计算机控制系统（黄国辉老师）(杭州电子科技大学)mooc慕课作业答案

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【作业】第一章 绪论 第一章专题报告

1、 问题:综合作业题：结合自己的专业谈谈你对计算机控制系统理解，以及它与专业（或行业）发展、万物互联、2025智能制造国家战略的关系。提交不少于500字的报告。附件中有“《中国制造2025》重点领域技术创新绿皮书”供大家参考。有关专业（或行业）以及其它新技术请自行上午查阅相关资料。提示：应该从四个方面论述：1）3）物联网、万物互联、大数据、云计算等先进技发展的趋势；2）你所学专业或行业发展趋势；3）中国制造2025概述；4）你所理解的计算机控制系统以及与上述发展趋势的关系。
评分规则: 【 有描述自己对《计算机控制系统》理解
有描述与专业（或）行业发展的关系
有描述与万物互联或物联网、大数据等关系
有描述与中国制造2025战略的关系
】

【作业】第一章 绪论 第一章 绪论作业

1、 问题:下图为改进型操作指导型计算机系统，请问与常规操作指导型计算机系统有何区别？与SCC计算机控制系统有何区别？这种系统在应用中有什么要求和特点？
评分规则: 【 1）改进型与常规操作指导型计算机控制系统的区别是：前者计算机需要将给定值送给控制仪表，而后者是通过人工进行对控制仪表的设定值进行设定的。
2）与SCC系统的区别是，SCC监督计算需要进行复杂的工艺计算输出的最优给定值。
3）改进型计算机控制系统参与了部分控制功能，从而实现系统控制过程自动化。设定值由计算机通过通讯网络输出，给定值可以通过人工在计算机软件界面上输入，或通过简单的计算即可得到。
】

2、 问题:DDC系统如下图所示，请按次序写出五个空白框中的内容。
评分规则: 【 模拟量输入
数字量输入
模拟量输出
数字量输出
工业控制计算机
】

3、 问题:下图为监督控制系统的某种结构形式，请指出该监督控制系统为哪种结构形式，并阐述该系统中SCC计算机与DDC计算机的作用？
评分规则: 【 1）该结构为SCC+DDC控制系统 
2）SCC计算机的作用是完成车间或工段级的最优化分析和计算，并给出最佳给定值，送给DDC级计算机直接控制生产过程。
3）DDC计算机首先通过过程输入通道实时地采集被控对象运行参数，然后按给定值和预定的控制规律计算出控制信号，并由过程输出通道直接控制执行机构，使被控量达到控制要求。
】

【作业】第二章 输入输出接口与过程通道技术 第二章 作业题（一）

1、 问题:某热处理炉温度变化的范围为0～1350℃，经温度变送器变换为1～5V电压输入AD574A，AD574A的输入范围为0～10V。当t=KT时， AD574A的转换结果为56AH，问此时炉内的温度为多少度？
评分规则: 【 


】

2、 问题:常用数字滤波有几种方法？各有何特点何用途？
评分规则: 【 1）平均值滤波法适用于周期性干扰
2）中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰
3）惯性滤波法适用于低频的干扰信号
4）加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控制对象
5）如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤波法或限幅滤波法，然后再用平均值滤波法
】

3、 问题:某位同学在做液位校准（标定）实验中的记录表格如表1所示.1). 对液位采集的数据按照算术平均滤波法、中位值滤波法进行处理2). 按照中位值滤波法，利用公式l=my+b对液位进行标定
评分规则: 【 1）y1=00BD=189; y2=00BF=191; y3=00BF=191; y4=00BD=189; y5=00BE=190;y6=01C2=450; y7=01C3=451; y8=01C1=449; y9=01C1=449 ;y10=01C2=450; 
2)算术平均滤波法：ya=(189+191+191+189+190)/5=190，yb=(450+451+449+449+450)/5=449.6
3)中位值滤波法：ya=y3=190，yb= y8=450
50=m191+b100=m449+b ； m=0.192，b=13.52
l=0.194y+12.984 
】

【作业】第二章 输入输出接口与过程通道技术 第二章 作业题（二）

1、 问题:仪表放大器与普通运算放大器有何不同？其特点有哪些？
评分规则: 【 1）仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。
2）具有高输入阻抗（109Ω），低输出阻抗，强抗共模干扰能力，低温漂、低失调电压和高稳定增益。
3)因此仪表放大器广泛应用于微弱信号的检测系统中，特别是差分输入是作为前置放大器，对是抑制共模干扰信号十分有效。
4）运算放大器只是在信号为单纯有效，而没有干扰的情况下方可用于小信号放大，它对于来自信号源的共模干扰信号不能有效地起到抑制作用；
5）如果由普通的运放构成增益可设定的差动放大器，因其输入阻抗低，电阻参数对称性调整复杂，共模抑制比低，故而不适合作为传感器输出信号的差动放大器。
】

2、 问题:A/D转换器有哪些技术指标？
评分规则: 【 1）分辨率 
2）量程
3）转换精度
4）转换时间
5）工作温度范围
】

3、 问题:在变送器或执行器中为何需要使用电压/电流（V/I）变换电路
评分规则: 【 1）工业现场的智能仪表和执行器常常要以电流方式传输，这是因为在长距离传输信号时容易引入干扰，而电流传输具有较强的抗干扰能力。
2） 因此，许多场合必须经过电压/电流（V/I）转换电路，将电压信号转换成电流信号。
】

4、 问题:一个12位的A/D转换器，孔径时间为20μs，绝对精度为±1LSB，若不使用采样保持器，为了确保转换精度，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？
评分规则: 【                                              

】

5、 问题:描述下图所示的电路的功能，并分析R1、R2、C以及D的作用。
评分规则: 【 1）该电路是电流转电压输入电路，也叫电流/电压（I/V）转换器。
2）R1与C构成滤波电路，消除输入信号的高频干扰。
3）R2就是将电路转变为电压的电阻，因此R2必须采用精密电阻。
4）D是二极管主要起输入限压，以保护后面的电路不受高电压损坏。
】

【作业】第三章 工业控制计算机 第三章 作业（二）——专题报告

1、 问题:从本章节有关内容任意选一个议题，收集与该课题相关的文献资料，写一份不少于800字的文献综述。要求参考文献不得少于8篇，并在综述报告的相应处标出引用号、格式规范。附1：文献综述写作规范附2：供参考的文献综述
评分规则: 【 格式规范
参考文献每篇1分，最高10分
内容与表达准确性、完整性
】

【作业】第三章 工业控制计算机 第三章作业（一）

1、 问题:工业控制计算机有什么主要特点？
评分规则: 【 工业控制计算机主要用于工业过程中的测量、控制、数据采集等工作
(1) 可靠性高；（2）实时性好
（3）环境适应能力强；（4）输入和输出模板配套好
（5）系统通信功能强；（6）系统开放性和扩充性好
（7）控制软件包功能强、（8）后备措施齐全，具有冗余性
】

2、 问题:何谓总线？何谓总线标准
评分规则: 【 总线是连接一个或多个部件的一组电缆的总称，通常包括地址总线、数据总线和控制总线。
总线的特点在于公用性和兼容性，它能同时挂连多个功能部件，且可互换使用
总线标准是指芯片之间、 模板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规范。
】

3、 问题:RS-232C 和 RS-485 是什么总线？ 试对两者进行对比。
评分规则: 【 RS-232C、 RS-485是常用的外部总线，且两者均为串口通讯。
RS-232接口为非平衡型，每个信号用一根导线，所有信号回路共用一根地线。信号速率限于20kbit/s内，电缆长度限于15m之内。由于是单线，线间干扰较大。其电性能用±12V标准脉冲。值得注意的是RS-232C采用负逻辑。
RS-485接口采用二线差分平衡传输，因此相比RS-232抗干扰性更强，另外RS-485具有比RS-232C更长的距离、更快的速度以及更多的节点，RS-485更适用于多台计算机或带微控制器的设备之间的远距离数据通信。
】

【作业】第四章 计算机控制系统的理论基础 第四章作业

1、 问题:
评分规则: 【 




】

2、 问题:
评分规则: 【 




】

【作业】第五章 数字PID控制算法 第五章作业

1、 问题:如何消除积分饱和？
评分规则: 【 可采用积分分离PID算法
或者采用遇限削弱积分PID控制算法
】

2、 问题:请推导微分控制环节+低通滤波器构成的不完全微分PID控制算法。
评分规则: 【 带惯性环节的微分控制，即：
其对应的微分方程
离散化后，经整理可得

】

3、 问题:请分别写出标准PID控制算法和微分先行PID控制算法的位置式。
评分规则: 【 普通PID算法为：
微分先行PID控制算法：
】

4、 问题:简述PID归一参数法及其优点，试列出算式。
评分规则: 【 PID控制器参数的整定是一项繁杂而费时的工作，当由一台计算机来控制几十个乃至几百个控制回路时，整定参数是非常艰巨的工作。归一参数整定法是一种比较简易的方法。
上式只有一个参数需要整定，使得问题明显得到简化。
】

【作业】第六章 复杂控制系统 第四章作业

1、 问题:
评分规则: 【 




】

2、 问题:
评分规则: 【 




】

3、 问题:如图所示的是一个液位控制器系统，主控制器采用PID输出0~24VDC电压控制水泵流量L进而控制水箱的液位H，但管路中存在扰动并不稳定。请设计一个串级控制系统，确保流量保持一定的稳定性，并能精确控制水箱的液位高度H。请画出控制系统结构图，同时在控制结构框图中标注每一个控制元件前后两端的变量（包括物理量，比如：给定值r(k)应标出(液位Hs)，输出控制量U(k)应该标准（电压V）等）。
评分规则: 【 
】

【作业】第五章 数字PID控制算法 第五章补充作业

1、 问题:已知常规PID控制器的Kp=1，Ki=0.5，Kd=5，T=0.1s，设初始状态为零。写出常规PID算法，并求控制器输出值u(0)（请列出计算式子）。
评分规则: 【 

】

【作业】第七章 计算机控制系统的软件设计 第七章 作业一

1、 问题:衡量控制系统软件性能优劣的主要指标有哪些？
评分规则: 【 系统功能是否完善，能否提供足够多的控制算法（包括若干种高级控制算法）
系统内各种功能能否协调运行，如进行实时采样和控制输出的同时，又能显示画面、打印管理报表和进行数据通信
人机接口是否良好，要有丰富的画面和报表形式，较多的操作指导信息，操作方便灵活
系统的可扩展性如何，即能否不断地满足用户的新要求。
】

2、 问题:试述计算机控制软件的功能
评分规则: 【 实时数据采集  也就是完成现场过程参数的采集
控制输出  系统根据设计的控制算法输出控制信号，以跟踪输入信号，达到所期望的控制效果
逻辑控制  逻辑控制程序包含顺序（程序）逻辑控制和组合控制等功能
报警监视  报警监视程序完成过程参数越界报警及设备故障报警等功能
画面显示和报表输出  实时地显示过程参数及工艺流程，并提供操作画面、以及报表显示和打印等功能
可靠性功能  包括自诊断、掉电处理、备用通道切换等功能
管理功能  实现文件管理、数据库管理、趋势曲线、统计分析等功能
通信功能  完成控制单元之间、操作站之间、子系统之间的数据通信功能
流程画面制作功能 指用来生成应用系统的各种工艺流程画面和报表等功能。
】

3、 问题:简述实时数据库系统的概念
评分规则: 【 实时数据库系统（RTDBS）就是其事务和数据都是有定时特性或显式的定时限制的数据库系统。系统的正确性不仅依赖于逻辑结果，而且还依赖于逻辑结果产生的时间。
】

4、 问题:试述利用工控组态软件构建应用控制软件的基本步骤
评分规则: 【 设计图形界面
定义设备驱动，构造数据库变量
建立动画连接等
运行和调试
这四个步骤并不是完全独立的，事实上，这四个部分常常是交错进行的
】

5、 问题:简述控制系统软件设计中的基本原则（不要超过500字）
评分规则: 【 计算机控制系统的软件设计必须遵循如下原则：抽象、细化、模块化和信息隐藏。
抽象是一个系统的简化描述或规范说明。通过抽象可以从具体事物中抽取相对独立的各个方面：如属性、关系等，并能在思维中抽取出事物的本质属性而忽略非本质的或者是与研究内容无关的枝节。抽象在程序设计中占有重要的地位。在程序设计中，抽象可包括“数据抽象”、“控制抽象”和“过程抽象”三个方面的内容。
细化的实质是分解，其目的是分解问题，合理分配给软件的各个模块，以便最终获得软件的总体结构。需要注意的是细化的结果并不是唯一的，不同的设计方法，对于同样的软件需求可能导出不同的软件结构。
模块化的中心思想是，对较大的程序“分而治之”，使其每一部分都变得较易管理，这比把整个软件处理为一个单模块软件容易掌握得多。
信息隐蔽原则其中心思想是，一个模块内部的数据与过程，应该对没有必要了解这些数据与过程的其它模块隐藏起来。换句话说，在相互独立的模块之间，只允许传递为了完成软件功能所必需的信息，对于模块内部的其它细节和局部数据，应限制别的模块对它们访问。
】

【作业】第七章 计算机控制系统的软件设计 第七章 作业二

1、 问题:请根据附件《组态王实例操作》PPT，自己设计出对应的内容。将设计好的文件夹压缩后上传。水箱控制系统：界面、变量、动画和程序5分仪表与外部数据通讯：界面、变量各5分
评分规则: 【 水箱控制系统：界面、变量、动画和程序5分
仪表与外部数据通讯：界面、变量各5分
】

【作业】第八章 分布式控制系统 第八章 作业题

1、 问题:简述DCS的硬件结构
评分规则: 【 DCS基于分级分布式网络结构连接各硬件单元或硬件模块，硬件系统主要包括：控制单元、输入输出单元、电源单元、控制网络及设备、系统网络及设备、操作员站、工程师站、监控计算机站、机柜和操作台等
】

2、 问题:DCS的软件系统包括哪些部分？各部分的主要功能是什么？
评分规则: 【 DCS软件系统分为工程师站组态软件、操作员站监控软件及现场控制站控制软件三大部分。三部分软件分别运行在不同层次的硬件平台上，并通过控制网络、系统网络进行通信，彼此互相配合协调，交换管理和控制信息，完成整个集散控制系统的各种功能。
(1)组态软件  组态软件实现实时数据库组态、控制算法组态、系统硬件组态、画面组态、历史记录组态、报表组态、报警组态、在线组态、在线下装、安全性组态等功能；
(2)监控软件  一般来讲，操作员站监控软件完成实时数据管理、历史数据存储和管理、控制回路调节和显示、生产工艺流程画面显示、系统状态、趋势显示以及生产记录的打印和管理等功能；
(3)控制软件  控制软件主要完成以下功能：数据采集、数据转换、算法运行、控制输出、与其他站点通信及实时广播数据、控制站自诊断及故障恢复、冗余切换、在线组态在线下装、工程在线升级和数据保持。
】

3、 问题:DCS的控制网络主要功能是什么？
评分规则: 【 控制网络是控制站内部使用的冗余实时网络，实现在控制站内部各个智能I/O模板和控制模板之间信息传递。
】

4、 问题:分布式计算机控制系统的特点有哪些？
评分规则: 【 DCS采用标准化、模块化和系列化设计理念，完成对生产过程进行实时监督与控制的任务，其特点可以概括如下。（1）独立性  DCS工作站虽然是通过网络接口互相连接，但各工作站独立自主地完成各自功能。其控制功能分散、危险分散的特点，提高了系统的可靠性；
DCS采用标准化、模块化和系列化设计理念，完成对生产过程进行实时监督与控制的任务，其特点可以概括如下。（1）独立性  DCS工作站虽然是通过网络接口互相连接，但各工作站独立自主地完成各自功能。其控制功能分散、危险分散的特点，提高了系统的可靠性；
（3）友好性  DCS操作方便、显示直观，提供了装置运行下的可监视性；DCS提供的组态软件包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态，是集散控制系统的关键部分，使用组态软件可以方便地生成实际的应用软件；
（4）适应性、灵活性和可扩充性  DCS硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统为积木式结构，可灵活配置，以适应不同用户的需要；
（5）实时性  通过人机接口和I/O接口，DCS可对过程对象进行实时采集、处理、记录、监视、操作控制，并可以对系统结构和组态回路进行在线修改，以及对局部故障进行在线维护等。保证了系统的实时性；
（6）可靠性  其高可靠性体现在下列方面：①系统结构采用容错设计；②系统所有硬件采用冗余设计；③软件的容错设计；④“电磁兼容性”设计；⑤ 结构、组装工艺的可靠性设计；⑥在线快速排除故障的设计。高可靠性、高效率和高可用性是DCS的生命力所在。
】

【作业】第九章 计算机控制系统设计与实现 第九章 作业

1、 问题:简述计算机控制系统的设计原则（500～1000字）
评分规则: 【 1） 安全可靠：首先要选用高性能的主控模板，保证在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，在计算机控制系统中提供各种软、硬件的冗余设置，以提供系统的可靠性。
2）满足工艺要求：在设计计算机控制系统时，应满足生产过程所提出的各种要求和性能指标。设计的性能指标不应低于生产工艺要求，但片面追求过高的性能指标而忽视设计成本也是不可取的。
3）操作维护方便：操作方便表现在操作简单、直观形象和便于掌握，既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。维护方便体现在易于查找和排除故障，配置故障诊断程序，帮助确认故障位置。
4）实时性强：计算机控制系统的实时性，表现在对内部和外部事件能及时响应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。
5）通用性好：计算机控制系统的通用灵活性体现在两方面，一是硬件模板设计采用标准总线结构，配置各种通用的功能模板，以便在扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；二是软件模块或控制算法采用标准模块结构，用户无需二次开发，只需按要求选择各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。
6）经济效益高：设计的最终目的主要是为了经济效益，兼顾社会效益。计算机控制系统设计的经济效益要考虑性能价格比。经济效益表现在两个方面，一是系统本身的性能价格比要尽可能高；二是投入产出比要尽可能低。
】

2、 问题:简述系统设计的步骤（500～1000字）
评分规则: 【 系统工程项目的研制可分为5个阶段：工程项目与控制任务的确定阶段；工程项目的设计阶段；离线仿真和调试阶段；安装验收阶段；完善提升阶段。
1. 工程项目与控制任务的确定阶段：工程项目与控制任务的确定一般由甲、乙双方共同完成。其中甲方是任务的委托方，乙方是系统工程项目的承接方。在一个计算机控制系统工程的研制和实施中，总是存在着甲、乙双方关系。(1) 甲方提出任务委托书、(2) 乙方研究任务委托书、(3) 双方对委托书进行确认性修改、(4) 乙方初步进行系统总体方案设计、(5) 乙方进行方案可行性论证、(6) 签订合同书。
2. 工程项目的设计阶段：工程项目设计阶段主要包括组建项目研制小组、系统总体方案的设计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计。
3. 离线仿真和调试阶段：离线仿真和调试是指在实验室进行的仿真和调试。设计好的系统一般不能直接上去安装运行，往往先在乙方自己这里进行一些模拟仿真实验；同时进行各部件、各模快调试，再总装调试等一系列的工作。内部测试没有问题的再到甲方进行安装调整。
4. 安装验收阶段：现场安装、在线调试、试运行、验收。现场安装也是十分关键的一步，通常必须请专业队伍和有经验的施工队伍进行安装，必要时设计人员也要到现场共同参与。此外，很多系统不能在乙方进行整体安装测试，只能到现场进行安装后才能测试，则要更加重视。验收是系统项目最终完成的标志，应由甲方主持乙方参加，双方协同办理。一般双方都会按第一阶段技术合同中确定的验收标准进行。验收完毕后形成验收文件存档
5. 完善提高阶段：实际上会存在很多可以提高、完善的东西。若想将类似的项目做得更好，即使用户没有提出修改意见，你也必须为此进行不断完善改进，只有这样用户才会对你更加信任，其实也为在今后类似的项目可以做得很好、更轻松，更有经济效益。
】

【作业】计算机控制系统实验与综合设计 第十章 第一次实验报告

1、 问题:根据实验一、二、三内容、要求和实验结果，完成实验报告。实验报告应包括封面、实验目的、要求、原理、实验过程、实验结果、实验分析、回答相关问题，要求格式规范、内容和数据完整、结果符合要求。
评分规则: 【 实验一
实验二
实验三
】