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　　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課后習(xí)題答案

　　2.1 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了獲取系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)或設(shè)定信息，經(jīng)常需要進(jìn)行開關(guān)量信號的輸入。

　　2.2 把從控制對象檢測到的模擬信號，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號，經(jīng)I/O接口送入計(jì)算機(jī)。

　　2.3 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開/關(guān)(如對電磁閥的控制)或啟/停(如各種交、直流電機(jī)的控制)，某些控制算法(如脈寬調(diào)制方法，最優(yōu)控制中的乒乓控制算法等)也需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一定時間T內(nèi)全負(fù)荷工作一段時間t(0≤t≤T)，這些控制可通過計(jì)算機(jī)開關(guān)量輸出通道來實(shí)現(xiàn)。

　　2.4 把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。

　　2.5 光電耦合器的作用：從工業(yè)現(xiàn)場獲取的開關(guān)量或數(shù)字量的信號電平往往高于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯電平，即使輸入開關(guān)量電壓本身不高，也有可能從現(xiàn)場引入意外的高壓信號，因此必須采取電隔離措施，以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。常用的隔離措施是采用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)的。

　　光電耦合器的用法：下圖為原理圖。當(dāng)輸入側(cè)(即發(fā)光二極管)流過一定的電流IF時，發(fā)光二極管開始發(fā)光，它觸發(fā)光敏三極管使其導(dǎo)通;當(dāng)撤去該電流時，發(fā)光二極管熄滅、三極管截止。這樣，就實(shí)現(xiàn)了以光路來傳遞信號，保證了兩側(cè)電路沒有電氣聯(lián)系，從而達(dá)到了隔離的目的。 2.5 光電耦合器的注意事項(xiàng)：

　?、?輸入側(cè)導(dǎo)通電流

　　要使光電隔離器件導(dǎo)通，必須在其輸入側(cè)提供足夠大的導(dǎo)通電流，以使發(fā)光二極管發(fā)光。不同的光電隔離器件的導(dǎo)通電流也不同，典型的導(dǎo)通電流IF=10mA。

　　② 頻率特性

　　受發(fā)光二極管和光敏元件響應(yīng)時間的影響，光電隔離器件只能通過一定頻率以下的脈沖信號。因此，在傳送高頻信號時，應(yīng)該考慮光電隔離器件的頻率特性，選擇通過頻率較高的光電隔離器。

　　③ 輸出端工作電流

　　光電隔離器輸出端的灌電流不能超過額定值，否則就會使元件發(fā)生損壞。一般輸出端額定電流在mA量級，不能直接驅(qū)動大功率外部設(shè)備，因此通常從光電隔離器至外設(shè)之間還需設(shè)置驅(qū)動電路。

　　2.5 光電耦合器的注意事項(xiàng)：

　?、?輸出端暗電流

　　這是指光電隔離器處于截止?fàn)顟B(tài)時，流經(jīng)輸出端元件的電流，此值越小越好。在設(shè)計(jì)接口電路時，應(yīng)考慮由于輸出端暗電流而可能引起的誤觸發(fā)，并予以處理。

　?、?隔離電壓

　　它是光電隔離器的一個重要參數(shù)，表示了其電壓隔離的能力。

　?、?電源隔離

　　光電隔離器件兩側(cè)的供電電源必須完全隔離。無論是輸入隔離還是輸出隔離，只要采取光電隔離措施，就必須保證被隔離部分之間電氣完全隔離，否則就起不到隔離作用了。

　　2.6 在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，如果模擬信號的頻率較高，就會由于A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時間(即轉(zhuǎn)換時間)而造成較大的轉(zhuǎn)換誤差，克服的方法是在A/D轉(zhuǎn)換器之前設(shè)置采樣保持電路。采樣保持器平時處于“采樣”狀態(tài)，跟蹤輸入信號變化;進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前使其處于“保持”狀態(tài)，則在A/D轉(zhuǎn)換期間一直保持轉(zhuǎn)換開始時刻的模擬輸入電壓值;轉(zhuǎn)換結(jié)束后，又使其變?yōu)?ldquo;采樣”狀態(tài)。2.6節(jié)中的“采樣”指抽取連續(xù)信號在離散時間瞬時值的序列過程。

　　2.7 多路A/D轉(zhuǎn)換器電路有幾種常見方案，各有什么優(yōu)、缺點(diǎn)?

　　采用集成多路A/D轉(zhuǎn)換器，或選擇內(nèi)含集成多路A/D轉(zhuǎn)換器的微處理器。這種方案的設(shè)計(jì)簡潔、可靠性高，在轉(zhuǎn)換精度、線性度、溫度漂移、通道數(shù)等可以滿足要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮采用;但也應(yīng)注意有時各模擬量輸入互相串?dāng)_的問題。

　　每個模擬量輸入配置一個A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)系統(tǒng)中模擬量輸入較多時，硬件費(fèi)用會迅速增加、可靠性降低，一般不采用這種方案，僅在考慮轉(zhuǎn)換速度、各模擬量互相串?dāng)_等情況下使用。

　　采取多路模擬量輸入復(fù)用一個A/D轉(zhuǎn)換器的方案。

　　2.8 實(shí)現(xiàn)多路的模擬量信號輸出，一般有以下兩種方案。

　　第一種方案是為每一個通道設(shè)置一個獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換器。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出現(xiàn)故障也不會影響其他通道的工作，相應(yīng)軟件的編制也比較簡單。但是，如果模擬量信號輸出通道較多，就會使系統(tǒng)造價增加很多，尤其是采用高精度的D/A轉(zhuǎn)換器時，這一問題尤為嚴(yán)重。

　　第二種方案是多通道復(fù)用一個D/A轉(zhuǎn)換器，并輔以多路模擬開關(guān)和采樣保持放大器來實(shí)現(xiàn)，如圖2.34所示。這個方案是由計(jì)算機(jī)通過多路模擬開關(guān)分時地把一個D/A轉(zhuǎn)換器的輸出送至各個采樣保持放大器，并由保持電容對模擬量信號進(jìn)行保持。該方案優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、可靠性差，受運(yùn)算放大器的輸入阻抗、模擬開關(guān)和保持電容的漏電阻等因素的影響，導(dǎo)致保持電容上的電壓信號逐漸衰減，需要計(jì)算機(jī)定時刷新輸出，也因此占用了CPU的大量時間。此方案適用于輸出通道不多且對速度要求不高的場合。

　　2.9 完成采樣操作的裝置稱為采樣開關(guān)。

　　根據(jù)采樣過程的特點(diǎn)，可以將采樣分為以下幾種類型。

　　(1) 周期采樣

　　(2) 同步采樣

　　(3) 非同步采樣

　　(4) 多速采樣

　　(5) 隨機(jī)采樣

　　2.10 ?函數(shù)有下列性質(zhì) ： 。即在任意t0時刻， ?函數(shù)

　　的積分或?函數(shù)的強(qiáng)度為1。根據(jù)?函數(shù)的這個性質(zhì)，對任意連續(xù)函數(shù)

　　f(t)和任意整數(shù)k有 其中，T為采樣周期。

　　從上式可以看出， ?(t-kT) 可以把f(t)在kT時刻的值提取出來，也就是

　　說，?函數(shù)具有采樣功能。

　　2.11 ?函數(shù)表示為： 。k為任意整數(shù)。那么理想采樣開關(guān)可以

　　描述為理想單位脈沖函數(shù)序列：

　　2.12 采樣定理: 如果連續(xù)信號f(t)具有有限頻譜，其最高頻率為 ,則對f(t)進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率 時，連續(xù)信號f(t)可以由采樣信號 唯一確定，亦即 可以無失真地恢復(fù)f(t)。

　　從理論上講，采樣頻率越高就越能如實(shí)反映被采樣的連續(xù)信號的特征信息。但是，從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)角度來講，選取過高的采樣頻率會使系統(tǒng)對硬件的要求過高，造成成本攀升，并且還會使干擾對系統(tǒng)的影響明顯上升。因此，應(yīng)該綜合考慮計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中采樣周期的選擇問題。

　　2.13 推導(dǎo)略。零階保持器在奈奎斯特頻率以外的增益不為零，在相位上相當(dāng)于引入T/2的時間延遲，因此其性能劣于理想低通濾波器，信號恢復(fù)效果也稍差。

　　2.14 隨著保持器的階數(shù)增加，信號恢復(fù)的效果越好，但帶來的問題是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、相移增大，所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中很少采用高階保持器。高階保持器主要用于沒有閉環(huán)控制要求的通訊信號處理等領(lǐng)域。

　　2.15 解：將系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)寫成

　　從而：T1=0.25秒，?1=0.04秒，?1=2?/32秒?0.196秒。得?min=0.04秒。

　　2.16 答案略。

　　3.1 解：y(0)=0 y(1)=1

　　y(2)=r(2)+5y(1)-6y(0)=6

　　y(3)=r(3)+5y(2)-6y(1)=25

　　y(4)=r(4)+5y(3)-6y(2)=90

　　y(5)=r(5)+5y(4)-6y(3)=301

　　y(6)=r(6)+5y(5)-6y(4)=966

　　y(7)=r(7)+5y(6)-6y(5)=3025

　　y(8)=r(8)+5y(7)-6y(6)=9330

　　y(9)=r(9)+5y(8)-6y(7)=28501

　　y(10)=r(10)+5y(9)-6y(8)=86526

　　3.2 解：y(0)=2

　　y(1)=-y(0)+r(1)+2r(-1)=-2+1=-1

　　y(2)=-y(1)+r(2)+2r(0)=1+2+0=3

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