微型計算機控制技術第二版書后習題參考答案第一章習題1答：微型計算機控制系統(tǒng)是利用計算機（通常采用工業(yè)控制計算機，簡稱工控機）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)，它由控制計算機本體（包括硬件、軟件和網(wǎng)絡結(jié)構）和被控對象兩大局部組成。微型計算機控制系統(tǒng)是實時系統(tǒng)，也是在線系統(tǒng)。2答：計算機做控制器用?？刂葡到y(tǒng)中引進計算機，可以充分運用計算機強大的運算、邏輯判斷和記憶等功能。只要運用微處理器的各種指令，就能編出符合某種控制規(guī)律的程序。微處理器執(zhí)行該程序，就能實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。輸入信息來自于各種傳感器，輸出信息用于驅(qū)動執(zhí)行機構。3答：如果計算機能夠在工藝要求的時間范圍內(nèi)及時對被控參數(shù)進行測量、計算和控制輸出，那么稱為實時控制。實時的概念不能脫離具體過程，一個在線的系統(tǒng)不一定是一個實時系統(tǒng)，但一個實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。4答：微型計算機控制系統(tǒng)硬件一般包括：計算機主機、輸入/輸出（I/O）接口、I/O通道、傳感器及變送器、執(zhí)行機構、人機聯(lián)系設備（如鍵盤和顯示器）、網(wǎng)絡通信接口和電源等。它們通過微處理器的系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）構成一個完整的系統(tǒng)。計算機的輸入/輸出通道，又稱過程通道。為了實現(xiàn)計算機對生產(chǎn)過程的控制，必須在計算機和生產(chǎn)過程之間設置信息的傳遞和變換的連接通道，這就是過程輸入/輸出通道。過程通道一般可分為：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道5答：操作指導控制系統(tǒng)：優(yōu)點是結(jié)構簡單，控制靈活和平安。缺點是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。直接數(shù)字控制系統(tǒng)：優(yōu)點是實時性好、可靠性高和適應性強，可控制多個回路。缺點是修改控制器參數(shù)不方便。監(jiān)督控制系統(tǒng)：優(yōu)點是能自動改變模擬調(diào)節(jié)器或以直接數(shù)字控制方式工作的微型計算機中的給定值,從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況。集散控制系統(tǒng)：優(yōu)點是分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)。缺點是不同廠商的設備不能通用?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)：具備集散控制系統(tǒng)的優(yōu)點，因為采用標準總線設計，不同廠商設備通用性好，組網(wǎng)方便。6答：SCC加上DDC的分級控制系過統(tǒng)。這實際上是一個二級控制系統(tǒng)，SCC級可采用高檔微型機，它與DDC級之間通過接口進行信息聯(lián)系。SCC級微型計算機可完成工段、車間高一級的最優(yōu)化分析和計算，并給出最優(yōu)給定值，送給DDC級執(zhí)行過程控制。當DDC級微型計算機出現(xiàn)故障時，可由SCC級微型計算機完成DDC的控制功能，這提高了系統(tǒng)的可靠性。7答：開創(chuàng)時期、直接數(shù)字控制時期、小型計算機時期、微型計算機時期。8答：網(wǎng)絡化、集成化、智能化、標準化。第二章習題1答：工控機由于其應用對象及使用環(huán)境的特殊性，與一般通用計算機相比較，具有如下特點：可靠性高、實時性好、環(huán)境適應性強、過程輸入和輸出配套較好、系統(tǒng)擴充性好、系統(tǒng)開放性、控制軟件包功能強、系統(tǒng)通信功能強、后備措施齊全、具有冗余性。。⑵G(z)1—中(z)(1一0.9z-1)210(1+zT)12答:。⑵—如土G(z)l—中(z)0.272(1-0.3679廣)(1.408-0.825z-i)~(1-z-')(1-0.592zT)13答：缺點：對不同輸入類型的適應性差、對被控對象參數(shù)變化過于敏感、控制作用易超出限定范圍。14答：如果如(z)的極點在z平面的負實軸上，且與尸一1點相近，那么數(shù)字控制器的輸出序列u(k)中將含有這兩種幅值相近的瞬態(tài)項，而且瞬態(tài)項的符號在不同時刻是不相同的。當兩瞬態(tài)項符號相同時,數(shù)字控制器的輸出控制作用加強，符號相反時，控制作用減弱，從而造成數(shù)字控制器的輸出序列大幅度波動。振鈴現(xiàn)象會增加執(zhí)行機構的磨損。先找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(z=—1附近的極點)，然后令其中的z=l,根據(jù)終值定理，這樣處理不影響輸出量的穩(wěn)態(tài)值。15答：假設T=0.1,烏=0.1,對象是二階的，根據(jù)書上公式整理可得,、126.4(1一0.905z-i)(l-0.99zT)D(z)=(1+z-i)(1-0.368zT-0.632Z-2)有振鈴現(xiàn)象，消除振鈴可得_63.2(1一0.905z-i)(l一0.99z-i)D⑵=1一0.368zT-0.632Z—216答：對象是一階的，根據(jù)書上公式整理可得_1.778(1一0.779Z"1)D。=1一o.6O7z—i-0.393Z—2無振鈴現(xiàn)象。17答：對象是一階的，根據(jù)書上公式整理可得_1.628(1-0.991Z-1)D(z)=1一0.983Z—1-0.017Z—6無振鈴現(xiàn)象。第六章習題1答：設計一種能夠自動地補償在模型階次、參數(shù)和輸入信號方面非預知變化的控制器。這就是自適應控制的任務。自適應控制系統(tǒng)需要不斷地測量系統(tǒng)的狀態(tài)性能或參數(shù)，利用系統(tǒng)當前的運行指標與期望的指標相比較，進而作出決策以改變控制器的結(jié)構、參數(shù)或根據(jù)自適應律來改變控制作用，以保證系統(tǒng)運行在某種意義下的最優(yōu)或次最優(yōu)狀態(tài)。2答：模型參考自適應控制系統(tǒng):在這個系統(tǒng)中，采用了一個稱為參考模型的輔助系統(tǒng)。加到可調(diào)系統(tǒng)的參考輸入r同時也加到這個參考模型輸入端，參考模型的輸出或狀態(tài)可以用期望的性能指標設計。為了

比較期望的性能指標和可調(diào)系統(tǒng)實測的性能指標，可用減法器將參考模型和可調(diào)系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)直接相減，得到廣義誤差信號eo自適應機構按一定的規(guī)那么利用廣義誤差信號來修改可調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，或產(chǎn)生一個輔助輸入信號，使廣義誤差的某個泛函指標到達極小。當可調(diào)系統(tǒng)特性與參考模型特性漸近逼近，廣義誤差就趨于極小或下降為零，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。自校正控制系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的特點是必須對過程或被控對象進行在線辨識（遞推參數(shù)估計），然后用過程參數(shù)的估計值和事先規(guī)定的性能指標，在線地綜合出調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)，并根據(jù)此控制參數(shù)產(chǎn)生的控制作用對被控對象進行控制。經(jīng)過屢次的辨識和綜合調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)的性能指標漸近地趨于最優(yōu)。3答：與PID控制相比，模糊控制的優(yōu)點：（1）模糊控制可以應用于具有非線性動力學特征的復雜系統(tǒng)。（2）模糊控制不用建立對象精確的數(shù)學模型。（3）模糊控制系統(tǒng)的魯棒性好。（4）模糊控制是以人的控制經(jīng)驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法。4答：模糊控制器的設計步驟如下。模糊控制器的結(jié)構、定義輸入、輸出模糊集、定義輸入、輸出隸屬函數(shù)、建立模糊控制規(guī)那么、建立模糊控制表、模糊推理、精確化過程。5答：自適應PID控制其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復雜系統(tǒng)是非常困難的。模糊自適應PID控制運用模糊數(shù)學的基本理論和方法，把規(guī)那么的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)那么及有關信息（如評價指標、初始PTD參數(shù)等）作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應情況（即專家系統(tǒng)的輸入條件），運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最正確調(diào)整。第七章習題1答：問題定義、程序設計、手編程序、查錯、測試。2答：節(jié)約硬件本錢、可靠穩(wěn)定、功能強、方便靈活、不會喪失原始數(shù)據(jù)。3答：實際溫度=x100=80.4°C￡。J4答：為了保證測量參數(shù)能有線性輸出，需要引入非線性補償，將非線性關系轉(zhuǎn)化成線性的，這種轉(zhuǎn)化過程稱為線性化處理。方法有：計算法、插值逼近法、折線近似法。當參數(shù)間的非線性關系可以用數(shù)學方程式來表示時，采用計算法。當參數(shù)間的非線性關系以某種數(shù)據(jù)表格給出，采用插值逼近法。當參數(shù)間的非線性關系以某種曲線描述出來，采用折線近似法。5答：//函數(shù)名：ComplexFilter//入口參數(shù)：N-采樣值個數(shù)，?X-采樣值數(shù)組首地址//出口參數(shù)：濾波值N)N)N)int//描述：先排序，后求和，再取平均doubleComplexFiIter（double*X,N)int//定義臨時中間變量//6次循環(huán)〃如果前一個數(shù)大于后一個數(shù)，那么相互交換數(shù)值//定義臨時中間變量//6次循環(huán)〃如果前一個數(shù)大于后一個數(shù)，那么相互交換數(shù)值doubletemp；for(i=0；iW6；i++)for(j=0；j<N-l-i；j++)if(*(X+j)>*(X+j+l))temp=*(X+j)；*(X+j)=*(X+j+l)；*(X+j+l)=temp；temp=O；for(i=3；i<5；i++)temp=temp+*(X+i)；//求中間3個采樣值的累加和temp二tcinp/3；returntemp；//返回平均值)6答：〃函數(shù)名:Filter//入口參數(shù)：Xn-過去采樣值，Ynl-當前采樣值，Znl-當前采樣值//出口參數(shù)：濾波值//描述：按公式計算濾波值，并返回^defineAl1^defineA22甘defineBl3^defineB24doubleFilter(doubleYnl,doubleZnl,doubleXn)(doubletempY；doubletempZ；tempY=Bl*Xn+Al*Ynl:tempZ=B2*tempY+A2*Znl；returntempZ；}7答：//函數(shù)名：Line//入口參數(shù)：U-輸入量//出口參數(shù)：線性化值//描述：按公式線性化，并返回Sinclude"math.h〃^defineU114^defineU225doubleLine(doubleU)(doubleT；if(U<=Ul)T=25*U;elseif(U<=U2)T=25*U+14;returnT;8答:

〃函數(shù)名:WeakenedPID//入口參數(shù)：*Y-采樣值地址//出口參數(shù)：遇限削弱PID算法的結(jié)果doubleWeakenedPID(double*Y)#defineKp:20〃比例系數(shù)#defineKi10〃積分系數(shù)#defincKd15〃微分系數(shù)redefineUmax15〃控制器輸出上限#defineUmin1〃控制器輸出下限extern「doubleEkl//E(k-l)變量extern、doublePTkl〃PT(k-l)變量externdoubleRk〃設定值extern，doubleUkl〃前一次計算控制量輸出退出退出退出〃求取偏差//k退出〃求取偏差//k時刻的比例項//k時刻的積分項〃求取偏差//k時刻的比例項//k時刻的積分項doublePPk；doublePIk；doublePDk；doubleEk；doubleresult；Ek=Rk-(*Y)；PPk=Kp*Ek；PIk=Ki*Ek+Plkl；〃求取偏差//k時刻的比例項//k時刻的積分項if(Ukl>=Umax)if(Ek>0)result=PPk+PDk；//不計算積分項elseresult=PPk+PIk+PDk；〃計算積分項elseif(Ukl<=Umin)if(Ek<0)result=PPk+PDk；〃不計算積分項elseresult=PPk+PIk+PDk；//計算積分項elseresult=PPk+PIk+PDk；//計算積分項Ekl二Ek；//保存k時刻的偏差Plkl=Plk；〃保存k時刻的積分項Ukl=result;//保存k時刻的控制量輸出returnresult；〃返回結(jié)果第八章習題1答：(1)組態(tài)王組京王是嶄內(nèi)第一家較有影響的組態(tài)軟件開發(fā)公司(更早的品牌多數(shù)已經(jīng)湮滅)。組態(tài)王提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關鍵字的腳本語言支持。組態(tài)王也提供多種硬件驅(qū)動程序。MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是通態(tài)軟件公司開發(fā)的組態(tài)軟件，一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行FMicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。KincoDTools組態(tài)軟件由上海步科自動化股份研發(fā)。InTouchWonderware的InTouch軟件是最早進入我國的組態(tài)軟件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch軟件曾讓我們耳目一新，并且InTouch提供了豐富的圖庫。2答：創(chuàng)立組和用戶、分配授權、組態(tài)登陸和注銷對話框、組態(tài)對象的權限、使用用戶名變量。3答：主界面、控制界面、歷史趨勢、報警信息、參數(shù)監(jiān)控、網(wǎng)絡狀態(tài)。4答：變量管理器、圖形編輯器、變量記錄、報警記錄、報表編輯器、全局腳本、文本庫、用戶管理器、交互引用。5答：(1)內(nèi)部變量：WinCC內(nèi)部使用的變量，與外部過程無關，無需建立過程驅(qū)動程序、通道單元和通道連接。使用數(shù)量不受限制。(2)外部變量：外部變量由外部過程為其提供數(shù)值，因此也叫做〃過程變量〃。外部變量是基于〃驅(qū)動程序-通道單元-連接〃的，其與自動化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是相對應。(3)WinCC系統(tǒng)變量：WinCC系統(tǒng)提供的預先定義好的變量。每個系統(tǒng)變量均有明確意義，可提供現(xiàn)場功能。系統(tǒng)變量由WinCC系統(tǒng)創(chuàng)立，工程人員不能創(chuàng)立，但可以使用。(4)S7系統(tǒng)變量：基于TIA方式創(chuàng)立的工程，在編譯完成OS站后，STEP7會向WinCC傳遞S7系統(tǒng)變量，包括PLC變量，歸檔和報警等。這些變量稱其為〃S7系統(tǒng)變量〃。(5)系統(tǒng)信息變量：在〃驅(qū)動程序〃中有一種特殊的〃驅(qū)動〃一一WinCC系統(tǒng)信息通道。在WinCC的系統(tǒng)信息通道下，可建立專門記錄系統(tǒng)信息的變量，例如可記錄WinCC系統(tǒng)的當前時間、CPU占用率、磁盤容量等信息。(6)腳本變量：在腳本中定義和使用的變量，只能在其定義范圍內(nèi)使用，遵循C/VB語言規(guī)范。它與編程語言相關，不在變量管理器中維護。6答：用來分配、管理和監(jiān)控用戶對WinCC組態(tài)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)的訪問權限。第九章習題1答：平安性與可靠性、操作維護方便、實時性強、通用性好。2答：分析問題和確定任務、系統(tǒng)總體設計、硬件設計、軟件設計。3答：(1)模擬信號輸人范圍、被采集信號的分辨率。完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。模擬輸入信號的特性是什么，是否經(jīng)過濾波，信號的最高頻率是多少。模擬信號傳輸所需的通道數(shù)。多路通道切換率是多少，期望的采樣/保持器的采集時間是多少。在保持期間允許的電壓下降是多少。通過多路開關及信號源串聯(lián)電阻引起的偏差是多少。所需精度(包括線性度、相對精度、增益及偏置誤差)是多少。當環(huán)境溫度變化時，各種誤差限制在什么范圍。各通道模擬信號的采集是否要求同步。所有的通道是否都使用同樣的數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)通道是串行操作還是并行操作。數(shù)據(jù)通道是隨機選擇，還是按某種預定的順序工作。4答：TOC\o"1-5"\h\z/*編譯環(huán)境：Keil7.50Ac51*/fVf*Y?*Y**T**T**T**.**T**Y**T*f*T*f1tI*■、I/A?，卜I(J.，.■'J*\JI""■,—*?*，卜*1*f#include<reg51.h>/*********************************數(shù)石馬格********************************/unsignedchartable［］=(0xC0,OxI-9,0xA4,OxBO,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,OxAl,0x86,0x8E}?WX?￡?VWVWWXKWWXVW、］■*1*WX、］■%L#K>??A*、［,*T**7*^7^*T**j**r**T**T**T**T**T**T**?**T**r**T>*T**T**T**T**1?*T**7**T**i**r**T**i**T**T**T^*r**?**r*函數(shù)功能：延時子程序入口參數(shù)：出口參數(shù)：^|C^jCr^C^}C?{CrfC^Cr^Cr^Cr^C^CrJC^jCr|Cr|C*|Cr^Cr|Cr|C^|Crjwr^Cr|C*|%^|Cr|C?|C^|C^jC*|Cr|C?|C^|Cr^CrJ%5|Cr^CrfCx|C^|C^jCr^Cr^Cr|Cr^Cr|C^|Crjir|C5^C5^C^|Cr^C?|C^|C^JCr|C?|C^|CrjCr|Cx|Cr^C^|Ctvoiddelay(void)unsignedchari,j;for(i=0;i<20;i++)for(j=0;j<250;j++);?￡*?^x?zx?￡*vx?X*xw?Jx?X*?^x?Jx?￡*/^?**^**T**T**|**i**T**J**?**r**T**J**?**7**J*^f**T^*r**T**7**1**T**T**f**T**T**T**J**7**T**T*^r*^7**j**T*函數(shù)功能:LED顯示子程序入口參數(shù):i出口參數(shù)：、］,vS*q，、］,、1，*1#*Ax、［■、1，viz、2,*f*、］,*S**?*、］,、1，、^**fx、1，、X**A?、1，、1，■［■、1，、1，?A??Jx、［■、1，、＜X*K^?、2,*fx*1*■［■、1，、X*%?X、［,、1，、￡■、］,、［,、A、［,、1，*￡*、［■*fxKW*T*^T*^T*voiddisplay(unsignedchari)P2=0xfe;P0=table［i］;*^c*Jc*^c5^c^Jc*Jc*|cxjc*|c?|c*^c?|c*|c#Jcxjc^Jc?|cxjc*Jcj^c*|c*^c*|c5^cjJc*^C*^C5^C*Jc*Jc*|cxjc#jcx^c^|c*|c^|cxjc*^c*^c*|c*^c*|c?|c*^c*^cx|c函數(shù)功能：鍵盤掃描子程序入口參數(shù)：出口參數(shù)：*!**V?^?*1*?f*?!*ylf*1*?J<?%!**!*?!**1*?>L??f**1**!**1**L?*!**1*?f**1*?!*?!*、k*1**f*voidkeyscan(void)unsignedcharn;//掃描第一行Pl=0xfe;n二Pl;n&=0xf0;if(n!二OxfO)(delay();Pl=0xfe;n=Pi;n&=OxfO;if(n!=OxfO)switch(n){case(OxeO):display(3);break;case(OxdO):display(2);break;case(OxbO):display(1);break;case(0x70):display(0);break;))}//掃描第二行Pl=Oxfd;n=Pl;n&=OxfO;if(n!=OxfO){delay();Pl=Oxfd;n=Pl;n&=OxfO;if(n!=OxfO)(switch(n){case(OxcO):display(7);break;case(OxdO):display(6);break;case(OxbO):display(5):break;case(0x70):display(4);break;//掃描第三行Pl=Oxfb;n=Pl;n&=OxfO;if(n!=OxfO){delay();Pl=Oxfb;n=Pl;n&=OxfO;if(n!=OxfO)(switch(n){case(OxeO):display(11);break;case(OxdO):display(10);break;case(OxbO):display(9);break;case(0x70):display(8):break;})}//掃描第四行Pl=0xf7;n=Pl;n&二OxfO;if(n!=OxfO)(delay();

n=Pl;n&=OxfO;if(n!=OxfO)switch(n)case(OxcO):display(15);break;case(OxdO):display(14);break;case(OxbO):display(13);break;case(0x70):display(12);break;*1*xl*viz*X*vi*?lx*1**2xxl*vl*弓、，'、，卜，/、4、，4、‘4、七、可、，4、，，、弓、*?*，4、，4、4、*1*，卜七、4、，,、，4、4、*1*，'、七、4、，4、，,、4、*?*，4、，4、弓、，上、，，、弓、*?*，卜，/、七、，卜弓、*?*，4、，4、弓、*■*，卜七、七、4、，4、，/、七、，A、，5，L“、，「函數(shù)功能函數(shù)功能函數(shù)功能主程序入口參數(shù)出曰參數(shù)函數(shù)功能主程序*1*%!*?f**￡*?!??!*%!?*!*%!*、比*1#%f*?!*%!?*!*?!*voidmain(void)while(l)keyscan();第十章習題1答：固有可靠性、工作可靠性、可靠度、失效率、平均壽命、平均修復時間和利用率。2答：構成電磁干擾必須同時具備三個要素：電磁干擾源、電磁干擾的耦合途徑、電磁干擾的敏感設備與電路。

2答：加固型工業(yè)機箱：由于工控機應用于較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，因此機箱必須采取一系列加固措施，以到達防震、防沖擊、防塵、通風散熱良好，適應寬的溫度和濕度范圍。機箱內(nèi)具有正的空氣壓力和良好的屏蔽，以到達EMC電磁兼容性標準。工業(yè)電源：具有抗干擾能力強的工業(yè)電源，具有防浪涌沖擊、過壓過流保護功能，以到達電磁兼容性標準和通過國際標準認證機構的認證，如UL認證等。主機板：工控機核心部件是主機板，其所采用的元器件滿足工業(yè)級標準，并且是--體化(ALL-IN-ONE)主板,以易于更換，工控機采用標準總線，如ISA總線、VL總線、PCI總線、PCISA總線等。3答：PC總線工業(yè)控制計算機由于配置高、性能強、價格貴，因此一般不用于對被控對象的直接控制。PC總線工業(yè)控制計算機一般用來收集、處理、管理數(shù)據(jù)，監(jiān)控被控對象運行狀態(tài)，調(diào)整控制器參數(shù)等。對被控對象的直接控制，一般用專門的控制器來實現(xiàn)。這類專用控制器相對PC總線工業(yè)控制計算機而言，配置較低、體積較小、價格較低，但專門為某一類被控對象或某一類控制任務做過專門的優(yōu)化，因而特別適合用來直接控制被空對象，通過網(wǎng)絡與PC總線工業(yè)控制計算機連接，將對被控對象的監(jiān)督、管理工作交給PC總線工業(yè)控制計算機，從而構成一個最基本的上下位機計算機控制系統(tǒng)。4答：目前市場上PC總線類型有：XT總線、ISA總線、EISA總線、VESA總線(VL-BUS)PCI總線以及PCIE總線。5答：運動控制(MotionControl)通常是指在復雜條件下，將預定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動，實現(xiàn)機械運動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制o過程控制(ProcessControl)是以保證生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制。這里“過程”是指在生產(chǎn)裝置或設備中進行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。表征過程的主要參量有溫度、壓力、流量、液位、濃度等。通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少。過程控制可以分為常規(guī)儀表過程控制與計算機過程控制兩大類。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模走向大型化、復雜化、精細化、批量化，靠儀表控制系統(tǒng)己很難到達生產(chǎn)和管理要求，計算機過程控制是近兒十年開展起來的以計算機為核心的控制系統(tǒng)。第三章習題1答：輸入輸出接口是位于系統(tǒng)與外設間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務的邏輯電路。在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，要將生產(chǎn)現(xiàn)場的各種被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字計算機能夠接受的形式，計算機經(jīng)過計算、處理后的結(jié)果還須變換成適合于對生產(chǎn)進行控制的信號量。這個在計算機和生產(chǎn)過程之間傳遞和變換信息的裝置稱為輸入輸出過程通道?！?◎◎?◎??0?數(shù)據(jù)總線CSRD+5◎?◎◎?◎??0?數(shù)據(jù)總線CSRD+53答：從噪聲傳播途徑的角度來分類，大致可有導線傳導的耦合噪聲、經(jīng)公共阻抗的耦合噪聲和空間電磁場的耦合噪聲。其中，電磁場的耦合根據(jù)離輻射源的距離遠近，可分為近場的感應、遠場的感應和遠場的輻射。在近場感應噪聲中又可分為電容性耦合噪聲和電感性耦合噪聲兩種。電容性耦合的噪聲主要由電力線通過相互間電容耦合來傳播的；電感性耦合的噪聲主要由磁力線通過相互間的電感來傳播的；而遠場的輻射那么是以電磁波方式傳播的。4答：抗干擾設計要從這三個要素出發(fā)，使干擾得到抑制，即抑制干擾源，切斷耦電途徑，提高敏感設備的抗擾度。5答：增加總線的抗干擾能力、系統(tǒng)的防輻射措施、抑制存儲器產(chǎn)生的噪聲、微機系統(tǒng)的裝接設計。6答：數(shù)字濾波、設立軟件陷阱、時間監(jiān)視器、掉電保護、待機抗干擾、輸入/輸出軟件抗干擾措施。第十一章習題1答：集散控制系統(tǒng)最基本的特征就是實現(xiàn)了系統(tǒng)的分散控制和集中管理，它以高可靠性和完善的控制管理功能代替了大局部原有的常規(guī)儀表控制系統(tǒng)。包括分散過程控制級、集中操作管理級、綜合信息管理級、數(shù)據(jù)通信。分散過程控制級特點：適應惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、分散控制、實時性、獨立性。集中操作管理級特點：信息量大、易操作性、容錯性好。綜合信息管理級特點：具有能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反響的實時操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速處理與存儲，具有能夠連續(xù)運行可冗余的高可靠性,能夠長期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機接口，豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)生成等工具軟件，以實現(xiàn)整個工廠的網(wǎng)絡化和計算機的集成化。數(shù)據(jù)通信特點：實時性好、動態(tài)響應快、可靠性高、適應惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、開放系統(tǒng)互聯(lián)和互操作性。2答：開放系統(tǒng)指與外界環(huán)境存在物質(zhì)、能量、信息交換的系統(tǒng)。開放系統(tǒng)是與封閉系統(tǒng)相對而言的。開放系統(tǒng)理論是貝塔朗菲在20世紀40年代開創(chuàng)的，而后把開放系統(tǒng)作為一般系統(tǒng)的模式，而視封閉系統(tǒng)為開放的特例。當系統(tǒng)的輸送變量為零時，就由開放系統(tǒng)推導出封閉系統(tǒng)。開放系統(tǒng)理論在普利高津的耗散結(jié)構論和哈肯的協(xié)同學等理論中獲得了巨大開展。3答：快速實時響應能力、具有極高的可靠性、適應惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、分層結(jié)構。4答：(1)DCS是個大系統(tǒng)，其控制器功能強，而且在系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場化。數(shù)字智能現(xiàn)場裝置的廣泛采用，使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，F(xiàn)CS投資起點低,可以邊用、邊擴、邊投運。傳統(tǒng)DCS是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本不兼容。而FCS是開放式系統(tǒng)，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設備連人現(xiàn)場總線，到達最正確的系統(tǒng)集成。DCS的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉(zhuǎn)換。而FCS是全數(shù)字化的，無須D/A與A/D轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)高集成化，其精度可以從土0.5%提高到土0.1%O⑷FCS可以將PID閉環(huán)控制功能裝人變送器或執(zhí)行器中，縮短了控制周期，目前可以從DCS的每秒2飛次，提高到FCS的每秒10~20次，從而改善調(diào)節(jié)性能。DCS可以控制和監(jiān)視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是，由于其I/O信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號，因此，它無法在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表(含變送器、執(zhí)行器等)進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS采用全數(shù)字化技術，其數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息過失的功能。FCS采用雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。因此，它可以對現(xiàn)場裝置(含變送器、執(zhí)行機構等)進行遠方診斷、維護和組態(tài)。⑹FCS由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS相比，可以省去相當數(shù)量的隔離器、子柜、VO終端、I/O卡件、1/0文件及I/O柜，同時也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。（7）與（6）同樣理由，F(xiàn)CS可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節(jié)省了設計、安裝和維護費用，有專家認為可以節(jié)省66%。（8）FCS相對于DCS組態(tài)簡單，另外由于結(jié)構、性能標準化，更便于安裝、運行和維護。5答：（1）FF現(xiàn)場總線。FF現(xiàn)場總線包括低速總線H1和高速總線HSE（原H2）。FF現(xiàn)場總線的應用領域以過程自動化為主，如：化工、電廠實驗系統(tǒng)、廢水處理，油田等行業(yè)（2）Profibus現(xiàn)場總線。20世紀80年代初德國制訂的一種現(xiàn)場總線標準，為PROFIBUS-DP（分散外圍設備），適用于加工制造自動化領域的應用，實現(xiàn)分散外設之間的高速數(shù)據(jù)傳輸；PROFIBUS-FMS（現(xiàn)場總線報文規(guī)范），適用于樓宇自動化等領域:PHO-FIBUS-PA（過程自動化），適用于流程自動化領域。這3種類型均使用單一的總線訪問協(xié)議，它只采用了0SI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應用層。Profibus支持主從模式、純主站模式、多主多從模式等，主站對總線有控制權，可主動發(fā)信息，主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權。取得控制權的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。（3）P-NET現(xiàn)場總線。P-NET的設計開始于1983年。P-NET采用0S1參考型中的1,2,3,4,7層,是一種多主站主從式總線（每段最多可容納32個主站）。使用屏蔽雙絞線電纜RS485,每段總線最長1200m,每段最多可連125個設備，總線分段之間使用中繼器。數(shù)據(jù)以NRZ（不歸零位）編碼異步傳輸，傳輸速率76.5kbit/s0P-NET總線訪問采用一種“虛擬令牌傳遞”的方式，總線訪問權通過虛擬令牌在主站之間循環(huán)傳遞，即通過主站的訪問計數(shù)器和空用總線位周期計數(shù)器確定令的持有者和持有令牌的時間。這種令牌傳遞方式是一種基于時間的循環(huán)機制，比握文傳通令牌方式的傳遞效率更高。P-NET對從站的通信程序僅需幾千字節(jié)的編碼，結(jié)構簡單，不需采用專門芯片，比其他總線更易于開發(fā)和轉(zhuǎn)化?！靶∠到y(tǒng)低本錢”是P-NET的主要特征之（4）CAN（ControllerAreaNelwork,控制局域網(wǎng)絡）由德國BOSCH公司于1993年推出，應用于汽車監(jiān)控、升關量控制、制造業(yè)等，介質(zhì)訪同方式為非破壞性位仲戰(zhàn)方式，適用于實時性要求很高的小型網(wǎng)絡，且開發(fā)工具廉價oMotorola.InteKPhilips均生產(chǎn)獨立的CAN芯片和帶有CAN接口的80C51芯片。CAN型總線產(chǎn)品有AB公司的DeviceNet.臺灣研華的ADAM數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品等。第十二章習題1答：智能制造是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化系統(tǒng)，它突出了在制造各個環(huán)節(jié)中，以一種高度柔性與集成的方式，借助計算機模擬的人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構思和決策，取代或延伸制造環(huán)境中人的局部腦力勞動，同時，收集、存儲、完善、共享、繼承和開展人類專家的制造智能。智能制造已經(jīng)成為影響未來制造業(yè)的重要生產(chǎn)模式，本章簡單介紹智能制造的基本內(nèi)容，以及與計算機控制相關的最新技術開展。2答：智能設計、智能裝備與工藝、智能生產(chǎn)、智能服務。3答：新一代信息技術、人工智能技術、智能優(yōu)化技術。300x4LS37LEOEL數(shù)據(jù)輸入程序，設芯片端口地址為300H300x4LS37LEOEL^include<dos.h>:^include<stdio.h>;main(){charresult:intport=0x300;result=inportb(port);return;}數(shù)據(jù)輸出程序，設向地址為300H的端口輸出64H的數(shù)據(jù)^include<dos.h>;^include<stdio.h>;main(){charvalue=0x64;intport=0x300;outportb(port,value);return;}3答：為了提高模擬量輸入信號的頻率范圍，以適應某些隨時間變化較快的信號的要求，可采用帶有保持電路的采樣器，即采樣保持器。當被測信號變化緩慢時，假設A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間足夠短，可以不加采樣保持器。4答：include<dos.h>include<stdio.h>main()inti,y;outportb(0x303,0x92);//8255控制字10010010//PC4=1PC2~PC0=000outportb(0x302,0x10);i=inportb(0x300);//PC4=1PC2~PC0=000while(i>=0x80)(i=inputb(0x300);}outportb(0x302,0x50);y=inputb(0x301);i=inputb(0x300);i=i&0x0f;y=y+256*i;return;}//PA7=1(STS=1)〃PC6~PC4F01//取高8位//取低4位5答："include<dos.h>；^include<stdio.h>；main()inti；outportb(0x307,0x80)；i=0x50；outportb(0x304,i)；〃初始化8255A,使8255A的A、B和C口都為輸出口?！╥為D/A輸出值。//為D/A準備數(shù)據(jù)。outportb(0x305,outportb(0x305,outportb(0x305；0x19)；//數(shù)據(jù)鎖存到第一級鎖存器。0x07)；//數(shù)據(jù)鎖存到第二級鎖存器。OxlF),〃退出鎖存狀態(tài)。return；6答：無源I/U變換電路R1oVR2二極管限流、輸出保護，電容濾波，電阻R2將電流轉(zhuǎn)換為電壓。有源I/U變換電路電容濾波，電阻R1將電流轉(zhuǎn)換為電壓，同相放大電路將電壓轉(zhuǎn)為標準電壓。第四章習題1答：后向差分法u(k)=涪；岫-1)+段e(k)-^re(k-l)零階保持器法e(k-1)e(k-1)e(k-1)_工Tu(k)=eTzu(k—1)—T7-e(k—2)+T2e(k-1)2答：后向差分法得：y(k)=0.03e(k)+1.83y(k-1)-0.83y(k一2)3答：雙線性變換法得u(k)=u(k)=u(k)=(8一2就)u(k一1)+(46搭-4一"-2)++2就e(k-1)+就e(k一2)4+4&+就u(k)=4答：后向差分整理可得T2ce(k)+(2+aT+bT)u(k—1)—u(k—2)U(k)=l+aT+bT+T2雙線性變換法整理可得u(k)=ce(k)+2ce(k-1)+ce(k-2)-(2ab-*)u(k一1)一(*一+ab)u(k-2)需根據(jù)不同被控對象，結(jié)果不同。u(k)=5答：由于微型計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此在微型計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)只能采用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期相當短時，用求利代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID控制算法離散化，變?yōu)椴罘址匠?，以便于實現(xiàn)。要有相當短的采樣周期。采樣周期越小，離散后的數(shù)字控制器性能越接近原來的模擬調(diào)節(jié)器。6答：根據(jù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理，采樣周期必須滿足，其中為被采樣的連續(xù)信號的最高頻率。因此香農(nóng)(Shannon)采樣定理給出了選擇采樣周期的上限。從理論上講，采樣周期越小，失真越小。但是從控制器本身而言，大都是依靠偏差信號e(k)進行調(diào)節(jié)計算的。當采樣周期T太小時，偏差信號e(k)也會過小，此時計算機將會失去調(diào)節(jié)作用，采樣周期T過長又會引起誤差。因此，采樣周期T確實定必須綜合考慮。影響采樣周期T的因素有：加至被控對象的擾動頻率：擾動頻率愈高，采樣頻率也應相應提高，即采樣周期縮短。對象的動態(tài)特性：根據(jù)被控對象的特性，快速系統(tǒng)的T應取小，反之取大些。執(zhí)行機構的類型：執(zhí)行機構慣性大，采樣周期相應要大一些，否那么，執(zhí)行機構來不及反響控制器輸出值的變化。。控制算法的類型：從計算機能精確執(zhí)行控制算式來看，T應選大些。因為計算機字長有限，T過小，偏差e(k)可能很小，甚至為0,調(diào)節(jié)作用減弱，各微分、積分作用不明顯?？刂苹芈窋?shù)，控制回路數(shù)與采樣周期T的關系T>^=1Tj7答：加上積分調(diào)節(jié)的目的主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。PI調(diào)節(jié)器對偏差的階躍響應除按比例變化的局部外，還有積分累計的局部。只要偏差不為零，那么積分環(huán)節(jié)有累計輸出，以減小偏差，直至使偏差為寫,系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI,TI越大，積分作用越弱，反之那么越強。8答：積分調(diào)節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但卻降低了響應速度。為了加快響應速度，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但對偏差量作出及時反響(即P作用)，而且對偏差量的變化速率作出反響，即按偏差變化的趨勢進行控制，使偏差消滅于萌芽狀態(tài)。9答：當1=8時，積分項為零，那么PID控制變?yōu)镻D控制。當Td=0時，微分項為寫，那么PID控制變?yōu)镻1控制。10答：(1)比例系數(shù)飾對系統(tǒng)動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能的影響增大比例系數(shù)作，將增強比例作用，一般將加快系統(tǒng)的響應，在系統(tǒng)有靜差的情況下，有利于減小靜差；但Ap過大時會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。值得說明的是，增大部只是減小靜差，卻不能完全消除靜差。積分時間常數(shù)71對系統(tǒng)動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能的影響減小積分時間常數(shù)71,將增強積分作用，加快消除系統(tǒng)靜差，提高系統(tǒng)的控制精度；但71太小，將會產(chǎn)生超調(diào)、并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。微分時間常數(shù)7D對系統(tǒng)動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能的影響增大微分時間常數(shù)70,將增強微分作用，減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間，改善動態(tài)性能。11答：(1)增量型算法不需做累加，計算誤差后產(chǎn)生的計算精度問題，對控制量的計算影響較小。位置型算法用到過去的誤差的累加，容易產(chǎn)生較大的累加誤差。增量型算法得出的是控制的增量，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會影響系統(tǒng)的工作。位置型算法的輸出是控制量的全部輸出，誤動作影響大。采用增量型算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。12答：位置式：u(k)=0.3u(k-1)4-1.3e(k)一0.6e(k一1)增量式：Aulk)=0.3u(k-1)-0.3u(k-2)4-1.3e(k)一1.9e(k-1)+0.6e(k一2)13答：根據(jù)數(shù)字PID控制器公式，整理可得ku(k)=3[e(k)+|^e(i)]i=O14答：增大比例系數(shù)Ap,將增強比例作用，一般將加快系統(tǒng)的響應，在系統(tǒng)有靜差的情況下，有利于減小靜差；但Ap過大時會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。值得說明的是，增大彌只是減小靜差，卻不能完全消除靜差。

15答：在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于負載的突變，如開工、停工、或給定值的突變等，都會引起偏差的階躍，即I。（人）I增大。因而，計算出的位置式PID輸出u（k）將急驟增大或減小，以至超過閥門全開（或全關）時的輸入量"iiax（或〃nin）。此時的實際控制量只能限制在iznax（或〃nin）,而不是實際計算值。此時，雖然系統(tǒng)輸出"（A）在不斷上升，但由于控制量受到限制，其增加速度減慢，偏差。以）將比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在正值，使積分項有較大的積累值。當被控量超過給定值廣。）后，開始出現(xiàn)負偏差，但由于積分項累計值很大，還要經(jīng)過相當一段時間之后，控制量〃（力）才能脫離他和區(qū)。這樣就使系統(tǒng)的輸出出現(xiàn)明顯的超調(diào)。很明顯，在位置式PID算法中，飽和現(xiàn)象主要是由積分項引起的,所以稱之為“積分飽和”。這種現(xiàn)象引起大幅度的超調(diào)，使系統(tǒng)不穩(wěn)定?？朔椒ǎ河鱿尴醴e分法、積分別離法。16答：湊試法、實驗經(jīng)驗法、歸一參數(shù)整定法等。湊試法：湊試法是通過模擬實驗或系統(tǒng)閉環(huán)運行（允許的條件下）記錄觀察系統(tǒng)對典型輸入信號的響應曲線，如階躍響應曲線。然后根據(jù)控制效果及各參數(shù)對系統(tǒng)的控制影響，反復湊試參數(shù)，以到達滿意的系統(tǒng)響應，從而確定PID控制參數(shù)。實驗經(jīng)驗法：用湊試法確定PTD參數(shù)，必須進行屢次模擬或現(xiàn)場實驗，過程繁瑣。為了減少湊試次數(shù)，我們可以利用在PID參數(shù)選擇過程中取得的經(jīng)驗，并根據(jù)?定的控制要求先做?些實驗，以獲得相應的基本參數(shù)，然后按照經(jīng)驗公式，由這些基本參數(shù)推導計算出PID參數(shù)的經(jīng)驗值。歸一參數(shù)整定法：只要整定一個參數(shù)Kpo改變Kp,觀察控制效果，直到滿意為止。該方法為實現(xiàn)簡易的自整定控制帶來方便1717答：令風）=即+1）心+1）17答：17答：令風）=即+1）心+1）其中T\=?T2=玲G(s)=D(g(s)=媽=J啊5居呼5)―—=再kkk*~'sl's2's3fLLT]FT—匕匕1'$2'$3‘$3T-±21.ls3-⑵得:得:得:得:KpL+巖2T—T4-TT—幾玲7，/si$2，I)riprpKp用差分法離散可得：u(k)=u(k-1)+aoe(k)一axe(k-1)+a2e(k-2)其中：％=心(1+f+芋■),a}=Kp(\+第五章習