微机计算机控制技术课后于海生第习题详解答案.doc

微机计算机控制技术课后于海生(第2版)习题详解答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的? 计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤： (1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ (1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。 (2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。 (3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？由四部分组成。图1.1微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。(4)检测与执行机构a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(05V或420mA)后，再送入微机。b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。6.操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？(1)操作指导控制系统：在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。其原理框图如图1.2所示。图1.2操作指导控制系统原理框图(2)直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(Direct Digital Control)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。其原理框图如图1.3所示。图1.3 DDC系统原理框图(3)计算机监督控制系统(SCC系统)：SCC(Supervisory Computer Control)系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。SCC系统的原理框图如图1.4所示。图1.4 SCC系统原理框图SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。4.简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图2.1所示。输入电流流过二极管时使其发光，照射到光敏三极管上使其导通，完成信号的光电耦合传送，它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离。图2.1光电耦合器电路图10.设被测温度变化范围为0oC1200oC,如果要求误差不超过0.4oC,应选用分辨为多少位的A/D转换器？选择依据：11.设计出8路模拟量采集系统。请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模拟量数据采集程序。本例给出用8031、DAC0809设计的数据采集系统实例。把采样转换所得的数字量按序存于片内RAM的30H37H单元中。采样完一遍后停止采集。其数据采集的初始化程序和中断服务程序如下：初始化程序：MOV R0，#30H ；设立数据存储区指针 MOV R2，#08H ；设置8路采样计数值 SETB IT0 ；设置外部中断0为边沿触发方式 SETB EA ；CPU开放中断SETB EX0 ；允许外部中断0中断 MOV DPTR，#FEF8H ；送入口地址并指向IN0LOOP： MOVX DPTR，A ；启动A/D转换，A的值无意义HERE： SJMP HERE ；等待中断中断服务程序： MOVX A，DPTR ；读取转换后的数字量 MOV R0，A ；存入片内RAM单元 INC DPTR ；指向下一模拟通道 INC R0 ；指向下一个数据存储单元 DJNZ R2，INT0 ；8路未转换完，则继续 CLR EA ；已转换完，则关中断 CLR EX0 ；禁止外部中断0中断 RETI ；中断返回 INT0： MOVX DPTR，A ；再次启动A/D转换 RETI ；中断返回 13.采用DAC0832和PC总线工业控制机接口。请画出接口电路原理图，并编写产生三角波、梯形波和锯齿波的程序。本章作业设计一八路数据采集及其回放系统。要求八路数据巡回检测，存储10组数据，输数据为电压信号（0-5V），检测精度1%。CPU、AD、DA可任选。5.若加工第一象限直线OA，起点O（0，0），终点A（11，7）。要求：(1)按逐点比较法插补进行列表计算；(2)作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。解：由题意可知xe=11,ye=7，F0=0，我们设置一个总的计数器Nxy,其初值应为Nxy=|7-0|+|11-0|=18，则插补计算过程如表31所示。根据插补计算过程表所作出的直线插补走步轨迹图如下图所示。表31步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别起点F0=0Nxy=181F0=0+XF1=F0-ye=-7Nxy=172F10+XF3=F2-ye=-3Nxy=154F30+XF5=F4-ye=1Nxy=136F50+XF6=F5-ye=-6Nxy=127F60+XF8=F7-ye=-2Nxy=109F80+XF10=F9-ye=2Nxy=811F100+XF11=F10-ye=-5Nxy=712F110+XF13=F12-ye=-1Nxy=514F130+XF15=F14-ye=3Nxy=316F150+XF16=F15-ye=-4Nxy=217F160+XF18=F16-ye=0Nxy=03.5.设加工第一象限的圆弧AB，起点A（6，0），终点B（0，6）。要求：(1)按逐点比较法插补进行列表计算；(2)作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。解：插补计算过程如表32所示。终点判别仍采用第二种方法，设一个总的计数器Nxy，每走一步便减1操作，当Nxy=0时，加工到终点，插补运算结束。下图为插补过程中的走步轨迹。表32步数偏差判别坐标进给偏差计算坐标计算终点判别起点F0=0x0=6,y0=0Nxy=121F0=0-XF1=0-12+1=-11x1=5,y1=0Nxy=112F10+YF2=-11+0+1=-10x2=5,y2=1Nxy=103F20+YF3=-10+2+1=-7x3=5,y3=2Nxy=94F30+YF4=-7+4+1=-2x4=5,y4=3Nxy=85F40-XF6=5-10+1=-4x6=4,y6=4Nxy=67F60-XF8=5-8+1=-2x8=3,y8=5Nxy=49F80-XF10=9-6+1=4x10=2,y10=6Nxy=211F100-XF11=4-4+1=1x11=1,y11=6Nxy=112F110-XF12=1-2+1=0x12=0,y12=6Nxy=03.6 .三相步进电机有哪几种工作方式？分别画出每种工作方式的各相通电顺序和电压波形图。解：有三种工作方式：（1）三相单三拍工作方式各相的通电顺序为ABC,各相通电的电压波形如图3.1所示。图3.1单三拍工作的电压波形图（2）三相双三拍工作方式双三拍工作方式各相的通电顺序为ABBCCA。各相通电的电压波形如图3.2所示。图3.2双三拍工作的电压波形图（3）三相六拍工作方式在反应式步进电机控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生了六拍工作方式，其通电顺序为AABBBCCCA。各相通电的电压波形如图3.3所示。图3.3三相六拍工作的电压波形图3.7. 采用8255A作为x轴步进电机和y轴步进电机的控制接口，要求（1）画出接口电路原理图；（2）分别列出x轴和y轴步进电机在三相单三拍、三相双三拍和三相六拍工作方式下的输出字表。解：（1）电路原理图如图所示（2）三相单三拍控制方式输出字表x轴步进电机输出字表y轴步进电机输出字表存储地址标号低八位输出字存储地址标号高八位输出字ADX100000001=01HADY100000001=01HADX200000010=02HADY200000010=02HADX300000100=04HADY300000100=04H三相双三拍控制方式输出字表x轴步进电机输出字表y轴步进电机输出字表存储地址标号低八位输出字存储地址标号高八位输出字ADX100000011=03HADY100000011=03HADX200000110=06HADY200000110=06HADX300000101=05HADY300000101=05H三相六拍控制方式输出字表x轴步进电机输出字表y轴步进电机输出字表存储地址标号低八位输出字存储地址标号高八位输出字ADX100000001=01HADY100000001=01HADX200000011=03HADY200000011=03HADX300000010=02HADY300000010=02HADX400000110=06HADY400000110=06HADX500000100=04HADY500000100=04HADX600000101=05HADY600000101=05H2.某系统的连续控制器设计为试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(Z)。解： 双线形变换法：把代入，则前向差分法：把代入，则 后向差分法：把代入，则4.3 什么是数字PID位置型控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式，为此，在采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似(T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近)：于是有：u(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置(如控制阀门的开度)一一对应，所以称之为位置型PID算法。在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u(k)不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：(1)位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。(2)为实现手动自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度u0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现u0项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。(3)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。4.4 .已知模拟调节器的传递函数为试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式，设采样周期T=0.2s。则 把T=0.2S代入得位置型增量型（补充题）已知模拟调节器的传递函数为试写出相应数字控制器的位置型PID算法和增量型PID控制算式，设采样周期T=0.2s。解：因为所以。故位置型PID控制器故增量型PID控制器4.7. 简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。扩充临界比例度法整定PID参数的步骤：(1)选择一个足够短的采样周期T，例如被控过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。(2)逐渐加大比例系数Kp，使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts，并记下此时的比例系数Kp，将其记作临界振荡增益Ks。此时的比例度为临界比例度，记作。(3)选择控制度，所谓控制度是数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比。(4)根据控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。(5)按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。扩充响应曲线法整定PID参数的步骤：(1)断开数字调节器，让系统处于手动操作状态。将被调量调节到给定值附近并稳定后，然后突然改变给定值，即给对象输入一个阶跃信号。(2)用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图所示。(3)在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间、被控对象的时间常数Tc，以及它们的比值Tc/。(4)由、Tc、Tc/值，查表，求出数字控制器的T、Kp、Ti和Td。4.8. 数字控制器的离散化设计步骤是什么？计算机控制系统框图如图41所示。图41计算机控制系统框图由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数D(z)。数字控制器的直接设计步骤如下：(1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数(z)。(2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。(3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。(4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。4.9 已知被控对象的传递函数为采样周期T=0.1s，采用零阶保持器。要求（1）针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波系统的，并计算输出响应、控制信号和误差序列，画出它们对时间变化的波形。（2）针对单位阶跃输入信号设计最少拍有纹波系统的，并计算输出响应、控制信号和误差序列，画出它们对时间变化的波形。解：广义脉冲传递函数为最少拍无纹波设计步骤：1）根据广义对象的传递函数确定参数N（分母多项式的幂次）M （分子多项式的幂次）d=N-M延时w在所有零点的总数（不包括无穷远的零点）v在z平面的单位圆上或圆外极点的个数j在z平面的单位圆上极点的个数q(输入类型)已知N=2，M=2所以d=0w=1(即分子多项式中的)v=1，j=1；q=2(单位速度输入)2）确定F1(z)和F2(z)的幂次m和n所以：3）确定e(z)4）确定(z)5）根据关系使等式两边同幂次的系数相等，解出F1和F2中的系数。解得：所以：6）求控制器D(z)最少拍无纹波设计步骤：1）根据广义对象的传递函数确定参数N（分母多项式的幂次）M （分子多项式的幂次）d=N-M延时w在所有零点的总数（不包括无穷远的零点）v在z平面的单位圆上或圆外极点的个数j在z平面的单位圆上极点的个数q(输入类型)已知N=2，M=2所以d=0w=1(即分子多项式中的)v=1，j=1；q=1(单位阶跃输入)2）确定F1(z)和F2(z)的幂次m和n所以：3）确定e(z)4）确定(z)5）根据关系使等式两边同幂次的系数相等，解出F1和F2中的系数。解得：所以：6）求控制器D(z)最少拍有纹波设计步骤：1）根据广义对象的传递函数确定参数N（分母多项式的幂次）M （分子多项式的幂次）d=N-M延时u在z平面的单位圆上或圆外零点的个数v在z平面的单位圆上或圆外极点的个数j在z平面的单位圆上极点的个数q(输入类型)已知N=2，M=2所以d=0u=0(即分子多项式中的)v=1，j=1；q=1(单位速度输入)2）确定F1(z)和F2(z)的幂次m和n所以：3）确定e(z)4）确定(z)5）根据关系使等式两边同幂次的系数相等，解出F1和F2中的系数。解得：所以：6）求控制器D(z)4.10 被控对象的传递函数为 采样周期T=1s，采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，按以下要求设计： (1)最少拍无纹波系统的设计方法，设计和； (2)求出数字控制器输出序列的递推形式。解：广义对象的脉冲传递函数将T=1S代入，有最少拍无纹波设计步骤：1）根据广义对象的传递函数确定参数N（分母多项式的幂次）M （分子多项式的幂次）d=N-M延时w在所有零点的总数（不包括无穷远的零点）v在z平面的单位圆上或圆外极点的个数j在z平面的单位圆上极点的个数q(输入类型)已知N=2，M=2所以d=0w=1v=2，j=2；q=2(单位阶跃输入)2）确定F1(z)和F2(z)的幂次m和n所以：3）确定e(z)4）确定(z)5）根据关系使等式两边同幂次的系数相等，解出F1和F2中的系数。解得：所以：6）求控制器D(z)11.被控对象的传递函数为采样周期T=1s，要求：(1)采用Smith补偿控制，求取控制器的输出；(2)采用大林算法设计数字控制器，并求取的递推形式。(1)采用Smith补偿控制广义对象的传递函数为其中则(2)采用大林算法设计数字控制器取T=1S,K=1,T1=1,L=1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数T0=0.5S则期望的闭环系统的脉冲传递函数为广义被控对象的脉冲传递函数为则又则上式反变换到时域，则可得到1、 一台三相步进电机，设计由单片微机输出口控制步进电机的接口原理框图，并说明控制步进电机正反转工作原理。步进电动机驱动驱动驱动单片机2 设A/D转换电路如图1所示， （1）说明图中A/D转换方式。（3分） （2）写出图中8255A的地址。（4分） （3）画出实现该A/D转换的流程图。（5分） （4）编写完成A/D转换的程序。（8分） 答：（1）图中A/D转换为查询方式（3分） （2）写出图中8255A的地址。（4分） G1 G2A G2B C B AP2.7 P2.6P2.5 0 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 1 1 1 0 1 1 0 X X Y6所以,8255A的地址是:F800HFB00H(或:F8FFH6BFFH) （3）画出实现该A/D转换的流程图如下（5分） A/D转换程序（8分） START：MOV A，#82H ；8255初始化 2分MOV DPTR，#0FB00HMOVX DPTR.，AMOV A，#09H ；启动A/D 2分 MOVX DPTR.，AMOV DPTR，#0F900HLOOP：MOV DPTR，#0FA00HMOVX A， DPTR ；判断转换是否结束 2分ANL A，#01HJZ，LOOPDEC DPHMOVX A，DPTR ；读A/D转换结果 2分 END START已知电机控制系统如图2所示，图中LD为马达运行指示灯（不运行时熄灭）。（1）说明图中芯片4N25的作用（2分）（2）说明图中电机的控制原理（4分）（3）画出电动机控制程序流程图（4分）（4）根据流程图编写电机控制程序（设8255的地址为80008003H）（8分）（5）图中有否需要改动的地方？原因是什麽？（2分） 答：（1）芯片4N25用来隔离（2分） （2）说明图中电机的控制原理（4分） 图中，开关K0K7为给定值，用来给定马达的转速，V=VmaxN/256，开关K用来控制停止（0）/启动（1）。当PC4输出为1时，光电隔离器导通，发光二极管亮，光敏三极管导通，马达开始转动。通过转动N，再停止N脉冲宽度调制技术，即可控制马达的速度。 （3）画出电动机控制程序流程图（4分） （4）根据流程图编写电机控制程序（8分） MAIN：MOV A，#81H ；8255初始化 2分 MOV DPTR，#8003HMOVX DPTR.，ALOOP：MOV DPTR，#8002HMOVX A， DPTR ；判断是否停止马达 2分 ANL A，#02HJZ，STOPSTART：MOV A，#90H ；启动马达，指示灯亮 2