微型计算机控制技术答案(赖寿宏)

第二章输入输出接口技术和输入输出通道 1 何谓 I O 接口 在计算机控制系统中为什么要有 I O 接口电路 答 是主机和外围设备之间交换信息的连接部件 2 一个微处理机 CPU 采用程序控制查询方式时 管理 50 个键盘显示中断 要求将各终端打入的任一字符在显 示器上立即显示出来 已知 CPU 查询每个终端并完成每一字符的接收和处理时间需 200 s 若程序员以每秒打 10 个 字符的速度同时连续打入字符 问 CPU 是否能按要求 可靠的管理全部 50 个终端 又问 CPU 最多能管理多少个这 种终端 答 500 3 在本章第二节 查询式 I O 方式应用举例中 假设 X Y Z 三轴服务子程序的执行时间分别为 100 s 150 s 120 s 主程序执行时间 执行查询指令等 为 80 s 试估算不造成控制失误三轴所能达到的最 高速度是多少 速度以脉冲 s 计算 答 2702 4 某微机实时控制系统有 1 2 3 三个外围设备 由一个 CPU 进行管理 已知各外围设备的最短响应时间和服 务时间分别是 C1 5ms S1 300 s C2 8ms S2 1 3ms C3 1ms S3 400 s 问若采用查询方式是否能可靠管理这三个外围设备 为什么 若不行的话 试提出改进方答 不行 可采用中断嵌套 的方式解决 6 计算机与外围设备交换信息有哪几种控制方式 它们各有什么优缺点 答 见教材 7 某 8086 最大模式系统中 需扩展 8255A 8253 和 DAC0832 芯片各一片 采用 74LS138 译码器 若已指定给各 芯片的地址范围是 8255A E0H E2H E4H E6H 8253 E1H E3H E5H E7H DAC0832 F0H 试设计接口扩展的译码电路 除 74LS138 外 可增加必要的其他逻辑电路芯片 8 某 8088 最大模式系统中 需扩展 8255A 四片 指定各芯片的地址范围分别是 90 93H 94 97H 98 9BH 9C 9FH 采用 74LS 译码器 试设计接口地址译码电路 解 9 模拟输入通道中为什么要加采样保持器 采样保持器的组成及要求是什么 答 为了保证 A D 转换精度 就要在 A D 转换之前加上采样保持电路 使得在 A D 转换期间保持输入模拟信号不 变 A7 A6 A5 A4 A3 A2 G G2A G2B C B A A0 A1 8255A CS A0 A1 8255A CS A0 A1 8255A CS A0 A1 8255A CS A0 A1 A0 A1 A0 A1 A0 A1 74LS138 Y6 Y5 Y4 Y7 A6 A5 G G2A G2B C B A A0 A1 8255 CS A0 A1 8253 CS A0 A1 DAC0832 CS A1 A2 A1 A2 A1 A2 74LS138 1 1 A7 A4 A3 A0 1 A1 A2 Y1 Y 0 Y 0 Y0 Y4 10 要求 1 将下图中 CPU 换为 89C51 单片机 不改变地址线的连接方式 画出电路图 2 确定 8 个通道的端口地址 3 编写程序 对第 8 通道的模拟量进行转换 把转换结果存在 30H 存储器中 D0 D7 RD WR CPU A6 8088 A7 A5 A4 A3 A2 A1 A0 G1 G2A G2B Y7 C 74LS138 B A 1 1 EOC VCC VREF D0 D7 IN0 ADC 0808 IN1 0809 OE START ALE IN7 CLK C B A GND VREF 接 8259A 时钟 5V 八路模拟电压输入 数据总线 D0 D7 RD WR 89C51 P0 6 P0 7 P0 5 P0 4 P0 3 P0 2 P0 1 P0 0 G1 G2A G2B Y7 C 74LS138 B A 1 1 EOC VCC VREF D0 D7 IN0 ADC 0808 IN1 0809 OE START ALE IN7 CLK C B A GND VREF 接 8259A 时钟 5V 八路模拟电压输入 数据总线 11 有 4 位 AD 转换器 满刻度为 5V 现在输入 4 15V 模拟电压 请说明逐次逼近转换原理 并分析采用逐次逼近法逼 近的转换过程 解 先通过置数逻辑电路将 SAR 中最高位置 1 其余全 0 井 DA 转换成模拟电压 U0 与输入模拟电压 Ui 在电压比较 器下进行比较 若 Ui U0 则保留最高位 1 否则清除最高位为 0 其次置次高位为 1 延续上述过程 直至确定最低 位的状态 量化单位为 q 5v 24 0 3125V 本题目中图表转换如下 SAR 步骤 8421 U0 Ui U0 大小该位去留 110002 5 保留 211003 75 保留 311104 375 去 411014 0625 保留 结果 1101 偏差 4 15 4 0625 0 0875 图略 12 什么叫做 I O 接口的独立编址方式 答 将存储器的地址空间和 I O 接口地址空间分开设置 互不影响 13 在进行数据采集时为什么要满足采样定理 答 满足采样定理 就可以通过理想的低通滤波器 由采样信号 完全恢复出原始信号 第三章 数字控制器的模拟化设计 1 数字控制器与模拟调节器相比较有什么优点 答 1 数字调节器能实现复杂控制规律的控制 2 计算机具有分时控制能力 可实现多回路控制 3 数字调节器具有灵活性 使用 简单方便 可改善调节品质 提高产品的产量和质量 4 除实现 PID 数字控制外 还能实现监控 数据采集 数字显示等其他功能 2 为什么说增量型 PID 控制器调节比位置型 PID 调节效果更 好 二者的区别是什么 答 1 计算机只输出控制增量 即执行机构位置的变化部分 因而误动作影响小 2 在 i 时刻的输出 ui 只需用到此时刻的偏差 以及 前一时刻 前两时刻的偏差 ei 1 ei 2 和前一次的输出值 ui 1 这大大节约了内存和计算时间 3 在进行手动 自动切换时 控制量冲击 小 能够较平滑地过渡 3 按一定性能指标要求对某控制系统综合校正后求得其应加的串联 校正装置为 解 2 sEsUass 即 2 4 8 s U ssU sE s 2 sEsasUsUs 化成微分方程 2 2 te dt tdu a dt tud 2 22 2 1 2 d u tu ku ku k dtT 1 du tu ku k dtT 1 2 1 2 2 ke T kuku a T kukuku 1 2 1 1 1 1 2 2 ke aT T ku aT ku aT aT ku 4 已知某连续控制器的传递函数为 1 2 1 1 Ts D S T s 试用差分变换法 后向差分 求该装置的递推输出序列 设输 入为 输出为 e t u t 解 由 1 2 1 1 TsU s D S E sT s 得 21 1 1 T s U sTs E s 21 U sT sU sE sTsE s 21 du tde t u tTe tT dtdt 当tkT 21 t kTt kT du tde t u kTTe kTT dtdt 近似为 21 1 1 u ku ke ke k u kTe kT TT 211 222 1 1 TTTT u ku ke ke k TTTTTT 5 已知某连续控制器的传递函数为 2 2 2 2 nn n ss sD 试用双线性变换法求出相应的数字控制的脉冲传递函数 其中 sT1 答 1 1 1 1 2 z z s 2 2 2 2 nn n ss zD 整理得 21 2 21 2 24 824 21 zz zz zD nnn n 6 设被控对象传递函数为 T 1s 1 试用 二阶工程最佳 设计法确定模拟控制器 Gc s 2 将 Gc s 用双线性变换法离散化为数字控制器 D z 并将其 转换为差分方程 解 令 设 其中 由 得 2 7 已知某连续控制器的传递函数为 s s sD 085 0 17 0 1 现用数字 PID 算法来实现它 试分别写出其相应的位置型和增量 型 PID 算法输出表达式 设采样周期 sT1 15 0 140 100 ss sG s1s2 100 40 0 5kTT c I 1 s G s T s s1 40T 0cp I s2 1 1 sG s G s T s T s k I 2 2 s2 2 2 2 T T K T T Is2 2100TkT 2 1 c 1 11 31 631 6 8080 0 3950 395 z s T z iiii zU z D zG s zE z uuee PID 控制算法的模拟表达式为 0 1 t pD I de t u tKe te t dtT Tdt 位置型输出表达式为 0 1 k D ppp j I TT u kK e kKe jKe ke k TT 增量型输出表达式为 1 2 1 2 DDD pppppp I TTTT u ku kKKKe kKKe kKe k TTTT 而对模拟表达式求拉式变换得 u t 1 1 pD I u sKsTe s T s 1 1 p pDppD II K u s KsTKK T s e sT sT s 085 0 17 0 085 0 1 085 0 17 01 ss s sD TI 0 17 TD 0 2 P K 其位置表达式为 k j jekeku 0 765 11 2 其增量表达式为 1 2 765 13 kekeku 8 试述采样周期 T 的选择原则 答 1 必须满足香农采样定理的要求 2 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看 则 T 小些好 干扰频率越高 则采样频率越高越好 以便实现快速跟随和快速 抑制干扰 3 根据被控对象的特性 快速系统的 T 应取小 反之 T 可 取大些 4 根据执行机构的类型 当执行机构动作惯性大时 T 应取 大些 否则 执行机构来不及反映控制器输出值的变化 5 从计算机的工作量及每个调节回路的计算成本来看 T 应 选大些 6 从计算机能精确执行控制算式来看 T 应选大些 1 已知一被控对象的传递函数为 05 01 1 01 10 sss sGc 设采用零阶保持器 采样周期 T 为 0 2s 试针对单位速 度输入函数设计快速有波纹系统的 计算采样瞬间数字 控制器和系统的输出响应并绘制图形 2 在题 1 中 针对单位速度输入函数设计快速无波纹系 统的 计算采样瞬间数字控制器和系统的输出响应并绘 制图形 1 2 题 解 0185 0 1 135 0 1 1 065 1 1 05 0 1 76 0 111 111 zzz zzz zG 065 1 1 1 11 zazzz e 1 1 11 bzzz e 1 1 1 065 1 1 1111 bzzzaz 2121 065 1 1 azazbzzb 1 1 065 1 1 1 11 11 bzzz zazzz e e 得 得 解得 解得 516 0 484 0 b a 105 0 11 0 1 10 2 2 0 0 sss e sGsHsG s C 065 11 584 0 1 516 01 1 11 11 zzz zzz e e 516 0 1 05 0 1 135 0 1 0185 0 1 636 0 1 11 11 zz zz zzG z zD e e 321 1 11 484 0 1 065 1 1 484 0 zzz z zz zRzzC 321 000186 0 0037 0 0509 0 484 0 zzz zG zC zU 1 0 0 5 T 2T 3T 4T 5T n T C nT 0 3 设被控对象的传递函数为 采用零阶保持器 采样周期 T 1s 输入单位速度函数 试按最少拍无波纹要求设计 并检验一下所设计 zD 的系统是否满足快速无波纹的要求 解 4 某电阻炉 其传递函数可近似为带纯滞后的一阶惯性 环节 用飞升曲线法测得电阻炉的有关参 s d d c e sT K sG 1 数如下 若采用零阶保sTsK dd 680 30 16 1 持器 取采样周期 要求闭环系统的时间常数sT6 用大林算法求取对电阻炉实现温度控制的sT350 数字控制器的算式 解 5 已知控制系统的被控对象的传递函数为 采样周期 若选闭环系 1 12 ss e sG s c sT1 统的时间常数 问是否会出现振铃现象 试sT1 0 用大林算法设计数字控制器 zD 解 6 已知计算机控制系统开环脉冲传递函数 T 1s 试分别作下列双线性变换 然后作伯德图 解 11 11 3 68 1 0 717 1 1 0 368 zz G z zz 11 00 11 12 0 717 1 0 717 0 58 1 1 0 158 1 1 0 368 1 0 580 416 G z uv mp zzzcc z D z z G z zz zz 可见零点为单位圆内 极点为1 单位圆上 0 368 单位圆内 故 0 0 单位圆上极点不包括 1 1 设求得 d d cd dcc d p d 1 d d d 1 1 1 1 d 1 16 e 1 1 e1 e e 1 1 e 1 e 1 e 1 e 1 e 1 e 1 628 1 0 991 1 0 9830