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 200s，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 100s、150s、 120s，主程序执行时间（执行查询指令等）为 80s，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=300s C2=8ms S2=1.3ms C3=1ms S3=400s 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 9093H、9497H、989BH、9C9FH, 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。 10 要求： 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 （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。 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 UiU0,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/2 4=0.3125V 本题目中图表转换如下： 步骤 SAR U0 Ui,U0 大小 该位去留 8 4 2 1 1 1 0 0 0 2.5 保留 2 1 1 0 0 3.75 保留 3 1 1 1 0 4.375 去 4 1 1 0 1 4.0625 保留 结果 1 1 0 1 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 D0 D7 /RD /WR 89C51 P0.6 P0.7 P0.5 P0.4 G1 /G2A /G2B Y7 C 74LS138 1 1 EOC VCC VREF(+) D0 D7 IN0 ADC 0808 IN1 0809 OE START ALE 接 8259A 时钟 +5V 八 路 模 拟 电 压 输 入 数据总线 D0 D7 /RD /WR CPU A6 8088 A7 A5 A4 A G1 /G2A /G2B Y7 C 1 1 EOC VCC VREF(+) D0 D7 IN0 ADC 0808 IN1 0809 OE START ALE 接 8259A 时钟 +5V 八 路 模 拟 电 压 输 入 数据总线 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( )e t，输出为( )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. 01 )( 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 。 PID 控制算法的模拟表达式为 0 1( ) ( ) ( )( ) t pD I de t u tK e te t dtT Tdt ) 15 . 0)(140( 100 )( ss sG s1s2 100,40,0.5kTT c I 1 ( ) s G s Ts 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 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( )u t求拉式变换得 1 ( )1 ( ) pD I u sKsT e 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 2 P K TI=0.17 TD=0 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. 01)(135. 01)(1( )065. 11)(05. 01(76. 0 )( 111 111 zzz zzz zG )065. 11()(1)( 11 zazzz e )1)(1()( 11 bzzz e )1)(1(1)065. 11( 1111 bzzzaz 2121 065. 1)1( azazbzzb )1)(1()( )065. 11()(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 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)(zD ， 并检验一下所设计的 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 s d d c e sT K sG 1 )(用飞升曲线法测得电阻炉的有关参 数如下：sTsK dd 680,30,16. 1若采用零阶保持 器，取采样周期sT6 ，要求闭环系统的时间常数 sT350 ，用大林算法求取对电阻炉实现温度控制的 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 ) 1)(12( )( ss e sG s c 采样周期sT1 ， 若选闭环系统 的时间常数sT1 . 0 ， 问是否会出现振铃现象？试用大 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 )065. 11 (584. 0)(1 )516. 01)(1 ()( 11 11 zzz zzz e e )516. 01)(05. 01( )135. 01)(0185. 01(636. 0 )()( )(1 )( 11 11 zz zz zzG z zD e e 321 1 11 484. 0 1 )065. 11 (484. 0 )()()( zzz z zz zRzzC 321 000186. 00037. 00509. 0484. 0 )( )( )(zzz zG zC zU 1.0 0.5 T 2T 3T n C(nT) 0 11 11 3.68(1 0.717) ( ) (1)(1 0.368) z