微型计算机控制技术复习.doc

第一章（绪论）作业1.1 什么是计算机控制系统？它由哪几部分组成？答：计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程控制的系统。、 计算机控制系统由工业控制机和生产过程两个大部分组成。工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关装置。计算机控制系统的组成框图见书本第2页（图1.2）。1.2 计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么优缺点？答：（1）操作指导控制系统 优点：结构简单，控制灵活，安全。 缺点：由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。（2）直接数字控制系统（DDS） 优点：实时性好，可靠性高，适应性强。（3）监督控制系统（SCC） 优点：生产过程始终处于最优工况。（4）分散控制系统（DCS） 优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。（5）现场总线控制系统（FCS） 优点：与DCS相比，降低了成本，提高了可靠性。国际标准统一后，可实现真正的开5.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第二章（输入输出接口与过程通道）作业2.1 什么是接口、接口技术和过程通道？ 答：接口是计算机与外设交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。过程通道是计算机与生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。2.2 采用74LS244和74LS273与PC总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输入接口和8路数字量输出接口。请画出接口电路原理图，并分别编写数字量输入与输出程序。答：电路原理图见书本第19页（图2.1和图2.2）。数字量输入程序（设片选端口地址为port）：MOV DX，portIN AL , DX数字量输出程序：MOV AL , DATAMOV DX , port OUT DX，AL2.3 用8位A/D转换器ADC0809通过8255A与PC总线工业控制接口，实现8路模拟量的采集，请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。答：原理图见书本上第28页（图2.15）。8路模拟量采样程序：ADC0809 PROC NEAR MOV CX , 8 CLD MOV BL , 00H LEA DI , DATABUFNEXT: MOV DX , 02C2H MOV AL , BL OUT DX , AL INC DX MOV AL , 00000111B / 输入启动信号 OUT DX , AL DEC DXNOSC: IN AL , DX TEST AL , 80H JNZ NOSC /NOEOC: IN AL ,DX TEST AL ,80H JZ NOEOC / EOC=0 ，等待 MOV DX , 02C0H / 读转换结果 IN AL , DX STOS DATABUF INC BL / 修改模拟通道地址 LOOP NEXT RETADC0809 ENDP2.5 请分别画出一个有源I/V变换电路和一个无源I/V变换电路图。并分别说明各个器件的作用。答：有源变换电路见书本上第32页（图2.19）：同相放大器电路把电阻上的输入电压变成标准的输出电压（放大倍数为）；极性电容C能起到滤波作用，防止高频的干扰；为平衡电容。无源变换电路见书本上第31页（图2.18）：极性电容C起滤波的作用；二极管D起限幅保护作用（当输出电压大于5V时，D导通减少流过的电流从而降低上的电压，保证输出不超过5V）；2.6 什么是采样过程？量化，孔径时间？答：采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号转变成在时刻0，T，2T，、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。量化：采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。孔径时间：在模拟输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间称为孔径时间。2.7 采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可以采用带有保持器电路的采样器。当被测信号变化很慢时，若A/D转换器时间足够短，可以不加采样保持器。2.8 一个8位A/D转换器，孔径时间为100。如果要求转换误差在A/D转换精度（0.4%）内，求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？解：2.9 试用8255A、AD574、LF398、CD4051和PC总线工业控制机接口设计出8路模拟量采集系统，请画出接口电路原理图，并编写相应8路模拟量数据采集程序。答：原理图见书本上第36页（图2.25）。数据采集程序如下：设8255A的地址为2C0H2C3H，主过程已对8255A初始化，且已装填DS、ES（两者段基值相同），采样值村入数据段中的采样值缓冲区BUF。其8通道数据采集的程序见书本上第37（图2.26）。（猴子喜欢沈依）AD574A PROC NEAR CLD LEA DI , BUF MOV BL , 00000000B / MOV CX , 8ADC : MOV DX , 2C2H MOV AL , BL OUT DX , AL NOP NOP OR AL , 01000000B OUT DX , AL AND AL , 10111111B OUT DX , AL MOV DX , 2C0HPULLING: IN AL , DX TEST AL , 80H JNZ PULLING MOV AL , BL OR AL , 00010000B MOV DX , 2C2H OUT DX , AL OR AL , 01000000B OUT DX , AL MOV DX , 2C0H IN AL , DX AND AL , 0FH MOV AH , AL INC DX IN AL , DX STOSW INC BL LOOP ADC MOV AL , 00111000B MOV DX ,2C2H OUT DX , AL RETADC574A ENDP2.10 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D/A转换程序。答：原理图见书本上第41页（图2.29）。若DAC0832的片选地址为200H,则8位2 进制数6DH转换为模拟电压的接口程序为：MOV DX ， 200HMOV AL ， 6DHOUT DX ， ALHLT2.12 请分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推出输出电压与输入数字两之间的关系式。解：D/A转换器的单极性和双极性输出电路见书本上第44页（图2.33）。为单极性输出，若D为输入数字量，为基准参考电压，且为n位D/A转换器，则有；为双极性输出，可以推出：2.13 采用DAC0832、运放、CD4051等元件与PC总线工业控制机接口，设计8路模拟量输出系统，请画出接口电路原理图，并编写8路模拟量输出的程序。答：原理图见书本上第48页（图2.40）。设8个输出数据存放在内存数据段BUF0BUF7这8个连续单元中，主过程已经填装DS，输出子程序如下：DOUT PROC NEARMOV BX , OFFSET BUFNEXT: MOV AL , BX OUT DX , AL INC DX OUT DX , AL CALL DELAY INC AH DEC DX LOOP NEXT RETDOUT ENDP其中DELAY是一段延时程序。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.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.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。（沈依？对猴子.）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？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。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：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。第四章（常规及复杂控制技术）作业4.1 数字控制器的连续化设计步骤是什么？ 答：1、设计家乡的连续控制器D（S）2、选择采样周期T3、将D（S）离散化为D（Z）4、设计由计算机实现的控制算法5、校验4.2 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、后向差分法分别求出数字控制器D（Z），并分别给出三种方法对应的递推控制算法。答：双线形变换法：由带入D（s）表达式中得到：进一步利用得到：所以：前向差分法：将代入D（s）中得到：所以：后向差分法：将代入D（s）中得到：(沈依.)所以：4. 2.某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)。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3 什么是数字PID位置控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。答：数字PID位置控制算法的数学表达式为：数字PID增量型控制算法的数学表达式为：这种数字PID算法的比较如下：（1） 增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差对控制量的计算影响较小。而位置型的算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。（2） 增量型算法得出的是控制量的增量；而位置型算法得到的控制两的全量输出，误动作影响很大。（3） 采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。3.在PID调节器中系数、各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？系数为比例系数，提高系数可以减小偏差，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。系数为积分常数，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。系数为微分常数，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）4.4 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法，设采样周期T=0.2S并以C语言实现。答：根据，得到令：m=0.085所以：5.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6.有哪几种改进的数字PID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.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T必须大于执行机构的调节时间。4.5 什么叫积分饱和？它是怎么样产生的？如何消除？答：（1）由于长时间的偏差或偏差过大，控制量超过执行机构的极限位置，导致控制量虽然在增大但是执行机构已无动作的现象称为积分饱和。（2）执行机构的非线性和偏差的长时间存在时导致积分饱和现象的原因。（3）消除方法： 对控制量限幅：例如令： 过限削弱积分PID算法： 若则只有当时才将计入积分项； 若则只有当时才将其计入积分项。第四章补充题1：求z变换（1）（2）解：（1）离散化：（2）所以：离散化：第四章补充题2：求z反变换（1）（2）解：（1）因为Z变化的特殊性，所以先要确定收敛域才能进行反变换，从而与一个特定的信号相对应起来。对于控制系统中假定信号为因果序列，用部分分式展开发：（2）第四章补充题3：求初值和终值。解：第四章补充题4：用z变换求差分方程解：第四章补充题5：求脉冲函数的z变换（1）（2）解：（1）（2）9.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.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，设计： (1)最少拍控制器； (2)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将T=1S代入，有由于输入r(t)=t，则(2)系统闭环脉冲传递函数则当输入为单位速度信号时，系统输出序列Z变换为y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,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4.6 采样周期的选择需要考虑什么因素？答：（1）根据香农定律可以计算出采样周期的上限，其下限为计算机执行控制程序和输入和输出及A/D,D/A转换时间。（2）给定值的变化频率。（3）被控对象的特性。（4）执行机构的特性。（5）控制算法的类型。（6）控制的回路数。4.7 试叙述试凑法，扩充临界比力度法，扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。答：试凑法：(1) 只整定比例部分，将比例系数由小变大直至反应快，超调小的曲线；(2) 若（1）步不能满足设计要求（静差），加入积分环节，将积分时间由较大值开始调整，并将（1）步得到的比例系数调味原来的左右，见效直至静差消除；(3) 若动态过程性能不好，先置微分时间为0，然后增大至其满意的结果。扩充临界比力度法：（1） 选择采样周期为被控对象纯滞后的以下；（2） 用选定的采样周期使系统工作。去掉积分和微分作用，减小比例度直至系统发生等幅振荡。记下此时的临界比例度与临界振荡周期；（3） 选择控制度，以模拟调节器为基准，将DDC的控制效果与之比较（4） 根据选定的控制度查表求得的值。扩充响应曲线法：（1） 数字控制器不接入控制系统中，手动将被调量稳定在给定值附近，突然改变给定植，给对象一个阶跃信号；（2） 用记录仪表记录被调量在节约输入下的整个变化过程的曲线（3） 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间，被控对象时间参数以及它们的比值。查表得到的值。4.8 数字控制器的离散化设计步骤是什么？答：（1）根据系统性能的指标要求和其他约束条件确定所需的闭环脉冲传递函数（2）根据式求出广义对象的脉冲传递函数（3）根据式求得数字控制器的脉冲传递函数（4）根据求取控制器算法的递推形式4.9 已知被控对象的传递函数为，采样周期为，采用零阶保持器。要求：（1）针对单位速度输入信号设计最小拍无纹波系统的，并计算输出响应、控制信号、误差序列，画出它们对时间的波形。（2）针对单位阶跃输入信号设计最小拍有纹波系统的，并计算输出响应、控制信号、误差序列，画出它们对时间的波形。解:(1) 广义对象传递函数：对于单位速度输入信号选择：对时间的波形见下图： （2）对于单位阶跃信号选择：对时间的波形见下图：12.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RA0，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.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。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