zhongdian于海生---微型計算機控制技術(shù)課后習(xí)題答案

1第一章 計算機控制系統(tǒng)概述習(xí)題及參考答案1.計算機控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的?計算機控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個步驟：(1)實時數(shù)據(jù)采集：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。(2)實時決策：對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。(3)實時控制：根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。3.微型計算機控制系統(tǒng)的硬件由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？由四部分組成。圖 1.1 微機控制系統(tǒng)組成框圖(1)主機：這是微型計算機控制系統(tǒng)的核心，通過接口它可以向系統(tǒng)的各個部分發(fā)出各種命令，同時對被控對象的被控參數(shù)進行實時檢測及處理。主機的主要功能是控制整個生產(chǎn)過程，按控制規(guī)律進行各種控制運算(如調(diào)節(jié)規(guī)律運算、最優(yōu)化計算等)和操作，根據(jù)運算結(jié)果作出控制決策；對生產(chǎn)過程進行監(jiān)督，使之處于最優(yōu)工作狀態(tài)；對事故進行預(yù)測和報警；編制生產(chǎn)技術(shù)報告，打印制表等等。(2)輸入輸出通道：這是微機和生產(chǎn)對象之間進行信息交換的橋梁和紐帶。過程輸入通道把生產(chǎn)對象的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成微機可以接收的數(shù)字代碼。過程輸出通道把微機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成可以對生產(chǎn)對象進行控制的信號。過程輸入輸出通道包括模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量輸入輸出通道。(3)外部設(shè)備：這是實現(xiàn)微機和外界進行信息交換的設(shè)備，簡稱外設(shè)，包括人機聯(lián)系設(shè)備(操作臺)、輸入輸出設(shè)備(磁盤驅(qū)動器、鍵盤、打印機、顯示終端等)和外存貯器(磁盤)。其中操作臺應(yīng)具備顯示功能，即根據(jù)操作人員的要求，能立即顯示所要求的內(nèi)容；還應(yīng)有按鈕，完成系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺還要保證即使操作錯誤也不會造成惡劣后果，即應(yīng)有保護功能。(4)檢測與執(zhí)行機構(gòu)a.測量變送單元：在微機控制系統(tǒng)中，為了收集和測量各種參數(shù)，采用了各種檢測元件及變送器，其主要功能是將被檢測參數(shù)的非電量轉(zhuǎn)換成電量，例如熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換成 mV 信號；壓力變送器可以把壓力轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘枺@些信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的計算機標(biāo)準(zhǔn)電平信號(05V 或 420mA)后，再2送入微機。b.執(zhí)行機構(gòu)：要控制生產(chǎn)過程，必須有執(zhí)行機構(gòu)，它是微機控制系統(tǒng)中的重要部件，其功能是根據(jù)微機輸出的控制信號，改變輸出的角位移或直線位移，并通過調(diào)節(jié)機構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流量或能量，使生產(chǎn)過程符合預(yù)定的要求。例如，在溫度控制系統(tǒng)中，微機根據(jù)溫度的誤差計算出相應(yīng)的控制量，輸出給執(zhí)行機構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)來控制進入加熱爐的煤氣(或油)量以實現(xiàn)預(yù)期的溫度值。常用的執(zhí)行機構(gòu)有電動、液動和氣動等控制形式，也有的采用馬達、步進電機及可控硅元件等進行控制。5.微型計算機控制系統(tǒng)的特點是什么？微機控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動控制系統(tǒng)相比，具有如下特點：a.控制規(guī)律靈活多樣，改動方便b.控制精度高，抑制擾動能力強，能實現(xiàn)最優(yōu)控制c.能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，控制效率高d.控制與管理一體化，進一步提高自動化程度6.操作指導(dǎo)、DDC 和 SCC 系統(tǒng)工作原理如何？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？(1)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計算機根據(jù)數(shù)學(xué)模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進行處理，計算出各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時計算機就起到了操作指導(dǎo)的作用。其原理框圖如圖 1.2 所示。圖 1.2 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖(2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC 系統(tǒng))：DDC(Direct Digital Control)系統(tǒng)就是通過檢測元件對一個或多個被控參數(shù)進行巡回檢測，經(jīng)輸入通道送給微機，微機將檢測結(jié)果與設(shè)定值進行比較，再進行控制運算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構(gòu)，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達到預(yù)定的要求。DDC 系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用形式。其原理框圖如圖 1.3 所示。圖 1.3 DDC 系統(tǒng)原理框圖(3)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC 系統(tǒng))：SCC(Supervisory Computer Control)系統(tǒng)比 DDC 系統(tǒng)更接近生產(chǎn)3變化的實際情況，因為在 DDC 系統(tǒng)中計算機只是代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，系統(tǒng)不能運行在最佳狀態(tài)，而 SCC 系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制，并且還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。SCC 系統(tǒng)的原理框圖如圖 1.4 所示。圖 1.4 SCC 系統(tǒng)原理框圖SCC 是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和 DDC 系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。4第二章 輸入輸出過程通道習(xí)題及參考答案1.什么是過程通道？過程通道有哪些分類？過程通道是在計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。按信息傳遞的方向來分，過程通道可分為輸入過程通道和輸出過程通道；按所傳遞和交換的信息來分，過程通道又可分為數(shù)字量過程通道和模擬量過程通道。2.數(shù)字量過程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？數(shù)字量過程通道包括數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定時計數(shù)電路等組成。數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：輸入調(diào)理電路將來自控制裝置或生產(chǎn)過程的各種開關(guān)量，進行電平轉(zhuǎn)換，將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高、低電平，同時還要考慮對信號進行濾波、保護、消除觸點抖動，以及進行信號隔離等問題。5.模擬量輸入通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？模擬量輸入通道一般由 I/V 變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D 轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯電路組成。(1)I/V 變換：提高了信號遠距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減，為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機構(gòu)匹配提供了方便。(2)多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。(3)采樣保持器：A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在進行 A/D 轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在 A/D 轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。(4)A/D 轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這一任務(wù)的器件，稱為之模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog/Digital Converter，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC)。9.A/D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號有什么作用？根據(jù)該信號在 I/O 控制中的連接方式，A/D 轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？它們在接口電路和程序設(shè)計上有什么特點？A/D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號的作用是用以判斷本次 AD 轉(zhuǎn)換是否完成。常見的 A/D 轉(zhuǎn)換有以下幾種控制方式，各自特點如下延時等待法:EOC 可不和 I/O 口連接，程序設(shè)計時，延時大于 ADC 轉(zhuǎn)換時間后，取數(shù)據(jù)。保持等待法:EOC 與 READY 相連,EOC 無效時,自動插入等待狀態(tài)。直至 EOC 有效時，取數(shù)據(jù)。查詢法: EOC 可以和任意 I/O 口連接，程序設(shè)計時，反復(fù)判斷 EOC 是否有效，直至 EOC 有效時，取數(shù)據(jù)。中斷響應(yīng)法: EOC 與外部中斷相連，AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束后,發(fā)中斷申請,在中斷服務(wù)程序中取數(shù)據(jù)。11.設(shè)計出 8 路模擬量采集系統(tǒng)。請畫出接口電路原理圖，并編寫相應(yīng)的 8 路模擬量數(shù)據(jù)采集程序。5本例給出用 8031、DAC0809 設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例。把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi) RAM 的 30H37H 單元中。采樣完一遍后停止采集。其數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中斷服務(wù)程序如下：初始化程序：MOV R0，#30H ；設(shè)立數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針MOV R2，#08H ；設(shè)置 8 路采樣計數(shù)值SETB IT0 ；設(shè)置外部中斷 0 為邊沿觸發(fā)方式 SETB EA ；CPU 開放中斷 SETB EX0 ；允許外部中斷 0中斷MOV DPTR，#FEF8H ；送入口地址并指向 IN0LOOP： MOVX DPTR，A ；啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，A 的值無意義HERE： SJMP HERE ；等待中斷中斷服務(wù)程序：MOVX A，DPTR ；讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量MOV R0，A ；存入片內(nèi) RAM 單元INC DPTR ；指向下一模擬通道INC R0 ；指向下一個數(shù)據(jù)存儲單元DJNZ R2，INT0 ；8 路未轉(zhuǎn)換完，則繼續(xù)CLR EA ；已轉(zhuǎn)換完，則關(guān)中斷CLR EX0 ；禁止外部中斷 0 中斷RETI ；中斷返回INT0： MOVX DPTR，A ；再次啟動 A/D 轉(zhuǎn)換RETI ；中斷返回 12.模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換器、功率放大和 V/I 變換等信號調(diào)理電路組成。(1)D/A 轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(Digital/Analog Converter,簡稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或DAC)。它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置。(2)V/I 變換：一般情況下，D/A 轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓信號。在計算機控制系統(tǒng)中，當(dāng)計算機遠離現(xiàn)6場，為了便于信號的遠距離傳輸，減少由于傳輸帶來的干擾和衰減，需要采用電流方式輸出模擬信號。許多標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機構(gòu)，一般是采用 010mA 或 420mA 的電流信號驅(qū)動的。因此，需要將模擬電壓信號通過電壓/電流(V/I)變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號。13.采用 DAC0832 和 PC 總線工業(yè)控制機接口。請畫出接口電路原理圖，并編寫產(chǎn)生三角波、梯形波和鋸齒波的程序。設(shè)計一八路數(shù)據(jù)采集及其回放系統(tǒng)。要求八路數(shù)據(jù)巡回檢測，存儲 10 組數(shù)據(jù)，輸數(shù)據(jù)為電壓信號（0-5V） ，檢測精度1%。CPU、AD、DA 可任選。ILEVCC VREFDI7-SDI0DAC0832IOUT2WRXFEDGNDAGNDD7D0地址譯碼Y地 址 線 1IO /MWR8086CPU Rfb -IOUT1 UoA5V數(shù) 據(jù) 總 線7第四章 微型計算機控制系統(tǒng)的控制算法習(xí)題及參考答案1.數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計步驟是什么？模擬化設(shè)計步驟：（1）設(shè)計假想的模擬控制器 D(S)（2）正確地選擇采樣周期 T（3）將 D(S)離散化為 D(Z)（4）求出與 D(S)對應(yīng)的差分方程（5）根據(jù)差分方程編制相應(yīng)程序。2.某連續(xù)控制器設(shè)計為 sTD21試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器 D(Z)。雙線形變換法：把 代入，則1zs 22112112 TzT-zT|zDTs 前向差分法：把 代入，則-z 221121211 TzTs|sDzTz 后向差分法：把 代入，則z 221121211 TzTs|sDzTz 3.在 PID 調(diào)節(jié)器中系數(shù) 、 、 各有什么作用？它們對調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響？pkid系數(shù) 為比例系數(shù)，提高系數(shù) 可以減小偏差，但永遠不會使偏差減小到零，而且無止境地提高系數(shù)pk最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速性。系數(shù) 為積分常數(shù)， 越大積分作用越弱，積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的i ik調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)原位，因而能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點，其動作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間加長。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，提高控制精度。8系數(shù) 為微分常數(shù)， 越大微分作用越強。微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的相應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服dkdk振蕩，消除系統(tǒng)慣性的影響。4.什么是數(shù)字 PID 位置型控制算法和增量型控制算法？試比較它們的優(yōu)缺點。為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變量，必須將模擬 PID 算式離散化，變?yōu)閿?shù)字 PID 算式，為此，在采樣周期 T 遠小于信號變化周期時，作如下近似(T 足夠小時，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近)： Tkedtjtkj)1(00于是有： )()()()(0kejekKudipu(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置(如控制閥門的開度)一一對應(yīng)，所以稱之為位置型 PID 算法。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量 u(k)不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得 u(k)產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以實際中當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可以采用增量型 PID 算法。當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進電機、電動調(diào)節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一般均采用增量型 PID 控制算法。 )2(1)()1()( kekeTkeKkudip與位置算法相比，增量型 PID 算法有如下優(yōu)點：(1)位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。(2)為實現(xiàn)手動自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度 u0，若采用增量型算法，其輸出對應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn) u0項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。(3)采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。5.已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 s.sD08517試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式，設(shè)采樣周期 T=0.2s。s.sEU則 sSE.S. 1700859dte.tdu.t 170085Tke.kTk.k 1把 T=0.2S 代入得534142501 -.u. 位置型 1298.06.79.3kukekeku增量型 7.6.有哪幾種改進的數(shù)字 PID 控制器？有四種：（1）積分分離 PID 控制算法（2）不完全微分 PID 控制算法（3）帶死區(qū)的 PID 控制算法（4）消除積分不靈敏區(qū)的 PID 控制9.數(shù)字控制器直接設(shè)計步驟是什么？計算機控制系統(tǒng)框圖如圖 41 所示。圖 41 計算機控制系統(tǒng)框圖由廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)可得閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，可求得控制器的脈沖傳遞函數(shù) D(z)。數(shù)字控制器的直接設(shè)計步驟如下：(1)根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標(biāo)要求和其它