控制的本质是什么 简答题

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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，可通过系统的性能

2、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。典型计算机控制系统的结构框图7、计算机控制系统有哪些分类？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

3、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“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

4、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: 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

5、。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

6、、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

7、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。第二章 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。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：离散系统的脉冲传递函数(也称Z传递函数)可定义为：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

8、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。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。离散系统的状态空间

9、描述方法输出方程和状态方程表达式用矩阵表示为：8、写出下列序列x1(k)、x2(k)对应的Z变换。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)(3)； (4)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)x2(k)3(k)+2(k-1)+4(k-2) +8(k-3)+9(k-4)+ 32(k-5)

10、+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： 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

11、、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。其中： 、；R(z)分别取：(1)、(2)指导信息: 参见2.4.3 静态误差分析。因为，所以系统是I型系统。(1) 时，稳态误差为0。(2) 时，稳态误差为，（取T=1），其中则 第三章 器的设计与实现2、已知某对象的传递

12、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。，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。 用向后矩形法求解(设T=1)：用梯形变换法(设T=1)4、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：用向后矩形法求出相应的D(z) 如下：用梯形变换法求出相应的D(z) 如下：5、PID的Kp、Ki、Kd参数各有什么作用？指导信息: 参见3.3.

13、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、

14、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。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:因为G(z)具有因子，无单位圆外的零点，则(z) 应包括因子；G(z)分母和R(z)均有因子则Ge(z)应包含；又因为，(z)和G

15、e(z)应该是同阶次的多项式，所以有：两式中的a，b为待定系数。将上两式联立，得：，比较等式两侧，得到解：所以：各点波形：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 0.432-0.259 0.156-0.093y(k): 0.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在单位速度信号激励下:因为G(z)含有因子，则(z)分子应包括；

16、G(z)分母有因子，R(z) 分母有均则Ge(z)应包含；又因为，(z)和Ge(z)应该是同阶次的多项式，所以有：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：各点波形：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 0.000 2

17、.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:, 因为G(z)具有因子，单位圆内的零点z=-0.6，则(z) 应包括和(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，(z)和Ge(z)应该是同阶次的多项式，所以有：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

18、)=b);)所以有：将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数各点波形：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:,因为G(z)含有因子和零点z=

19、-0.6，因此，(z)中应含有、(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Ge(z)应该是同阶次的多项式，所以有：式中a、b、c为待定系数，由此得方程组：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);)或将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数各点波形：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

20、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)在阶跃信号激励下: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)应该是同阶次的多项式，所以有：两式中的a,b,c,d为待定系数。a =4/11;b =7/11;c =3

21、/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：将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数各点波形：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.

22、000 1.000 1.000 1.000(4)在单位速度信号激励下:,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)应该是同阶次的多项式，所以有：(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) ) )求得：a =592/605,b =-93/148,c =618/605,d =279/3025.,以及：将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数各

23、点波形：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:, ，如果输入是速度函数，则会存在误差，如下所示： (2)在三个单位速度信号激励下:, (3)在三个阶跃信号激励下: (4)在三

24、个单位速度信号激励下:,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。、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：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：输出方程：D1(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：输出方程：D1(z)串行实现法的表达式为：（实现框图略。）D1(z)并行实现法的表达式为：（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：D2(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

25、方程：输出方程：D2(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：输出方程：D2(z)串行实现法的表达式为：（实现框图略。）D2(z)并行实现法的表达式为：（实现框图略。）第四章 控制系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

26、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。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

27、号类型、连接方式、能否组网、应用情况等方面来比较。9、I2C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

28、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。第五章 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4

29、20mA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

30、 控制系统中的信号种类及特点。信号调理(Signal Conditioning)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(E

31、rror&Accuracy);(5). 转换速率(Conversion Rate);(6). 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

32、电压信号（2V），然后转换为ADC0831 的输出结果（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

33、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 found.所示，当Vref4V时，B点输出范围为4V至4V。若要求B点的输出电压为2V，则输出到D/A芯片的二进制数为多少？此时的A点电压为多少？指导信息: 参见5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。输出到D/A芯片的二进制数为(-2V-(-4V)/(4V-(-4V)*256=64(D)=01000000(B), 此时的A点电压为+1V。第六章 控制

34、系统的可靠性与抗干扰性2、错误(Error)和故障(Failure)有何区别？如何正确对待？指导信息: 参见6.1.1 可靠性的概念。瞬时性的、功能上出现偏差的异常状态，称之为错误，错误不经停机修理也可恢复到正常工作状态；固定性的、功能部件其必要操作能力消失的异常状态，称之为故障，故障只有通过修理才能恢复到正常状态。错误和故障往往是不可避免的，这需要有正确的态度和策略来对待。3、简述早期故障、耗损故障、偶发故障产生的原因和应对的策略。指导信息: 参见6.1.1 可靠性的概念。早期故障的发生是由于元器件质量差，软件、硬件设计欠完善等“先天不足”原因所造成的。应对的策略有：通过调试系统及时发现问题

35、，优化设计结构、选择优质部件。耗损故障的发生是由于元器件使用寿命已到所致。应对的策略有：预先更换寿命将到期的元器件，定期检查或更换关键元件和部件。偶发故障是随机的，通常发生于早期故障和耗损故障之间，在故障发生后，需进行应急维修。应对的策略有：采取故障诊断、故障恢复技术、冗余技术等。5、产生干扰的必要条件有哪些(EMC的四要素)？指导信息: 参见6.1.2 电磁兼容性。噪声的发生(即有噪声源的存在)、噪声的接收(即有受扰体的存在)、噪声的传播(即有耦合途径的存在)、以及上述三者在时间上的一致性。7、什么是串模噪声和共模噪声？它们有何不同？有哪些抑制的方法？指导信息: 参见6.1.3 噪声的分类和

36、耦合方式。按噪声传导模式可分为串模噪声和共模噪声。串模噪声又称差动噪声、常模噪声、横向噪声、线间感应噪声或对称噪声等，串模噪声与有用信号串在一起。串模噪声往往较难清除，当噪声的频率范围与有用信号相差较大时，可采用滤波方法来抑制。共模噪声又称地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。共模噪声同时叠加在输入信号两端，只要线路处于平衡状态，即两根信号线对地阻抗一致时，则共模噪声不会对有用信号产生影响。抑制共模噪声的方法较多，如隔离、屏蔽、接地等。10、有哪些隔离和屏蔽技术？指导信息: 参见6.2.3 隔离与屏蔽技术。隔离技术就是切断噪声源与受扰体之间噪声通道的技术，其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来，切

37、断通过阻抗进行耦合的可能。具体的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离和布线隔离。屏蔽主要运用各种导电材料，制造成各种壳体并与大地连接，以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径。屏蔽可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽三类。在控制系统中，采用双绞线可有效地抑制信号传输过程中的电磁干扰。第七章 控制系统的组态软件2、工控组态软件的主要功能有哪些？ 指导信息: 参见7.1.2 组态软件的功能。主要功能有：数据采集、过程监控、人机交互。5、“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”有什么功能和关系？指导信息: 参见7.2.1 MCGS组态软件特点和组成。MCGS组态

38、环境由可执行程序McgsSet.exe支持。用户组态生成的结果存放在扩展名为.MCG的工程文件中，工程文件又称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，由可执行程序McgsRun.exe支持，它按照工程文件指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的功能。运行环境与组态结果数据库一起作为一个整体，构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。运行环境由工程师设计建立；运行环境由操作人员操纵，完成相应的监控功能。第八章 DCS集散控制系统1、DCS控制系统是在什么控制系统的基础上发展起来的？其构建的原则是什么？指导信息: 参见8.1.1

39、 DCS的产生、8.2.1 DCS的分层结构、1.2.2 计算机控制系统的分类。DCS是在传统过程控制系统的基础上发展起来的。构建的原则是“分散控制、集中操作、分级管理”。2、DCS可分为哪几层结构？每层的主要功能是什么？各层通过什么通信网络相互连接？指导信息: 参见8.2.1 DCS的分层结构，8.2.3 DCS的通信网络。DCS可分为三层结构，分别为分散过程控制层、集中操作监控层、综合信息管理层，并通过通信网络形成一个整体。在分散过程控制层中，通信网络将控制器与I/O单元，以及与现场仪表、传感器、执行器连接起来，该网络具有实时性、互换性、互操作性和本质安全，现场总线技术能够满足分散过程控制

40、级的数据通信。集中操作监控层与分散过程控制层之间的大多都采用了实时以太网进行通信，要求具有较好的确定性、实时性和可靠性，较高的数据传输速率，并有一定传输距离。综合信息管理层内部以及与集中操作监控层之间可采用企业内部网Intranet技术，在安全性保障的前提下，实现最大可能的互连、互换和互可操作性。3、DCS中的控制站、操作站、工程站所完成哪些主要任务？指导信息: 参见8.2.2 DCS的核心部件。控制站是DCS系统中非常重要的核心部件，也是整个DCS的基础，其主要任务是完成所有I/O信号的处理、控制算法的运行、上下网络通信、冗余诊断等。一个控制站可以有上千个控制点，它的可靠性和安全性尤为重要。

41、操作站有时也称操作员站，通常由安装监控软件的PC机或工控机组成，可配置专用的操作键盘和鼠标或触摸屏。操作站的主要作用是实现对系统运行的监视和运行参数的设置。操作站通常提供丰富的人机界面。工程站也称工程师站、工程工作站，通常由安装组态软件和系统开发环境的高性能PC机或工控机组成。工程站的主要作用是为设计人员提供工程设计、系统扩展或维护修改的操作平台。在工程工作站上，工程设计人员完成系统设计、调试、维护和诊断等工作。4、简述WebField JX-300XP中一个控制站和一个控制区域的规模。指导信息: 参见8.4.2 JX -300XP系统的组成。JX-300XP通过SCnet II过程控制网最多

42、可连接15个控制站、32个操作员站或工程师站，由此形成一个控制区域。控制站以主控制卡为核心部件。一个控制站可以配置一对互为冗余的主控制卡，一对冗余的主控制卡通过SBUS网络可以挂接至多8个I/O单元，每个I/O单元可以挂接16块I/O卡件。一个控制站允许配置的I/O信号点数最多可达1024个(其中模拟量输入AI点数384；模拟量输出AO点数128；数字量输入DI点数1024；数字量输出DO点数1024)，一个控制站最多可定义128个控制回路。由此可推出一个控制区域允许配置的I/O信号点数最多达151024=15360。7、简述WebField JX-300XP主控卡的功能和特点。指导信息: 参

43、见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。主控制卡(又称主控卡，卡编号为XP243)是控制站软硬件的核心，协调控制站内软硬件关系和各项控制任务。它是一个智能化独立运行的计算机系统，可以自动完成数据采集、信息处理、控制运算等各项功能。主控制卡采用双微处理器结构，协同处理控制站的任务，具有较好的实时性、可靠性和自诊断功能；支持SCX语言、梯形图、功能图、顺控等组态工具构造的控制方案。8、简述WebField JX-300XP数据转发卡的主要作用。指导信息: 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。数据转发卡(卡编号为XP233)是I/O机笼的核心单元，是主控制卡联接I/O卡件的中间环节，它

44、的主要功能包括通过SBUS联接主控卡，管理本机笼中的I/O卡件，进行数据转发，同时提供本机笼温度采集，用于热电偶的冷端温度补偿。一块主控制卡(XP243)通过SBUS总线(S2)可连接18个数据转发卡(即连接1到8个I/O单元机笼)，每个数据转发卡通过SBUS总线(S1)连接116块不同功能的I/O卡件。数据转发卡(XP233)与SBUS总线的连接如图 8-8为所示。11、简述WebField JX-300XP中的通信网络，并画出连接示意图。指导信息: 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。JX-300XP控制系统的通信网络分三层：高层信息管理网(Intranet)、过程控制网(SCn

45、et II)和底层I/O控制总线(SBUS)。高层信息管理网（Intranet）用于大容量文件的高速传输，资源信息的共享，支持采用大型数据库功能，并可将本地控制系统连入企业Intranet。过程控制网络SCnet II采用双重化冗余结构专用以太网。SCnet II连接了控制站、操作站和工程师站。底层I/O控制总线(SBUS)包括SBUS(S1)和SBUS(S2)。前者实现数据转发卡与各I/O卡件之间的信息交换，后者实现主控制卡与数据转发卡之间的信息交换。连接示意图见图 8 14所示。第九章 计算机控制系统的解决方案1、计算机控制系统解决方案的主要任务有哪些？需要考虑哪些因素？指导信息: 参见第

46、9章 计算机控制系统的解决方案引言部分。制定计算机控制系统解决方案的主要任务有全面了解被控对象的特点和控制目标的要求，还需要考虑诸多因素，如技术的先进性和成熟性、结构的适应性和可靠性、开发和维护人员的应用水平、设备和器件的成本、开发和实施的进度等。2、基于嵌入式系统的解决方案有哪些特点和适应场合？指导信息: 参见9.1.1 组成和特点。基于嵌入式系统的解决方案特点在于系统的控制单元、执行单元、反馈单元与被控对象高度融合，用途专一，结构紧凑，性价比高。这种解决方案非常适用于批量生产的自动控制产品。作为批量生产的产品，在可靠性、适应性、可维护性、成本、体积、功耗等都会有特殊的要求，需要有经验丰富的

47、嵌入式系统开发人员及其开发环境的支持，需要有一定的开发周期。4、基于智、能控制仪表的解决方案有哪些特点和适应场合？指导信息: 参见9.2.1 组成和特点。基于智能控制仪表的解决方案是以智能控制仪表为控制核心，利用其集成的基本输入输出通道和简单的数码显示装置，配置通用的传感器和执行器，通过手动或上位机设置控制参数，提供或通过上位机进行监控。智能控制仪表结构紧凑、安装方便、配置容易、操作简单、通用性强、技术成熟，广泛应用于工业自动化控制领域的过程控制。适应场合：以模拟信号控制为主的单一变量或小规模控制系统，也可通过通信网络，形成一定规模的过程控制系统。但不太适用于顺序控制、程序控制的场合。8、基于

48、分布式数据采集与控制模块的解决方案有哪些特点和适应场合？指导信息: 参见9.4.1 组成和特点。基于分布式数据采集与控制模块的解决方案以分布式I/O模块及控制器为控制核心，配置通用的传感器和执行器，通过通信网络形成一个控制系统，并通过组态软件进行参数设置和监控。基于分布式数据采集与控制模块的解决方案的主要特点包括分布式数据采集、远程控制、简洁的通信网络、扩展灵活的结构、较强的工业现场适应性，适用于需要分布式采集数据、有一定规模的过程控制系统。由于分布式数据采集模块使用的通信网络在快速性、可靠性以及数据传输速率上还有所不足，有待于先进的现场总线技术来完善。12、比较多种控制系统的解决方案，找出它

49、们存在的不足之处。指导信息: 参见第9章各节的组成和特点内容。基于嵌入式系统的解决方案存在的不足之处有：需要有一定的开发周期，不适用于较大规模的控制系统。基于智能控制仪表的解决方案的不足之处有：不太适用于顺序控制、程序控制的场合，也不适用于较大规模的控制系统。基于PLC可编程逻辑控制器的解决方案的不足之处有：在结构连接的不够灵活，人机交互界面不够丰富。基于分布式数据采集与控制模块的解决方案的不足之处有：使用的通信网络在快速性、可靠性以及数据传输速率上还有所不足。基于PAC可编程自动化控制器的解决方案的不足之处有：系统开发有一定的复杂性，成本相对较高。第十章 计算机控制技术在简单过程控制中的应用

50、1、试简述本章两个实例水箱液位控制和锅炉温度控制中反馈单元、执行单元和控制单元所采用的具体部件，并比较控制单元的各自特点和要求。指导信息: 参见10.1.2 硬件组成和10.2.2硬件组成。水箱液位控制中所采用的部件有：液位变送器、电动调节阀、智能调节仪锅炉温度控制中所采用的部件有：温度传感器及变送器、电加热器及可控硅移相调压装置、模拟量输入输出模块I-7017和I-7024。水箱液位控制中所采用的控制单元为智能调节仪，采用压力变送器作为液位检测装置，电动调节阀作为执行机构，采用智能调节仪中的PID控制算法，通过RS-485与上位机连接，在上位机上完成人机界面和组态设计。锅炉温度控制中所采用的

51、控制单元为DDC计算机或PC机，采用Pt100温度传感器及变送器作为温度检测装置，电加热器和三相可控硅移相调压装置作为执行机构。DDC计算机通过RS-485与模拟量输入输出模块I-7017和I-7024连接，在DDC计算机上完成人机界面和组态设计，以及PID控制算法。6、简述控制变量SV、PV、MV和OP的含义。指导信息: 参见10.1.3 组态过程。最基本的控制变量为设定值SV、过程值(或输入测量值)PV和输出值MV。控制过程也就是控制器根据检测装置获得的PV与预先设定SV之间的偏差，按照预定的控制算法(如PID)，输出MV至执行机构，最终使PV接近SV。输出值MV在控制算法中也有用OP表示。第十一章 计算机控制技术在流程工业自动化中的应用1、什么是流程工业？流程工业自动化有哪些特点？指导信息: 参见第11章引言部分。流程工业(process manufacturing)主要是指化工、电力、炼油、冶金、制药、建材、造纸、食品等不间断连续生产方式的工业领域。流程工业中的自动控制系统所面临的控制对象是一个连续生产过程，检测和控制的数据非常庞大，工艺流程复杂多变，各不相同，其追求的目标通常是在安全性、可靠性的前提下，力求提高生产效率、降低能耗、节约资源。