计算机控制技术课后习题详解答案(同名22856)

计算机控制技术课后习题详解答案(同名22856)PAGEPAGE19计算机控制系统概述习题参考答案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。(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。图1.1微机控制系统组成框图(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•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.设被测温度变化范围为0oC~1200oC,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30H~37H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IN0LOOP：MOVX@DPTR，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 MOV@R0，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：MOVX@DPTR，A ；再次启动A/D转换 RETI ；中断返回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/AnalogConverter,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0～10mA或4～20mA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.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。第三章微机数控系统习题参考答案3.1.什么是数控程序控制？数字程序控制有哪几种方式？所谓数控程序控制是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械（如各种加工机床）按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。数字程序控制方式：点位控制、直线切削控制和轮廓的切削控制。3.2.什么是逐点比较插补法？直线插补计算过程和圆弧插补计算过程各有哪几个步骤？逐点比较法插补运算，就是在某个坐标方向上每走一步（即输出一个进给脉冲），就作一次计算，将实际进给位置的坐标与给定的轨迹进行比较，判断其偏差情况，根据偏差，再决定下一步的走向（沿X轴进给，还是沿Y轴进给）。逐点比较法插补的实质是以阶梯折线来逼近给定直线或圆弧曲线，最大逼近误差不超过数控系统的一个脉冲当量（每走一步的距离，即步长）。直线插补计算过程的步骤如下：(1)偏差判别：即判别上一次进给后的偏差值Fm是最大于等于零，还是小于零；(2)坐标进给：即根据偏差判断的结果决定进给方向，并在该方向上进给一步；(3)偏差计算：即计算进给后的新偏差值Fm+1，作为下一步偏差判别的依据；(4)终点判别：即若已到达终点，则停止插补；若未到达终点，则重复上述步骤。圆弧插补计算过程的步骤如下：(1)偏差判别(2)坐标进给(3)偏差计算(4)坐标计算(5)终点判别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3—1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3—1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=172F1<0+YF2=F1+xe=4Nxy=163F2>0+XF3=F2-ye=-3Nxy=154F3<0+YF4=F3+xe=8Nxy=145F4>0+XF5=F4-ye=1Nxy=136F5>0+XF6=F5-ye=-6Nxy=127F6<0+YF7=F6+xe=5Nxy=118F7>0+XF8=F7-ye=-2Nxy=109F8<0+YF9=F8+xe=9Nxy=910F9>0+XF10=F9-ye=2Nxy=811F10>0+XF11=F10-ye=-5Nxy=712F11<0+YF12=F11+xe=6Nxy=613F12>0+XF13=F12-ye=-1Nxy=514F13<0+YF14=F13+xe=10Nxy=415F14>0+XF15=F14-ye=3Nxy=316F15>0+XF16=F15-ye=-4Nxy=217F16<0+YF17=F16+xe=7Nxy=118F17>0+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3—2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3—2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=112F1<0+YF2=-11+0+1=-10x2=5,y2=1Nxy=103F2<0+YF3=-10+2+1=-7x3=5,y3=2Nxy=94F3<0+YF4=-7+4+1=-2x4=5,y4=3Nxy=85F4<0+YF5=-2+6+1=5x5=5,y5=4Nxy=76F5>0-XF6=5-10+1=-4x6=4,y6=4Nxy=67F6<0+YF7=-4+8+1=5x7=4,y7=5Nxy=58F7>0-XF8=5-8+1=-2x8=3,y8=5Nxy=49F8<0+YF9=-2+10+1=9x9=3,y9=6Nxy=310F9>0-XF10=9-6+1=4x10=2,y10=6Nxy=211F10>0-XF11=4-4+1=1x11=1,y11=6Nxy=112F11>0-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A→B→C,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AB→BC→CA。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A→AB→B→BC→C→CA。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。电路原理图如图所示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=05H第四章微型计算机控制系统的控制算法习题参考答案4..1.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.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4.5.什么叫积分饱和？它是怎么引起的？如何消除？解：（1）如果执行机构已经到极限位置，仍然不能消除静差时，由于积分作用，尽管PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就叫积分饱和。（2）1、当偏差产生跃变时，位置型PID算式的输出将急剧增大或减小，有可能超过执行机构的上（下）限，而此时执行机构只能工作在上限。2、系统输出需要很长时间才达到给定值，在这段时间内算式的积分项将产生一个很大的积累值。3、当系统输出超过给定值后，偏差反向，但由于大的积分积累值，控制量需要相当一段时间脱离饱和区。因此引起系统产生大幅度超调，系统不稳定。（3）常用的改进方法：积分分离法和抗积分饱和4.6.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τ较大时，常选T=（1/4~1/8）τ。(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。4.7.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τ、被控对象的时间常数Tc，以及它们的比值Tc/τ。(4)由τ、Tc、Tc/τ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4—1所示。图4—1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Φ(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Фe(z)4）确定Ф(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Фe(z)4）确定Ф(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