計算機控制技術與系統 習題及答案 胡乃平

習題參考答案緒論1．計算機控制系統的硬件主要包括哪幾個部分？答：典型的計算機控制系統的硬件主要包括計算機主機、過程通道、操作控制臺和常用的外部設備。2．什么是過程通道？過程通道主要有哪幾種？答：過程通道是被控對象與主機進行信息交換的通道。根據信號的方向和形式，過程通道分為4種：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數字量輸入通道和數字量輸出通道。3．根據計算機控制系統的發展歷史和在實際應用中的狀態，計算機控制系統可分為哪幾類？各有何特點？答：計算機控制系統一般分為操作指導控制系統、直接數字控制系統、計算機監督控制系統、集散控制系統、現場總線控制系統和計算機集成制造系統6大類。（1）操作指導控制系統具有結構簡單、控制安全、靈活，人的介入使該系統可以應用于一些復雜的、不便由計算機進行直接控制的場合；（2）直接數字控制系統利用計算機的軟硬件替代自動控制系統的控制器，可實現對多回路多參數的控制，系統靈活性大、可靠性高，能實現各種從常規到先進的控制方式。（3）計算機監督控制系統利用有效的資源去完成生產過程控制的參數優化，協調各直接控制回路的工作，而不參與直接的控制，所以計算機監督控制系統是安全性、可靠性較高的一類計算機控制系統；（4）集散控制系統采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治、綜合協調設計原則，形成具有層次化體系結構的分級分布式控制，由于生產過程分別由獨立的控制器進行控制，控制器故障分散，局部的故障不會影響整個系統的工作，從而提高了系統工作的可靠性；（5）現場總線控制系統利用現場總線將各智能現場設備、各級計算機和自動化設備互聯，形成了一個數字式全分散雙向串行傳輸、多分支結構和多點通信的通信網絡，采用了基于開放式、標準化的通信技術，突破了DCS采用專用通信網絡的局限；同時還進一步變革了DCS中的“集散”系統結構，形成了全分布式系統架構，把控制功能徹底下放到現場。（6）計算機集成制造系統將工業生產的全過程集成在一起，由計算機網絡和系統在統一模式下處理，實現從設計、工藝、加工制造到產品的檢驗出廠一體化的模式，并提出了并行工程的概念，即將傳統串行流程部分改為并行流程，大幅加快了產品從設計到出廠的周期。計算機集成制造已經將制造集成轉換為信息集成，并融入了企業的全面管理和市場營銷。CIMS是一項龐大的系統工程，它需要有許多基礎的應用平臺的支持，實現的是企業物流、資金流和信息流的統一。4．計算機控制系統在深度和廣度兩方面各有何發展趨勢？答：計算機控制系統正朝著網絡化、智能化和綜合化的方向發展。計算機控制系統的規模越來越大，其結構也發生了變化，經歷了計算機集中控制系統、集散控制系統、現場總線控制系統，向著網絡控制系統發展；隨著人工智能技術的發展以及人們對控制系統自動化與智能化水平需求的提高，模糊控制技術、預測控制技術、專家控制技術、神經網絡技術、最優控制技術、自適應控制技術、數字孿生、機器學習等將在計算機控制系統中得到越來越廣泛的應用。計算機控制的工廠自動化控制系統已不再是單一的控制系統，而是集成的多目標、多任務的綜合控制系統，即把整體上相關、功能上相對獨立、位置上相對分散的子系統或部件組成一個協調控制的綜合計算機系統。計算機控制系統中的檢測設備和執行機構什么叫傳感器及變送器？答：傳感器（Sensor）是指能把物理、化學量轉變成便于利用和輸出的電信號，用于獲取被測信息，完成信號的檢測和轉換的器件。變送器（Transducer）是將工藝變量（如溫度、壓力、流量、液位、成分等）和電氣信號（如電流、電壓、頻率、氣壓信號等）調理并轉換成統一的標準信號。2．簡述壓力檢測的主要方法和分類。答：壓力檢測的方法很多，按敏感元件和轉換原理的特性不同，一般分為以下幾類：1）液柱式壓力檢測。它是依據流體靜力學原理，把被測壓力轉換成液柱高度來實現測量的。2）彈性式壓力檢測。它是根據彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉換成位移來實現測量的。3）負荷式壓力檢測。它是基于靜力平衡原理進行壓力測量的。4）電氣式壓力檢測。它是利用敏感元件將被測壓力轉換成各種電量，如電阻、電感、電容、電位差等。5）其他壓力檢測方法，如彈性振動式壓力計、壓磁式壓力計。彈性振動式壓力計是利用彈性元件受壓后其固有振動頻率發生變化這一原理制成的，其本質是將被測壓力轉換成頻率信號。壓磁式壓力計是利用鐵磁材料在壓力作用下會改變其磁導率的物理現象而制成的。3．簡述溫度檢測的主要方法和分類。答：根據測量方法，可將溫度測量劃分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。（1）接觸式測溫是基于物體的熱交換原理設計而成的。接觸式測溫儀表主要有：基于物體受熱膨脹原理制成的膨脹式溫度檢測儀表；基于密閉容積內工作介質隨溫度升高而壓力升高的性質制成的壓力式溫度檢測儀表；基于導體或半導體電阻值隨溫度變化而變化的熱電阻溫度檢測儀表；基于熱電效應的熱電偶溫度檢測儀表。（2）非接觸式測溫是基于物體的熱輻射特性與溫度之間的對應關系設計而成的。目前應用較廣的非接觸式測溫儀表有輻射溫度計、光學高溫計、光電高溫計、比色溫度計等。其他測溫技術，如光纖測溫技術、集成溫度傳感器測溫技術等也在不同領域得到應用。4．簡述熱電偶測溫的原理。答：熱電偶溫度計是利用不同導體或半導體的熱電效應來測溫的。5．物位儀表分為哪幾類？答：物位儀表按工作原理可分為以下幾種：1）直讀式物位測量儀表：最原始但仍應用較多的物位測量儀表，主要有玻璃管液位計、玻璃板液位計等。2）浮力式物位測量儀表：利用浮子高度隨液位變化而改變或液體對浸沉于液體中的浮子（或稱沉筒）的浮力隨液位高度而變化的原理來工作。3）靜壓式物位測量儀表：利用液柱或物料堆積對某定點產生壓力，測量該點壓力或測量該點與另一參考點的壓差而間接測量物位的儀表。4）電磁式物位測量儀表：將物位的變化轉換為電量的變化，進行間接測量物位的儀表。它可以分為電阻式（即電極式）、電容式和電感式物位儀表等，還有利用壓磁效應工作的物位儀表。5）電容式物位儀表：通過測量物料和電極之間的電容變化來確定物位高度。6）射頻導納物位儀表：通過測量射頻信號在傳感器上的阻抗變化來確定物位高度。7）核輻射式物位儀表：利用核輻射透過物料時，其強度隨物質層的厚度而變化的原理而工作，目前應用較多的是γ射線。8）聲波式物位測量儀表：物位的變化可引起聲阻抗的變化、聲波的遮斷和聲波反射距離的不同，通過測量這些變化就可測出物位。因此，聲波式物位測量儀表可以根據它的工作原理分為聲波遮斷式、反射式和阻尼式。9）光學式物位測量儀表：利用物位對光波的遮斷和反射原理進行測量，可利用的光源有普通白熾燈光或激光等。10）雷達物位儀表：通過發射和接收雷達波的時間差來測量物位。還有一些其他形式的物位測量儀表，如射流式、稱重式、熱敏式、音叉式等多種類型，而新原理、新品種仍在不斷發展之中。6．簡述電容式差壓變送器的工作原理。答：電容式差壓變送器主要由兩組平行板電容組成，這些電容通常被設計為可變電容，其電容量會隨著外部壓力的變化而變化。變送器內部通常包含一個彈性元件（如膜片）當流體施加壓力時，彈性元件（膜片）會產生位移。這個位移會改變可變電容中可移動極板與固定極板之間的距離，從而改變了電容器的電容量。差動電容的相對變化量再通過電容/電流轉換電路成比例地轉換成差動電流信號，經放大后轉換成4～20mA電流輸出。7．簡述常用執行機構和執行器的工作原理。答：（1）常用的執行機構有氣動執行機構和電動執行機構。1）常見的氣動執行機構有薄膜式和活塞式兩大類。其中薄膜式執行機構最為常用，它可以用作一般調節閥的推動裝置，組成氣動薄膜式執行器。氣動薄膜式執行機構的信號壓力p作用于膜片，使其變形，帶動膜片上的推桿移動，使閥芯產生位移，從而改變閥的開度。2）電動執行器主要由伺服放大器和執行機構組成，伺服放大器接收控制器發來的控制信號（1～3路），將其同電動執行機構輸出位移的反饋信號If進行比較，若存在偏差，則差值經過功率放大后，驅動兩相伺服電動機轉動。再經減速器減速，帶動輸出軸改變轉角θ。若差值為正，則伺服電動機正轉，輸出軸轉角增大；若差值為負，則伺服電動機反轉，輸出軸轉角減小。當差值為零時，伺服放大器輸出接點信號讓電動機停轉，此時輸出軸就穩定在與該輸入信號相對應的轉角位置上。（2）常用的執行器按動力能源分類，分為氣動執行器、電動執行器和液動執行器。1）氣動執行器利用壓縮空氣作為能源，其特點是結構簡單、動作可靠、平穩、輸出推力較大、維修方便、防火防爆，而且價格較低；它可以方便地與氣動儀表配套使用，即使采用電動儀表或計算機控制時，只要經過電/氣轉換器或電/氣閥門定位器，將電信號轉換為0.02～0.1MPa的標準氣壓信號，仍然可用氣動執行器2）電動執行器接收來自控制器的4～20mA或0～10mA直流電流信號，并將其轉換成相應的角位移或直行程位移，去操縱閥門、擋板等控制機構，以實現自動控制。電動執行器有角行程、直行程和多轉式等類型。角行程電動執行機構以電動機為動力元件，將輸入的直流電流信號轉換為相應的角位移（0°～90°），這種執行機構適用于操縱蝶閥、擋板之類的旋轉式控制閥。直行程執行機構接收輸入的直流電流信號后使電動機轉動，然后經減速器減速并轉換為直線位移輸出，去操縱單座、雙座、三通等各種控制閥和其他直線式控制機構。多轉式電動執行機構主要用來開啟和關閉閘閥、截止閥等多轉式閥門，由于它的電動機功率比較大，最大的有幾十千瓦，一般多用于就地操作和遙控。這三種類型的執行機構都是以兩相交流電動機為動力的位置伺服機構，三者電氣原理完全相同，只是減速器不一樣。3）液動執行器包括液壓缸、液壓閥和液壓泵。液壓缸是將液壓能轉變為機械能的、做直線往復運動（或擺動運動）的液壓執行元件。液壓閥是一種用壓力油操作的自動化元件，它受配壓閥壓力油的控制，通常與電磁配壓閥組合使用，可用于遠距離控制水電站油、氣、水管路系統的通斷，常用于夾緊、控制、潤滑等油路。液壓泵是液壓系統的動力元件，是靠發動機或電動機驅動，從液壓油箱中吸入油液，形成壓力油排出，送到執行元件的一種裝置。8．簡述TT302溫度變送器的結構和工作原理。答：TT302溫度變送器的硬件系統組成主要包括輸入板、主電路板和液晶顯示器三部分。1）輸入板：主要包括多路轉換開關、信號調理電路、A/D轉換電路和隔離電路，其作用是將輸入的模擬量信號轉換成數字量信號，送給CPU。輸入板上的環境溫度傳感器用于熱電偶測量時的冷端溫度補償。隔離電路包括信號的隔離和電源的隔離兩部分。2）主電路板：包括CPU、通信控制器、信號整形電路、電源電路等，它是變送器的核心部分。CPU控制整個儀表各部分協調工作，完成數據的運算、處理、傳遞和通信等功能。通信控制器和信號整形電路與CPU共同完成數據的通信功能。TT302溫度變送器由現場總線電源通過通信電纜供電，供電電壓為DC9～32V。3）液晶顯示器：通過一個低功耗的顯示器實現數據的顯示功能。TT302溫度變送器的軟件分為系統程序和功能模塊。系統程序保證變送器各硬件電路的正常工作并實現所規定各項功能，同時完成各組成部分之間的管理。功能模塊提供了各種功能，用戶可以選擇所需要的功能模塊以實現用戶所要求的功能。用戶可以通過上位管理計算機或手持式組態器，對變送器進行遠程組態，調用或刪除功能模塊。9．簡述交流、直流伺服電動機的工作原理。答：（1）交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機相似，當它在系統中運行時，勵磁繞組固定地接到交流電源上，當控制繞組上的控制電壓為零時，氣隙內磁場為脈振磁場，電動機無起動轉矩，轉子不轉。若有控制電壓加在控制繞組上，且控制繞組內流過的電流和勵磁繞組的電流不同相，則在氣隙內會建立一定大小的旋轉磁場。此時，就電磁過程而言，就是一臺分相式的單相異步電動機，因此電動機就有了起動轉矩，轉子就立即旋轉。但是，這種伺服性僅僅表現在伺服電動機原來處于靜止狀態下。伺服電動機在自動控制系統中起執行命令的作用，因此不僅要求它在靜止狀態下能服從控制電壓的命令而轉動，而且要求它在受控起動以后，一旦信號消失，即控制電壓除去，電動機立即停轉。如果伺服電動機的參數設計得和一般單相異步電動機差不多，它就會和單相異步電動機一樣，電動機一經轉動，即使在單相勵磁下，也會繼續轉動，這樣電動機就會失去控制。伺服電動機的這種失控而自行旋轉的現象稱為“自轉”?！白赞D”的原因是控制電壓消失后，電動機仍有與原轉速方向一致的電磁轉矩。消除“自轉”的方法是消除與原轉速方向一致的電磁轉矩，同時產生一個與原轉速方向相反的電磁轉矩，使電動機停止轉動。可以通過增加轉子電阻的辦法來消除“自轉”。（2）直流伺服電動機的工作原理和普通直流電動機相同，給電動機定子的勵磁繞組通以直流電流，會在電動機中產生磁通，當電樞繞組兩端加直流電壓并產生電樞電流時，這個電樞電流與磁通相互作用而產生轉矩就會使伺服電動機投入工作。這兩個繞組其中一個斷電時，電動機立即停轉，它不像交流伺服電動機那樣有“自轉”現象。10．簡述步進電動機的工作原理。答：步進電動機的工作原理將脈沖電信號轉換成相應的角位移或直線位移，即給一個脈沖信號，電動機就轉動一個角度或前進一步。11．簡述液壓缸的分類。答：液壓缸的結構形式多種多樣，其分類方法也有多種：按運動方式可分為直線往復運動式和回轉擺動式；按受液壓力作用情況可分為單作用式、雙作用式；按結構形式可分為活塞式、柱塞式、多級伸縮套筒式，齒輪齒條式等；按安裝形式可分為拉桿、耳環、底腳、鉸軸等；按壓力等級可分為16MPa、25MPa、31.5MPa等。12．簡述液壓閥的分類和特點。答：液壓閥按不同的分類方法可有許多種類型。（1）按功能分1）壓力控制閥：溢流閥、減壓閥、順序閥等。2）方向控制閥：單向閥、電磁換向閥、電液換向閥等。3）流量控制閥：節流閥、調速閥、溢流節流閥、分流閥等。（2）按液壓系統的壓力分1）低壓閥：允許使用壓強≤6MPa。2）中壓閥：允許使用壓強≤16MPa。3）高壓閥：允許使用壓強>16MPa。（3）按閥的工作方式分1）開關型液壓閥：工作在開和關兩種工作狀態，通過控制電磁鐵的通斷來實現。2）模擬量液壓閥：連續控制液壓系統的壓力、流量的變化，如比例閥、伺服閥，它是通過對比例電磁鐵輸入連續變化的模擬量信號來實現的。液壓閥的特點：1）動作靈活，作用可靠，工作時沖擊和振動小，噪聲小，使用壽命長。2）流體通過液壓閥時，壓力損失??；閥口關閉時，密封性能好，內泄漏小，無外泄漏。3）所控制的參量（壓力或流量）穩定，受外部干擾時變化量小。4）結構緊湊，安裝、調試、使用、維護方便，通用性好。13．簡述液壓泵的分類和性能參數。答：液壓泵的分類方法很多，按流量是否可調節分為變量泵和定量泵。按液壓系統中常用的泵結構分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵和螺桿泵。液壓泵的性能參數主要有：液壓泵壓力、轉速、排量、流量和效率?？偩€與網絡通信技術什么叫總線？為什么要制定計算機總線標準？答：一般來說，總線就是一組線的集合，它定義了各引線的電氣、機械、功能和時序特性，使計算機系統內部的各部件之間以及外部的各系統之間建立信號聯系，進行數據傳遞。采用總線標準的目的主要有二條：一是生產廠能按照統一的標準設計制造計算機；二是用戶可以把不同生產廠制造的各種型號的模板或設備用一束標準總線互相連接起來，因而可方便地按各自需要構成各種用途的計算機系統。計算機總線可以分為哪些類型？答：總線的分類方法比較多，按照不同的分類方法，總線有不同的名稱。按照總線內部信息傳輸的性質，通?？梢园芽偩€分為數據總線DB、地址總線AB、控制總線CB和電源總線PB；依據總線在系統結構中的層次位置，一般把總線分為：片內總線、內部總線和外部總線；依據總線的數據傳輸方式，一般把總線分為：串行總線和并行總線；依據總線的數據傳輸方向，一般把總線分為：單向總線和雙向總線。評價總線的性能指標有哪些？答：一般從如下幾個方面評價一種總線的性能高低：總線時鐘頻率、總線寬度、總線傳輸速率。4. STD總線有哪些特點？答：STD總線結構簡單，有56根引腳；STD總線定義了一個8位微處理器總線標準；通過采用周期竊取和總線復用技術，使STD總線升級為8位/16位微處理器兼容總線，可以支持16位微處理器；通過附加系統總線與局部總線的轉換技術，又開發出對32位微處理器兼容的STD32總線。常用的PC總線有哪些？各有什么特點？答：ISA總線、MCA總線、EISA總線、PC/104總線、PCI總線、PCIExpress總線。ISA總線是8位和16位數據傳輸的工業標準，最大傳輸速率為16MB/s，尋址空間為16MB；MCA總線的數據寬度為32位，支持猝發方式，數據的傳輸速率達33Mbps，支持4GB的尋址能力，在電氣上還是在物理上均與ISA不兼容；EISA總線具有MCA的全部功能，并與傳統的ISA完全兼容；PC/104總線是一種專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線，實質上就是一種緊湊型的IEEE-P996；PCI總線一種先進的高性能局部總線，它支持64位數據傳送、多總線主控模塊和線性猝發讀寫和并發工作方式；PCIExpress總線是新型的總線和接口標準，這個新標準的目標是全面取代現行的總線標準，最終實現總線標準的統一，它的主要優勢是數據傳輸速率高，PCIE5.0的吞吐量可達64GB/s。6. 簡述PCI總線的性能特點。答：①高性能。②線性猝發傳輸。③采用總線主控和同步操作。④具有即插即用（PlugPlay）功能。⑤PCI總線與CPU異步工作。⑥兼容性強。⑦低成本、高效益。7. 簡述RS-232C、RS-485和RS-422總線的特點和性能。答：RS-232C總線：非平衡的連接方式、點對點通信、公用地線。通信距離應小于15m，最高通信速率為115200bps。RS-485總線：一種多發送器的電路標準，它是RS-422A性能的擴展，是真正意義上的總線標準。最大傳輸距離為1200mRS-422總線：是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸的總線標準，最大傳輸距離為1200m，最大傳輸速率為10Mbps。8. RS-232C總線常用的有哪些信號？如何通過該接口實現遠程數據傳送？答：常用的9根引腳分為兩類：一類是基本的數據傳送引腳，另一類是用于MODEM的控制和反映其狀態的引腳。基本數據傳送引腳包括：TXD、RXD和GND（2、3、7引腳）。MODEM控制和狀態引腳分為兩組，一組為DTR和RTS，另一組為DSR、CTS、CD和RI?？梢允褂肕ODEM設備進行遠距離傳輸，數據終端設備DTE，如計算機、終端顯示器，通過RS-232C接口和數據通信設備DCE如MODEM連接起來，再通過電話線和遠程設備進行通信。9. 什么是平衡方式和不平衡傳輸方式？試比較兩種方式的性能。答：平衡傳輸方式也稱作差分傳輸，典型代表是RS-422和RS-485接口，使用一對雙絞線進行信息傳輸，具有抗共模干擾能力，傳輸距離遠，傳輸速率高。不平衡傳輸方式即單端傳輸，典型代表是RS-232C接口，收、發端的數據信號是相對于信號地來傳輸的，即數據信號通過一根信號線傳輸，以信號地作為參考電位，抗干擾能力較弱，傳輸距離遠，傳輸速度低，一般采用點對點通信。10. USB數據傳輸方式有哪幾種？USB協議中是如何區分高速設備和低速設備的？答：在USB1.1版本中定義了兩種速度的傳輸工作模式，低速模式和全速模式，低速模式下數據傳輸速度為1.5Mbps，全速模式下USB的傳輸速度峰值達到了12Mbps。在USB2.0版本中推出了高速模式，將USB總線的傳輸速度提高到了480Mbps的水平。區分全速和低速連接主要在于設備端，全速連接法需要在D+上接一個1.5kΩ的上拉電阻，而低速接法是將此電阻接到D-上。11. 按照網絡的拓撲結構，計算機網絡可以分為哪幾類？并對每類加以說明。答：1）星形網：以一臺中心處理機為主而構成的網絡，其他入網的計算機僅與該中心處理機之間有直接的物理鏈路，中心處理機采用分時的方法為入網機器服務。2）環形網：入網機器通過中繼器接入網絡，每個中繼器僅與兩個相鄰的中繼器有直接的物理線路，所有的中繼器及其物理線路構成了一個環狀的網絡系統。3）總線形網：所有入網機器共用一條傳輸線路，機器通過專用的分接頭接入線路。。4）網狀網絡：利用專門負責數據通信和傳輸的節點機構成的網絡，入網機器直接接入節點機進行通信。12. 按照網絡的交換方式，計算機網絡可以分為哪幾類？并對每類加以說明。答：1）電路交換網：類同電話方式，具有建立鏈路、數據傳輸和釋放鏈路三個階段；通信過程中，自始至終占用該鏈路。且不允許其它用戶共享其信道資源。2）報文交換網：交換機采用具有“存儲—轉發”能力的計算機，用戶數據可以暫時保存在交換機內，等待線路空閑時，再進行用戶數據的一次傳輸。3）分組交換網：類同報文交換技術，但規定了交換機處理和傳輸數據的長度（稱之為分組），不同用戶的數據分組可以交織出現在網絡中的物理鏈路上傳輸。13. OSI模型分為哪七層？并對每層的功能進行說明。答：1）物理層：提供建立網絡的物理及電氣連接特性，如雙絞線、光纜、同軸電纜、連接器等等。這一層是一個硬件層，通常做成芯片，印刷電路板（網絡適配器）和電纜等。2）數據鏈路層：這一層能夠發現并通過要求重新傳送損壞的信息包糾正錯誤。一般將其劃分為一個介質存取控制層和一個邏輯鏈路控制層。前者負責網絡訪問和網絡控制，后者負責發送和接收用戶的數據信息。3）網絡層：這一層切換路由信息包，使之到達它們的目的地。網絡層負責尋址及傳送信息包。4）傳輸層：當同一時刻有多個信息包在傳送時，傳輸層將控制信息報文組成部件的順序并規范輸入的信息流。如果來了一個重復的信息包，傳輸層將識別出是重復的并將其丟棄。5）會話層：使運行于兩個工作站上的應用程序能夠協調其間的通信使之成為一個獨立的會話。負責會話的建立，支持會話期間對信息包的發送與接收的管理及結束會話。6）表示層：當各種計算機打算彼此傳送信息時，表示層可將數據轉換為機器內部的數字格式或者完成其逆過程。7）應用層：一條將要通過網絡傳輸的信息報文在這一層進入OSI模型向下一層傳送，最后傳輸至物理層，并在打包后傳輸至其它工作站。之后由目的工作站的物理層向上傳送，經過那個工作站中的應用層直至到達需要這份信息報文的應用程序。14. 目前局部網絡常用的介質訪問控制方式有哪三種，并對每種的工作原理進行說明，并說明其特點及應用范圍。答：目前局部網絡常用的介質訪問控制方式有三種，即沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CD）、令牌環（TokenRing）、令牌總線（TokenBus）。1）沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）主要包含載波偵聽、多路訪問、沖突檢測以及沖突解決這幾個關鍵部分，廣泛應用于早期的以太網中，隨著網絡規模的擴大和數據傳輸速率的提高，CSMA/CD的效率會降低。2）在令牌環網絡中，所有的計算機或工作站被連接成一個邏輯或物理的環形拓撲結構。網絡中數據的傳輸是通過一個特殊的控制信號,即“令牌"來管理的。令牌環網絡經常用于對網絡實時性和確定性要求較高的場景中，例如金融、醫療等領域。3）在令牌總線網絡中，任何一個節點只有在拿到令牌后才能在共享總線上發送數據，若節點不需發送數據，則將令牌交給下一個節點。由于令牌是順序傳遞的，因此對所有的站點都有公平的訪問權。令牌總線網絡經常用于一些對實時性、確定性和可靠性要求較高且環境較為特殊的場景中。15. 在局域網中常用的傳輸媒體有哪幾種？答：用于局域網的傳輸技術主要有有線傳輸和無線傳輸兩類，有線傳輸使用的媒體包括雙絞線、同軸電纜和光纜，無線傳輸媒體為大氣層，使用的技術包括微波、紅外線和激光。16. 常用的調制方法有哪三種？對每種進行說明。答：1）振幅調制。用原始脈沖信號去控制載波的振幅變化，這種調制是利用數字信號的l或0去接通或斷開連續的載波，相當于有一個開關控制載波一樣，故又稱為振幅鍵控。2）頻率調制。用原始脈沖信號去控制載波的頻率變化。其中調頻信號可分為兩種：一種是相位連續的調頻信號，另一種是相位不連續的調頻信號，頻率調制又稱頻率鍵控。3）相位調制。用原始脈沖信號去控制載波的相位變化。調相信號可分為兩種：一種是絕對移相，另一種是相對移相，相位調制又稱相位鍵控。17. 寫出異步通信的數據幀格式，并說明其工作原理。答：異步通信方式每次傳送一個字符的數據。用一個起始位表示傳輸字符的開始，用1至2個停止位表示字符的結束，一個字符構成一幀信息。異步通信信息幀的第一位為起始位，緊跟在起始位后面的是5～8位數據位，奇偶校驗位為1位緊跟在數據位的后面，最后為停止位。發送端發送時，從低位到高位逐位順序發送。為了對傳送的信息進行定位，必須有發送時鐘，并在發送時鐘的下降沿將信息位送出，信息位寬度為n倍發送時鐘周期，在接收端也必須有接收時鐘，為了保證發送與接收同步，接收時鐘周期應等于發送時鐘周期。18. 寫出同步通信的數據幀格式，并說明其工作原理。答：同步通信每次傳送n個字符的數據塊。用一個或兩個同步字符表示傳送數據塊的開始，接著就是n個字符的數據塊，字符之間不允許有空隙，當沒有字符可發送時，則連續發送同步字符。通常由用戶選擇同步字符，可以選擇一個特殊的8位二進制碼作為同步字符，或選擇兩個連續的8位二進制碼作為同步字符。為了保證收、發同步，收、發雙方必須使用相同的同步字符。發送端傳送時，首先對被傳送的原始數據進行編碼，形成編碼數據后再往外發送，由于每位碼元包含有數據狀態和時鐘信息，在接收端經過解碼，便可以得到解碼數據和解碼時鐘。接收端無需設置獨立的接收時鐘源，而由發送端發出的編碼自帶時鐘，實現了收、發的自同步功能。19. 常用的幾種檢驗編碼的方法有哪幾種？并加以說明。答：1）奇偶校驗：一種最簡單、最直觀、應用最廣泛的檢錯編碼。一般由若干位有效信息（如一個字節或一幀數據），再加上一個二進制位（校驗位）組成校驗編碼。2）循環冗余校驗：發送端發出的信息由基本的信息位和CRC校驗位兩部分組成的，發送端首先發送基本的信息位，CRC校驗位生成器用基本的信息位除以多項式G（x）。接受端在接收基本信息位的同時，CRC檢驗器用接收的基本信息位除以同一個生成多項式G（x），如果余數為0，則認為傳輸正確，否則傳輸錯誤。3）恒比碼：在通信時不是原碼傳送，而是對待發送的數據進行編碼，使之編碼后的每一個字節（或每一碼組）中，“l”和“0”的個數之比保持恒定。20. 糾錯方式有哪三種？并加以說明。答：1）重發糾錯方式：發送端發送能夠檢錯的信息碼（如奇偶校驗碼），接收端根據該碼的編碼規則，判斷傳輸中有無錯誤，并把判斷結果反饋給發送端。如果傳輸錯，則再次發送，直到接收端認為正確為止。2）自動糾錯方式：發送端發送能夠糾錯的信息碼，而不僅僅是檢錯的信息碼。接收端收到該碼后，通過譯碼不僅能發現錯誤，而且能自動地糾正傳輸中的錯誤。但是，糾錯位數有限，如果為了糾正比較多的錯誤，則要求附加的冗余碼比基本信息碼多，因而傳輸效率低，譯碼設備也比較復雜。3）混合糾錯方式：這是上述兩種方式的綜合。發送端發送的信息碼不僅能發現錯誤，而且還具有一定的糾錯能力。接收端收到該碼后，如果錯誤位數在糾錯能力以內，則自動地進行糾錯；如果錯誤多，超出了糾錯能力，則接收端要求發送端重發，直到正確為止。21. 列舉常見的無線通信技術。答：常用的無線通信技術包括藍牙技術、Zigbee技術、LoRa技術、NB-IOT技術、5G技術、WiFi技術等。22. 目前企業信息化網絡可分為哪三個層次？每個層都有什么功能？答：工業控制網絡從下到上依次分為現場設備層、過程監控層和信息管理層。1）信息管理層：主要用于企業的生產調度、計劃、銷售、庫存、財務、人事以及企業的經營管理等方面信息的傳輸。2）過程監控層：主要用于將采集到的現場信息置入實時數據庫，進行先進控制與優化計算、集中顯示、過程數據的動態趨勢與歷史數據查詢、報表打印。3）現場設備控制層：主要用于控制系統中大量現場設備之間測量與控制信息以及其他信息（如變送器的零點漂移、執行機構的閥門開度狀態、故障診斷信息等）的傳輸。23. 什么是工業互聯網？答：工業互聯網是鏈接工業全系統、全產業鏈、全價值鏈，支撐工業智能化發展的關鍵基礎設施，是新一代信息技術與制造業深度融合所形成的新興業態和應用模式，是互聯網從消費領域向生產領域、從虛擬經濟向實體經濟拓展的核心載體。第4章過程通道與人機接口什么是過程通道？過程通道由哪幾部分組成？答：過程通道負責連接計算機與生產過程，實現信息的雙向傳遞和轉換，包括模擬量、數字量的輸入/輸出。過程通道一般由以下部分組成：?模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數字量輸入通道和數字量輸出通道??。2．畫出數字量輸入/輸出通道的結構。答：數字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調理電路、地址譯碼及控制電路等組成，如下圖所示：3．在數字量輸入調理電路中，采用積分電容或RS觸發器是如何消除按鍵抖動的？答：采用積分電容消除按鍵抖動積分的原理是電容通過其較長的放電時間常數來平滑由于按鍵機械抖動而產生的瞬時電壓變化。當按鍵被按下或釋放時，由于機械觸點的抖動，會產生一系列快速的接通和斷開動作，導致電壓信號不穩定。積分電容并聯在按鍵兩端，可以吸收這些抖動產生的瞬時電壓波動，使得電壓信號平緩變化，直至電容充放電到達一定電壓閾值時，才觸發電路狀態的改變。這樣，就可以消除由于按鍵抖動而引起的誤動作。??采用RS觸發器消除按鍵抖動的原理是RS觸發器具有鎖存功能，可以穩定輸入信號的狀態。當機械抖動引起開關信號產生瞬時的多個開關狀態變化時，這種變化可能會導致錯誤的結果。但是，將機械開關的輸出連接到RS觸發器的輸入時，觸發器會只在輸入信號穩定時才會響應狀態的改變，而當輸入信號瞬時變化時，觸發器會將之前穩定的狀態保持不變。因此，即使按鍵抖動導致輸入信號瞬時變化，RS觸發器也能輸出正確的穩定狀態，從而消除抖動信號的影響?23。4．數字量輸出驅動電路有哪三種形式？各有什么特點？答：數字量輸出驅動電路有晶體管輸出驅動電路、繼電器輸出驅動電路和固態繼電器輸出驅動電路三種形式。晶體管輸出驅動電路，適合于小功率直流驅動，輸出動作可以頻繁通斷，輸出的響應時間在0.2ms以下。繼電器輸出驅動電路，適用于交流或直流驅動，由于機械觸點的開關速度限制，因此輸出變化速度慢，輸出的響應時間在10ms以上，同時繼電器輸出型是有壽命的，開關次數有限。固態繼電器（SSR）驅動電路，適用于交流驅動。零交叉電路可使交流電壓變化到0V附近時讓電路接通，從而減少干擾5．畫出D/A轉換器原理框圖，并說明D/A轉換的原理。答：D/A轉換器輸入的二進制數從低位到高位（D0～Dn-1）分別控制對應的位切換開關（BS0～BSn-1）,它們通過R-2R型電阻網絡，在各2R支路上產生與二進制數各位的權成比例的電流，再經運算放大器A相加，并按比例轉換成模擬電壓VOUT輸出。D/A轉換器的輸出電壓VOUT與輸入的二進制數D0～Dn-1的關系式為VOUT=-VREF(D020+D121+D222+…+Dn-12n-1)/2n其中，Di=0或1(i=0,1,…,n-1)，n表示D/A轉換器的位數。6．D/A轉換器接口的隔離技術有哪兩種？并說明每種隔離技術的特點。答：兩種隔離方式是模擬信號隔離和數字信號隔離。模擬信號隔離方法的優點是：只使用少量的光電耦合器，成本低；缺點是調試困難，如果光電耦合器挑選不合適，將會影響變換的精度和線性度。數字信號隔離的優點是調試簡單，不影響轉換的精度和線性度；缺點是使用較多的光電耦合器，成本高。7．列出三種A/D轉換器的實現方法，并加以說明。答：逐次逼近型ADC是一種常見的ADC類型，它的基本原理是它使用數字電路控制DAC輸出一個變化的電壓，并用此電壓和輸入電壓比較，經過多次比較逐漸使DAC輸出接近輸入電壓，從而得出數字輸出。雙積分型ADC，它先對輸入采樣電壓和基準電壓進行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在這個時間間隔內，用計數器對標準時鐘脈沖（CP）計數，計數器輸出的計數結果就是對應的數字量。Σ-Δ型ADC由積分器、比較器、1位D/A轉換器和數字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉換成時間（脈沖寬度）信號，用數字濾波器處理后得到數字值。8．A/D轉換器的外圍電路有哪些？并說明每種電路的功能。答：A/D轉換器的外圍電路有I/V轉換、多路模擬開關、前置放大器和采樣保持電路。I/V轉換電路將輸入的電流轉換為電壓；多路模擬開關輪流切換被測信號，采用分時A/D轉換方式實現多路被測信號共用一只A/D轉換器；前置放大器的任務是將模擬輸入的小信號放大到A/D轉換的量程范圍之內；采樣保持器把采樣值保持到A/D轉換結束，避免輸入信號變化較大，引起轉換誤差。9．簡述矩陣式鍵盤的工作原理。答：矩陣式鍵盤的工作原理是通過逐行或逐列掃描，檢測并確定被按下的按鍵位置?。具體來說，矩陣鍵盤由多行和多列的導電線路組成，形成一個網格狀的布局，每個按鍵對應網格中的一個交叉點。當按鍵被按下時，該交叉點的行和列就會形成閉合電路，從而觸發信號。?判斷是否有鍵被按下?：將全部行線置低電平，將全部列線置高電平，然后檢測列線狀態。只要有一列的電平變為低，則表示鍵盤中有鍵被按下；若檢測到列線狀態無變化，所有列線均為高電平，則表示鍵盤中沒有鍵被按下?。?按鍵消抖處理?：當檢測到鍵盤中有鍵被按下時，進行軟件消抖處理，經延時后確認鍵盤中有鍵被按下，以消除因按鍵機械抖動而產生的誤動作。?按鍵識別?：當確認鍵盤中有鍵被按下時，轉入逐行掃描的方法來確定到底是哪一個鍵被按下。先掃描第一行，即將第一行輸出低電平，然后讀入列值，哪一列出現低電平，則說明該列與第一行跨接的鍵被按下；若讀入的列值全為高電平，說明與第一行跨接的按鍵均沒有被按下。接著繼續開始掃描第二行，依次類推，逐行掃描，直到找到被按下的按鍵。通過這種方法，矩陣式鍵盤可以在占用較少I/O口的情況下，實現多個按鍵的輸入功能。?10．簡述觸摸屏的特點。答：觸摸屏有如下特點：1）人機界面友好。在圖形技術的支持下，可以設計出非常漂亮的觸摸屏畫面。與現在工業控制系統中廣泛使用的標準鍵盤和觸摸式鍵盤相比，觸摸屏能根據操作人員輸入的不同信息，變換不同的控制信息界面，使人機對話更加明了和直接，更容易被操作人員，尤其是未經培訓的使用者所接受。2）簡化信息輸入設備。目前在生產配料、生產流程控制方面大多使用鍵盤和控制臺作為人機對話的工具。使用觸摸屏可以簡化信息輸入設備。一個龐大的工業控制臺，經過適當的改造以后，僅用一臺觸摸屏即可代替。3）便于系統維護和改造。對傳統的計算機控制臺方式來說，如需對系統進行某些功能方面的改造，那么也需同時改造控制臺。然而，觸摸屏只需根據系統的改變進行相應的界面調整即可。此外，觸摸屏采用標準的接口，維護也很方便。11．簡述工業顯示屏和普通顯示屏的主要區別。答：工業顯示屏和普通顯示屏的主要區別如下：1）耐用性。工業顯示屏通常需要能夠在惡劣的環境條件下工作，如高溫、低溫、濕度、振動等。因此，工業顯示屏相對于普通顯示屏來說更加耐用，并具有更高的防護等級，以確保正常運行。2）溫度范圍。工業顯示屏能夠在更廣泛的溫度范圍內正常工作。普通顯示屏通常適用于常見的室溫環境，而工業顯示屏可以在極端溫度下運行，如在極寒或高溫的工業環境中。3）抗振能力。工業顯示屏通常具有更好的耐振性能，能夠抵抗由機器設備振動和沖擊所造成的干擾。這對于在工廠、車間或其他需要高度穩定性的環境中使用的顯示屏至關重要。4）防塵防水。工業顯示屏通常具有更高的防塵和防水性能，以便在工業環境中避免灰塵、油污、水等物質對其造成損害。這些特性使得工業顯示屏可以在需要清潔和維護的環境中使用。5）高亮度和對比度。工業顯示屏通常具有更高的亮度和對比度，以便在各種照明條件下清晰可見。這對于在室外光線強烈或光線不均勻的環境中使用的工業顯示屏尤為重要。6）長時間工作。工業顯示屏通常需要長時間穩定運行，因此它們具有更高的可靠性和穩定性。它們能夠24/7連續運行，并且能夠長時間保持高質量的圖像和性能。7）背光技術。工業顯示屏通常采用更先進的背光技術，如LED背光，以提供更高的亮度和更廣的顏色范圍。8）可定制性。工業顯示屏通?？梢愿鶕囟ǖ墓I應用進行定制，以滿足特定需求和要求。它們可以與其他工業系統和設備集成，提供更廣泛的功能和交互性。綜上所述，工業用顯示屏相對于普通顯示屏來說具有更高的耐用性、抗振性、防塵防水性能和穩定性。它們適用于各種工業環境，并為這些環境提供高質量的圖像顯示和可靠的性能。12．簡述工業顯示器的分類。答：工業顯示器有以下5類產品：1）嵌入式工業顯示器。嵌入式工業顯示器，顧名思義，設備必須嵌入客戶的產品中?？蛻舢a品必須有一個大中型的控制柜，除了顯示器面板，其余都嵌入客戶端設備中，背面用掛鉤固定，大型控制柜需根據工業顯示器的嵌入式安裝圖的開口尺寸開孔安裝。2）壁掛式工業顯示器。壁掛式工業顯示器是可掛起的，不僅可以掛在墻上，還可以安裝在客戶設備上，顯示器可根據客戶要求調整角度。使用合適的安裝臂，工業顯示器可安裝在任何位置供用戶觀看，一般用于小型、中型和大型的設備。3）機架式工業顯示器。一般來說，機架式工業顯示器需要安裝在機柜上，例如安裝在19in的機柜上，因此其寬度為標準的19in，安裝孔是標準的，尺寸基本都是固定的。機架式工業顯示器一般應用于大型機柜，如電信、電源和大型服務器。4）開放式工業顯示器。工業顯示器沒有面框，只有內部顯示面板，客戶主要應用在小尺寸的設備上，一般顯示器的安裝空間不大，例如ATM機、商用POS等，它們通常安裝在客戶設備內。5）內嵌式工業顯示器。簡單來說，內嵌式工業顯示器就是在客戶的機柜和設備中反向安裝，是安裝在客戶端設備內部的顯示器。和開放式工業顯示器不一樣的地方，它是從設備里面安裝，其邊緣與客戶設備外殼的邊緣重合。內嵌式工業顯示器通常用于大中型設備，如電力、機械和醫療行業。第5章數據處理與控制策略1.數字控制器的連續化設計步驟是什么？答：數字控制器的連續化設計步驟包含5步：（1）設計假想的連續控制器；（2）選擇采樣周期T；（3）將D(s)離散化為D(z)；（4）設計由計算機實現的控制算法；（5）校驗。2.某系統的連續控制器為，試用雙線性變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數字控制器。答：已知取系統的采用周期為（1）采用雙線性變換法已知，，則有，（2）采用前向差分法已知，，則有，（3）采用后向差分法已知，，則有，3.什么是數字濾波？常用的數字濾波方法有哪些？分別適用于什么場合？答：指在計算機中利用某種計算方法對原始輸入數據進行數學處理，去掉原始數據中摻雜的噪聲數據，提高信號的真實性，獲得最具有代表性的數據集合。常用的數字濾波方法有：（1）平均值濾波，應用于具有周期性隨機干擾的場合；（2）加權加權平均遞推濾波，適用于純滯后較大的過程；（3）中值濾波和程序判斷濾波適用于偶然出現的脈沖干擾；（4）慣性濾波適用于高頻干擾。4.什么是數控技術？數控設備主要由哪幾部分組成？答：數字控制是用數字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法。采用了數控系統的設備稱之為數控設備。其主要由計算機數控系統CNC、被控對象、輸入輸出通道、伺服執行系統及其他機電接口裝置。5.什么是插補、直線插補和二次曲線插補？答：當給定機床加工軌線的基點坐標，需要確定各坐標值之間的中間值，我們把求得這些中間值的數值計算方法稱為插值或插補。直線插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近，也就是由此定出中間點連接起來的折線近似于一條直線，而并不是真正的直線。二次曲線插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似曲線來逼近，也就是實際的中間點連線是一條近似于曲線的折線弧。常用的二次曲線有圓弧、拋物線和雙曲線等。6.通用運動控制器從結構上主要分為哪三類？答：通用運動控制器從結構上主要分為：（1）基于計算機標準總線的運動控制器；（2）Soft型開放式運動控制器；（3）嵌入式結構的運動控制器。7.已知模擬PID算式為，試推導它的差分增量算式。答：設控制周期為，則在控制器的采樣時刻時，可將積分、微分表示為差分方程和，可將模擬算式轉換為如下數字算式：其增量。8.什么是實際微分？實際微分和理想微分相比有何優點？答：用帶一階滯后環節的微分等類似模擬調節器的微分作用代替標準PID算式中的理想微分就為實際微分。實際微分在算法中增加了一階慣性環節，偏差發生突變時，微分作用能夠緩慢地持續多個控制周期，使工業執行機構能較好地跟蹤微分作用輸出。另外，由于內部的一階慣性環節具有一定的數字濾波能力，使算法具有較強的抗干擾能力。9.下圖為實際微分PID控制算法示意圖，，采樣周期為，試推導實際微分控制算式。答：由圖可知，，將其離散化可得數字算式為：，式中，。10.什么叫積分分離？遇限切除積分的基本思想是什么？答：采用標準PID算法時，當擾動較大或給定值大幅度變化時，由于產生較大的偏差，加上系統本身的慣性及滯后，在積分作用下，系統往往產生較大的超調和長時間的振蕩。當偏差超過一定閾值時去掉積分作用，小于這個閾值時加入積分作用的方法就叫積分分離。遇限切除積分的基本思想是當控制輸出達到積分飽和時，對控制量輸出進行限幅，并在PID算法中只執行削弱積分飽和項的積分運算。11.PID參數對系統的動態特性和穩態特性有何影響？簡述試湊法進行PID參數整定的步驟。答：PID參數對系統動態和穩態特性的影響為：（1）增大比例系數Kc，將加快系統的響應，使系統的穩定性變差，穩態誤差減小。（2）減小積分時間Ti，積分作用變強，系統的穩定性變差，使余差消除加快。加入積分可消除余差。（3）增大微分時間Td，使系統的響應加快，但對擾動敏感的響應，可使系統穩定性變差。試湊法，按照先比例，后積分，最后微分的步驟進行參數整定。其步驟如下：（1）首先只整定比例部分。將比例系數由小變大，觀察相應的響應，直到得到反應較快、超調較小的響應曲線。若系統的靜差較小，在滿足要求時可采用純比例控制。（2）如果純比例控制，有較大的余差，則需要加入積分作用。同樣，積分時間從大變小，增加積分作用的同時可適當減小比例增益，使系統保持良好的動態性能，反復調整比例增益和積分時間，以得到滿意的動態性能。（3）若使用比例積分控制，反復調整仍達不到滿意效果，則可加入微分環節。在整定時，微分時間從小變大，相應調整比例增益和積分時間，逐步試湊，以得到滿意的動態性能。12.什么情況下可以考慮采用串級控制？串級控制在結構上有何特點？答：當被控系統中同時有幾個干擾因素影響同一個被控量時，可采取串級控制用以控制可能引起被控量變化的其他因素，從而克服被控對象的時滯特性，提高系統動態響應的快速性。串級控制系統是在原來單回路控制的基礎上，增加一個或多個控制內回路。兩個回路的串級控制系統有主、副兩個被控對象，主、副兩個調節器，主、副兩個變送器，主調節器的輸出為副調節器的給定值。13.簡述串級控制系統在每個采樣周期的計算步驟。答：對雙回路串級控制系統（假設主調節器采用PID控制，副調節器采用PI控制），在每個采樣周期的計算步驟為：計算主回路的偏差；計算主回路PID控制器的輸出，；計算副回路的偏差；計算副回路PID控制器的輸出，。14.前饋控制的基本思想是什么？給出其完全補償的條件。答：前饋控制是按某個干擾量進行控制器的設計。一旦測量到有干擾，即對它直接產生校正作用，使得干擾在影響到被控對象之前已被抵消。根據不變性原理，可得前饋控制的完全補償條件：，其中為擾動作用通道的傳遞函數，為被控對象的傳遞函數。15.已知一被控對象的干擾通道和控制通道的傳遞函數分別為，，，采樣周期選擇為1s，試推導出完全補償前饋控制器的控制算式。答：根據前饋控制的完全補償條件，可得。采樣周期，采用前向差分法進行離散化，可得，代入得。也即，可得前饋控制算式為：。16.什么是預測控制的三要素？常見的預測控制的方案有哪些？答：預測控制的三要素為：預測模型、滾動優化、反饋校正。常見的預測控制的方案有：模型算法控制（MAC）、動態矩陣控制（DMC）、預測函數控制（PFC）、廣義預測控制（GPC）、廣義預測極點配置控制（GPP）、滾動時域控制（RHC）、內模控制（IMC）、推理控制（IC）等。17.簡述模糊控制的基本原理。答：模糊控制的基本原理主要包括模糊化、模糊規則庫、模糊推理和去模糊化四個部分。模糊化是將精確的輸入數據轉換為模糊值，從而使得這些輸入能夠在模糊邏輯規則中進行推理和處理，并通過隸屬度函數將這些精確數值映射到模糊集合中，得到相應的隸屬度值。模糊規則庫由一組“如果-那么”形式的模糊規則構成。模糊推理將模糊化后的輸入值通過“如果-那么”的模糊規則，將模糊化后的輸入值轉換為模糊輸出。去模糊化的主要任務是將模糊推理過程中生成的模糊輸出轉換為具體的、可操作的精確控制信號反饋到控制系統中。18.神經網絡控制系統由哪幾部分組成？其與傳統的控制系統的主要區別是什么？答：神經網絡控制系統的基本構成包括三個主要部分：神經網絡模型、控制器設計和優化算法。神經網絡控制系統是一種結合了神經網絡技術與控制理論的先進控制策略，通過利用神經網絡的非線性建模能力和自適應能力，實現對復雜系統的精準控制。與傳統控制系統主要依賴于精確的數學模型不同，神經網絡控制系統則側重于從數據中學習和優化控制策略，能夠應對復雜、多變的環境和系統動態。19.什么是數字孿生技術？答：數字孿生技術是一種將現實世界中的物理實體、過程或系統通過數字化技術在虛擬環境中進行鏡像和實時模擬的先進技術；是充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程；在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程，實現對物理實體的監控、分析、優化和預測。20.基于人工智能的控制系統的基本特點是什么？答：主要特點有：1）數據驅動建模。利用大量的歷史數據和實時數據，訓練AI模型，如神經網絡、深度學習模型，構建系統的動態模型。2）在線學習和自適應控制。AI控制系統具備自主學習的能力，能夠實現AI模型的在線更新和自適應調整，可以根據環境變化和歷史數據自我調整，保持最佳控制性能。3）智能優化算法。應用遺傳算法、粒子群優化、蟻群算法等智能優化算法，求解控制問題中的復雜優化問題；利用機器學習算法進行實時決策，根據環境變化調整系統參數；能有效處理系統中的非線性關系和不確定性因素，提高控制精度和穩定性。4）多智能體系統。通過多智能體協作，實現對大型復雜系統的分布式控制和協調優化。第6章計算機控制系統中的抗干擾技術1.簡述干擾的主要來源及其傳播途徑。答：干擾的主要來源有外部干擾和內部干擾。外部干擾主要有：天電干擾，天體干擾，電磁波干擾，電源的工頻干擾，氣象條件引起的干擾，地磁場干擾，火花放電、弧光放電、輝光放電等產生的電磁波等；外部機械條件引發的干擾，如振動、沖擊等干擾。內部干擾主要有：分布電容、分布電感引起的耦合感應；電磁場輻射感應；長線傳輸的波反射；多點接地造成的電位差引入的干擾；寄生振蕩引起的干擾以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等。干擾的傳播途徑主要有：電場耦合、磁場耦合和公共阻抗耦合。2.簡述干擾的分類。答：干擾按照來源分為外部干擾和內部干擾。按照傳播途徑分為電場干擾、磁場干擾和公共阻抗耦合干擾。按照作用方式分為差模干擾、共模干擾和長線傳輸干擾。3.試述干擾的作用方式有哪些？各有什么特點？并敘述如何識別或區分不同的干擾類型。答：干擾的作用方式主要有：差模干擾、共模干擾和長線傳輸干擾。差模干擾，也稱串模干擾，就是串聯于信號源回路之中的干擾。共模干擾是在過程控制的計算機的地、信號放大器的地與現場信號源的地之間，由于相隔一段距離，使得兩個接地點之間電位差對信號放大器產生的干擾。長線傳輸干擾是在長線中傳輸由于波反射、信號延時和長線傳輸會受到外界干擾引起的干擾脈沖。4.輸入輸出通道中經常會遇到什么干擾？如何進行抑制？答：過程通道干擾的來源是多方面的，主要有共模干擾、差模干擾和長線傳輸干擾。共模干擾的抑制措施主要有變壓器隔離、光電隔離和浮地屏蔽。差模干擾應根據干擾信號的特性和來源，分別采用不同的措施來抑制。（1）對于來自空間電磁耦合所產生的差模干擾，可采用雙絞線作為信號線。（2）根據差模干擾頻率與被測信號頻率的分布特性，采用相應的濾波器，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。（3）當對稱性交變的差模干擾電壓或尖峰型差模干擾成為主要干擾時，選用積分型或雙積分型A/D轉換器可以削弱差模干擾的影響。（4）當被測信號與干擾信號的頻譜相互交錯時，通常的濾波電路很難將其分開，可采用調制解調器技術。長線傳輸干擾的抑制：（1）采用同軸電纜或雙絞線作為傳輸線抑制來自空間電磁耦合干擾。（2）采用始端、終端阻抗匹配消除長線傳輸引起的波反射。5.簡述電源抗干擾技術。答：電源系統抗干擾技術主要包含供電方式、尖峰脈沖干擾的抑制、掉電保護和直流側的抗干擾措施。供電方式方面，采用交流穩壓器輸出的交流電壓穩定在220V，采用交流電源濾波器有效地抑制高頻干擾的入侵，采用直流穩壓器為計算機系統提供穩定的直流電壓。在電源變壓器的一次側和二次側之間加屏蔽層抑制高頻干擾信號。在電源變壓器和低通濾波器之前增加一個隔離變壓器將控制系統和供電電網電源隔離開來，消除公共阻抗引起的干擾。另外還采用開關電源、DC-DC變換器以及UPS供電等，來提高電源的穩定性。抑制尖峰干擾最常用的方法主要有三種：在交流電源的輸入端并聯壓敏電阻；采用鐵磁共振原理（如采用超級隔離變壓器）；在交流電源輸入端串入均衡器，即干擾抑制器。另外，使系統遠離干擾源，對大功率用電設備采取專門措施電網的抑制尖峰干擾。掉電保護方面，對計算機系統加裝不間斷電源（UPS），或增加電源電壓監視電路。直流側采取去耦法和增設穩壓塊法提高抗干擾能力。6.抑制尖峰干擾最常用的方法有哪些？答：抑制尖峰干擾最常用的方法主要有三種：在交流電源的輸入端并聯壓敏電阻；采用鐵磁共振原理（如采用超級隔離變壓器）；在交流電源輸入端串入均衡器，即干擾抑制器。另外，使系統遠離干擾源，對大功率用電設備采取專門措施電網的抑制尖峰干擾。7.長線干擾有哪幾種形式？如何進行抑制？答：長線傳輸干擾主要是空間電磁耦合干擾和傳輸線上的波反射干擾。（1）采用同軸電纜作為傳輸線抑制電場干擾，采用雙絞線作為傳輸線抑制磁場耦合干擾。在使用雙絞線時，盡可能采用平衡式傳輸線路，具有較好的抗差模干擾能力。（2）采用始端、終端阻抗匹配消除長線傳輸引起的波反射。8.過程計算機控制系統中一般分為幾種地？輸入系統和主機如何接地？答：在過程計算機控制系統中，一般有以下幾種地線：模擬地、數字地、安全地、系統地和交流地。模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉換中模擬電路的零電位。數字地作為控制系統中各種數字電路的零電位，應該與模擬地分開，避免模擬信號受數字脈沖的干擾。安全地的目的是使設備機殼與大地等電位，以避免機殼帶電影響人身和設備的安全。系統地是以上幾種地的最終回流點，直接與大地相連。交流地是計算機交流供電電源地，即為動力線地。輸入系統的接地有兩種：一種是信號源端接地，而接收端浮地，則屏蔽層應在信號源端接地。另一種為信號源浮地，接收端接地，則屏蔽層應在接收端接地。主機與外部設備地連接后，采用一點接地。在計算機網絡系統中，對于近距離的幾臺計算機，可采用多機的一點接地方式。對于遠距離的多臺計算機之間的數據通信，通過隔離的辦法分開，如采用變壓器隔離技術、光電隔離技術和無線電通信技術等。9.簡述軟件抗干擾技術有哪些？看門狗技術有什么作用？有哪些方法可以實現看門狗？答：典型軟件抗干擾主要包含信號處理和CPU及程序的抗干擾技術。信號處理抗干擾技術主要有：（1）采用數字濾波方法實現從采樣信號中提取出有效信號數值，濾除干擾信號的功能。（2）對于輸入數字信號，采用多次重復采樣，直到連續兩次或兩次以上采集結果完全一致方為有效。（3）對于輸出數字信號，可以采取重復輸出同一數據；在輸出數字信號時將有關可編程輸出芯片的狀態也一并重復設置；采用抗干擾編碼，提高檢錯或糾錯能力。CPU及程序的抗干擾，主要通過復位、掉電保護、指令冗余、軟件陷阱、看門狗技術?？撮T狗，也稱為程序監視定時器。當程序“跑飛”并且其他的措施沒有發揮作用時，看門狗不能在規定的時間內得到復位信號，其輸出端便會發出信號使CPU系統復位?？撮T狗的實現形式可以分為硬件和軟件兩種。Watchdog的硬件部分應獨立于CPU，其實現方法和電路主要有單穩電路、自帶脈沖源的計數器、定時器和具有Watchdog功能的μP集成芯片等。軟件看門狗的設計過程可分為如下三個部分：計數器0監視主程序的運行時間，計數器1監視計數器0的運行，主程序監視計數器1。在實際應用中將硬件看門狗和軟件看門狗結合使用，程序的可靠性會大大提高。10.實現分散控制的主要技術措施有哪些？答：實現分散控制的主要技術措施包括兩個方面：1）分布式處理?？刂迫蝿沼啥鄠€控制單元并行處理，每個單元負責特定的子任務或區域，從而提高處理速度和系統響應能力。2）本地決策。每個控制單元根據局部信息和全局策略進行決策，減少了對中央控制器的依賴，增強了系統的魯棒性和故障容錯能力。11.什么是冗余技術？其實現方式有哪些？答：冗余技術也稱容錯技術或故障掩蓋技術，是指在系統結構上，通過增加完成同一功能的并聯或備用單元數目等冗余資源來掩蓋故障造成的影響，使得即使出錯發生故障，系統功能仍不受影響，是一種以冗余資源換取可靠性的設計方法。冗余技術的實現方式有：硬件冗余、軟件冗余、信息冗余和時間冗余等。硬件冗余通過增加物理設備的數量來提高系統的容錯能力和可靠性。例如，雙機冗余、三模冗余、N+1/N+M冗余等。軟件冗余是指通過多種方式實現軟件層面的容錯和高可用性。例如，多版本程序、恢復快、檢查點和回滾機制等。信息冗余通過增加冗余信息來檢測和糾正數據傳輸或存儲過程中的錯誤，檢出信息差錯并進行自動糾錯處理。主要形式有：奇偶校驗、校驗和、循環冗余校驗、前向糾錯碼等。時間冗余是通過多次執行操作來檢測和糾正錯誤。主要包括：重復執行、時間多樣性、回滾重試等方法。第7章計算機控制系統軟件1．衡量一個過程控制系統軟件性能優劣的主要指標有哪些？答：衡量一個過程控制系統軟件性能優劣的主要指標是：（1）系統功能是否完善，能否提供足夠多的控制算法（包括若干種高級控制算法）。（2）系統內各種功能能否完善地協調運行，如進行實時采樣和控制輸出的同時，又能同時顯示畫面、打印管理報表和進行數據通信操作。（3）保證人機接口良好，需要有豐富的畫面和報表形式、較多的操作指導信息。另外操作要方便、靈活。（4）系統的可擴展性能如何，即是否能不斷地滿足用戶的新要求和一些特殊的需求。2．操作系統主要有哪些功能？答：操作系統的功能主要體現在以下幾個方面。（1）進程管理進程是一個運行中的程序。在操作系統中，進程具有獨立性。多個進程在操作系統的調度下，分時、并發地運行。這樣的結構，使得軟件的開發可以按相對簡捷的功能模塊分別進行；可以利用一種所謂的信號燈機制，實現各個進程之間的通信，分配進程對各種資源的占用；可以利用進程調度，避免系統陷入死循環或崩潰；可以將進程設置為不同的優先級別，例如系統級或用戶級，來保證系統的安全性。（2）內存管理內存管理是將計算機的內存分成若干頁面，對各個頁面賦予不同的特性和訪問邏輯地址。利用內存頁的不同特性，可以實現不同的訪問特性。例如，可以為特殊的任務分配特定的內存頁，同時也避免了其他任務侵入這一內存頁。由于內存訪問的實時性，這種頁面的分配是由硬件實現的，一般來說，是依賴于CPU的支持來實現的。（3）文件系統管理文件系統是計算機系統的一個特殊組成部分。文件系統將計算機管理的大量數據以特定的結構保存在存儲系統中，這個特殊的數據結構就是文件。文件系統一般建立在外存儲器中，如磁盤、磁帶、光盤等，以滿足數據容量的要求。但是，在特殊的情況下，文件系統也可以建立在計算機的內存中。（4）設備驅動程序在操作系統的管理下，應用程序不必要也不應該與底層的各種設備直接打交道。應用程序可以經過操作系統提供的設備管理手段，即設備驅動程序，來使用系統的設備。設備驅動程序一般包括對設備的初始化、檢查設備狀態、控制設備動作、對設備進行讀寫操作等功能。（5）系統調用一個操作系統的各項功能，往往通過一系列應用軟件可引用的程序模塊來實現，稱為系統調用函數或應用編程接口。這些系統調用模塊經過比較嚴格的測試和實用考驗，用它們作為整個應用系統的基礎可以保障系統的穩定性和可靠性。3．什么是數據結構？數據結構的分類有哪些？答：數據結構是指互相之間存在著一種或多種關系的數據元素的集合。在任何問題中，數據元素之間都不會是孤立的，在它們之間都存在著這樣或那樣的關系，這種數據元素之間的關系稱為結構。數據結構按照不同的維度，可以劃分為兩類：邏輯結構和存儲結構。（1）邏輯結構邏輯結構指數據元素間存在的邏輯關系，與元素實際存儲的物理結構無關。根據數據元素之間關系的不同特性，通常有下列4類基本結構：1）集合結構。數據元素屬于同一個集合。集合是元素關系極為松散的一種結構。2）線性結構。數據元素之間存在著一對一的關系，常見的有鏈表、隊列、棧等。3）樹形結構。數據元素之間存在著一對多的關系，常見的有二叉樹、二叉查找樹、平衡二叉查找樹等。4）圖形結構。數據元素之間存在著多對多的關系。（2）存儲結構數據的邏輯結構在計算機中的存儲表示或實現叫作數據的存儲結構，也叫物理結構。數據的存儲結構依賴于計算機。一般來說，一種數據結構的邏輯結構根據需要可以表示成多種存儲結構，常用的存儲結構有順序存儲、鏈式存儲、索引存儲和哈希存儲等。數據的順序存儲結構的特點是，借助元素在存儲器中的相對位置來表示數據元素之間的邏輯關系；非順序存儲的特點是，借助指示元素存儲地址的指針表示數據元素之間的邏輯關系。4．簡述數據庫體系結構的三級模式。答：依照美國國家標準學會（ANSI）所屬標準計劃和標準化報告（ANSI/SPARC報告），可把數據庫分為三級，它們分別是外模式、概念模式和內模式。外模式是應用程序員所看到的數據庫的邏輯結構，也可稱為用戶視圖（或外視圖）。外模式基本上是由應用所需的各種外記錄類型的相應定義所組成的。該模式由數據定義語言的外DDL所描述。概念模式是企業所有工作數據所表示的整體邏輯結構。它與數據的物理存儲方式相比是較為抽象的形式，因此也可稱其為概念視圖。概念模式由多種概念記錄類型的多個記錄值構成。概念模式由數據定義語言的概念DDL所描述。三級模式的第三級是內模式。內模式是數據庫的存儲結構（或稱為物理結構），它是由內記錄（或稱為存儲記錄）類型的多個值構成的。內模式即是由定義的文件及其上的索引組成的。內模式由數據定義語言的內DDL所描述。5．使用E-R模型設計數據庫包括哪些步驟？答：使用E-R模型設計數據庫的步驟如下：1）確定要求解的應用的實體型。2）確定實體型之間的聯系及其聯系類型。3）確定實體型和聯系型的屬性。4）畫出局部應用的E-R圖。5）將局部E-R圖綜合為全局E-R圖。6）優化全局E-R圖。7）設計邏輯數據庫。8）編碼，調試。6．計算機控制系統中操作監控層的有關監控軟件的編制可采用哪兩種方法？各有何優缺點？答：監控軟件編制可采用以下兩種方法：一是采用VisualBasic、VisualC、Delphi、PB等基于Windows平臺的開發程序來編制；二是采用監控組態軟件來編制。前者程序設計靈活，可以設計出不同風格的人機界面系統，但設計工作量大，開發調試周期長，軟件通用性差，對于不同的應用對象都要重新設計或修改程序，軟件可靠性低；監控組態軟件是標準化、規?；?、商品化的通用開發軟件，只需進行標準模塊的軟件組態和簡單的編程，就可設計出標準化、專業化、通用性強、可靠性高的人機界面監控程序，且工作量小，開發調試周期較短。7．工業組態軟件的主要功能有哪些？答：工業組態軟件功能主要包括：硬件配置組態功能、數據庫組態功能、控制回路組態功能、邏輯控制及批控制組態功能、顯示圖形生成功能、報表畫面生成功能、報警畫面生成功能及趨勢曲線生成功能。程序員在組態軟件提供的開發環境下以人機對話方式完成組態操作，系統組態結果存入磁盤存儲器中，供運行時使用。8．常用的工業組態軟件有哪幾種？答：常用的工業組態軟件包括：（1）VEVAInTouch。VEVAInTouch是由AVEVA開發的一個廣泛使用的HMI和SCADA軟件。InTouch提供了一整套功能來幫助用戶實時監控和控制工業過程，支持各種自動化和數據管理需求。（2）GEDigitaliFIX。GEDigitaliFIX是GEDigital提供的一款先進的SCADA（系統。它在工業自動化領域中廣泛應用。iFIX強調其強大的數據處理能力和靈活的系統集成功能，特別適合復雜的工業自動化環境。它提供高級的數據歷史記錄和趨勢分析功能，支持多用戶環境，并具備高穩定性。（3）WinCC。WinCC是西門子開發的工業SCADA系統，具有強大的實時監控和數據管理能力。它支持從各種設備實時采集數據，提供直觀的圖形界面和靈活的報警管理功能。WinCC能夠處理和存儲歷史數據，支持趨勢分析和報表生成。它兼容多種工業通信協議，方便與其他系統集成。系統具有高性能和穩定性，并且通過模塊化設計和用戶權限管理確保靈活性和安全性。（4）組態王（Kingview）。組態王是一款功能強大且靈活的組態軟件，廣泛應用于工業自動化領域。它提供了全面的實時監控、數據分析、報警管理和圖形化設計功能，適用于制造業、能源、化工、水處理等多個領域。第8章典型計算機控制系統1.常用典型的計算機控制系統有哪些？答：常用的比較典型的計算機控制系統，主要包括：基于工控機的計算機控制系統、基于數字調節器的計算機控制系統、基于PLC的計算機控制系統、基于嵌入式系統的計算機控制系統、分散控制系統、現場總線控制系統和云控制系統。2.什么是數字調節器？答：數字調節器是一種新型的數字控制儀表，通常一臺儀表控制一個或多個回路。數字調節器具有豐富的控制功能、靈活而方便的操作手段、形象而直觀的圖形或數字顯示以及高度安全可靠等特點。3.PLC的特點是什么？答：1）高可靠性；2）功能齊全；3）應用靈活；4）系統設計、調試周期短；5）操作維修方便。4.PLC結構和工作原理是什么？答：PLC根據其結構形式可分為：模塊化PLC和整體式PLC。當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段，完成上述三個階段稱為一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定掃描速度重復執行上述三個階段。5.什么叫嵌入式系統？它的特點是什么？答：嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。嵌入式系統具有專用性強、精簡設計、系統內核小、使用多任務操作系統、軟件一般固化在存儲芯片中、需要專門的開發工具和環境等特點。6.嵌入式處理器可分為哪幾類？答：1）嵌入式微控制器（Micro-ControllerUnit,MCU）2）嵌入式DSP處理器（DigitalSignalProcessor,DSP）3）嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit,MPU）4）嵌入式片上系統（SystemOnChip,SoC）7.常用的嵌入式操作系統有哪些？各有什么特點？答：1）Linux：原代碼公開，開放性好，穩定性和可靠性好。2）μClinux：是縮減的Linux系統，具有良好的穩定性和移植性、強大的網絡功能等。3）eCOS：是一個開源的嵌入式實時操作系統，具有良好的系統功能和應用支持。4）WindowsEmbedded/IoT：提供了豐富的功能和良好的兼容性，適用于從小型工業網關到較大型且更復雜的物聯網設備。5）VxWorks：具有良好的持續發展能力、高性能的內核以及友好的用戶開發環境，廣泛應用于航空航天、通信、軍事等領域。6）FreeRTOS：一款免費的實時操作系統，提供了實時、小型化、多任務調度的功能。具有輕量級、用戶可配置內核功能、多平臺支持、目標代碼小、簡單易用的特點。7）mbedOS：開源嵌入式操作系統，適用于物聯網設備，支持多種ARM架構的處理器，提供了豐富的庫和API，簡化了物聯網設備的開發。8）Android：主要用于智能手機和平板電腦，擁有豐富的應用程序和開發者社區，適用于物聯網設備和其他需要復雜交互的嵌入式系統。9）AliOSThings：阿里巴巴推出的物聯網操作系統，支持多種芯片和硬件平臺。10）華為鴻蒙系統：面向萬物互聯的全場景分布式操作系統，支持手機、平板、智能穿戴、智慧屏等多種終端設備運行，提供應用開發、設備開發的一站式服務