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一、 填空题： 1. 计算机控制系统是利用工业控制计算机来实现生产过程自动控制的系统，它由控制计算机本体和受控对象两大部分组成； 2. 工业生产中的自动控制系统随控制对象、控制算法和采用的控制器结构的不同而有所差别。其结构形式一般分为闭环系统和开环系统两种； 3. 计算机控制系统的发展趋势可以概括为网络化、集成化、智能化和标准化； 4. 按照所采用的总线标准可将工控机分为以下4类：1）PC总线工控机；2）STD总线工控机；3）VME总线工控机；4）多总线工控机； 5. 计算机采集被控对象状态信息的方式常用的有下列几种：查询控制方式、中断控制方式和DMA控制方式。 6. 在选用多路开关时需要考虑下列参数：1）通道数量；2）泄漏电流；3）切换速度；4）开关电阻；5）参数漂移及每路电阻的一致性。 7. 数字控制器在设计方法上可以分为：模拟化设计方法和离散化设计方法。 8. 为了克服积分饱和作用常使用两种方法：遇限削弱积分法和积分分离法。 9. 任何控制系统设计，均应满足系统的准确性要求、快速性要求、稳定性要求及在物理上的可实现要求。 10. 状态空间设计法包括状态反馈设计法和状态观测器设计法。 11. 最早应用于工业过程的预测控制算法主要有动态矩阵控制（DMC）和模型算法控制（MAC）。 12. 应用程序根据其功能的不同，主要分为控制程序、数据采集及处理程序、巡回检测程序和数据管理程序。 13. 应用程序设计通常分为5个步骤：问题定义、程序设计、编码、调试、维护和再设计等。 14. 程序设计方法是指程序设计的某种规程和准则。通常有模块化程序设计、自顶向下程序设计、结构化程序设计等几种方法。 15. 在结构化程序设计方法中，任何程序逻辑都可用顺序、条件和循环3种结构来表示。 16. 程序判断滤波根据滤波方法不同，可以分为：限幅滤波和限速滤波两种。 17. 常用的补偿方法有：计算法、插值逼近法、折线近似法。 18. 查表的方法有：顺序查表法、计算查表法、对分搜索法等。 19. 故障自诊断主要包括以下几个方面：故障检测、故障定位、故障评定和故障处理。 20. 集散控制系统由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成。集中管理部分可分为操作员工作站、工程师工作站和管理计算机；分散控制监测部分按功能分为控制站、监测站；通信部分则完成控制指令及各种信息的传递和数据资源的共享。 21. 集散控制系统一般可以分为：现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级、全厂优化和调度管理级。
二、 名词解释： 1. 计算机控制系统：计算机控制系统是利用工业控制计算机来实现生产过程自动控制的系统，它由控制计算机本体和受控对象两大部分组成； 2. 实时控制：如果计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出，则称为实时控制； 3. 系统软件：是指为提高计算机使用效率，扩大功能，为用户使用、维护和管理计算机提供方便的程序的总称。 4. 应用软件：是控制系统设计人员根据要解决的某一具体生产过程而编写的各种控制和管理程序。 5. 计算机过程控制系统：用计算机对温度、压力、流量、液位、速度等过程参数进行测量与控制的系统称为计算机过程控制系统。 6. 模糊控制系统：是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。 7. 最少拍控制：要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态。 8. 状态空间设计法：就是首先根据对整个系统的性能要求确定一个期望的性能指标，然后利用系统的状态空间方程，按照系统最优化设计理论的方法，设计出满足系统性能要求的控制系统的方法。 9. 状态反馈设计法：就是通过状态反馈来配置闭环系统的极点，来使闭环系统的极点与期望极点的位置相一致，从而使得闭环系统满足所要求的性能指标。 10. 状态观测器设计法：利用能够直接测得的系统输出变量来推算出系统当前所处的状态，根据系统可测输出来估计系统状态变量的方法。 11. 系统软件：提供了程序运行的环境（不同的操作系统下有不同的人机界面），以及各种设计语言、算法库、工具软件。 12. 应用软件：是用户为完成特定的任务而编写的各种程序的总称。 13. 随机误差：是由窜入检测系统或控制系统的随机干扰引起的，这种误差是指在相同条件下测量同一量时，其大小和符号作无规则的变化而无法预测，但在多次测量中它是符合统计规律的。 14. 中位值滤波法：就是对某一被测参数连续采样N次（一般N取奇数），然后把N次采样值按大小排队，取中间值为本次采样值。 15. 线性化处理：为了保证被测参数能有线性输出，需要引入非线性补偿，将非线性关系转化成线性的。这种转化过程称为线性化处理。 16. 查表法：就是事先将算好的数据按一定顺序编制成表格存入计算机中，查表程序的任务就是根据被测参数的值（或中间计算结果），查出最后所需的结果。 17. 工程量变换（标度变换）：把经A/D转换后得到的一系列数码值转换成带有量纲的数值进行运算、显示或打印输出。这种转换就是工程量变换，又称标度变换。 18. 计算机控制系统可靠性：是指其在规定的时间内和工作条件下，能正确的完成规定功能的能力。 19. 分散式控制系统：指的是一种多机系统，即多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络互联关系。 20. 现场总线：是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通信网络。它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。
三、 简答题： 1. 计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么优缺点？ 答：计算机控制系统几种典型形式及其优缺点如下：1）操作指导控制系统：优点是结构简单，控制灵活和安全；2）直接数字控制系统：优点是实时性好，可靠性高和适应性强，缺点是要求计算机控制回路较多，应用软件设计复杂；3）监督控制系统：优点是自动改变给定值，使生产过程始终处于最优工况，缺点是结构复杂；4）集散控制系统：优点是分散控制、集中管理、分而自治和综合协调，缺点是成本高并且各厂商的DCS标准不一不能互联；5）现场总线控制系统：优点是用二层结构完成了DCS的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，缺点是统一现场总线标准十分困难，形成多总线并存的局面。 2. 工业控制计算机与普通个人计算机相比较，有何不同？ 答：工控机由于其应用对象及使用环境的特殊性，与一般通用计算机相比较，具有如下特点：1）可靠性高；2）实时性好；3）环境适应性强；4）过程输入和输出配套较好；5）系统扩充性好；6）系统开放性；7）控制软件包功能强；8）系统通信功能强；9）后备措施齐全；10）具有冗余性； 3. 简要描述查询设备状态标志值的方法有哪几种？ 答：查询设备状态标志值的方法有3种：1）每个设备对应一个状态端口（实际只有一位，是一个状态触发器），CPU查询一个设备的状态标志，经判断做出相应的I/O处理后，再查询、判断、处理下一个设备；2）把各个设备的状态标志位集中起来，用一个统一的专用状态端口来存放，CPU一次读取后就可对所有设备的当前状态进行测试、判断和进入相应处理。这两种方法的设备优先级都是由查询的顺序决定的；3）在专用的状态端口前再增加一个优先权编码器，这样在有多个设备同时要求服务时，能最先对它们当中优先权最高的设备进行服务。这种方法下的设备优先权是由设备标志位到优先权编码器输入引脚号的硬连线予以固定的。 4. 要用一个A/D转换器实现对多路模拟信号的转换，通常有哪几种方法？ 答：第一、选用具有多路模拟输入通道的A/D转换器；第二、采用A/D转换器本身的扩展端实现模拟输入通道的扩展；第三、采用多路开关扩展输入通道是更为常用的方法。 5. 简述数字控制器的模拟化设计步骤。 答：数字控制器的模拟化设计步骤如下：第一步：设计近似认为的模拟控制器D（s）；第二步：选择采样周期T；第三步：将D（s）离散化为D（z）；第四步：设计由计算机实现的控制算法；第五步：校验。 6. 增量型算法与位置型算法相比，具有哪些优点？ 答：1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。2）增量型算法得出的是控制量的增量，例如阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。3）采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。 7. 简述数字控制器的直接设计步骤。 答：1）根据系统的性能指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数?（z）；2）根据式（5-1），求广义对象的脉冲传递函数G（z）；3）根据式（5-3），求取数字控制器的脉冲传递函数D（z）；4）根据D（z），求取控制算法的递推计算公式。 8. 简述动态矩阵控制算法设计步骤。 答：第一步：首先测定模型动态系数a1、a2、…、an，构造动态系数矩阵A和A0。设定偏差校正量h、偏差加权矩阵Q、控制量加权矩阵λ和U（k－1）；第二步：计算矩阵（ATQA＋λ）－1ATQ；第三步：利用式（6-21）计算预测输出ym（k）；第四步：误差计算e（k）＝y（k）－ym（k）；第五步：利用式（6-26）计算控制增量△u（k），由此得控制量u（k）＝u（k-1）＋△u（k）；第六步：重复以上步骤二～步骤五。 9. 简述模型算法控制的基本思想和设计步骤。 答：基本思想：首先预测系统未来的输出状态，再去确定当前时刻的控制动作，即先预测后控制，具有预见性。 设计步骤：第一步，测定被控对象的脉冲响应g1，g2，…，gN，选择参考轨迹时间常数τ，并计算＝e－T/τ，这一步工作是离线完成的；第二步，初始化，设定控制量u（i）＝u（0），设定误差e（k）＝0，测量系统实际输出值y（k）＝y（0）；第三步，利用式（6-28）和式（6-31）计算模型预测输出ym（k＋1）和参考输出yr（k＋1）；第四步，利用式（6-33）计算控制量u（k），并输出控制量u（k）；第五步，为下一次计算做准备，令u（i）＝u（i＋1）、ym（k）＝ym（k+1）；第六步，若采样时刻到，则测量系统实际输出值y（k），计算误差e（k）＝y（k）－ym（k），若采样时刻未到，则继续等待直到采样时刻到为止。然后反复执行步骤二～步骤五，即可完成模型算法控制。 10. 结构化程序设计的优点是什么？ 答：1）由于每个结构只有一个入口和一个出口，故程序的执行顺序易于跟踪，给程序查错和调试带来很大的方便；2）由于基本结构是限定的，故易于装配成模块；3）易于用程序框图来描述。 11. 数字滤波与硬件滤波器比较有哪些优点？ 答：1）节约硬件成本；2）可靠稳定；3）功能强；4）方便灵活；5）不会丢失原始数据。 12. 试述微型机控制系统设计的一般原则。 答：1）安全性与可靠性；2）操作维护方便；3）实时性强；4）通用性好。 13. 试述微型机控制系统设计的一般步骤。 答：1）分析问题和确定任务；2）系统总体设计；3）控制系统的硬件设计；4）控制系统的软件设计。 14. 试述微型机控制系统数据采集板的选择原则。 答：1）模拟信号输入范围、被采集信号的分辨率；2）完成一次转换所需的时间；3）模拟输入信号的特性是什么，是否经过滤波，信号的最高频率是多少；4）模拟信号传输所需的通道数；5）多路通道切换率是多少，期望的采样/保持器的采集时间是多少；6）在保持期间允许的电压下降是多少；7）通过多路开关及信号源串联电阻引起的偏差是多少；8）所需精度（包括线性度、相对精度、增益及偏置误差）是多少；9）当环境温度变化时，各种误差限制在什么范围；10）各通道模拟信号的采集是否要求同步；11）所有的通道是否都使用同样的数据传输速率；12）数据通道是串行操作还是并行操作；13）数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作。 15. 衡量计算机控制系统可靠性的标准主要有哪些？ 答：1）故障前平均时间；2）平均故障间隔时间；3）平均修复时间；4）可靠度；5）失效率；6）利用率。 16. 造成系统故障的外部干扰主要有哪一些？ 答：1）空间感应的干扰；2）过程通道的干扰；3）电源系统的干扰；4）长线传输的干扰；5）地电位波动的干扰。 17. 提高硬件系统可靠性的措施有哪一些？ 答：1.正确选用硬件：1）元件的选用；2）元件的降级使用；3）元件的老化；2.简化系统结构；3.冗余设计：1）热备份；2）冷备份；4.电磁干扰的屏蔽与消除：… 18. 造成软件产生故障的主要原因有哪些？可以采取哪些措施来提高其可靠性？ 答：原因：1）编程工具不完善；2）编程人员的水平和经验不足；3）编写出来的程序没有经过充分调试。 措施：1）了解所要设计的软件系统的要求；2）选择一个合适的编程工具来开发软件系统；3）使用正确的编程方法；4）程序应具有良好的抗干扰能力；5）仔细进行程序调试。 19. 计算机控制系统在线系统故障自诊断有哪些方法？ 答：1）直观法；2）利用计算机控制系统的硬件报警功能；3）充分利用计算机控制系统的软件报警功能；4）利用状态显示的诊断功能；5）发生故障时，应及时核对计算机控制系统参数。 20. DCS系统中的通信子系统与一般通信系统相比较有何特殊之处？ 答：1）快速实时响应能力；2）具有极高的可靠性；3）适应恶劣的工业现场环境；4）分层结构。 21. 现场总线系统与DCS系统相比有何异同？ 答：1）DCS是个大系统，…..；2）传统DCS是封闭式系统，…；3）…；…；8）…；（P196）
四、 控制程序设计 1. 对图3-26的A/D转换器与PC总线的接口电路，用C语言编写一个循环采集8个通道数据的A/D转换程序，设8255A各端口的地址分别为300H、301H、302H和303H。 2. 对图3-28的D/A转换与PC总线接口电路，用C语言编写一个D/A输出程序，设8255A各端口的地址分别为304H、305H、306H和307H。 3. 编制一个能完成中位值滤波加上算术平均值滤波的子程序，设对变量采样测量7次，7次采样值排序后取中间的3个采样值平均。
五、 计算题 1. 已知某连续系统的传递函数为：D（s）＝（1＋0.17s）/0.085s。若采用数字PID算法实现时，设采样周期T＝0.2秒，试分别求出它的位置型和增量型的PID算法的输出表达式。 2. 已知系统的校正装置为PI调节器，即D（s）＝Kp（1＋1/TIs），其中Kp＝3，TI＝0.5，采样周期T＝0.1s，求其位置式输出的差分方程。 3. 有一台智能温度测试仪，量程为0～100℃，若某时刻，计算机采集到的数字量为0CDH，求此时实际温度是多少。（设仪表是线性的） |
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