2025年計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》期末試卷及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.下列微控制器中，適合作為高精度溫度控制系統(tǒng)核心的是（）。A.8051（8位）B.STM32F103（32位）C.樹莓派4（ARMCortex-A72）D.ESP8266（Wi-Fi模塊）2.某12位A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓為5V，其分辨率為（）。A.1.22mVB.2.44mVC.4.88mVD.9.76mV3.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的核心特性是（）。A.多任務(wù)并行B.任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占C.圖形化界面支持D.大容量存儲(chǔ)管理4.在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，抑制共模干擾最有效的措施是（）。A.單點(diǎn)接地B.雙絞線傳輸C.光電隔離D.增加濾波電容5.增量式PID控制算法的輸出量是（）。A.控制量的絕對(duì)值B.控制量的增量C.誤差的積分項(xiàng)D.誤差的微分項(xiàng)6.工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，ModbusRTU協(xié)議通常采用（）傳輸方式。A.單工B.半雙工C.全雙工D.異步全雙工7.下列不屬于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中“實(shí)時(shí)性”指標(biāo)的是（）。A.任務(wù)響應(yīng)時(shí)間B.A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間C.數(shù)據(jù)庫查詢延遲D.控制周期8.設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí)，若要求超調(diào)量小于5%，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整PID的（）參數(shù)。A.比例系數(shù)KpB.積分系數(shù)KiC.微分系數(shù)KdD.采樣周期T9.某系統(tǒng)采樣周期T=100ms，若采用Z變換離散化連續(xù)傳遞函數(shù)G(s)=1/(s+1)，其離散形式G(z)的分母為（）。A.z-0.905B.z-0.951C.z-0.819D.z-0.74110.物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算在計(jì)算機(jī)控制中的典型應(yīng)用是（）。A.將所有數(shù)據(jù)上傳云端處理B.在本地完成實(shí)時(shí)控制決策C.依賴5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低延遲D.僅用于數(shù)據(jù)采集二、填空題（每空1分，共10分）1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)包括______、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象、檢測(cè)變送裝置和______。2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度由______和______共同決定。3.實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度的常用策略有______和______（列舉兩種）。4.模糊控制的核心步驟是______、模糊推理和______。5.工業(yè)以太網(wǎng)與普通以太網(wǎng)的主要區(qū)別是增加了______機(jī)制以滿足實(shí)時(shí)性要求。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中“前向通道”和“后向通道”的功能及組成。2.說明PID控制中積分環(huán)節(jié)（I）的作用，并舉出兩種積分飽和的抑制方法。3.比較RS-485總線與CAN總線在工業(yè)控制中的優(yōu)缺點(diǎn)。4.什么是“零階保持器”？其在離散控制系統(tǒng)中的作用是什么？5.列舉三種計(jì)算機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)中常用的抗干擾措施，并說明其原理。四、分析題（每題10分，共20分）1.某溫度控制系統(tǒng)采用PT100熱電阻（0~100℃對(duì)應(yīng)100~138.5Ω）作為傳感器，信號(hào)調(diào)理電路輸出0~5V電壓（對(duì)應(yīng)0~100℃）?，F(xiàn)使用12位A/D轉(zhuǎn)換器（參考電壓5V）采樣，CPU通過查表法將采樣值轉(zhuǎn)換為溫度值。（1）計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量范圍（十六進(jìn)制表示）；（2）若某次采樣得到數(shù)字量為0x680，計(jì)算對(duì)應(yīng)的溫度值（保留1位小數(shù)）。2.某步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用“位置式PID”算法，已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(s)=1/(s(s+2))，采樣周期T=0.1s。（1）寫出位置式PID的離散表達(dá)式；（2）若實(shí)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量過大，分析可能的PID參數(shù)設(shè)置問題及調(diào)整方向。五、綜合題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32的智能溫室溫度控制系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)25±1℃的恒溫控制。需完成以下內(nèi)容：（1）硬件方案：畫出簡(jiǎn)化硬件框圖（標(biāo)注關(guān)鍵模塊），并說明各模塊選型依據(jù)；（2）軟件流程：設(shè)計(jì)主程序流程圖（包含初始化、數(shù)據(jù)采集、控制算法、輸出控制環(huán)節(jié)）；（3）控制算法：選擇一種適合的控制策略（如PID、模糊PID等），說明選擇理由及參數(shù)整定方法。答案一、單項(xiàng)選擇題1.B2.A（5V/4096≈1.22mV）3.B4.C5.B6.B7.C8.C（微分抑制超調(diào)）9.A（e^(-T)=e^(-0.1)≈0.905）10.B二、填空題1.計(jì)算機(jī)（控制器）；人機(jī)界面（HMI）2.分辨率；轉(zhuǎn)換誤差3.固定優(yōu)先級(jí)搶占；時(shí)間片輪轉(zhuǎn)4.模糊化；清晰化（去模糊化）5.實(shí)時(shí)通信（或“確定性調(diào)度”）三、簡(jiǎn)答題1.前向通道（輸入通道）：功能是將被控對(duì)象的狀態(tài)信號(hào)（如溫度、壓力）轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字信號(hào)。組成包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路（放大、濾波）、A/D轉(zhuǎn)換器。后向通道（輸出通道）：功能是將計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)可接受的模擬或數(shù)字信號(hào)。組成包括D/A轉(zhuǎn)換器（或PWM模塊）、功率放大電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電機(jī)、閥門）。2.積分環(huán)節(jié)作用：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)無差度。積分飽和抑制方法：（1）積分分離：當(dāng)誤差較大時(shí)暫停積分，誤差小于閾值時(shí)恢復(fù)；（2）限幅積分：對(duì)積分項(xiàng)輸出限制上限和下限，避免過積。3.RS-485優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，支持多節(jié)點(diǎn)（最多32個(gè)）；缺點(diǎn)：無錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，可靠性低，傳輸速率（≤10Mbps）和距離（≤1200m）有限。CAN總線優(yōu)點(diǎn)：支持多主通信、帶CRC校驗(yàn)和錯(cuò)誤幀重傳，傳輸速率（1Mbps時(shí)≤40m，5Kbps時(shí)≤10km）和節(jié)點(diǎn)數(shù)（最多110個(gè)）更優(yōu)；缺點(diǎn)：協(xié)議復(fù)雜，開發(fā)成本較高。4.零階保持器（ZOH）是將離散信號(hào)恢復(fù)為連續(xù)信號(hào)的裝置，其輸出在兩個(gè)采樣點(diǎn)之間保持前一時(shí)刻的采樣值不變。作用：（1）近似重構(gòu)連續(xù)信號(hào)；（2）引入相位滯后（約-ωT/2），需在設(shè)計(jì)時(shí)補(bǔ)償；（3）濾除高頻分量（高于采樣頻率/2的成分）。5.（1）軟件濾波：如中值濾波、滑動(dòng)平均濾波，通過算法消除隨機(jī)干擾；（2）指令冗余：在關(guān)鍵指令后插入NOP或重復(fù)指令，防止程序跑飛；（3）看門狗（WDT）：定時(shí)復(fù)位，若程序失控導(dǎo)致WDT超時(shí)則強(qiáng)制重啟；（4）數(shù)據(jù)校驗(yàn)：對(duì)傳輸數(shù)據(jù)添加CRC或校驗(yàn)和，檢測(cè)錯(cuò)誤。四、分析題1.（1）0℃對(duì)應(yīng)0V→數(shù)字量0x000；100℃對(duì)應(yīng)5V→數(shù)字量0xFFF（4095）。范圍：0x000~0xFFF。（2）0x680=1664（十進(jìn)制）；電壓值=1664×5V/4096≈2.03125V；溫度=2.03125V×(100℃/5V)=40.6℃（保留1位小數(shù)為40.6℃）。2.（1）位置式PID離散表達(dá)式：u(k)=Kp[e(k)+(T/Ki)Σe(j)+(Kd/T)(e(k)-e(k-1))]，j=0到k。（2）超調(diào)量過大可能原因：比例系數(shù)Kp過大（導(dǎo)致響應(yīng)過沖），或微分系數(shù)Kd過?。ㄎ从行б种瞥{(diào)）。調(diào)整方向：減小Kp，增大Kd；若積分系數(shù)Ki過大（積分作用過強(qiáng)），也可適當(dāng)減小Ki（但需注意穩(wěn)態(tài)誤差）。五、綜合題（1）硬件框圖：STM32主控芯片→PT100熱電阻（溫度傳感器）→信號(hào)調(diào)理電路（恒流源、差分放大、低通濾波）→A/D轉(zhuǎn)換模塊→主控；主控→D/A轉(zhuǎn)換（或PWM）→固態(tài)繼電器→加熱/制冷裝置；附加模塊：LCD顯示屏（顯示溫度）、按鍵（設(shè)置目標(biāo)溫度）、RS-485接口（與上位機(jī)通信）。選型依據(jù)：STM32選擇F4系列（浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng)，適合PID計(jì)算）；PT100精度高（±0.1℃），適合溫室高精度需求；信號(hào)調(diào)理電路采用AD620儀表放大器（高共模抑制比，抗干擾）；固態(tài)繼電器無機(jī)械觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，適合頻繁通斷控制。（2）軟件流程圖：①初始化：GPIO、A/D、D/A、定時(shí)器（設(shè)置100ms采樣周期）、LCD、串口；②進(jìn)入主循環(huán)：a.數(shù)據(jù)采集：讀取A/D值→信號(hào)調(diào)理（線性化、溫度換算）；b.計(jì)算誤差：e(k)=設(shè)定溫度（25℃）-實(shí)測(cè)溫度；c.控制算法：調(diào)用PID函數(shù)計(jì)算輸出u(k)（增量式PID，避免積分飽和）；d.輸出控制：將u(k)轉(zhuǎn)換為PWM占空比（0~100%）→驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)加熱/制冷功率；e.顯示與通信：更新LCD溫度值，通過RS-485上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)；f.等待下一個(gè)采樣周期（100ms），循環(huán)執(zhí)行。（3）控制算法選擇增量式PID：理由：增量式輸出為控制量的變化量（Δu(k)），誤動(dòng)作時(shí)對(duì)系統(tǒng)影響?。▋H改變當(dāng)前輸出），適合執(zhí)行機(jī)構(gòu)為繼電器（需避免大幅突變）的場(chǎng)景；且無需保存過去所有誤差值，節(jié)省內(nèi)存。