1、检测与过程控制技术一答案模拟试题A答案1.简述系统误差、随机误差和粗大误差的主要特点。 答：1） 系统误差 系统误差是指在一定的测量条件下，测量值中含有固定不变或按一定规律变化的误差。其主要由以下几方面因素引起：材料、零部件及工艺缺陷；环境温度、湿度、压力的变化以及其他外界干扰等。其变化规律服从某种已知函数，它表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度，系统误差越小，测量就越准确，所以经常用准确度来表征系统误差的大小。 2） 随机误差 随机误差又称偶然误差，是由很多复杂因素的微小变化的总和所引起的，其变化规律未知，因此分析起来比较困难。 但是随机误差具有随机变量的一切特点，在一定条件下服从统计规
2、律，因此经过多次测量后，对其总和可以用统计规律来描述，可以从理论上估计它对测量结果的影响。 3） 粗大误差 粗大误差是指在一定条件下测量结果显著地偏离其实际值所对应的误差。在测量及数据处理中，如果发现某次测量结果所对应的误差特别大或特别小时，应认真判断误差是否属于粗大误差， 如果属于粗大误差， 该值应舍去不用。 2.温度传感器有哪些？在使用中如何选取？ 答：温度传感器有：（1）热电偶温度传感器（2）热电阻温度传感器（3）热敏电阻（4）集成温度传感器在大多数情况下，对温度传感器的选用，需考虑以下几个方面的问题： （1） 被测对象的温度是否需记录、 报警和自动控制， 是否需要远距离测量和传送。 （
3、2） 测温范围的大小和精度要求。 （3） 测温元件大小是否适当。 （4） 在被测对象温度随时间变化的场合， 测温元件的滞后能否适应测温要求。 （5） 被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。 （6） 价格如何，使用是否方便。 3.试述RS-232C串行通信标准的数据传送格式和电气特性。 答：RS-232C的连接插头用25针或9针的EIA连接插头座，其主要端子分配如表所示。 表 RS-232C主要端子分配RS-232C标准是按负逻辑定义的，它的逻辑“1”电平在-5-15 V之间（通常用-12 V表示）， 它的逻辑“0”电平在515 V之间（通常用12 V表示）。这样，采用5 V 电源供电的TTL
4、、 CMOS电路就不能与RS-232C接口直接连接， 需进行电平转换。 RS-232C的传输速率可设置为50、75、110、150、300、 600、1200、2400、4800、9600和19200等，单位为b/s。由于RS-232C采用电平传输，在通信速率为19 200 b/s时，其通信距离只有15 m。 若要延长通信距离， 必须以降低通信速率为代价。 4.模拟量输入通道有哪几种类型？各有何特点？ 答：按照系统中各路共用一个还是每路各用一个数据采集电路，多路模拟量输入通道可分为集中采集式（简称集中式）和分散采集式（简称分布式）两大类型。 1） 集中采集式（集中式） 集中采集式多路模拟量输入
5、通道的典型结构有分时采集型和同步采集型两种， 分别如图（a）和（b）所示。 集中采集式多种模拟量输入通道的结构 （a） 分时采集型； （b） 同步采集型 2） 分散采集式（分布式） 分散采集式多路模拟量输入通道的特点是每一路信号都有一个S/H和A/D， 因而不再需要模拟多路切换器。每一个S/H和A/D只对本路模拟信号进行转换，即数据采集，其结构如下图所示。 分散采集式多路模拟量输入通道的结构5.说明什么是越限报警,在微机测控系统中如何实现。 答：越限报警是检测与控制系统中最常见而又最实用的一种报警方式，它分为上限报警、下限报警及上、下限报警。设需要判断的报警参数为x（可以是被控参数、被测参数、
6、偏差或控制量等），该参数的上、下限约束值分别为xmax和xmin， 则上下限报警的物理意义如下： (1) 上限报警：若xixmax，发出上限报警，否则继续进行原定操作。 (2) 下限报警：若xixmin，发出下限报警，否则继续进行原定操作。 (3) 上、下限报警：若xixmax，发出上限报警，否则继续判断xi是否小于xmin，若xi xmin，发出下限报警，否则继续进行原定操作。 设计报警程序时，为了避免因测量值在极限值附近来回摆动而造成频繁报警，需要在上、下限附近设置一个回差带。6.试述一键一义和一键多义键盘管理的实现方法。 答：一键一义键盘管理中键盘信号的获得有查询法、中断法和定时查询法三
7、种。1）查询法查询法是由主程序通过循环扫描键盘来获取键盘信息的。此方法对应的管理程序的设计思路是：微处理器周而复始地扫描键盘，当发现有键按下时，先判别是命令键还是数字键。若是数字键，则把该键值读入存储器，通常还进行显示；若是命令键，则根据键值查阅转移表，以获得键处理子程序的入口。处理子程序执行完后，返回键盘扫描。2）中断法 中断法是指监控主程序平时不进行键盘扫描，只有当有键按下时便引起中断请求，然后在中断子程序中进行键盘扫描及按键的处理。这种方法需独自占用一个外部中断源。3）定时查询法 在定时查询法中，监控程序每隔一定时间查询一次键盘，由于时间间隔通常很短，因此对于操作者来说，键盘的响应是实时
8、的。键盘的查询过程安排在定时中断程序中完成，常用于键盘操作并不频繁的测控系统。一键多义键盘的管理程序仍可采用转移表法进行设计，不过这时要用多张转移表。组成一个命令的前几个按键起着引导的作用，把控制引向某张合适的转移表，根据最后一个按键编码查阅该转移表，就找到了要求的子程序入口。按键的管理可以用查询法也可以用中断法。但常常把按键服务设计成比过程通道中断低一级的中断源。 7.微机测控系统的性能指标有哪些？ 答：1） 系统的稳定性微机测控系统在给定输入作用或外界扰动作用下， 过渡过程可能有四种情况。 （1） 发散振荡：被控参数y（t）的幅值随时间逐渐增大， 偏离给定值越来越远。这是不稳定情况， 在实
9、际系统中是不允许的， 容易造成严重事故。 （2） 等幅振荡：被控参数y（t）的幅值随时间作等幅振荡， 系统处于临界稳定状态。 这种情况在实际系统中也是不允许的。 （3） 衰减振荡： 被控参数y（t）在输入或扰动的作用下， 经过若干次振荡后， 回复到给定状态。 当调节器参数选择合适时，系统可以在比较短的时间内，以比较少的振荡次数，比较小的振荡幅度回复到给定值状态，得到比较满意的性能指标。 （4） 非周期衰减：系统在输入或扰动的作用下，被控参数y（t）单调、无振荡地回复到给定值状态。同样，只要调节器参数选择得合适，可以使系统既无振荡，又比较快地结束过渡过程。 2） 动态指标动态指标能够比较直观地反
10、映控制系统的过渡过程特性。动态指标包括超调量、调节时间ts、峰值时间tp、 衰减比和振荡次数N。 3） 稳（静）态指标稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳（静）态误差来表征。稳态误差是表示输出量y（t）的稳态值y与要求值y0的差值8.执行器分执行机构和调节机构两部分，它们各起什么作用？ 答：执行器由执行机构和调节机构组成。 执行机构是指产生推力或位移的装置， 调节机构是指直接改变能量或物料输送量的装置， 通常指调节阀。 在电动执行器中执行机构和调节机构基本是可分的两个部件， 在气动执行器中两者是不可分的， 是统一的整体。 9.直流伺服电动机的控制方式有哪两种，哪一种使用更普遍？ 答：直流伺服
11、电动机具有励磁绕组和电枢绕组两个绕组。励磁绕组中有电流通过时就会产生磁通，当电枢绕组中通过电流时，这个电枢电流与磁通相互作用产生转矩，使伺服电动机投入工作。当这两个绕组中的一个断电时，电动机立即停转。 直流伺服电动机可由励磁绕组励磁，用电枢绕组来进行控制；或者由电枢绕组励磁，用励磁绕组来进行控制。理论和实践都充分证明了电枢控制方式比较理想，所以系统中多采用电枢控制方式，励磁控制只用于小功率的电动机中。 10.屏蔽有哪几种类型？屏蔽结构有哪几种形式？ 答：屏蔽的类型包括：静电屏蔽；电磁屏蔽；磁屏蔽屏蔽的结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。屏蔽罩一般用无孔隙的金属薄板制成
12、。屏蔽栅网一般用金属编制网或有孔金属薄板制成，既有屏蔽作用，又有通风作用。屏蔽铜箔一般是利用多层印制电路板的一个铜箔面作为屏蔽板。隔离仓是将整机金属箱体用金属板分隔成多个独立的隔仓，从而将各部分电路分别置于各个隔仓之内，用以避免各个电路部分之间的电磁干扰与噪声影响。导电涂料是在非金属的箱体内、外表面上喷一层金属涂层。 此外，还有编织网做成的电缆屏蔽线，用金属喷涂层覆盖密封电子组件屏蔽等。在某些应用场合，单一材料的屏蔽不能在强磁场下保证有足够高的磁导率，不能满足衰减磁场干扰的要求，此时可采用两种或多种不同材料做成多层屏蔽结构。低磁导率高饱和值的材料安置在屏蔽罩的外层，而高磁导率低饱和值的材料则放
13、在屏蔽罩的内层，且层间用空气隔开为佳。 11.为什么长线传输大都采用双绞线传输？ 答：在远距离信号传输中，如果采取单线传输单端对地输入方式，那么传输线上的感应干扰电压和地电压都会与被测信号相串联，几乎全都无抑制地成为对信号的干扰电压（差模干扰电压），可能会相当大，甚至会超过信号电压，使信号电压被淹没。为了避免这种后果，通常远距离信号传输不采用单线传输单端对地输入方式，而是采用双线传输双端差动输入方式。由于增设了一条同样长度的传输线，两根传输线上拾取的感应干扰电压相等，同时又由于输入端采用双端差动输入方式，差模干扰电压远远小于信号电压。12.在软件抗干扰中有哪几种对付程序“乱飞”的措施？各有何特
14、点？ 答：1） 指令冗余技术指令冗余技术主要是为了防止CPU受到干扰。因为，一旦CPU受到干扰后，往往将一些操作数当指令码来执行，从而引起程序运行的混乱（飞程序现象）。如果程序乱飞到某一单字节指令上，则会自动纳入正轨；但是，若乱飞到某一双字节指令上，有时可能落到其操作数上，就会使错误继续发生；如果程序乱飞到三字节指令上，因它有两个操作数，那么，继续出错的机会就更大。 2）时间冗余技术时间冗余技术是通过消耗时间资源达到纠错的目的。3）软件陷阱技术从上面的介绍中可以看出，指令冗余技术是有条件的让乱飞的程序步入正轨。首先，乱飞的程序必须落到程序区；其次，必须执行到冗余指令。所谓软件陷阱，其实质就是用
15、一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。如果我们把这段程序的入口标号记为ERR的话，软件陷阱就是一条无条件转移指令。通常，为了加强其捕捉效果，一般还在它前面加两条NOP指令。4）“看门狗”技术 如果程序乱飞陷入“死循环”，指令冗余技术、软件陷阱技术就无能为力了。这种情况下，只能依靠程序监视技术，又称“看门狗（Watchdog）”技术来使程序脱离“死循环”。测控系统的应用程序往往采用循环运行方式，每一次循环的时间基本固定。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，便强迫程序CPU复
16、位，将程序运行拉入正轨。 13.什么是“看门狗”技术？有哪些实现方法？答：“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，便强迫程序CPU复位，将程序运行拉入正轨。 “看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合来实现。实现“看门狗”的硬件方法很多，如单稳态型“看门狗”电路、计数器型“看门狗”电路、微处理器（P）监控电路等。软件“看门狗”技术的基本思路是：在主程序中对T0中断服务程序进行监视；在T1中断服务程序中对主程序进行监视；T0中断监视T1中断。从概率观点看，这种相互依存、相互制约的抗干扰措施将使系统运行的可靠性大大
17、提高。 综上，硬件“看门狗”技术能有效监视程序陷入死循环故障，但对中断关闭故障无能为力；软件“看门狗”技术对高级中断服务程序陷入死循环无能为力，但能监视全部中断关闭的故障。因此为了获得优良的抗干扰效果，可以将硬件“看门狗”和软件“看门狗”结合起来，以互相取长补短，提高系统运行的可靠性。 14.微机测控系统设计的基本要求和步骤有哪些？ 答：微机测控系统的设计要求(1) 达到或超过技术指标。 设计任务书是设计和研制测控系统应达到的要求。 设计任务书除了定性地提出要求实现的功能之外， 还常常提出一些定量的技术指标。例如，测量范围、测量精度、分辨率、灵敏度、 线性度、稳定度、响应时间、滞后时间、驱动功
18、率和耗电量等。 任务书所规定的这些“功能”和“指标”是设计和研制应达到的目标。为了达到规定的目标， 必须把这些指标层层分解，逐级落实到研制过程的各个阶段和各个方面。只有各个阶段各个方面的分项指标都达到了， 测控系统整机的技术指标才能达到。 (2) 系统可靠性要高。 高可靠性是测控系统设计中最重要的一个要求。 任何系统无论在原理上如何先进，功能上如何全面，精度上如何精确，若可靠性差，故障频繁，不能在所使用的环境和条件下正常运行，则该系统就没有使用价值， 更谈不上经济效益。因此，在测控系统的设计过程中，要充分考虑到系统所使用的环境和条件， 采取各种措施提高可靠性。 (3) 便于操作和维护。在测控系
19、统的硬件和软件设计中， 应当考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求， 以便产品的推广应用。 控制开关或按钮不能太多、 太复杂， 操作程序应简单明了。操作者无需专门训练， 便能掌握测控系统的使用方法。同时，测控系统还应有很好的可维护性。 也就是测控系统的结构要规范化、模块化，并配有现场故障诊断程序，一旦发生故障时，能保证有效地对故障进行定位， 以便调换相应的模件，使测控系统尽快地恢复正常运行。 (4) 系统的可扩充性要好。一个测控系统的设备、对象、被测参数往往不是一成不变的，系统设计时应充分考虑到这一点，使系统在应用过程中不必做大修改就能适应新情况，控制新对象。这就要求系统的扩充性要好
20、。设计时应尽可能标准化、 模块化。 微机测控系统的设计步骤微机测控系统的设计一般应从分析工艺要求、确定控制任务开始，然后选择主机，确定控制算法，进行系统总体方案设计、硬件设计、软件设计，选择传感器、变送器、执行器等工业自动化仪表，系统调试，最后进行生产现场调试， 直到测控系统正式投入运行，并达到所要求的性能指标为止。 尽管测控系统的设计随被控对象、控制方式、系统规模的变化而有所差异，但大致上可以分为三个阶段：确定任务与方案拟制阶段、系统研制阶段、 联机总调与性能测定阶段。 15.在微机测控系统设计中，如何选择元器件？ 答：元器件的选择原则 1）主机系统的选择 主机的结构、特性对所研制测控系统的
21、性能有很大影响。所以，要成功地研制一台微机测控系统，首先应选择合适的主机系统。目前，可担当测控系统主机的机型很多，如一般的微型计算机、工业控制机、各类微处理器（或单片微机）等。选择时考虑以下几点：（1）用途；（2）字长；（3）速度；（4）内存容量；（5）指令的功能；（6）中断能力；（7）硬、软件支持；（8）成本；2）外围元器件的选择 在微机测控系统的设计中，外围芯片、器件的选择同样是十分重要的。例如，输入通道中A/D转换器的类型、转换速度、输出位数（字长）、精度以及输出通道中的D/A转换器的类型、字长、精度等的选择。设计人员应根据测控系统的功能、整机精度、采样周期等的要求来选定外围芯片、器件，以便在保证测控系统设计指标的前提下降低成本，简化结构，而不要一味追求高速度和高精度的器件。 选择元器件时一般还要注意如下几点： (1)要根据元器件所在电路对该器件的技术要求来选择，在满足技术要求的前提下尽可能选择价格低的元器件。 (2)尽可能选用集成组件而不选用分立元件，以便简化电路，减少体积，提高可靠性。 (3)为减少电源种类，尽可能选用单电源供电的组件，避免选用要求特殊供电的组件。对只能采用电池供电的场合，必须选用低功耗器件。 (4)元器件的工作温度范围应大于所使用环境的温度变化范围。 (5)系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。
