計算機控制技術(shù)課后習(xí)題詳解答案VIP

第一章計算機控制系統(tǒng)概述

習(xí)題參考答案

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：

⑴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。

⑵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)。

2.實時、在線方式和離線方式的含義是什么？

（1）實時：所謂‘'實時”，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內(nèi)完成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速

度進行處理，并在一定的時間內(nèi)作出反應(yīng)并進行控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。

⑵“主線”方式：在“?算機控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計尊機連接，生產(chǎn)過程直接受計和機的控制，就叫做“聯(lián)機”

方式或“在線”方式。（3）“離

線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計算機相連接，其工作不直接受計算機的控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進行聯(lián)

系并作相應(yīng)操作的方式，則叫做“脫機”方式或“離線”方式。

3.微型計算機控制系統(tǒng)的硬件由哪幾部分組成？冬部分的作用是什么？

由四部分組成。

⑴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，使之處于顯優(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。

圖1.1微機控制系統(tǒng)組成框圖

（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。

⑶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；操作今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)

1

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，其主要功能是符被檢測參數(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?，這些信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成

統(tǒng)一的計算機標準電平信號（0?5V或4?20mA）后，再送入微機。

b.執(zhí)行機構(gòu)：要控制生產(chǎn)過程，必須有執(zhí)行機構(gòu)，它姑微機控制系統(tǒng)中的重要部件，其比能是根據(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。

4.微型計算機控制系統(tǒng)軟件有什么作用？說出各部分軟件的作用。

軟件是指能夠完成各種功能的計算機程序的總和,整個計算機系統(tǒng)的動作，都是在軟件的指揮下協(xié)調(diào)進行的，因此說軟件是

微機系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。就功能來分，軟件可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫。

⑴系統(tǒng)軟件：它是由計算機設(shè)計者提供的專門用來使用和管理計算機的程序。對用戶來說，系統(tǒng)軟件只是作為開發(fā)應(yīng)用軟

件的工具，是不需要自己設(shè)計的。

系統(tǒng)軟件包括：

a.操作系統(tǒng)：即為管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序等；

b.診斷系統(tǒng)：指的是調(diào)節(jié)程序及故障診斷程序：

c.開發(fā)系統(tǒng)：包括各種程序設(shè)計語言、語言處理程序（編譯程序）、服務(wù)程序（裝配程序和編輯程序）、模擬主系統(tǒng)（系統(tǒng)模擬、仿

真、移植軟件）、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等：

d.信息處理：指文字翻譯、企業(yè)管理等.

⑵應(yīng)用軟件:它是面向用戶本身的程序，即指由用戶根據(jù)要解決的實際問題而編寫的各種程序。

應(yīng)用軟件包括：

a.過程監(jiān)視程序：指巡回檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報警程序、操作面板服務(wù)程序、數(shù)字流波及標度變換程序、判斷

程序、過程分析程序等；

b.過程控制計算程序：指的是控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成調(diào)度、文件管理

及輸出、打印、顯示程序等；

c.公共服務(wù)程序：包括基本運算程序、函數(shù)運算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序。

⑶數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要用于資料管理、存檔和檢索，相應(yīng)軟件設(shè)計指如何建立數(shù)據(jù)庫以及如何查詢、顯

示、調(diào)用和修改數(shù)據(jù)等。

5.微型訂算機控制系統(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？

（I）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

⑵直簽數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)）：DDC（DirectDigitalControl）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

2

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。

*

*

模擬限該"Xfft怖入皿也開

關(guān)

執(zhí)H機構(gòu)

圖1.3DDC系統(tǒng)原理框圖

⑶計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))：SCC(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實際情況，因

為在CDC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。

名

用

模報M:或“大我輸入通道開

關(guān)

微

機

關(guān)N輸山通迫-或DOC級微機執(zhí)行機構(gòu)

圖1.4SCC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。

7.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是什么？

大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，提高了計算機的可靠性和性能價格比，從而使計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。為更

好地適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展，擴大生產(chǎn)規(guī)模，以滿足對計算機控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求，目前計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有

以下幾個方面。

a.普及應(yīng)用口J編程序控制器

b.采用集散控制系統(tǒng)

c.研究和發(fā)展智能控制系

第二章輸入輸出過程通道

習(xí)題參考答案

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。

3.簡述兩種硬件消抖電路的工作原理。

采用積分電路的硬件消抖電路，首先利用積分電路將抖動的高頻部分濾出，其次利用施密特觸發(fā)器整形。

采用RS觸發(fā)器的硬件消抖電路，主要是利用RS觸發(fā)器的保持功能實現(xiàn)消抖。

3

4.簡述光電耦合器的工作原理及在過程通道中的作用.

光電耦合器由封裝在一個管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組成，如圖2.1所示。輸入電流流過..極管時使其發(fā)光，照射到

光敏三極管上使其導(dǎo)通，完成信號的光電耦合傳送，它在過程通道中實現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。

圖2.1光電耦合器電路圖

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。

(DI/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，為與標準化儀表和執(zhí)行機構(gòu)匹配提供了方

便。

⑵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/DigitaiConverter,簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)。

6.對理想多路開關(guān)的要求是什么？

理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。

7.采樣保持器有什么作用？試說明保持電容的大小對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響。

采樣保持器的作用：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。

保持電容對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣保持的精度有很大影響。保持電容值小，則采樣狀態(tài)時充電時間常數(shù)小，即保持電容充電快，

輸出對輸入信號的跟隨特性好，但在保持狀態(tài)時放電時間常數(shù)也小，即保持電容放電快，故保持性能差：反之，保持電容值

大，保持性能好，但跟隨特性差。

8.在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，是不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器？為什么？

不是，對于輸入信號變化很慢，如溫度信號：或者A/D轉(zhuǎn)換時間較快，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號變化很小，在允許的

A/D轉(zhuǎn)換梢度內(nèi)，就不必再選用采樣保持相。

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，芻動插入等待狀態(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)。

10.設(shè)被測溫整4微干心1'%智要再贊不超過0.4?應(yīng)選用分辨為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？

選擇依據(jù)：1J

20.4

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。

本例給出用803KDAC0809設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例。

4

把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi)RAM的30H~37H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：MOVRO,#30H:設(shè)立數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針

MOVR2,80811:設(shè)置8路采樣計數(shù)值

SETBITO;設(shè)置外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式

SETBEA:CPU開放中斷SETBEXO:允許外部中斷。中斷

MOVDPTR,#FEF8H送入口地址并指向INO

LOOP：MOVX@DPTR,A；啟動A/D轉(zhuǎn)換，A的值無意義

HERE：SJMPHERE:等待中斷

中斷服務(wù)程序，

MOVXA,?DPTR:讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量

MOV@R0,A:存入片內(nèi)RAM單元

INCDPTR:指向下一模擬通道

INCRO;指向下一個數(shù)據(jù)存儲單元

DJNZR2,INTO:8路未轉(zhuǎn)換完，則繼續(xù)

CLREA：己轉(zhuǎn)換完，則關(guān)中斷

CLREXO；禁止外部中斷0中斷

RETI；中斷返回

INTO：MOVX0DPTR,A:再次啟動A/D轉(zhuǎn)換

RETI:中斷返回

POA?！狝7_

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12.模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？

模擬室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。

(DD/A轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/模能換器(Digital/AnalogConverter,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，當計算機遠離現(xiàn)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。許多標準化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機構(gòu)，一般是采用

。?10nA或4?20mA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。

5

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.本

章作業(yè)

8O86CPU

地

址

譯

M/IO碼

WR

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(K5V),檢測精度＜1%。

CPU、AD、DA可碼.

第三章微機數(shù)控系統(tǒng)

習(xí)題參考答案

3.1.什么是數(shù)控程序控制？數(shù)字程序控制有哪匚種方式？

所謂數(shù)控程序控制是計算機根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機械(如各種加工機床)按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動

距離和運動速度等規(guī)律自動地完成工作的自動控制。

數(shù)字程序控制方式：點位控制、直線切削控制和輪廓的切削控制。

3.2.什么是逐點比較插補法？直線插補計算過程和圓弧插補計算過程各有哪幾個步驟？

逐點比較法插補運算，就是在某個坐標方向上每走一步(即輸出一個進給脈沖)，就作一次計算，將實際進給位置的坐標與

給定的軌跡進行比較，判斷其偏差情況，根據(jù)偏差，再決定下一步的走向(沿X軸進給，還是沿Y軸進給)。逐點比較法插

補的實質(zhì)是以階梯折線來逼近給定直線或圓弧曲線，最大逼近誤差不超過數(shù)控系統(tǒng)的一個脈沖當量(每走一步的距離，即步

長)。

直線插補計算過程的步驟如下：

(1)偏差判別：即判別上一次進給后的偏差值Fm是最大于等于零，還是小于零；

(2)坐標進給：即根據(jù)偏差判斷的結(jié)果決定進給方向，并在該方向上進給一步：(3)

偏差計算：即計算進給后的新偏差值Fm+1,作為下一步偏差判別的依據(jù)：(4)終

點判別：即若已到達終點，則停止插補；若未到達終點，則重復(fù)上述步驟。圓弧

插補計算過程的步驟如下：

⑴偏差判別

(2)坐標進給

⑶偏差計算

(4)坐標計算

(5)終點判別

5.若加工第一象限直線0A,起點0(0,0),終點A(11,7)。要求：(1)

按逐點比較法插補進行列表計算；

⑵作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。

解：由題意可知x=11,y4,F=0,我們設(shè)置一個總的計數(shù)器N，其初值應(yīng)為N=|7-0|+|11-0|=18,則插補計算過程如表3—1

所示。根據(jù)插補。算過瘟表徜作出的直線插補走步軌跡圖如《圖所示。

6

表3—1

步數(shù)偏差判別坐標進給偏差計算終點判別

起點F=0N=18

1F=0+xF=F-y=-7N=17

2F<0+YF=F+x=4N=16

I21e

3F>0+XF=F-y=-3N=15

4F<0+YF=F+x=8N=14

343Q

5F>0+XF=F-y=1N=13

6F>0+XF=F-y=-6N=12

6be

7F<0*YF=F+x=5N=11

ft76r

8F>0+XF=F-y=-2N=10

9F<0+YF=F+x=9N=9

10F>0+XF=F-y=2N=8

11F>0+XF=F-y=-5N=7

12F<0+YF=F+x=6N=6

13F>0+XF=F-y=-lN=5

121312.

14F<0+YF=F+x=10N=4

15F>0+XF=F-y=3N=3

16F_>0+xFis=Fis-y.=-4N-2

17F<0+YF=F+x=7Nf

18F>0+XF=F-y=0N=0

171816c

3.5.設(shè)加工第一象限的圓弧AB,起點A(6,0),終點B(0,6)。要求：(1)

按逐點比較法插補進行列表計算；

(2)作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。

解：插補計算過程如表3-2所示。終點判別仍采用第二種方法，設(shè)一個總的計數(shù)器N/每走一步便減1操作，當N“=0時,

加工到終點，插補運算結(jié)束。下圖為插補過程中的走步軌跡。

7

表3-2

步數(shù)偏差判別坐標進給偏差計算坐標計算終點判別

起點F=0x=6,y=0N=12

000xy

1F=0-xF=0-12+1=71x=5,y=0N=11

2F<0+YF=-ll+0+l=-10xj5,y=lN=10

3F<0+YF=-10+2+l=-7x=5,y=2N=9

4F<0+YF=-7+4+l=-2x=5,y=3N=8

444

5F<0+YF=-2+6+l=5x=5,y=4N=7

6F>0-xF=5-10+l=-4X6=4,y6=4N=6

7F<0+YF=-4+8+1=5x=4,y=5N=5

677XT

x=3,y=5

8F>0-XF=5-8+l=-28gN=4

X=3,y=6

9F<0+YF=-2+10+1=999N=3

10F>0-XF=9-6+1=4x=2,y=6N=2

11F>0XF=4-4+l=lx=1,y=6N=1

12F>0-xF=l-2+l=0x=0,y=6N=0

3.6.三相步進電機有哪幾種工作方式？分別畫出每種工作方式的各相通電順序和電壓波形圖。

解：有三種工作方式：

<1>三相單三拍工作方式

各相的通電順序為A-B-C,各相通電的電壓波形如圖3.1所示。

〃進時鐘JUUUUML

A相rn__

B相

C+II__n__ri

圖3.1單三拍工作的電仄波形圖

(2)三相雙三拍工作方式

雙三拍工作方式各相的通電順序為AB-BC-CA.各相通電的電壓波形如圖3.2所示。

irLrLrLrLrLruui_n_n_njuLn_n_

U~~U~~U~~U~~L

/_J_LJ_LJ~~LJ~LJ

CWTJ―u_uu—i_n

圖3.2雙三拍工作的電壓波形圖

(3)三相六拍工作方式

在反應(yīng)式步進電機控制中，把單三拍和雙三拍工作方式結(jié)合起來，就產(chǎn)生了六拍工作方式，其通電順序為

A-*AB-*B-BC-C-CA0各相通電的電壓波形如圖3.3所示。

…怦njLn_n_n_n_n_rLn_n_rLnjui_ri_

8

圖3.3三相六拍工作的電壓波形圖

3.7.采用8255A作為x軸步進電機和y軸步進電機的控制接口，要求

(1)畫出接口電路原理圖：

(2)分別列出x軸和v軸步進電機在三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍工作方式下的輸出字表。電

路原理圖如圖所示

三相單三拍控制方式輸出字表

X軸步進電機輸出字表y軸步進電機輸出字表

存儲地址標號低八位輸出字存儲地址標號高八位輸出字

ADX100000001=01HADY1D0000001=01H

ADX200000010=02HADY200000010=02H

ADX300000100=04HM)Y300000100=04H

三相雙三拍控制方式輸出字表

存儲地址標號低八位輸出字存儲地址標號高八位輸出字

ADX100000011=O3HADY10000001l=03H

ADX200000110=06HADY200000110=06H

ADX300000101=05HADY300000101=05H

三相六拍控制方式輸出字表

X軸步進電機輸出字表y軸步進電機輸出字表

存儲地址標號低八位輸出字存儲地址標號高八位輸出字

ADX100000001=01HADY100000001=01H

ADX20000001l=03HADY20000001l=03H

ADX300000010=02HADY300000010=02H

ADX400000110=06HADY400000110=06H

ADX500000100=04HADY500000100=04H

ADX600000101=05HADY600000101=05H

9

第四諄微型計算機控制系統(tǒng)的控制算法

習(xí)題參考答案

4..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.某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計為

()U(S)1+7$

"S=麗"

2

試用雙線形變換法、前向差呼、簪差分法分別求取數(shù)字控制器D(Z)o

解：雙線形變換法：把Suu.-7代入，則

1Z+1

/、ZX1+72Z-1/、

()()5(T+2T)+T-2T

4*+i1+T2z—1-+2>％+7-2]

2r展+1

z-1

前向差分法：把2=一代入，則

T

()()1+Ts1+工妥Tz+T-T

DDs=

^=[^l=UT-~=^z+T-t

T2s1+q牙z22

z-1

后向差分法：把s=——代入，則

Tz

()()1+H1+工分.Tz+T-T

。z=*

Tz21+(f22

2Tz

4.3什么是數(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，如下逼近相當準確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近)：

[edt^TLe(j)

o

j=0

dee(k)-e(k-1)

I?I

dtT

于是福

TT

u(k)=K{e(fc)+_?e(j)+^[e(k)-e(k-1)])

ij=O

ufk)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。所以實際中當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的

10

絕對值，而是其增員時，可以采用噌量gypiD算法。當控制系統(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。

u(k)K{[e(k)e(k1)1___e(k)xfe(k)2e(k1)e(k2)]}

pTT

i

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。

⑵為實現(xiàn)手動一一自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度氣若采用增量型算法，其輸出對

應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)吸.所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切標。

⑶采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具青寄存作用，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。

4.4.已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

1017s

10.085s

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=0.2so

nUs1017s

Ds-----------------------

Es10.085s

則Us0085SUsEs0J7SEs

ut0085dut____et017det______

dtdt

i八八。匚ukuk1.ekek1

uk0.085ek017

"^r

把?=0.2S代入得

1.425uk0.425uk145ek35ek-l

位置型uk3.1579ek2.4561ek10.2982uk1

ta.空ukukuk13.1579ek2.456lek10.7018uk1

(補充題)已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

、1017s

Ds_______

0.085s

試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型PID算法和增量型PID控制算式，設(shè)采樣周期T=0.2s,

1、1T、

解：因為Ds10叱2Q_____)K(1一Ts)

0.085s017spTSd

°。

所以K02,Ti0.17,Td

故位置型PID控制器

11

x-、Tk…Te(k)e(k1)

uZ(1k)TKZe(k)—e(i)T-----—

pTD1

IiO

2e(k)先：⑴

2e(k)翳e⑴

i0

故贈量型PID控制器

u(k)u(k1)u(k)

u(k1)Ke(k)e(k1)Ke(k)Kp(k)2e(k1)e(k2)

pi

04

u(k1)2e(k)e(k1)__e(k)

0.17

u(k1)4.35e(k)2e(k1)

4.5.牛么叫積分飽和？它是怎么引起的？如何消除？

解：(1)如果執(zhí)行機構(gòu)己經(jīng)到極限位置，仍然不能消除靜差時，由于積分作用，盡管P1D差分方程式所得的運算

結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機構(gòu)已無相應(yīng)的動作，這就叫積分飽和。

(2)1、當偏差產(chǎn)生躍變時，位置型PID算式的輸出將急劇增大或減小.有可能超過執(zhí)行機構(gòu)的上(下)限,而

此時執(zhí)行機構(gòu)只能工作在上限。

2、系統(tǒng)輸出需要很長時間才達到給定值，在這段時間內(nèi)算式的積分項將產(chǎn)生一個很大的積累值。

3、當系統(tǒng)輸出超過給定值后，偏差反向，但由于大的積分積累值，控制量需要相當一段時間脫離飽和區(qū)。因此引

起系統(tǒng)產(chǎn)生大幅度超調(diào)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

(3)常用的改進方法：積分分離法和抗積分飽和

4.6.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？

(1)從調(diào)節(jié)品質(zhì)上看，希望采樣周期短，以減小系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度。通常保證在95%的系統(tǒng)的過渡過程時間

內(nèi)，采樣6次一15次即可。

⑵從快速性和抗擾性方面考慮，希望采樣周期盡量短,這樣給定值的改變可以迅速地通過采樣得到反映，而不致產(chǎn)生過大

的延時。

⑶從計算機的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應(yīng)長些，尤其是多回路控制時，應(yīng)使每個回路都有足夠的計算時間；當被

控對象的純滯后時間T較大時，常選T=(1/47/8)To

(4)從計算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過短，當主機字長較小時，若T過短，將使前后兩次采樣值差另叨調(diào)節(jié)作用因此

會減弱。另外，若執(zhí)行機構(gòu)的速度較低，會出現(xiàn)這種情況，即新的控制量已輸出，而前一次卷制卻還沒完成，這樣采樣周期再

短也將亳無意義，因此T必須大于執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)時間。

4.7.簡述擴充臨界比例度法、擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。

擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：

(1)選擇一個足夠短的采樣周期T,例如被控過程有純滯后時，采樣周期T取滯后時間的1/10以下，此時調(diào)節(jié)器只作純比例

控制，給定值r作階沃輸入。

(2)逐漸加大比例系數(shù)Kp,使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩過程求得相應(yīng)的臨界振蕩國期Ts,開記下此M的匕例系數(shù)

1

KP,符其記作臨界振蕩增益Ks。此時的比例度為臨界比例度.記作—o

sK

S

⑶選擇控制度，所渭控制度是數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器所對應(yīng)的過渡過程的誤差平方的積分之匕L

(4)根據(jù)控制度，查表求出T、昨、Ti和Td直

(5)按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行，觀察控制效果，再適當調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。

擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟：

12

(1)斷開數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)。將被調(diào)集調(diào)節(jié)到給定值附近并穩(wěn)定后，然后突然改變給定值，即給對象輸

入一個階沃信號。

⑵用義表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個變牝過程曲線，如圖所示。

⑶在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間t、被控對象的時間常數(shù)Tc,以及它們的比值Tc/tu

(4)由1、Tc、TC/T值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。

4..8.數(shù)字控制器的離散化設(shè)計步驟是什么？

計算機控制系統(tǒng)框圖如圖4—1所示。

圖4-1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)脈沖傳遞的數(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)指標要求和其它約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)①(z)。(2)

求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)。

(3)求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。(4)

根據(jù)D[z)求取控制算法的遞推計算公式。

4.9已知被控對象的傳遞函數(shù)為

c10

Gs

cs(0.1s1)

采樣周期T=0.1s,采用零階保持器。要求

⑴針對單位速度輸入信號設(shè)計最少拍無紋波系統(tǒng)的,并計雌出響應(yīng)丫&)、控制信號u(k)和誤差e(k)序

D

列，畫出它們對時間變化的波形。,并計算輸出響應(yīng)丫(k)、控制信號u(k)和誤差e(k)序

⑵針對單位階沃輸入信號設(shè)計最少拍有紋波系統(tǒng)的

D

列，畫出它們對時間變化的波形。

解：廣義脈沖傳遞函數(shù)為