1、第一章 概述2、控制的本质是什么？指导信息: 参见 1.1.2 自动控制中的基本问题。控制过程本质上是一系列的信息过程，如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等。控制系统中的目标信息、被控对象的初始信息、被控对象和环境的反馈信息、指令信息、执行信息等，通常由电子或机械的信号来表示。3、自动控制中有哪些基本问题？指导信息: 参见 1.1.2 自动控制中的基本问题。自动控制中的基本问题包括：自动控制系统的结构、过程、目标和品质等。结构包括组成及其关系两个部分；控制过程主要为一系列的信息过程，如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等；目标规则体现了系统的功能；控制品质即为控制的质量，可通过系统的
2、性能指标来评价。6、一个典型的计算机控制系统由哪些部分组成？它们的关系如何？指导信息: 参见 1.2.1 计算机控制系统的结构。计算机系统分为硬件系统和软件系统，硬件系统包括计算机、输入输出接口、过程通道(输入通道和输出通道)、外部设备(交互设备和通信设备等) ，软件系统包括系统软件和应用软件，其中计算机系统作为控制单元，见图 1 6 所示。执行单元计算机反馈单元被控对象交互设备输入通道输出通道输入输出接口输入输出接口通信设备软件系统( 系统软件 + 应用软件 )设计人员管理人员操作人员其他系统计算机系统过程通道外围设备典 型 计 算 机 控 制 系 统 的 结 构 框 图7、计算机控制系统有
3、哪些分类？试比较 DDC、SCC、DCS 和 FCS 的各自特点。指导信息: 参见 1.2.2 计算机控制系统的分类。分类方法有：按系统结构的分类、按控制器与被控对象的关系分类、按计算机在控制系统中的地位和工作方式分类、按控制规律分类。其中 DDC(Direct Digital Control)、SCC(Supervisory Computer Control)、DCS(Distributed Control System) 和 FCS(Field bus Control System)是按计算机在控制系统中的地位和工作方式来分类的。DDC 中的计算机直接承担现场的检测、运算、控制任务，相当于
4、“一线员工” 。SCC 系统中的 SCC 计算机主要完成监督控制，指挥下级 DDC 计算机完成现场的控制，相当于“车间主任”或“线长” 。DCS 由多台分布在不同物理位置的计算机为基础，以“分散控制、集中操作、分级管理”为原则而构建的控制系统，DCS 中的计算机充当各个部门的“管理人员” ，如过程管理、生产管理、经营管理等职能。FCS 是建立在网络基础上的高级分布式控制系统。在 FCS 中，控制器、智能传感器和执行器、交互设备、通信设备都含有计算机，并通过现场总线相连接。这些计算机的功能不仅仅在于对一般信息处理，而是更强调计算机的信息交换功能。8、试通过实例来说明不同控制规律的特征。指导信息:
5、 参见 1.2.2 计算机控制系统的分类。不同控制规律分类有恒值控制、随动控制、PID 控制、顺序控制、程序控制、模糊控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。恒值控制：控制目标是系统的输出根据输入的给定值保持不变，输入通常是在某一时间范围内恒定不变或变化不大的模拟量。如恒温炉的温度控制，供水系统的水压控制，传动机构的速度控制。随动控制：控制目标是要求系统的输出跟踪输入而变化，而输入的值通常是随机变化的模拟量，往往不能预测。如自动导航系统、自动驾驶系统、阳光自动跟踪系统、雷达天线的控制等。PID 控制：根据给定值与输出值之间偏差的比例(P) 、积分(I)、微分(D)进行的反馈控制，是工业上适用
6、面较广、历史较长、目前仍得到广泛应用的控制规律。许多连续变化的物理量如温度、流量、压力、水位、速度等的控制，都可采用 PID 控制。许多恒值控制和某些随动控制也可采用 PID 规律来实现。顺序控制：根据给定的动作序列、状态和时间要求而进行的控制。如交通信号灯的控制、电梯升降的控制、自动包装机、自动流水线的控制。程序控制（数值控制、数字控制）：指根据预先给定的运动轨迹来控制部件行动。如线切割机的控制、电脑绣花机的控制。模糊控制：基于模糊集合和模糊运算，采用语言规则表示法进行的控制。在许多家用电器（电饭煲、洗衣机等） 、工业过程控制等领域得到了越来越多的应用。最优控制（最佳控制）：使系统的某些指标
7、达到最优，而这些指标往往不能直接测量，如时间、能耗等。自适应控制：在工作条件改变的情况下，仍能使控制系统对被控对象的控制处于最佳状态。它需要随时检测系统的环境和工作状况，并可随时修正当前算法的一些参数，以适应环境和工作状况的改变。自学习控制：能够根据运行结果积累经验，自行改变和完善控制的算法，使控制品质愈来愈好。它有一个积累经验和主动学习的过程，可以适时地调整算法的结构和参数，以不断地提高自身算法质量。第 2 章计算机控制系统的理论基础3、什么是连续系统的传递函数？什么是离散系统的脉冲传递函数？它们有什么实用意义？指导信息: 参见 2.1.5 用传递函数表示的系统模型，2.3.6 脉冲传递函数
8、。连续系统的传递函数定义为零初始条件下系统输出 y(t)的拉氏变换与输入 r(t)的拉氏变换之比，即： )(sRYG离散系统的脉冲传递函数(也称 Z 传递函数) 可定义为： )(zRYH其中，Y(z)为系统输出序列 y(k)的 Z 变换，R(z)为输入序列 r(k)的 Z 变换。传递函数或脉冲传递函数都反映了系统固有本质属性，它与系统本身的结构和特征参数有关，而与输入量无关。利用传递函数的表达式就能分析出系统的特性，如稳定性、动态特性、静态特性等；利用传递函数可通过求解方程代数而不是求解微分方程，就可求出零初始条件下的系统响应。特别指出，通过实验的方法，求出离散系统的脉冲传递函数更为方便有效。
9、5、画出状态空间模型框图，写出输出方程和状态方程表达式。指导信息: 参见 2.1.7 状态空间概念和模型框图和 2.3.7 离散系统的状态空间描述。离散系统的状态空间描述与连续系统类似，其模型框图参见图 2-14 所示。A 为状态矩阵、B 为输入矩阵、C 为输出矩阵、D 为传输矩阵，延时单元 z-1 可以看成一组 D 型触发器或数据寄存器。y+CAz- 1DB+rx.x状态记忆系统状态转换离 散 系 统 的 状 态 空 间 描 述 方 法输出方程和状态方程表达式用矩阵表示为： )()()(1kkrxCyBA8、写出下列序列 x1(k)、 x2(k)对应的 Z 变换。0 1 2 3 4 5-10
10、12345kx1(k)0 1 2 3 4 5 6 70246810kx2(k)。指导信息: 参见 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、写出下列 Z 表达式所对应的序列表达式和序列图。(1) ；(2)42135)(1zzX 4172)(2zzX(3) ； (4)21.0.z 18.0)65(9.4)(z指导信息: 参见 2.3.3 序列和差分方程。x1(k)、x2(k)、x3(k) 、x4(k) 所对应的序列表达式和序列图如下：x1 (k) 5(k)+3(k-1) -(k-2) +3(k-3)0 1 2
11、 3 4 5 6 7 8020406080kx2(k)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) 所对应的序列图如下：0 1 2 3 4 5 6 7 8-20246kx1(k)0 1 2 3 4 5 6 7
12、 8024681012kx3(k)0 1 2 3 4 5 6 7 8-10-50510kx4(k)11、离散系统稳定的充要条件是什么？指导信息: 参见 2.4.2 稳定性分析。根据自动控制理论，连续系统稳定的充要条件是系统传递函数的特征根全部位于 s 域左半平面，而对离散系统稳定的充要条件是系统脉冲传递函数的特征根全部位于 z 平面的单位圆中。12、动态特性主要是用系统在单位阶跃输入信号作用下的响应特性来描述。常见的有哪些具体的指标？指导信息: 参见 2.2.2 连续系统的分析和设计方法回顾和 2.4.4 动态特性分析。系统的动态特性可通过多项性能指标来描述，常见的具体指标有上升时间 tr、峰
13、值时间 tp、调节时间 ts 和超调量 等。13、已知如下所示的离散系统的 G(z)、 D(z)，试分别求出不同 R(z)情况下的稳态误差ess。D ( z )+r ( k )R ( z )e ( k )E ( z )G ( z )y ( k )Y ( z )p ( k )P ( z )-控制器 被控对象其中： 、 ；R(z)分别取：)6.01)(82.)(1zzG15.0)6(2)zz(1) 、(2)1zR21)()zR指导信息: 参见 2.4.3 静态误差分析。因为 ，所以)1(5.0(8.)6.01)(8.5.01)6(2)( 11 zzzzzzGD系统是 I 型系统。(1) 时，稳态误
14、差 为 0。1zR)(kes(2) 时，稳态误差 为 ， （取 T=1） ，其中21)()(svK16.05.18)5.01(8.lim)(lim111 zTzGDzTKzv则 67.0)(vske第三章 器的设计与实现2、已知某对象的传递函数如下，分别用向后矩形法和梯形变换法求出相应的脉冲传递函数，设采样周期 T=1s。 342)(1sG，15.0.ss， 342)(3ssG指导信息: 参见 3.2.1 积分变换法。根据公式(3-3) 和 (3-5)计算。Tzsz1)( 12)(zTsz用向后矩形法求解(设 T=1)： 111 74234)(1 zTzsGzTz 21111 34)5.0()
15、.0()(2 zTzzszTz 211211 8434)()(3 zzTzsGzz用梯形变换法(设 T=1) 1112 52342)(1 zzTsGzzT 121112 342)25.0().0()(2 zzTzszzT 321121112 15/5/3484)(4)()(3 zzzTzTsGzzT4、写出 PID 的传递函数 D(s)，并分别用向后矩形法和梯形变换法求出相应的 D(z),要求将表达式整理成规范的分式，设采样周期 T=1s。指导信息: 参见 3.2.1 积分变换法和 3.3.2 数字 PID 控制算法。PID 的传递函数 D(s) 如下： sKdisTdi1KsEPDpp 用向
16、后矩形法求出相应的 D(z) 如下：)1(2/1( )(/) 211 zzTdTdiKpizz用梯形变换法求出相应的 D(z) 如下： )( )2/(14/)2/( 2 21 z zTdiiizD5、PID 的 Kp、 Ki、 Kd 参数各有什么作用？指导信息: 参见 3.3.1 PID 控制的原理。比例系数 Kp 的增大利于提高灵敏度，加快调节速度，减小稳态误差，但不能消除稳态误差。Kp 过大时，系统容易引起振荡，趋于不稳定状态。积分时间 Ti 是消除系统稳态误差的关键，Ti 要与对象的时间常数相匹配，Ti 太小，容易诱发系统振荡，使系统不稳定；Ti 太大，则减小稳态误差的能力将削弱，系统的
17、过渡过程会延长。微分时间 Td 的主要作用是加快系统的动态响应，即可以减少超调量，又可减小调节时间。但引入 Td 后，系统受干扰的影响会增加。6、数字 PID 控制的参数整定方法有哪些？各有什么特点？指导信息: 参见 3.3.3 数字 PID 控制的参数整定。数字 PID 控制的参数整定方法常见的有扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、归一参数法和经验整定法等。扩充临界比例度法在闭环系统中进行，在整定过程中允许出现振荡。扩充响应曲线法通过开环实验获得对象的动态特性，实验过程中不会出现振荡。归一参数整定法根据经验数据，人为地设定“约束条件” ，只需要改变 Kp，就可观察控制效果。8、已知某控制系统的
18、 G(z)如下，假定 R(z)分别在阶跃信号、单位速度信号激励下，按最少拍随动系统设计方法，求出 D(z)，并画出各点波形。 )4.01)(65.)(1zzG指导信息: 参见 3.4.2 最少拍随动系统的设计。(1)在阶跃信号激励下: 1)(zR因为 G(z)具有因子 ，无单位圆外的零点，则 (z) 应包括 1z因子；G(z) 分母和 R(z)均有 因子则 Ge(z)应包含 ；又因为 ， (z)和 Ge(z)应该是)(1z )(1z )(Ge(z)同阶次的多项式，所以有： 11ebzzGa)()两式中的 a，b 为待定系数。将上两式联立，得： 11az，比较等式两侧，得到解： 1ba所以： )
19、()1ezG)()( zGeezD )6.01(42)()4.01)(65.)( 11 zz各点波形：0 2 4 6 8 1000.20.40.60.81kr(k)0 2 4 6 8 1000.20.40.60.81ke(k)0 2 4 6 8 10-2-1012kp(k)0 2 4 6 8 1000.20.40.60.81ky(k)序列数据: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 0.4
20、32 -0.259 0.156 -0.093y(k): 0.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在单位速度信号激励下: 21)()zTR因为 G(z)含有因子 ，则 (z)分子应包括 1z； G(z)分母有 因子，R(z) 分)(1z母有 均则 Ge(z)应包含 ；又因为 ， (z)和 Ge(z)应该是21z)( 21z)(Ge()1同阶次的多项式，所以有： czGbzaee211)()(式中 a、b、c 为待定系数，求解上述方程组可得：a =2,b =-0.5,c=1。所以有： 21 2111)() )5.0z zzee )()(1
21、zGezeGD)1(6.0(4.)2)1()4.0)(165.2)(2 zzzzD各点波形：0 5 100510kr(k)0 5 1000.51ke(k)0 5 10-2024kp(k)0 5 100510ky(k)注意：按最少拍随动系统设计方法，p(k)会有纹波。序列数据: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 0.0
22、00 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.00010、按最少拍无纹波随动系统设计方法，求出前面习题 8 和习题 9 的 D(z)，并画出各点波形。指导信息: 参见 3.4.3 最少拍无纹波随动系统的设计。(1)在阶跃信号激励下:, 1)(zR)4.01)(65.)(1zzG因为 G(z)具有因子 ，单位圆内的零点 z=-0.6，则 (z) 应包括 1z和(1+0.6z -1)因子；G(z)分母和 R(z)均有 因子则 Ge(z)应包含 因子；又因为 ，)(1z )(1z (zGe( (z)和 Ge(z)应该是 同阶次的多项式，所以有： 2111)()()( 6.06
23、.0bzbzzGe aa两式中的 a，b 为待定系数。将上两式联立，可求得：a=0.625，b=0.375。(参考 MATLAB 命令：a,b=solve(a= (1-b), (0.6*a)=b);)所以有： 2111 375.062.)375.0)()( .)(62zzzzGe将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数 )375.01(4)375.01)()4.01)(. )( 11 zzzze()zD各点波形：0 2 4 6 8 1000.51kr(k)0 2 4 6 8 1000.51ke(k)0 2 4 6 8 10-0.500.51kp(k)0 2 4 6 8 1000.51ky
24、(k)注意：按最少拍无纹波随动系统设计方法，p(k)不会有纹波。序列数据: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)在单位速度信号激励下:,21)()zTR)4.01)(65.(1zzG因为 G(z)含有因子 1z和零点 z=-0.6，因
25、此，(z) 中应含有 1z、(1+0.6z -1)项；G(z)分母和 R(z)均有 因子则 Ge(z)应包含 ；又因为 ， (z)和)( )(1z(zGe()Ge(z)应该是 1z同阶次的多项式，所以有： 321121121 321 )()()()()()( 6.06.06.0 zczczczzcGe bababa式中 a、b、c 为待定系数，由此得方程组： cba6.0)21()(求解上述方程组可得：a =1.484;b =-0.579;c =0.516。(参考 MATLAB 命令：a,b,c=solve(a=-(-2+c),a*(0.6+b)=-(1-2*c),a*0.6*b=-c);)
26、)0.516()21()0.561()() .79-.4822 zzzzGe或 3213 .48)(0Ge将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数 )0.516)(178-42.968 )0.516()1)4.0(. 78-6.)( 121 zz zzze()zD各点波形：0 2 4 6 8 100510kr(k)0 2 4 6 8 1000.51ke(k)0 2 4 6 8 100123kp(k)0 2 4 6 8 100510ky(k)注意：按最少拍无纹波随动系统设计方法，p(k)不会有纹波。序列数据:k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7e(
27、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)在阶跃信号激励下: 1)(zR )2.01)(6.)(52)( 11 zzzG由 G(z)可知 (z) 应包括 和(1+1.5z -1)和(1+0.1z -1)因子；由 G(z)和 R(z 可知 Ge(z)应包含 因子； (z)和 Ge(z)应该是 1z同阶次的多项式，所以有：)
28、(1z )(1)( )1(.0(5.211dczGe bza )()( ).(.211 11zbze两式中的 a,b,c,d 为待定系数。a =4/11;b =7/11;c =3/55;(参考 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,则有：)3/57/1)()( 1.0(.(412zzGe z将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数)3/57/1(2.0(6.2 )3/57/1)()1.).( .05(/4)( 21 1 z zzzzGez()D各点波形：0 2
29、4 6 8 1000.20.40.60.81kr(k)0 2 4 6 8 1000.20.40.60.81ke(k)0 2 4 6 8 10-0.100.1kp(k)0 2 4 6 8 1000.20.40.60.81ky(k)序列数据: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.
30、000 1.000 1.000 1.000(4)在单位速度信号激励下:,21)()zTR )2.01)(6.)(5( 11zzzG由 G(z)可知 (z) 应包括 和(1+1.5z -1)和(1+0.1z -1)因子；由 G(z)和 R(z 可知 Ge(z)应包含 因子； (z)和 Ge(z)应该是 1z同阶次的多项式，所以有：)(1z )()1)( )1(.0(5.121czGe bza(参考 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) )
31、)求得：a =592/605,b =-93/148,c =618/605,d =279/3025.,以及： )279/305618/05()( )93/148(.1(.(91212 1zzzGe z将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数 )279/305618/05)( .1(6.)(93405/2 )279/3058/605).1(. )14(.(5(6/)( 211 22111 zzz zzzzz()zD各点波形：0 2 4 6 8 100246810kr(k)0 2 4 6 8 1000.20.40.60.81ke(k)0 2 4 6 8 10-0.200.20.4kp(k)0
32、2 4 6 8 100246810ky(k)序列数据：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：不同输入信号下的各点波形：(1)在三个阶跃信号激励下:, ，1)(zR )4.01)(65.)(1zzG)375.0(42)( 1 zGe)zD
33、0 5 10 15 20 250123kr(k)0 5 10 15 20 2500.20.40.60.81ke(k)0 5 10 15 20 25-0.500.511.5kp(k)0 5 10 15 20 250123ky(k)如果输入是速度函数，则会存在误差，如下所示：0 5 10 15 20 250246kr(k)0 5 10 15 20 25-101ke(k)0 5 10 15 20 25-1-0.500.51kp(k)0 5 10 15 20 250246ky(k)(2)在三个单位速度信号激励下:,21)()zTR)4.01)(65.(1zzG).56)(78-.98) 11 zze(
34、z)D0 5 10 15 200246kr(k)0 5 10 15 20-1-0.500.51ke(k)0 5 10 15 20-202kp(k)0 5 10 15 2002468ky(k)(3)在三个阶跃信号激励下: 1)(zR )2.01)(6.)(2)( 11 zzzG)3/57/()( 21e)D0 5 10 15 20 250123kr(k)0 5 10 15 20 2500.20.40.60.81ke(k)0 5 10 15 20 25-0.100.10.2kp(k)0 5 10 15 20 250123ky(k)(4)在三个单位速度信号激励下:,21)()zTR )2.01)(6
35、.)( 11zzzG)79/358/5)( 2.0(93405/6) 11 1 ze()D0 5 10 15 20 250246kr(k)0 5 10 15 20 25-1-0.500.51ke(k)0 5 10 15 20 25-0.500.5kp(k)0 5 10 15 20 2502468ky(k)11 根据下列控制器的 D(z)，分别画出直接式、串行实现法和并行实现法的实现框图和相应的输出方程和状态方程。 21.0.63)(1zzD、 213.0)(zzD指导信息: 参见 3.5.1 实现框图与算法。（1）对 D1(z)，采用直接式 1 和直接式 2 的实现框图如下：Z- 1+Z- 1
36、+0 . 63 . 63- 0 . 10 . 2E ( z ) P ( z )x 1x 2Z- 1+ +Z- 10 . 63 . 63- 0 . 10 . 2x 1x 2E ( z ) P ( z )( a ) ( b )D1(z)对应直接式 1 实现框图的状态方程和输出方程如下：状态方程： )(2.1)(.0)(2.3(6.0)(2.)( )(3.)()1 kexkekxkx kex输出方程： )(31)(kexkpD1(z)对应直接式 2 实现框图的状态方程和输出方程如下：状态方程： )(1(2 )(2.0)(1.)(2).0(.kx kexkkex输出方程： )(32.)(3.)(3)6
37、.*.01)6*kexp D1(z)串行实现法的表达式为： )4.01(2)5.(3)4.01()5.(2.01.6)( 112 zzzzzzD（实现框图略。 ）D1(z)并行实现法的表达式为： )4.01(7)5.01(32.01.63)( 1 zzzz（实现框图略。 ）（2）对 D2(z)，采用直接式 1 和直接式 2 的实现框图如下：Z- 1+Z- 1+- 10 . 10 . 223E ( z ) P ( z )x 1x 2Z- 1+ +Z- 1- 10 . 10 . 223x 1x 2E ( z ) P ( z )( a ) ( b )D2(z)对应直接式 1 实现框图的状态方程和输出
38、方程如下：状态方程： )(4.0)(13)(2.0()3)(2 )(5.02.1 kexkekxkx kex输出方程： 1pD2(z)对应直接式 2 实现框图的状态方程和输出方程如下：状态方程：)(1(2)(23kxke输出方程： )(2.0)(4.)(15.0 )(2.0)(1*kexk kexp D2(z)串行实现法的表达式为： )1(2)3(5.2.0)1(3(532.)(1 121 zzzzzD（实现框图略。 ）D2(z)并行实现法的表达式为： )1(25.0)3(9.1 )1(4/3*5.2.04/3*)()/4.(*2.03.)(121 zzzz（实现框图略。 ）第 4 章 控制系
39、统中的计算机及其接口技术1、工业控制计算机有哪些要求？基于 PC 机工业控制计算机其结构与普通 PC 机有何不同？指导信息: 参见 4.1.1 工业控制计算机的特点和结构。对工业控制计算机的要求主要体现在其所具有特点：适应性、可靠性、实时性、扩展性等方面。基于 PC 机工业控制计算机其结构与普通 PC 机不同之处是前者在机械结构、元器件选用和电源配置等方面比普通 PC 机的可靠性更高。5、接口数据传输中有哪些定时和协调信号？指导信息: 参见 4.2.1 接口与总线。定时信号有：CPU 或 DMA 控制发出的读 (Read)或写(Write) 信号，来实现 CPU 或存储器与外设之间的数据传输。
40、协调信号有请求(REQ)和应答(ACK)或选通(Strobe)和就绪(Ready) 。6、接口技术中有哪些数据传输的方式？各有什么特点？指导信息: 参见 4.2.1 接口与总线。根据定时和协调的不同要求，数据传输的实现有直接传输、程序查询、定时查询、中断传输和 DMA 等几种方式。特点请参见 4.2.1 接口与总线。8、RS-232C 和 RS-485 各有什么特点？指导信息: 参见 4.2.3 串行接口。提示：可通过传输方式、传输速率、传输距离、信号类型、连接方式、能否组网、应用情况等方面来比较。9、I 2C 总线和 SPI 总线各有什么特点？指导信息: 参见 4.2.3 串行接口。提示：可
41、通过总线结构、时序、传输速率、传输距离、适用场合等方面来比较。11、简述现场总线的技术特征.指导信息: 参见 4.2.4 现场总线。现场总线的主要技术特征有：(1). 数字计算和数字通信；(2). 互操作性和互换性；(3). 传输介质的多样化；(4). 适应性和可靠性等。12、画出 I2C 总线上主器件对地址为 1010110 的从器件写入 2 字节 5BH 和 87H 的时序。指导信息: 参见 4.2.3 串行接口。提示：参考图 4 28 I2C 总线的传输数据格式。14、控制系统中对人机交互有哪些要求？指导信息: 参见 4.3.1 人机交互及其要求。主要包括可理解性和易操作性。可理解性包括
42、确定性、关联性、层次性、一致性等要素。易操作性包括方便性、有序性、健壮性、安全性等要素。第 5 章 计算机控制系统中的过程通道1、简述传感器与变送器的异同。指导信息: 参见 5.1.1 传感器和变送器。变送器(Transmitter)是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器通常称为变送器。变送器有较强的信号处理能力、能输出标准信号信号。2、变送器输出的信号通常为多少？变送器与输入通道的连接方式有哪些？请给出连接示意图。指导信息: 参见 5.1.1 传感器和变送器。通用的标准信号为直流电流 420mA 或直流电压 15V 等。另外，对智能变送器还能输出规范的数字信号。变送器信号的传输连接方
43、式通常有四线制、三线制和两线制传输。连接示意图见图 5-1。3、IEEE1451 标准所指的变换器(Transducer)、检测器(Sensor)和执行器(Actuator)之间是什么关系？指导信息: 参见 5.1.2 IEEE 1451 智能变换器标准。要点：智能变换器(Transducer)可以是一种传感器或检测器 (Sensor)，也可以是一种执行器(Actuator)，或者是两种的组合，它可以作为信息系统与外界联系的一个信息节点。7、什么是信号调理？输入通道中的信号调理包括哪些？指导信息: 参见 5.2.1 控制系统中的信号种类及特点。信号调理(Signal Conditioning)
44、是指将敏感元件检测到的各种信号转换为规范标准信号。数字量输入通道中的信号调理主要包括消抖、滤波、保护、电平转换、隔离等。模拟量输入通道的调理内容有：电流-电压信号转换、电阻- 电压信号转换、电压放大以及隔离等，调理后的信号通常为一定大小的电压信号，然后由 A/D 转换器变为数字信号。10、A/D 转换器有哪些性能指标？指导信息: 参见 5.2.3 模拟量信号处理方式。主要性能指标有(1). 接口特性 (Interfacing)；(2). 量程(Range) ；(3). 分辨率(Resolution) ；(4). 误差和精度 (Error(5). 转换速率(Conversion Rate);(6
45、). A/D 转换的方法。11、A/D 转换的方法有哪些？各有什么特点？指导信息: 参见 5.2.3 模拟量信号处理方式。提示：参考表 5-5 各种 A/D 转换方法比较。12、某水箱水位正常工作时的变化范围为 0cm100cm，经压力变送器变换为 15V 标准电压信号后送至 8 位 A/D 转换器 ADC0831，其输入量程为 05V。当水箱水位的高度为 25cm时，ADC0831 的转换结果约为多少？指导信息: 参见 5.2.3 模拟量信号处理方式和 5.1.1 传感器和变送器。提示：先求当水箱水位的高度为 25cm 时，压力变送器输出的电压信号（2V） ，然后转换为 ADC0831 的输
46、出结果（ 2V/5V*255） 。16、开关量的功率驱动有哪些器件？各有什么特点？指导信息: 参见 5.3.2 输出通道中的开关信号驱动。开关量的功率驱动可以由晶体管、场效应管或集电极开路的 TTL 电路、漏极开路的MOS 电路、电磁式继电器、固态继电器、可控硅等功率器件组成。18、计算机通过 8 位 D/A 转换器控制某三相电加热器，加热器的输出功率范围为 08kW，可接受 420mA 的标准电流信号来改变其输出功率，8 位 D/A 转换器的输出范围为020mA，如计算机送给 D/A 转换器的数据为 80H(十六进制)时，加热器输出功率约为多少？指导信息: 参见 5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。提示：先计算 D/A 转换器数据为 80H(十六进制)时的输出电流（10mA） ，再计算加热器接受电流信号后的输出功率（(10-4)/16*8kW） 。19、某 8 位 D/A 转换电路如 Error! Reference source not
