微型计算机控制技术于课后答案.pdf

1 第一章计算机控制系统概述 习题及参考答案 1.1.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。 2.2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？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。 3.3.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？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 2 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。 4.4.微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用。微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用。 软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说 软件是微机系统的中枢神经。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。 (1)系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应 用软件的工具，是不需要自己设计的。 系统软件包括： a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等； b.诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序； c.开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统 模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等； d.信息处理：指文字翻译、企业管理等。 (2)应用软件:它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。 应用软件包括： a.过程监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变 换程序、判断程序、过程分析程序等； b.过程控制计算程序：指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成调度、 文件管理及输出、打印、显示程序等； c.公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。 (3)数据库： 数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、 存档和检索， 相应软件设计指如何建立数据库以及如何查询、 显示、调用和修改数据等。 5.5.微型计算机控制系统的特点是什么？微型计算机控制系统的特点是什么？ 微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点： a.控制规律灵活多样，改动方便 b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制 c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高 d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度 6.6.操作指导、操作指导、DDCDDC 和和 SCCSCC 系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？ 3 (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。 7.7.计算机控制系统的发展趋势是什么？计算机控制系统的发展趋势是什么？ 大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广 泛。为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制 系统的发展趋势有以下几个方面。 a.普及应用可编程序控制器 b.采用集散控制系统 c.研究和发展智能控制系统 本章作业本章作业 简述几类常见的计算机控制系统的特点及其应用领域。简述几类常见的计算机控制系统的特点及其应用领域。 4 第二章输入输出过程通道 习题及参考答案 1.1.什么是过程通道？过程通道有哪些分类？什么是过程通道？过程通道有哪些分类？ 过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。 按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道 和模拟量过程通道。 2.2.数字量过程通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？数字量过程通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。 数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。数字量输出通道主要由输 出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。其中：输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量，进行电平转换， 将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题。 3.3.简述两种硬件消抖电路的工作原理。简述两种硬件消抖电路的工作原理。 采用积分电路的硬件消抖电路，首先利用积分电路将抖动的高频部分滤出，其次利用施密特触发器整形。 采用 RS 触发器的硬件消抖电路，主要是利用 RS 触发器的保持功能实现消抖。 4.4.简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。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 5.5.模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 模拟量输入通道一般由 I/V 变换、多路转换器、采样保持器、A/D 转换器、接口及控制逻辑电路组成。 (1)I/V 变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。 (2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。 (3)采样保持器：A/D 转换器完成一次 A/D 转换总需要一定的时间。在进行 A/D 转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。 这样，就需要在 A/D 转换器之前加入采样保持器。 (4)A/D 转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模 /数转换器(Analog/Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC)。 6.6.对理想多路开关的要求是什么？对理想多路开关的要求是什么？ 理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。 7.7.采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。 采样保持器的作用：A/D 转换器完成一次 A/D 转换总需要一定的时间。在进行 A/D 转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误 差。这样，就需要在 A/D 转换器之前加入采样保持器。 保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信 号的跟随特性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特 性差。 8.8.在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什么？在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什么？ 不是，对于输入信号变化很慢，如温度信号；或者 A/D 转换时间较快，使得在 A/D 转换期间输入信号变化很小，在允许的 A/D 转换精度内， 就不必再选用采样保持器。 5 9.A/D9.A/D转换器的结束信号有什么作用？根据该信号在转换器的结束信号有什么作用？根据该信号在 I/OI/O 控制中的连接方式，控制中的连接方式，A/DA/D 转换有几种控制方式？它们在接口电路和程序设计上有转换有几种控制方式？它们在接口电路和程序设计上有 什么特点？什么特点？ A/D 转换器的结束信号的作用是用以判断本次 AD 转换是否完成。 常见的 A/D 转换有以下几种控制方式，各自特点如下 延时等待法:EOC 可不和 I/O 口连接，程序设计时，延时大于 ADC 转换时间后，取数据。 保持等待法:EOC 与 READY 相连,EOC 无效时,自动插入等待状态。直至 EOC 有效时，取数据。 查询法: EOC 可以和任意 I/O 口连接，程序设计时，反复判断 EOC 是否有效，直至 EOC 有效时，取数据。 中断响应法: EOC 与外部中断相连，AD 转换结束后,发中断申请,在中断服务程序中取数据。 10.10.设被测温度变化范围为设被测温度变化范围为 0 0 o oC C 1200 1200 o oC, C,如果要求误差不超过如果要求误差不超过 0.40.4 o oC, C,应选用分辨为多少位的应选用分辨为多少位的 A/DA/D 转换器？转换器？ 选择依据：12 4 . 0 1200 1 2 log +n 11.11.设计出设计出 8 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 8 路模拟量数据采集程序。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：MOVR0，#30H；设立数据存储区指针 MOVR2，#08H；设置 8 路采样计数值 SETBIT0；设置外部中断 0 为边沿触发方式 SETBEA；CPU 开放中断SETBEX0；允许外部中断 0 中断 MOVDPTR，#FEF8H；送入口地址并指向 IN0 LOOP：MOVXDPTR，A；启动 A/D 转换，A 的值无意义 HERE：SJMPHERE；等待中断 中断服务程序： MOVXA，DPTR；读取转换后的数字量 MOVR0，A；存入片内 RAM 单元 INCDPTR；指向下一模拟通道 INCR0；指向下一个数据存储单元 DJNZR2，INT0；8 路未转换完，则继续 CLREA；已转换完，则关中断 CLREX0；禁止外部中断 0 中断 RETI；中断返回 INT0：MOVXDPTR，A；再次启动 A/D 转换 RETI；中断返回 6 12.12.模拟量输出通道由哪几部分组成？各部分的作用是什么？模拟量输出通道由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 模拟量输出通道一般由接口电路、D/A 转换器、功率放大和 V/I 变换等信号调理电路组成。 (1)D/A 转换器：模拟量输出通道的核心是数/模转换器(Digital/Analog Converter,简称 D/A 转换器或 DAC)。它是指将数字量转换成模拟 量的元件或装置。 (2)V/I 变换：一般情况下，D/A 转换电路的输出是电压信号。在计算机控制系统中，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减 少由于传输带来的干扰和衰减，需要采用电流方式输出模拟信号。许多标准化的工业仪表或执行机构，一般是采用 010mA 或 420mA 的 电流信号驱动的。因此，需要将模拟电压信号通过电压/电流(V/I)变换技术，转化为电流信号。 13.13.采用采用 DAC0832DAC0832和和 PCPC 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。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。 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 1010 组数据，输数据为电压信号（组数据，输数据为电压信号（0-5V0-5V） ，检测精度，检测精度0-XF11=4-4+1=1x11=1,y11=6Nxy=1 12F110-XF12=1-2+1=0x12=0,y12=6Nxy=0 7.7.三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。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。 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。 9 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 8.8. 采用三相六拍方式控制采用三相六拍方式控制 X X 轴走向步进电机。轴走向步进电机。 主程序: MOVA，#0FH；方向输入信号 MOVP1，A XMM：MOVA，P1 JNBACC.7，XM；P1.7=0 反转 LCALL STEP1；调正转子程序 SJMPXMM XM：LCALLSTP2；调反转子程序 SJMPXMM +X 走步子程序： STEP1：MOVDPTR，#TAB；指表头 CLRA MOVXA，A+DPTR；取数 CJNEA，#05H，S11；是否最后单元 MOVDPTR，#TAB；重置表头 SJMPS12 S11：INCDPTR；地址加 1 S12：MOVR0，#7FH；延时 S13：DJNZR0，S13； CLRA； MOVXA，A+DPTR；取数据 MOVP1，A RET -X 走步子程序： STEP2：MOVDPTR，#TAB CLRA MOVXA，A+DPTR； CJNZA，#01H，S21 MOVDPTR，#TAB ADDDPTR，#0006H SJMPS12 S21：CLRC DECDPL SJMPS12 TAB：DB01H，03H，02H，06H，04H，05H P1.0 P1.1 P1.2 P1.7 非 门 非 门 非 门 光 电 隔 离 功 率 放 大 步 进 电 机 A B C 方向控制(“1”正转,“0”反转) 8 0 3 1 10 第四章微型计算机控制系统的控制算法 习题及参考答案 1.1.数字控制器的模拟化设计步骤是什么？数字控制器的模拟化设计步骤是什么？ 模拟化设计步骤： （1）设计假想的模拟控制器 D(S) （2）正确地选择采样周期 T （3）将 D(S)离散化为 D(Z) （4）求出与 D(S)对应的差分方程 （5）根据差分方程编制相应程序。 2.2.某连续控制器设计为某连续控制器设计为 ( ) sT sT sD 2 1 1 1 + + = 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)D(Z)。 双线形变换法：把 1 12 + = z z T s代入，则 ( )( ) () () 22 11 2 1 1 12 22 22 1 12 1 1 12 1 TTzTT TT-zTT z z T T z z T T |zDzD z z T s + + = + + + + = + = 前向差分法：把 T z- z 1 =代入，则 ( )( ) 22 11 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 TTzT TTzT T z T T z T sT sT |sDzD T z s + + = + + = + + = = 后向差分法：把 Tz z s 1 =代入，则 ( )( ) 22 11 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 TTzT TTzT Tz z T Tz z T sT sT |sDzD Tz z s + + = + + = + + = = 3.3.在在 PIDPID 调节器中系数调节器中系数 p k、 i k、 d k各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？ 系数 p k为比例系数，提高系数 p k可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境地提高系数 p k最终将导致系统不稳定。比例调 节可以保证系统的快速性。 系数 i k为积分常数， i k越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直 到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但单纯的积分 也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间加长。积分调节可以消除静差，提 高控制精度。 系数 d k为微分常数， d k越大微分作用越强。微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响。 4.4.什么是数字什么是数字 PIDPID 位置型控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。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)： T keke dt de jeTedt k j t ) 1()( )( 0 0 = 11 于是有： )1()()()()( 0 += = keke T T je T T keKku k j d i p 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。 )2() 1(2)()()1()()(+=kekeke T T ke T T kekeKku d i p 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。 5.5.已知模拟调节器的传递函数为已知模拟调节器的传递函数为 ( ) s. s. sD 08501 1701 + + = 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=0.2sT=0.2s。 ( ) ( ) ( )s. s. sE sU sD 08501 1701 + + = 则( )( )( )( )sSE.sEsSU.sU1700850+=+ ( ) ( ) ( ) ( ) dt tde .te dt tdu .tu1700850+=+ ( ) ( )() ( ) ( )() T keke .ke T kuku .ku 1 170 1 0850 += + 把 T=0.2S 代入得 ( )()( )()15354142504251k-e.ke.ku.ku.= 位置型 ( )( )()()12982. 014561. 21579. 3+=kukekeku 增量型 ( )( )()( )()()17018. 014561. 21579 . 3 1=kukekekukuku 6.6.有哪几种改进的数字有哪几种改进的数字 PIDPID 控制器？控制器？ 有四种： （1）积分分离 PID 控制算法 （2）不完全微分 PID 控制算法 （3）带死区的 PID 控制算法 （4）消除积分不灵敏区的 PID 控制 7.7.采样周期的选择需要考虑那些因素？采样周期的选择需要考虑那些因素？ (1)从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在 95%的系统的过渡过程时间内，采样 6 次 15 次即可。 (2)从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。 (3)从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期 T 应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间；当被控对象的纯 滞后时间较大时，常选 T=（1/41/8）。 (4)从计算精度方面考虑，采样周期 T 不应过短，当主机字长较小时，若 T 过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。另 外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因此 12 T 必须大于执行机构的调节时间。 8.8.简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定 PIDPID 参数的步骤。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 s s K 1 =。 (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。 9.9.数字控制器直接设计步骤是什么？数字控制器直接设计步骤是什么？ 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。 10.10.被控对象的传递函数为被控对象的传递函数为 ( ) 2 1 s sGc= 采样周期采样周期 T=1sT=1s，采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，设计：，采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，设计： (1)(1)最少拍控制器最少拍控制器( )zD； (2)(2)画出采样瞬间数字控制器的输出和系统的输出曲线。画出采样瞬间数字控制器的输出和系统的输出曲线。 (1)最少拍控制器 可以写出系统的广义对象的脉冲传递函数 ( )() () () 2 1 1-12 32 z12 z1zT1 1 11 + = = = s e ss e zG Ts -Ts c Z Z Z Z 13 将 T=1S 代入，有 ( ) () () 2 1 1-1 z12 z1z + =zGc 由于输入 r(t)=t，则 ( )() 2 1 1 - e zzG= ( ) ( ) ( ) ( ) () 2 11 11 + = = zz zGzG zG zD e e (2)系统闭环脉冲传递函数 ( ) 21 2 - zzz= 则当输入为单位速度信号时，系统输出序列 Z 变换为 ( )( ) ( )() () += = 432 2 1 1 21 4Tz3Tz2Tz 1 2 z Tz zzzzRzY y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T, 11.11.被控对象的传递函数为被控对象的传递函数为 ( ) s c e s sG + = 1 1 采样周期采样周期 T=1sT=1s，要求：，要求： (1)(1)采用采用 SmithSmith补偿控制，求取控制器的输出补偿控制，求取控制器的输出( )ku； (2)(2)采用大林算法设计数字控制器采用大林算法设计数字控制器( )zD，并求取，并求取( )ku的递推形式。的递推形式。 (1)采用 Smith 补偿控制 广义对象的传递函数为 ( )( )( ) () ( ) s P s ssTs CC esHGe ss e s e s e sGsHsHG = + = + = 1 1 1 1 0 ( )( ) () () ()() 1 1 1 1 1 11 1 1 = + = za zb ze ss e sDzD Ls s Z Z Z ZZ Z Z Z 其中ST t Lebeea T T 1, 1,1, 1 1 1 1 1 = 则( ) ( ) ( ) () 1 21 3679 . 0 1 6321 . 0 = z zz zE zU zD ( )( )()( )zEzzzUzzU 211 6321. 03697. 0 = ( )()()()13679. 026321. 016321 . 0 +=kukekeku (2)采用大林算法设计数字控制器 取 T=1S,1=,K=1,T1=1,L=T/=1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数 T0=0.5S 5 4 3 2 1 0 2 T3 T4 T6 T5 TT 14 则期望的闭环系统的脉冲传递函数为 ( ) () 21 22 0 1 1 1 1 = + = ez ez sT e s e zG LTsTs B Z Z Z Z 广义被控对象的脉冲传递函数为 ( )() () 11 12 11 1 1 1 1 11 1 1 1 = + = + = ez ez ss zze sT K s e zHG - -LTs sT C Z Z Z ZZ Z Z Z 则 ( ) ( ) ( )( ) () ( )() () () () () ()() ()() ()() ()() 21 1 21 1 22211 211 2221 11 12 22 2221 22 8647 . 0 1353 . 0 1 5033 . 0 3680 . 1 1353. 011353 . 0 13679 . 0 1 1353. 013679 . 0 1 111 11 11 1 1 1 11 1 1 = = = = = = zz z zz z zeeze eez ezez ez ez ez ezezzHG ez zGzHG zG zD CBC B 又( ) ( ) ( )zE zU zD= 则( )( )( )( )( )zEzzEzUzzUzzU 121 5033. 03680 . 1 8647. 01353 . 0 = 上式反变换到时域，则可得到 ( )( )()()()28647. 011353. 015033 . 0 3680. 1+=kukukekeku 12.12.何为振铃现象？如何消除振铃现象？何为振铃现象？如何消除振铃现象？ 所谓振铃现象是指数字控制器的输出 u(k)以接近二分之一的采样频率大幅度上下摆动。它对系统的输出几乎是没有影响的， 但会使执行机 构因磨损而造成损坏。 消除振铃现象的方法： （1）参数选择法 对于一阶滞后对象，如果合理选择期望闭环传递函数的惯性时间常数 T0 和采样周期 T，使 RA0，就没有振铃现象。即使不能使 RA 0，也可以把 RA 减到最小，最大程度地抑制振铃。 （2）消除振铃因子法 找出数字控制器 D(z)中引起振铃现象的因子(即 z=-1 附近的极点)，然后人为地令其中的 z=1，就消除了这个极点。根据终值定理， 这样做不影响输出的稳态值，但却改变了数字控制器的动态特性，从而将影响闭环系统的动态响应。 13.13.前馈控制完全补偿的条件是什么？前馈和反馈相结合有什么好处？前馈控制完全补偿的条件是什么？前馈和反馈相结合有什么好处？ 前馈控制完全补偿的条件是( )( ) ( )0SGsDsG nn =+。 如果能将扰动因素测量出来，预先将其变化量送到系统中进行调整，这样在被调量改变之前就能克服这些扰动的影响。这种扰动的预先调 整作用就称为前馈。若参数选择得合适，前馈控制可取得良好的控制效果。但实际上，前馈控制环节的参数不易选得那么准确，而且一个 实际系统的扰动也不只一个，因此反馈控制还是不可少的。主要扰动引起的误差，由前馈控制进行补偿；次要扰动引起的误差，由反馈控 制予以抑制，这样在不提高开环增益的情况下，各种扰动引起的误差均可得到补偿，从而有利于同时兼顾提高系统稳定性和减小系统稳态 误差的要求。 14.14.与与 PIDPID 控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？ 与 PID 控制和直接数字控制相比，模糊控制的优点： （1）模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统。 （2）模糊控制不用建立对象精确的数学模型。 （3）模糊控制系统的鲁棒性好。 （4）模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。 15.15.多变量控制系统解耦条件是什么？多变量控制系统解耦条件是什么？ 多变量控制系统解耦条件是系统的闭环传递函数矩阵( )s为对角线矩阵。 15 第五章微型计算机控制系统的应用软件设计 习题及参考答案 1.1.简述应用软件的设计步骤。简述应用软件的设计步骤。 图 51 给出了应用软件设计的流程图，它描述了应用软件设计的基本任务和设计过程。 图 51应用软件设计流程图 （1）问题定义 （2）程序设计 （3）手编程序 （4）差错 （5）测试 （6）文件编制 （7）维护和再设计 2.2.什么是计算延时？什么是计算延时？ 当采样信号送入 CPU，按控制算法要求进行数据处理时，由于计算机执行每条指令均需要一定时间，这样，从数据采样到结果输出之间就 要产生一定的时间延迟，称为计算延时。 3.3.如何在应用软件设计中减少计算延时？如何在应用软件设计中减少计算延时？ 在应用软件设计过程中，为减少计算延时，通常将运算分为前台运算和后台运算。 前台运算：为得到当前输出值U(k)，而必须进行的运算。 后台运算：为得到下一时刻输出值U(k+1)以及与当前输出无关的其他计算和管理算法。 16 4.4.标度变换在工程上有什么意义？在什么情况下使用标度变换程序？标度变换在工程上有什么意义？在什么情况下使用标度变换程序？ 微机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往还要转换成操作人员所熟悉的工程值。这是因为生产现场的各种工艺参数量纲 不同。例如，压力的单位为 Pa，流量的单位为 m3/h，温度的单位为。这些参数 A/D 转换后得到一系列的数码，这些数码的值并不一定 等于原来带有量纲的参数值，它仅代表参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出。这种转换称为工 程量转换，也称为标度变换。标度变换有各种不同类型，它取决于被测参数测量传感器的类型，设计时应根据实际情况选择适当的标度变 换方法，常用线性参数标度变换。 第六章微型计算机控制系统的抗干扰技术 习题及参考答案 1.1.干扰的作用途径是什么？干扰的作用途径是什么？ 无论是内部干扰还是外部干扰，都是从以下几个途径作用于系统的。 (1) 传导耦合 (2) 静电耦合 (3) 电磁耦合 (4) 公共阻抗耦合 2.2.什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？ 共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源 的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成得。消除共模干扰的方法有以下几种:变压器隔离；光电隔离；浮地屏蔽； 采用具有高共模抑制比的的仪表放大器作为输入放大器。 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。消除串模干扰的方法有以下几种：在输入回 路中接入模拟滤波器；使用双积分式 A/D 转换器；采用双绞线作为信号线；电流传送， 3.3.数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？ 数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点： (1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好； (2)数字滤波可以对频率很低(如 0.01Hz)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷； (3)数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。 4.4.常用的数字滤波方法有几种？它们各自有什么特点？常用的数字滤波方法有几种？它们各自有什么特点？ 常用的数字滤波方法有 7 种。 N 采样时刻到？ A/D采样 前台算法 D/A输出 Y 后台算法 17 （1）程序判断滤波法：是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现得最大偏差。 （2）中值滤波法：它对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。 （3）算术平均值滤波法：它适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。它特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。 （4）加权平均值滤波：可以提高滤波效果 （5）滑动平均值滤波法：采样时间短，可以提高检测速度 （6）惯性滤波法：适用于慢速随机变量的滤波 （7）复合数字滤波：比单纯的平均值滤波的效果要好 5.5.算术平均值滤波、加权平均值滤波以及滑动平均滤波三者的区别是什么？算术平均值滤波、加权平均值滤波以及滑动平均滤波三者的区别是什么？ 算术平均值法适用于对压力、流量等周期脉动信号的平滑，这种信号的特点是往往在某一数值范围附近作上、下波动，有一个平均值。这 种算法对信号的平滑程度取决于平均次数N，当N较大时平滑度高，但灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高，应该视具体情况 选取N值。对于一般流量，通常取N=12；若为压力，则取N=4。 在算术平均滤波中，N次采样值在结果中所占的比重是均等的，即每次采样值具有相同的加权因子 1/N。但有时为了提高滤波效果，往往 对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子。这种方法称为加权平均滤波法，也称滑动平均或加权递推平均。其算法为 其中。 加权因子选取可视具体情况决定，一般采样值愈靠后，赋予的比重越大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例，系统对正常变化的灵 敏性也可提高，当然对干扰的灵敏性也稍大了些。滑动平均值滤波法，依次存放N次采样值，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数 据丢掉，然后求包含新值在内的 N 个数据的算术平均值或加权平均值。 6.6.计算机控制系统的常用接地方法是什么？计算机控制系统的常用接地方法是什么？ （1）一点接地和多点接地 （2）模拟地和数字地的连接 （3）主机外壳接地 （4）多机系统的接地 7.7.微机常用的直流稳压电源由哪些部分组成？各部分的作用是什么？微机常用的直流稳压电源由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 微机常用的直流稳压电源如图 61 所示。该电源采用了双隔离、双滤波和双稳压措施，具有较强的抗干扰能力，可用于一般工业控制场 合。 图 61 抗干扰直流稳压电源示意图 （1）隔离变压器 隔离变压器的作用有两个：其一是防止浪涌电压和尖峰电压直接窜入而损坏系统；其二是利用其屏蔽层阻止高频干扰信号窜入。 （2）低通滤波器 各种干扰信号一般都有很强的高频分量，低通滤波器是有效的抗干扰器件，它允许工频 50Hz 电源通过，而滤掉高次谐波，从而改善供电 质量。 （3）交流稳压器 交流稳压器的作用是保证供电的稳定性，防止电源电压波动对系统的影响。 （4） 电源变压器 电源变压器是为直流稳压电源提供必要的电压而设置的。为了增加系统的抗干扰能力，电源变压器做成双屏蔽形式。 （5）直流稳压系统 直流稳压系统包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波器等几部分，常用的直流稳压电路如图 62 所示。 1 0 n nin i i Ya X = = 1 0 011 n ii i aa = = 18 图 62直流稳压系统电路图 一般直流稳压电源用的整流器多为单相桥式整流，直流侧常采用电容滤波。图中 C1 为平滑滤波电容，常选用几百几千F 的电解电 容，用以减轻整流桥输出电压的脉动。C2 为高频滤波电容，常选用 0.010.1F 的瓷片电容，用于抑制浪涌的尖峰。作为直流稳压器件， 现在常用的就是三端稳压器 78XX 和 79XX 系列芯片，这类稳压器结构简单，使用方便，负载稳定度为 15mV，具有过电流和输出短路保护， 可用于一般微机系统。三端稳压电源的输出端常接两个电容 C3 和 C4，C3 主要起负载匹配作用，常选用几十几百F 的电解电容；C4 中 抗高频干扰电容，常选取 0.010.1F 的瓷片电容。 19 第七章总线技术 习题及参考答案 1.1.何