1)9. 寫出下列Z表達式所對應的序列表達式和序列圖。(1)；(2)(3)； (4)指導信息: 參見2.3.3 序列和差分方程。x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k) 所對應的序列表達式和序列圖如下：x1 (k)5(k)+3(k-1) -(k-2) +3(k-3)x2(k)3(k)+2(k-1)+4(k-2) +8(k-3)+9(k-4)+ 32(k-5)+64(k-6)+x3 (k)0+10(k-1)+11(k-2) +9.1(k-3)+6.71(k-4)+ 4.651(k-5)+3.1031(k-6)+x4 (k)4.69(k)-6.8169(k-1) +5.7739(k-2) -4.89055(k-3) +4.14232(k-4)+x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k) 所對應的序列圖如下：10. 已知控制算式 y(k) 0.8y(k-1) 0.2x(k), 試根據輸入 x(k) 寫出相應的響應 y(k)。 指導信息: 參見2.3.3 序列和差分方程。迭代法求解差分方程計算過程k 0 0 1 2 3 4 x(k) 0 200 180 170 160 0 y(k) 0 406888.4102.7282.17611. 離散系統穩定的充要條件是什么？指導信息: 參見2.4.2 穩定性分析。根據自動控制理論，連續系統穩定的充要條件是系統傳遞函數的特征根全部位于s域左半平面，而對離散系統穩定的充要條件是系統脈沖傳遞函數的特征根全部位于z平面的單位圓中。12. 動態特性主要是用系統在單位階躍輸入信號作用下的響應特性來描述。常見的有哪些具體的指標？指導信息: 參見2.2.2 連續系統的分析和設計方法回顧和2.4.4 動態特性分析。系統的動態特性可通過多項性能指標來描述，常見的具體指標有上升時間tr、峰值時間tp、調節時間ts和超調量等。13. 已知如下所示的離散系統的G(z)、D(z)，試分別求出不同R(z)情況下的穩態誤差ess。其中： 、；R(z)分別取：(1)、(2)指導信息: 參見2.4.3 靜態誤差分析。因為，所以系統是I型系統。(1) 時，穩態誤差為0。(2) 時，穩態誤差為，（取T=1），其中則 第3章 數字控制器的設計與實現1. 簡述數字控制器近似設計與解析設計法的設計過程。指導信息: 參考3.1.1 近似設計法。數字控制器D(z)的近似設計過程如下：先設計控制器的傳遞函數D(s)（需要運用自動控制理論知識）。選擇合適的離散化方法，將D(s)離散化，獲得與D(s)性能近似的D(z)。檢驗計算機控制系統閉環性能。進行優化。必要時，重新修正D(s)后，再離散化。對D(z)滿意后，將其變為數字算法，在計算機上編程實現。數字控制器D(z)的解析設計過程如下：根據系統的G(z)、輸入R(z)及主要性能指標，選擇合適的采樣頻率；根據D(z)的可行性，確定閉環傳遞函數(z)；由(z)、G(z)，確定D(z)；分析各點波形，檢驗計算機控制系統閉環性能。若不滿意，重新修正(z)。對D(z)滿意后，將其變為數字算法，在計算機上編程實現。2. 已知某對象的傳遞函數如下，分別用向后矩形法和梯形變換法求出相應的脈沖傳遞函數，設采樣周期T=1s。，指導信息: 參見3.2.1 積分變換法。根據公式(3-3)和(3-5)計算。 用向后矩形法求解(設T=1)：用梯形變換法(設T=1)3. 已知某對象的傳遞函數如下，分別用脈沖響應不變法和帶保持器的階躍響應不變法求出相應的脈沖傳遞函數，設采樣周期T=1s。指導信息: 參見3.2.2 零極點匹配法和3.2.3 等效變換法。零極點匹配法（略）。等效變換法求解：4. 寫出PID的傳遞函數D(s)，并分別用向后矩形法和梯形變換法求出相應的D(z),要求將表達式整理成規范的分式，設采樣周期T=1s。指導信息: 參見3.2.1 積分變換法和3.3.2 數字PID控制算法。PID的傳遞函數D(s) 如下：用向后矩形法求出相應的D(z) 如下：用梯形變換法求出相應的D(z) 如下：5. PID的Kp、Ki、Kd參數各有什么作用？指導信息: 參見3.3.1 PID控制的原理。比例系數Kp的增大利于提高靈敏度，加快調節速度，減小穩態誤差，但不能消除穩態誤差。Kp過大時，系統容易引起振蕩，趨于不穩定狀態。積分時間Ti是消除系統穩態誤差的關鍵，Ti要與對象的時間常數相匹配，Ti太小，容易誘發系統振蕩，使系統不穩定；Ti太大，則減小穩態誤差的能力將削弱，系統的過渡過程會延長。微分時間Td的主要作用是加快系統的動態響應，即可以減少超調量，又可減小調節時間。但引入Td后，系統受干擾的影響會增加。6. 數字PID控制的參數整定方法有哪些？各有什么特點？指導信息: 參見3.3.3 數字PID控制的參數整定。數字PID控制的參數整定方法常見的有擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法、歸一參數法和經驗整定法等。擴充臨界比例度法在閉環系統中進行，在整定過程中允許出現振蕩。擴充響應曲線法通過開環實驗獲得對象的動態特性，實驗過程中不會出現振蕩。歸一參數整定法根據經驗數據，人為地設定“約束條件”，只需要改變Kp，就可觀察控制效果。7. 數字PID控制算法有哪些改進的方法？指導信息: 參見3.3.2 數字PID控制算法。主要的改進包括積分項的改進、微分項的改進、串接濾波單元等。積分項的改進有：積分項分離的PID算式，變速積分的PID算式，飽和停止積分的PID算式。微分項的改進有：不完全微分的PID算式和微分先行PID算式。串接濾波單元：基于連續系統傳遞函數的數字濾波器，基于邏輯判斷來實現的濾波器。8. 已知某控制系統的G(z)如下，假定R(z)分別在階躍信號、單位速度信號激勵下，按最少拍隨動系統設計方法，求出D(z)，并畫出各點波形。指導信息: 參見3.4.2 最少拍隨動系統的設計。(1)在階躍信號激勵下:因為G(z)具有因子，無單位圓外的零點，則(z) 應包括因子；G(z)分母和R(z)均有因子則Ge(z)應包含；又因為，(z)和Ge(z)應該是同階次的多項式，所以有：兩式中的a，b為待定系數。將上兩式聯立，得：，比較等式兩側，得到解：所以：各點波形：序列數據:k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1e(k): 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 2.000-2.000 1.200-0.720 0.432-0.259 0.156-0.093y(k): 0.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在單位速度信號激勵下:因為G(z)含有因子，則(z)分子應包括； G(z)分母有因子，R(z) 分母有均則Ge(z)應包含；又因為，(z)和Ge(z)應該是同階次的多項式，所以有：式中a、b、c為待定系數，求解上述方程組可得：a =2,b =-0.5,c=1。所以有：各點波形：注意：按最少拍隨動系統設計方法，p(k)會有紋波。序列數據:k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7e(k): 0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 0.000 4.000-2.000 2.400-0.240 1.344 0.394 0.964y(k): 0.000 0.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.0009. 已知某控制系統的G(z)如下，假定分別在階躍信號、單位速度信號激勵下，按最少拍隨動系統設計方法，求出D(z)，并畫出各點波形。指導信息: 參見3.4.2 最少拍隨動系統的設計。參見3.4.2 最少拍隨動系統的設計。(1)在階躍信號激勵下:因為G(z)具有因子，有單位圓外的零點z=-1.5，則(z) 應包括因子和；G(z)分母和R(z)均有因子，則Ge(z)應包含；又因為，(z)和Ge(z)應該是同階次的多項式，所以有：兩式中的a，b為待定系數。將上兩式聯立，得：，所以：各點波形：序列數據:k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1e(k): 1.000 0.600-0.000-0.000-0.000-0.000-0.000-0.000p(k): 0.200-0.180 0.042-0.004 0.000-0.000 0.000-0.000y(k): 0.000 0.400 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在單位速度信號激勵下:解：因為G(z)含有因子，則(z)分子應包括； G(z)分母有因子，R(z) 分母有均則Ge(z)應包含；又因為，(z)和Ge(z)應該是同階次的多項式，所以有：所以有：a=-c+2,a*b+a*3/2=2*c-1,a*b*3/2=-c；(參考MATLAB命令：a,b,c=solve(a=-c+2,a*b+a*3/2=2*c-1,a*b*3/2=-c);)解得：a =26/25,b =-8/13,c =24/25,所以有：各點波形：注意：按最少拍隨動系統設計方法，p(k)會有紋波。序列數據:k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7e(k): 0.000 1.000 0.960 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 0.000 0.520-0.268 0.129 0.051 0.059 0.058 0.058y(k): 0.000 0.000 1.040 3.000 4.000 5.000 6.000 7.00010. 按最少拍無紋波隨動系統設計方法，求出前面習題8和習題9的D(z)，并畫出各點波形。指導信息: 參見3.4.3 最少拍無紋波隨動系統的設計。(1)在階躍信號激勵下:, 因為G(z)具有因子，單位圓內的零點z=-0.6，則(z) 應包括和(1+0.6z-1)因子；G(z)分母和R(z)均有因子則Ge(z)應包含因子；又因為，(z)和Ge(z)應該是同階次的多項式，所以有：兩式中的a，b為待定系數。將上兩式聯立，可求得：a=0.625，b=0.375。(參考MATLAB命令：a,b=solve(a= (1-b), (0.6*a)=b);)所以有：將上面兩式代入，可求出數字控制器的脈沖傳遞函數各點波形：注意：按最少拍無紋波隨動系統設計方法，p(k)不會有紋波。序列數據:k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1e(k): 1.000 0.375 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 1.250-0.500 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000y(k): 0.000 0.625 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在單位速度信號激勵下:,因為G(z)含有因子和零點z=-0.6，因此，(z)中應含有、(1+0.6z-1)項；G(z)分母和R(z)均有因子則Ge(z)應包含；又因為，(z)和Ge(z)應該是同階次的多項式，所以有：式中a、b、c為待定系數，由此得方程組：求解上述方程組可得：a =1.484;b =-0.579;c =0.516。(參考MATLAB命令：a,b,c=solve(a=-(-2+c),a*(0.6+b)=-(1-2*c),a*0.6*b=-c);)或將上面兩式代入，可求出數字控制器的脈沖傳遞函數各點波形：注意：按最少拍無紋波隨動系統設計方法，p(k)不會有紋波。序列數據:k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7e(k): 0.000 1.000 0.516 0.001 0.001 0.002 0.002 0.002p(k): 0.000 2.968 0.062 0.750 0.750 0.750 0.750 0.750y(k): 0.000 0.000 1.484 2.999 3.999 4.998 5.998 6.998(3)在階躍信號激勵下:由G(z)可知(z) 應包括和(1+1.5z-1)和(1+0.1z-1)因子；由G(z)和R(z可知Ge(z)應包含因子；(z)和Ge(z)應該是同階次的多項式，所以有：兩式中的a,b,c,d為待定系數。a =4/11;b =7/11;c =3/55;(參考MATLAB命令：a,b,c=solve(3/20*a=c,(8/5*a)=-(c-b),a=-(b-1)求得：a =4/11,b =7/11,c =3/55,則有：將上面兩式代入，可求出數字控制器的脈沖傳遞函數各點波形：序列數據:k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1e(k): 1.000 0.636 0.055 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 0.182-0.145 0.022-0.000 0.000-0.000 0.000-0.000y(k): 0.000 0.364 0.945 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(4)在單位速度信號激勵下:,由G(z)可知(z) 應包括和(1+1.5z-1)和(1+0.1z-1)因子；由G(z)和R(z可知Ge(z)應包含因子；(z)和Ge(z)應該是同階次的多項式，所以有：(參考MATLAB命令：a,b,c,d= solve(3/20*a*b=-d,(8/5*a*b+3/20*a)=(2*d-c), (a*b+8/5*a)= (-d+2*c-1) , a=(-c+2) ) )求得：a =592/605,b =-93/148,c =618/605,d =279/3025.,以及：將上面兩式代入，可求出數字控制器的脈沖傳遞函數各點波形：序列數據：k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7e(k): 0.000 1.000 1.021 0.092 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 0.000 0.489-0.210 0.095 0.058 0.058 0.058 0.058y(k): 0.000 0.000 0.979 2.908 4.000 5.000 6.000 7.000附：不同輸入信號下的各點波形：(1)在三個階躍信號激勵下:, ，如果輸入是速度函數，則會存在誤差，如下所示： (2)在三個單位速度信號激勵下:, (3)在三個階躍信號激勵下: (4)在三個單位速度信號激勵下:,11. 根據下列控制器的D(z)，分別畫出直接式、串行實現法和并行實現法的實現框圖和相應的輸出方程和狀態方程。、指導信息: 參見3.5.1 實現框圖與算法。（1）對D1(z)，采用直接式1和直接式2的實現框圖如下：D1(z)對應直接式1實現框圖的狀態方程和輸出方程如下：狀態方程：輸出方程：D1(z)對應直接式2實現框圖的狀態方程和輸出方程如下：狀態方程：輸出方程：D1(z)串行實現法的表達式為：（實現框圖略。）D1(z)并行實現法的表達式為：（實現框圖略。）（2）對D2(z)，采用直接式1和直接式2的實現框圖如下：D2(z)對應直接式1實現框圖的狀態方程和輸出方程如下：狀態方程：輸出方程：D2(z)對應直接式2實現框圖的狀態方程和輸出方程如下：狀態方程：輸出方程：D2(z)串行實現法的表達式為：（實現框圖略。）D2(z)并行實現法的表達式為：（實現框圖略。）第4章 控制系統中的計算機及其接口技術1. 工業控制計算機有哪些要求？基于PC機工業控制計算機其結構與普通PC機有何不同？指導信息: 參見4.1.1 工業控制計算機的特點和結構。對工業控制計算機的要求主要體現在其所具有特點：適應性、可靠性、實時性、擴展性等方面。基于PC機工業控制計算機其結構與普通PC機不同之處是前者在機械結構、元器件選用和電源配置等方面比普通PC機的可靠性更高。2. 工業控制中的嵌入式系統可選擇哪些設計模式？指導信息: 4.1.2 嵌入式系統與單片機。嵌入式系統的設計通常與其架構有關，通常有基于片上系統 (SoC:System on Chip)、系統級封裝 (SiP:System-in-a-Package)、模塊級系統(SOB:System-on-Board)的設計模式。3. 通過查閱資料，了解目前常見的8位和32位微控制器的特點和性能指標。指導信息: 建議利用網絡資源查閱有關資料。提示：可查閱有關微控制器廠商的網站，了解目前常見微控制器的特點和性能指標。4. 通過查閱資料，了解某種工業控制計算機產品的構成、性能指標和適用場合。指導信息: 利用網絡資源查閱有關資料。提示：可查閱某工業控制計算機廠商的網站，了解某種產品的構成、性能指標和適用場合。5. 接口數據傳輸中有哪些定時和協調信號？指導信息: 參見4.2.1 接口與總線。定時信號有：CPU或DMA控制發出的讀(Read)或寫(Write)信號，來實現CPU或存儲器與外設之間的數據傳輸。協調信號有請求(REQ)和應答(ACK)或選通(Strobe)和就緒(Ready)。6. 接口技術中有哪些數據傳輸的方式？各有什么特點？指導信息: 參見4.2.1 接口與總線。根據定時和協調的不同要求，數據傳輸的實現有直接傳輸、程序查詢、定時查詢、中斷傳輸和DMA等幾種方式。特點請參見4.2.1 接口與總線。7. 接口與總線有哪些分類？指導信息: 參見4.2.1 接口與總線。按接口所連接的功能部件來分，有過程通道接口、人機交互接口、存儲設備接口和通信接口。按接口的數據傳輸特征進行分類，有并行接口和串行接口；按接口和總線連接部件的技術特征可分為芯片級總線、板級總線(也稱系統總線)和通信總線(也稱外部總線)。8. RS-232C和RS-485各有什么特點？指導信息: 參見4.2.3 串行接口。提示：可通過傳輸方式、傳輸速率、傳輸距離、信號類型、連接方式、能否組網、應用情況等方面來比較。9. I2C總線和SPI總線各有什么特點？指導信息: 參見4.2.3 串行接口。提示：可通過總線結構、時序、傳輸速率、傳輸距離、適用場合等方面來比較。10. 簡述Infranet、Intranet、Internet之間的關系。指導信息: 參見4.2.4 現場總線。FCS中，形成最底層的控制網稱為Infranet。Infranet的網絡連接現場節點包括控制現場的傳感器、執行器以及人機接口HMI(如安全監控器)等。Infranet可與企業內部網Intranet相連，實現企業內部管理、財務、辦公及人事等的信息化。Intranet再與全球信息網Internet相連，實現企業之間的信息交流。最終可構成一個完整的企業網絡三級體系結構。11. 簡述現場總線的技術特征.指導信息: 參見4.2.4 現場總線。現場總線的主要技術特征有：(1). 數字計算和數字通信；(2). 互操作性和互換性；(3). 傳輸介質的多樣化；(4). 適應性和可靠性等。12. 畫出I2C總線上主器件對地址為1010110的從器件寫入2字節5BH和87H的時序。指導信息: 參見4.2.3 串行接口。提示：參考圖 4 28 I2C總線的傳輸數據格式。13. 畫出SPI總線上主器件向從器件寫入A5H的時序。指導信息: 參見4.2.3 串行接口。提示：圖 4 30 SPI總線的四種時鐘工作方式和圖 4 31 SPI總線傳輸數據實例。14. 控制系統中對人機交互有哪些要求？指導信息: 參見4.3.1 人機交互及其要求。主要包括可理解性和易操作性。可理解性包括確定性、關聯性、層次性、一致性等要素。易操作性包括方便性、有序性、健壯性、安全性等要素。15. 通過查閱資料，有哪些嵌入式操作系統？指導信息: 參見4.4.1 系統軟件。提示：利用網絡資源，查閱相關資料。第5章 計算機控制系統中的過程通道1. 簡述傳感器與變送器的異同。指導信息: 參見5.1.1 傳感器和變送器。變送器(Transmitter)是從傳感器發展而來的，凡能輸出標準信號的傳感器通常稱為變送器。變送器有較強的信號處理能力、能輸出標準信號信號。2. 變送器輸出的信號通常為多少？變送器與輸入通道的連接方式有哪些？請給出連接示意圖。指導信息: 參見5.1.1 傳感器和變送器。通用的標準信號為直流電流420mA或直流電壓15V等。另外，對智能變送器還能輸出規范的數字信號。變送器信號的傳輸連接方式通常有四線制、三線制和兩線制傳輸。連接示意圖見圖5-1。3. IEEE1451標準所指的變換器(Transducer)、檢測器(Sensor)和執行器(Actuator)之間是什么關系？指導信息: 參見5.1.2 IEEE 1451智能變換器標準。要點：智能變換器(Transducer)可以是一種傳感器或檢測器(Sensor)，也可以是一種執行器(Actuator)，或者是兩種的組合，它可以作為信息系統與外界聯系的一個信息節點。4. 試比較伺服電機和步進電機的各自特點。指導信息: 參見5.1.4 伺服電機和步進電機。提示：可通過結構和工作原理、控制精度、矩頻特性、過載能力、成本等方面比較。伺服電機及其構成的伺服系統，特別是交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機，在控制性能要求不是很高的場合可選用步進電機，而對控制精度不高，成本更低的場合，可選擇伺服電機及其簡單的開環控制驅動器。5. 簡述在控制系統中變頻器和電動執行器的作用。指導信息: 5.1.5 變頻器與電動執行器。變頻器主要用于實現電機的變速運行。電動執行器(也稱電動力執行機構)接受來自調節器、工控機、DCS、計算機等儀表系統的控制信號，變成位移推力或轉角力矩，完成調節的機械動作。變頻器和電動執行器在控制系統中完成信息施效的作用。6. 簡述控制系統中信號的類型和處理的要求。指導信息: 參見5.2.1 控制系統中的信號種類及特點。提示：可參考表 5 2 信號類型和處理要求。7. 什么是信號調理？輸入通道中的信號調理包括哪些？指導信息: 參見5.2.1 控制系統中的信號種類及特點。信號調理(Signal Conditioning)是指將敏感元件檢測到的各種信號轉換為規范標準信號。數字量輸入通道中的信號調理主要包括消抖、濾波、保護、電平轉換、隔離等。模擬量輸入通道的調理內容有：電流-電壓信號轉換、電阻-電壓信號轉換、電壓放大以及隔離等，調理后的信號通常為一定大小的電壓信號，然后由A/D轉換器變為數字信號。8. 什么是格雷(Gray)碼？它有哪些特點？指導信息: 5.2.2 數字量信號處理方式。格雷(Gray)碼特點是數值上大小相鄰的編碼，在邏輯上也相鄰。邏輯上相鄰的編碼僅有1位不同，這樣可保證按數值大小遞增遞減變化時，輸出邏輯上相鄰的編碼，不會出現多于1位的碼同時變化，這樣可避免由于編碼遞增或遞減變化時造成的干擾。9. 畫出電阻-電壓信號轉換電路示意圖。指導信息: 參見5.2.3 模擬量信號處理方式。可參考圖 5-22 電流-電壓信號轉換。10. A/D轉換器有哪些性能指標？指導信息: 參見5.2.3 模擬量信號處理方式。主要性能指標有(1). 接口特性(Interfacing)；(2). 量程(Range) ；(3). 分辨率(Resolution) ；(4). 誤差和精度(Error&Accuracy);(5). 轉換速率(Conversion Rate);(6). A/D轉換的方法。11. A/D轉換的方法有哪些？各有什么特點？指導信息: 參見5.2.3 模擬量信號處理方式。提示：參考表 5-5 各種A/D轉換方法比較。12. 某水箱水位正常工作時的變化范圍為 0cm100cm，經壓力變送器變換為15V標準電壓信號后送至8位A/D轉換器ADC0831，其輸入量程為05V。當水箱水位的高度為25cm時，ADC0831 的轉換結果約為多少？指導信息: 參見5.2.3 模擬量信號處理方式和5.1.1 傳感器和變送器。提示：先求當水箱水位的高度為25cm時，壓力變送器輸出的電壓信號（2V），然后轉換為ADC0831 的輸出結果（2V/5V*255）。13. 已知某A/D轉換器的分辨率為12位bit，轉換時間為10s，誤差為1LSB。在沒有采樣保持的情況下，為保證數據精度，則輸入信號的頻率最高為多少？若采用了采樣保持器后，理論上輸入信號的頻率最高可為多少？指導信息: 參見5.2.4 數據采集的原理和實現。對tA/D10s的12位ADC芯片，為保證其量化精度：1/4096，則輸入信號允許的最大頻率為：理論上輸入信號的頻率最高可為最大采樣頻率。14. 試畫出一個利用多路選擇器構成的64X8bit數字信號數據采集系統示意圖。指導信息: 參見5.2.4 數據采集的原理和實現。示意圖如下。15. 試畫出一個利用多路開關構成的32路模擬信號數據采集系統示意圖。指導信息: 參見5.2.4 數據采集的原理和實現。示意圖如下。16. 開關量的功率驅動有哪些器件？各有什么特點？指導信息: 參見5.3.2 輸出通道中的開關信號驅動。開關量的功率驅動可以由晶體管、場效應管或集電極開路的TTL電路、漏極開路的MOS電路、電磁式繼電器、固態繼電器、可控硅等功率器件組成。17. D/A轉換器有哪些性能指標？ 指導信息: 參見5.3.3 輸出通道中的模擬信號驅動。主要性能指標有分辨率、線性度、轉換精度、建立時間、溫度系數、電源抑制比、輸入形式、輸出形式。18. 計算機通過8位D/A轉換器控制某三相電加熱器，加熱器的輸出功率范圍為 08kW，可接受420mA的標準電流信號來改變其輸出功率，8位D/A轉換器的輸出范圍為020mA，如計算機送給D/A轉換器的數據為8