计算机控制技术及其应用（丁建强 任晓 卢亚萍）课后答案(8)

《计算机控制技术及其应用》 第5章 计算机控制系统中的过程通道 思考题与习题 指导信息

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4～20mA或直流电压1～5V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。 4. 试比较伺服电机和步进电机的各自特点。

[指导信息]: 参见5.1.4 伺服电机和步进电机。

提示：可通过结构和工作原理、控制精度、矩频特性、过载能力、成本等方面比较。伺服电机及其构成的伺服系统，特别是交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，在控制性能要求不是很高的场合可选用步进电机，而对控制精度不高，成本更低的场合，可选择伺服电机及其简单的开环控制驱动器。 5. 简述在控制系统中变频器和电动执行器的作用。

[指导信息]: 5.1.5 变频器与电动执行器。

变频器主要用于实现电机的变速运行。电动执行器(也称电动力执行机构)接受来自调节器、工控机、DCS、计算机等仪表系统的控制信号，变成位移推力或转角力矩，完成调节的机械动作。变频器和电动执行器在控制系统中完成信息施效的作用。 6. 简述控制系统中信号的类型和处理的要求。

[指导信息]: 参见5.2.1 控制系统中的信号种类及特点。 提示：可参考表 5 2 信号类型和处理要求。 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)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。 8. 什么是格雷(Gray)码？它有哪些特点？

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《计算机控制技术及其应用》 第5章 计算机控制系统中的过程通道 思考题与习题 指导信息

[指导信息]: 5.2.2 数字量信号处理方式。

格雷(Gray)码特点是数值上大小相邻的编码，在逻辑上也相邻。逻辑上相邻的编码仅有1位不同，这样可保证按数值大小递增递减变化时，输出逻辑上相邻的编码，不会出现多于1位的码同时变化，这样可避免由于编码递增或递减变化时造成的干扰。 9. 画出电阻-电压信号转换电路示意图。

[指导信息]: 参见5.2.3 模拟量信号处理方式。 可参考图 5-22 电流-电压信号转换。

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&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 0cm～100cm，经压力变送器变换为1～5V标准电压信号后送至8位A/D转换器ADC0831，其输入量程为0～5V。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 的输出结果（2V/5V*255）。

13. 已知某A/D转换器的分辨率为12位bit，转换时间为10μs，误差为±1LSB。在没有采样保持的情况下，为保证数据精度，则输入信号的频率最高为多少？若采用了采样保持器后，理论上输入信号的频率最高可为多少？

[指导信息]: 参见5.2.4 数据采集的原理和实现。

对tA/D＝10μs的12位ADC芯片，为保证其量化精度：1/4096，则输入信号允许的最大频率为：

f?1/40961/4096??4Hz

2??tA/D2??10?10?61tA/D＝100kHz。

理论上输入信号的频率最高可为最大采样频率fsMAX?- 5-2 -

《计算机控制技术及其应用》 第5章 计算机控制系统中的过程通道 思考题与习题 指导信息

14. 试画出一个利用多路选择器构成的64X8bit数字信号数据采集系统示意图。

[指导信息]: 参见5.2.4 数据采集的原理和实现。 示意图如下。

数 数 数 数 数 / 数 数 数 数 数 数 数 数 数 (8) 数 数 数 数 (6) 数 数 数 数 数 数 (8) 数 数 数 数 (6) 数 数 数 数 数 数 数 数 数数 数数 (8) 数数 数数 (6) 数数 数数 (64×8)

15. 试画出一个利用多路开关构成的32路模拟信号数据采集系统示意图。

[指导信息]: 参见5.2.4 数据采集的原理和实现。 示意图如下。

数数 数数 数数 数数 A/D 数数数数 数数 (1) 数数 (1) (1) (M) 数数 数数 (5)

数数 数数 (32) 数 数 数 数 数 数 数 数 数 数 数 (5) 数 数 数 数 (M) 数 数 数 数 数 数 数 数 数 (5) 数 数 数 数 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。 17. D/A转换器有哪些性能指标？

[指导信息]: 参见5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。

主要性能指标有分辨率、线性度、转换精度、建立时间、温度系数、电源抑制比、输入形式、输出形式。

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 0～8kW，可接受4～20mA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0～20mA，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。

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《计算机控制技术及其应用》 第5章 计算机控制系统中的过程通道 思考题与习题 指导信息

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转换电路如错误！未找到引用源。所示，当Vref＝4V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。

20. 画出直流伺服电机驱动电路框图。

[指导信息]: 参见5.3.4 电机控制。

提示：可参考图 5 63 直流伺服电机驱动电路框图。 21. 画出步进电机驱动电路框图。

[指导信息]: 参见5.3.4 电机控制。

提示：可参考图 5 66 步进电机的驱动电路框图。

22. 结合步进电机驱动器THB6064的应用电路，画出正转3步和反转4步有关控制信号(ENABLE、CLK、

CW/CCW、RESET、M1、M2、M3)的时序(假设采用半步方式)。

[指导信息]: 参见5.3.4 电机控制。

结合步进电机驱动时序，参考表 5 17 THB6064引脚的功能描述和图 5 71 THB6064的应用电路，可画出相应时序。ENABLE=1（高电平），CLK8个脉冲，前3个脉冲时，CW/CCW为0（低电平），后4个脉冲时，CW/CCW为1（高电平），M1、M2、M3=000（均为低电平）。（时序图略）

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《计算机控制技术及其应用》 第6章 控制系统的可靠性与抗干扰技术 思考题与习题 指导信息

第6章 控制系统的可靠性与抗干扰技术

1. 什么是控制系统中的可靠性？其含义有哪些？

[指导信息]: 参见6.1.1 可靠性的概念。

控制系统的可靠性通常是指在一定条件下，在规定时间段完成规定功能的能力。可靠性的概念有两层含义：一是系统在规定的时间内尽可能减少错误和故障的发生；二是发生了错误和故障后能迅速进行维修，尽快恢复正常工作。

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，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。 4. 什么是电磁兼容性(EMC)？其含义有哪些？

[指导信息]: 参见6.1.2 电磁兼容性。

电磁兼容性(EMC：Electromagnetic Compatibility)并非指电与磁之间的兼容，而是指在不损害信号所含信息的条件下，信号和干扰能够共存的程度。国际电工委员会(IEC)对EMC的定义是：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

电磁兼容实际有两方面的含义，一方面是设备或系统本身不应对周围其他设备或系统造成不能承受的电磁干扰(EMI:Electro Magnetic Interference)；另一方面是设备或系统应具有较低的电磁敏感度(EMS:Electro Magnetic Susceptibility)，能防御来自周围环境中的电磁干扰。 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。 6. 噪声有哪些分类？

[指导信息]: 参见6.1.3 噪声的分类和耦合方式。

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