山东科技大学2013—2014学年第二学期研究生课程
《微机控制与接口技术》考试试卷
班级 姓名 学号
一、问答题：（共35分）
1、 何谓计算机控制系统？简单介绍其基本构成。
利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分、软件部分。硬件部分包括主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、 操作台、执行机构；软件部分包括系统软件和应用软件。此外还包括通信网络，主要包括现场控制网络和主干控制网络。
2、 比较说明经典控制理论和现代控制理论的特点。
经典控制理论以单输入单输出系统为研究对象, 所用数学模型为高阶微分方程，采用传递函数法(外部描述法) 和拉普拉斯变换, 来作为研究方法和研究工具。分析方法和设计方法主要运用 频域(复域) 、频率响应、根轨迹法和PID 控制及校正网络。
现代控制论理论以多输入多输出系统为研究对象，采用一阶微分方程作为数学模型。研究问题时，以状态空间法(内部描述) 为研究方法，以线性代数矩阵为研究工具。同时，分析方法采用了 复域、实域，可控和可观测，设计方法采用了状态反馈和输出反馈。
另外，经典控制理论中，频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制，现代控制理论则易于实现最优控制和实时控制。
3、 简述信号采样和采样定理，采样周期的选择需要考虑哪些因素？
信号采样：采样也称抽样，是信号在时间上的离散化，即按照一定时间间隔△t 在模拟信号x(t)上逐点采取其瞬时值。它是通过采样脉冲和模拟信号相乘来实现的。
采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max 大于信号中最高频率fmax 的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。
采样周期的选择应考虑的因素：采样周期应远小于对象的扰动信号周期、采样周期应远远小于对象时间常数、考虑执行器的响应速度、考虑对象所要求的调节品质、考虑控制系统的性能价格比 、考虑计算机所承担的工作量。 4、 实时、在线方式、离线方式各自的含义是什么？
实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。 在线方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。 离线方式：生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
5、 何谓量化误差？试分析其来源。
量化误差：由采样信号转化成数字信号的过程中（量化过程）引起的误差称为量化误差 来源：
6、 何谓总线？工业控制中常用的系统总线和外部总线主要有哪些？
系统总线：PCI 总线、AT 总线、PC 总线 7、 什么是接口、接口技术和过程通道？
接口：完成计算机和外设之间的信息变换和缓冲功能的部件。是计算机和外设之间联系的桥梁，每个外设都要通过接口和主机系统相连接。
接口技术：专门研究CPU 和外设之间的数据传送方式、接口电路的工作原理和使用方法的一项技术。
过程通道：在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包
括AI 、AO 、DI 、DO 。
二、设计计算题：（共25分）
1．有一个伺服执行机构，需要的控制输入信号为0~5V模拟电压，采用计算机对其进行控制，需要设计一套D/A转换接口，要求D/A转换器的输出分辨率为2.5mV 电压，试确定所需D/A转换器的位数，给出相应的计算过程和必要的说明。
解：D/A转换器的输出分辨率为2.5mV 电压，且用来控制输入信号为0~5V模拟电压，则其所需D/A转换器的位数为：
推导出x =11，则D/A转换器的位数为11位。
2．计算机控制系统需要对一个传感器信号进行采样，该信号经过信号调理后输出变化范围为0~+10V的模拟电压，试设计一个接口电路对此信号进行采样：
（1）采样分辨率≤0.05%，确定所采用A/D转换器的位数。
解：其采样分辨率≤0.05%，则
则所采用A/D转换器的位数为15位。
（2）假设该接口的孔径时间为100us ，为了保证0.1%的量化精度，问被采样信号的频率最大为多少？
根据公式得：
即采样信号的频率最大为1.59Hz 。
3. 对某轧钢加热炉的炉温进行检测，采用红外温度传感器，已知传感器的温度检测范围是600~1500℃，采用4~20mA 电流输出；监控计算
机采用12位A/D转换器，输入为0~3.3V电压信号。
（1）针对上述要求，画出从传感器到A/D转换器的信号传输和变换框图，说明如何将传感器输出的电流信号转换为与A/D转换器输入所匹
传感器将加热炉内的温度转变成4-20mA 的电流信号，经过电流/电压转换（采样电阻和减法电路），将电流信号转变成A/D转换器所需的电压信号，再由A/D转换器进行模数转换，从而实现对数据的采集。其中采样电阻的大小为
传感器将加热炉内的温度转变成4-20mA 的电流信号，经采样电阻，转变为：
(4-20mA ) ⨯206Ω=(0. 824-4. 12) V
转变后的电压信号不满足A/D转换器的输入电压的要求，此时需要添加一个减法电路来实现A/D转换器的输入电压的要求。如下图所示：
要满足A/D转换器输入电压的要求，则在反相端的输入电压达到0.82V ，计算得：
得到R 4=196. 17Ω 经减法电路得到输出电压为
(0. 824~4. 12) V -0. 82V =(0. 004~3. 3) V ≈(0~3. 3V )
满足条件。
（2）为了实现温度的显示，如何从A/D转换器的采样数据得到实际的温度数据，建立相应的数学表达式，并给出必要的说明。
由于监控计算机采用12位A/D转换器，假设实际的温度数据为T ，A/D转换器的采样数据为D ，则数学表达式为：
由此数学表达式，通过在监控计算机上获得的采样数据D ，就可以得到加热炉中的实际温度。
三、综合设计：（共30分） 1．某系统的连续控制器设计为
U (s ) 1+T 1s
=
E (s ) 1+T 2s
分别使用双线性变换法、前向差分法求取数字控制器D （z ），分别求出两
D (s ) =
种方法对应的递推控制算法。
2．为了得到尽可能准确的采样数据，往往需要采用数字滤波对采样数
据进行处理：
（1）请以MCS-51汇编语言子程序或C 语言函数的形式编写针对3个采样数据的中值滤波程序，要求程序简洁运算量尽可能的少；
PUSH PSW PUSH A
SORT: MOV MOV CLR
R0,DATA ；数据存储区单元首址
R7,TIME ；读比较次数 FLAG
；清交换标志位
LOOP: MOV MOV
A,@R0 ；取第一个数
FIRST,A ；保存第一个数
INC R0 MOV CLR
SECOND,@R0 ；保存第二个数 C
SUBB A,@R0 ；两数比较 JC N EXT MOV DEC MOV INC R0 SETB
FLAG
；置交换标志位
；进行下一次比较
；第一数小于第二数，不交换 @R0,FIRST R0
@R0,SECOND ；交换两数
NEXT: DJNZ R7,LOOP
JB FLAG,SORT ；进行下一轮比较 DEC CLR MOV RRC A MOV DJNZ MOV POP POP RET #define N 3 char filter() {
R0 C
A,TIME R7,A R7,CONT
SAMP ,@R0 ；取中值 A PSW
CONT: DEC R0
char value_buf[N]; char count,i,j,temp;
for ( count=0;count
value_buf[count] = get_ad(); delay(); }
for (j=0;j
for (i=0;i
if ( value_buf[i]>value_buf[i+1] ) {
temp = value_buf[i];
value_buf[i] = value_buf[i+1]; value_buf[i+1] = temp; } } }
return value_buf[(N-1)/2]; }
（2）为了解决平滑性和灵敏度之间的矛盾，且减少采样频率，可以采用滑动加权平均值滤波法，请以MCS-51汇编语言子程序或C 语言函数的形式编写一个滑动加权平均值滤波程序，对最近4个周期的采样值进行加权平均，设当前周期为i ，其采样值的权值为0.5，第i-1周期的采样值权值为0.25，第i-2和i-3周期的采样值权值均为0.125，要求程序简洁运算量尽可能的少。
#define N 12
char code coe[N] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}; char code sum_coe = 1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12; char filter() {
char count; char value_buf[N]; int sum=0;
for (count=0,count
value_buf[count] = get_ad(); delay(); }
for (count=0,count
sum += value_buf[count]*coe[count]; return (char)(sum/sum_coe); }
3．PID 控制是应用最为广泛的一种控制律，计算机数字PID 控制算法来源于模拟PID 算法，
（1）试推导数字PID 位置型控制算法； （2）试推导数字PID 增量型控制算法；
（3）以MCS-51汇编语言子程序或C 语言函数形式编写PID 控制程序（位置型、增量型任选其一）。 四、论述题：（10分）
计算机控制系统的结构形式从DDC 到DCS ，从FCS 向NCS 发展，控结合控制技制理论从经典控制理论到现代控制理论，向智能化控制方向迅速发展，请术各个阶段的特点，论述计算机控制系统的发展过程和发展方向。
山东科技大学2013—2014学年第二学期研究生课程
《微机控制与接口技术》考试试卷
班级 姓名 学号
一、问答题：（共35分）
1、 何谓计算机控制系统？简单介绍其基本构成。
利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分、软件部分。硬件部分包括主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、 操作台、执行机构；软件部分包括系统软件和应用软件。此外还包括通信网络，主要包括现场控制网络和主干控制网络。
2、 比较说明经典控制理论和现代控制理论的特点。
经典控制理论以单输入单输出系统为研究对象, 所用数学模型为高阶微分方程，采用传递函数法(外部描述法) 和拉普拉斯变换, 来作为研究方法和研究工具。分析方法和设计方法主要运用 频域(复域) 、频率响应、根轨迹法和PID 控制及校正网络。
现代控制论理论以多输入多输出系统为研究对象，采用一阶微分方程作为数学模型。研究问题时，以状态空间法(内部描述) 为研究方法，以线性代数矩阵为研究工具。同时，分析方法采用了 复域、实域，可控和可观测，设计方法采用了状态反馈和输出反馈。
另外，经典控制理论中，频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制，现代控制理论则易于实现最优控制和实时控制。
3、 简述信号采样和采样定理，采样周期的选择需要考虑哪些因素？
信号采样：采样也称抽样，是信号在时间上的离散化，即按照一定时间间隔△t 在模拟信号x(t)上逐点采取其瞬时值。它是通过采样脉冲和模拟信号相乘来实现的。
采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max 大于信号中最高频率fmax 的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。
采样周期的选择应考虑的因素：采样周期应远小于对象的扰动信号周期、采样周期应远远小于对象时间常数、考虑执行器的响应速度、考虑对象所要求的调节品质、考虑控制系统的性能价格比 、考虑计算机所承担的工作量。 4、 实时、在线方式、离线方式各自的含义是什么？
实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。 在线方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。 离线方式：生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
5、 何谓量化误差？试分析其来源。
量化误差：由采样信号转化成数字信号的过程中（量化过程）引起的误差称为量化误差 来源：
6、 何谓总线？工业控制中常用的系统总线和外部总线主要有哪些？
系统总线：PCI 总线、AT 总线、PC 总线 7、 什么是接口、接口技术和过程通道？
接口：完成计算机和外设之间的信息变换和缓冲功能的部件。是计算机和外设之间联系的桥梁，每个外设都要通过接口和主机系统相连接。
接口技术：专门研究CPU 和外设之间的数据传送方式、接口电路的工作原理和使用方法的一项技术。
过程通道：在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包
括AI 、AO 、DI 、DO 。
二、设计计算题：（共25分）
1．有一个伺服执行机构，需要的控制输入信号为0~5V模拟电压，采用计算机对其进行控制，需要设计一套D/A转换接口，要求D/A转换器的输出分辨率为2.5mV 电压，试确定所需D/A转换器的位数，给出相应的计算过程和必要的说明。
解：D/A转换器的输出分辨率为2.5mV 电压，且用来控制输入信号为0~5V模拟电压，则其所需D/A转换器的位数为：
推导出x =11，则D/A转换器的位数为11位。
2．计算机控制系统需要对一个传感器信号进行采样，该信号经过信号调理后输出变化范围为0~+10V的模拟电压，试设计一个接口电路对此信号进行采样：
（1）采样分辨率≤0.05%，确定所采用A/D转换器的位数。
解：其采样分辨率≤0.05%，则
则所采用A/D转换器的位数为15位。
（2）假设该接口的孔径时间为100us ，为了保证0.1%的量化精度，问被采样信号的频率最大为多少？
根据公式得：
即采样信号的频率最大为1.59Hz 。
3. 对某轧钢加热炉的炉温进行检测，采用红外温度传感器，已知传感器的温度检测范围是600~1500℃，采用4~20mA 电流输出；监控计算
机采用12位A/D转换器，输入为0~3.3V电压信号。
（1）针对上述要求，画出从传感器到A/D转换器的信号传输和变换框图，说明如何将传感器输出的电流信号转换为与A/D转换器输入所匹
传感器将加热炉内的温度转变成4-20mA 的电流信号，经过电流/电压转换（采样电阻和减法电路），将电流信号转变成A/D转换器所需的电压信号，再由A/D转换器进行模数转换，从而实现对数据的采集。其中采样电阻的大小为
传感器将加热炉内的温度转变成4-20mA 的电流信号，经采样电阻，转变为：
(4-20mA ) ⨯206Ω=(0. 824-4. 12) V
转变后的电压信号不满足A/D转换器的输入电压的要求，此时需要添加一个减法电路来实现A/D转换器的输入电压的要求。如下图所示：
要满足A/D转换器输入电压的要求，则在反相端的输入电压达到0.82V ，计算得：
得到R 4=196. 17Ω 经减法电路得到输出电压为
(0. 824~4. 12) V -0. 82V =(0. 004~3. 3) V ≈(0~3. 3V )
满足条件。
（2）为了实现温度的显示，如何从A/D转换器的采样数据得到实际的温度数据，建立相应的数学表达式，并给出必要的说明。
由于监控计算机采用12位A/D转换器，假设实际的温度数据为T ，A/D转换器的采样数据为D ，则数学表达式为：
由此数学表达式，通过在监控计算机上获得的采样数据D ，就可以得到加热炉中的实际温度。
三、综合设计：（共30分） 1．某系统的连续控制器设计为
U (s ) 1+T 1s
=
E (s ) 1+T 2s
分别使用双线性变换法、前向差分法求取数字控制器D （z ），分别求出两
D (s ) =
种方法对应的递推控制算法。
2．为了得到尽可能准确的采样数据，往往需要采用数字滤波对采样数
据进行处理：
（1）请以MCS-51汇编语言子程序或C 语言函数的形式编写针对3个采样数据的中值滤波程序，要求程序简洁运算量尽可能的少；
PUSH PSW PUSH A
SORT: MOV MOV CLR
R0,DATA ；数据存储区单元首址
R7,TIME ；读比较次数 FLAG
；清交换标志位
LOOP: MOV MOV
A,@R0 ；取第一个数
FIRST,A ；保存第一个数
INC R0 MOV CLR
SECOND,@R0 ；保存第二个数 C
SUBB A,@R0 ；两数比较 JC N EXT MOV DEC MOV INC R0 SETB
FLAG
；置交换标志位
；进行下一次比较
；第一数小于第二数，不交换 @R0,FIRST R0
@R0,SECOND ；交换两数
NEXT: DJNZ R7,LOOP
JB FLAG,SORT ；进行下一轮比较 DEC CLR MOV RRC A MOV DJNZ MOV POP POP RET #define N 3 char filter() {
R0 C
A,TIME R7,A R7,CONT
SAMP ,@R0 ；取中值 A PSW
CONT: DEC R0
char value_buf[N]; char count,i,j,temp;
for ( count=0;count
value_buf[count] = get_ad(); delay(); }
for (j=0;j
for (i=0;i
if ( value_buf[i]>value_buf[i+1] ) {
temp = value_buf[i];
value_buf[i] = value_buf[i+1]; value_buf[i+1] = temp; } } }
return value_buf[(N-1)/2]; }
（2）为了解决平滑性和灵敏度之间的矛盾，且减少采样频率，可以采用滑动加权平均值滤波法，请以MCS-51汇编语言子程序或C 语言函数的形式编写一个滑动加权平均值滤波程序，对最近4个周期的采样值进行加权平均，设当前周期为i ，其采样值的权值为0.5，第i-1周期的采样值权值为0.25，第i-2和i-3周期的采样值权值均为0.125，要求程序简洁运算量尽可能的少。
#define N 12
char code coe[N] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}; char code sum_coe = 1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12; char filter() {
char count; char value_buf[N]; int sum=0;
for (count=0,count
value_buf[count] = get_ad(); delay(); }
for (count=0,count
sum += value_buf[count]*coe[count]; return (char)(sum/sum_coe); }
3．PID 控制是应用最为广泛的一种控制律，计算机数字PID 控制算法来源于模拟PID 算法，
（1）试推导数字PID 位置型控制算法； （2）试推导数字PID 增量型控制算法；
（3）以MCS-51汇编语言子程序或C 语言函数形式编写PID 控制程序（位置型、增量型任选其一）。 四、论述题：（10分）
计算机控制系统的结构形式从DDC 到DCS ，从FCS 向NCS 发展，控结合控制技制理论从经典控制理论到现代控制理论，向智能化控制方向迅速发展，请术各个阶段的特点，论述计算机控制系统的发展过程和发展方向。