微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第二版高國(guó)琴習(xí)題答案

第三章習(xí)題數(shù)線據(jù)總0E數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)輸入程序，設(shè)芯片端口地址為300H#include<dos.h>;{}數(shù)據(jù)輸出程序，設(shè)向地址為300H的端口輸出64H的數(shù)據(jù)#include<stdio.h>{}3答：為了提高模擬量輸入信號(hào)的頻率范圍，以適應(yīng)某些隨時(shí)間變化較快的信號(hào)的要求，可采用帶有保持電路的采樣器，即采樣保持器。當(dāng)被測(cè)信號(hào)變化緩慢時(shí)，若A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間足夠短，可以不加采樣保持器。4答：{outportb(0x303,0x92);//8255控制字10010010{return;{//取高8位初始化8255A,使8255A的A、B和C口都為輸出口。//為D/A準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鎖存到第一級(jí)鎖存器。數(shù)據(jù)鎖存到第二級(jí)鎖存器。退出鎖存狀態(tài)。return;6答：無源I/U變換電路二極管限流、輸出保護(hù)，電容濾波，電阻R2將電流轉(zhuǎn)換為電壓。有源I/U變換電路電容濾波，電阻R1將電流轉(zhuǎn)換為電壓，同相放大電路將電壓轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)電壓。第四章習(xí)題1答：零階保持器法后向差分法得：y(k)=0.03e(k)+1.83y(k-1)-0.83y(雙線性變換法得(1)后向差分整理可得(2)雙線性變換法整理可得(3)需根據(jù)不同被控對(duì)象，結(jié)果不同。5答：由于微型計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)只能采用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID控制算法離散化，變?yōu)椴罘址匠蹋员阌趯?shí)現(xiàn)。要有相當(dāng)短的采樣周期。采樣周期越小，離散后的數(shù)字控制器性能越接近原來的模擬調(diào)節(jié)器。6答：根據(jù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理，采樣周期必須滿足，其中為被采樣的連續(xù)信號(hào)的最高頻率。因此香農(nóng)(Shannon)采樣定理給出了選擇采樣周期的上限。從理論上講，采樣周期越小，失真越小。但是從控制器本身而言，大都是依靠偏差信號(hào)e(k)進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算的。當(dāng)采樣周期T太小時(shí)，偏差信號(hào)e(k)也會(huì)過小，此時(shí)計(jì)算機(jī)將會(huì)失去調(diào)節(jié)作用，采樣周期T過長(zhǎng)又會(huì)引起誤差。因此，采樣周期T的確定必須綜合考慮。影響采樣周期T的因素有：(1)加至被控對(duì)象的擾動(dòng)頻率：擾動(dòng)頻率愈高，采樣頻率也應(yīng)相應(yīng)提高，即采樣周期縮短。(2)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性：根據(jù)被控對(duì)象的特性，快速系統(tǒng)的T應(yīng)取小，反之取大些。(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型：執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣性大，采樣周期相應(yīng)要大一些，否則，執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及反應(yīng)控制(4)控制算法的類型：從計(jì)算機(jī)能精確執(zhí)行控制算式來看，T應(yīng)選大些。因?yàn)橛?jì)算機(jī)字長(zhǎng)有限，T過小，偏差e(k)可能很小，甚至為0,調(diào)節(jié)作用減弱，各微分、積分作用不明顯。7答：加上積分調(diào)節(jié)的目的主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。PI調(diào)節(jié)器對(duì)偏差的階躍響應(yīng)除按比例變化的部分外，還有積分累計(jì)的部分。只要偏差不為零，則積分環(huán)節(jié)有累計(jì)輸出，以減小偏差，直至使偏差為零，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI,TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。8答：積分調(diào)節(jié)作用的加入，雖然可以消除靜差，但卻降低了響應(yīng)速度。為了加快響應(yīng)速度，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，不但對(duì)偏差量作出及時(shí)反應(yīng)(即P作用),而且對(duì)偏差量的變化速率作出反應(yīng)，即按偏差變化的趨勢(shì)進(jìn)行控制，使偏差消滅于萌芽狀態(tài)。PI控制。10答：(1)比例系數(shù)Kp對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能的影響增大比例系數(shù)Kp,將增強(qiáng)比例作用，一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在系統(tǒng)有靜差的情況下，有利于減小靜差；但Kp過大時(shí)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。值得說明的是，增大Kp只是減小靜差，卻不能完全消除靜差。(2)積分時(shí)間常數(shù)TI對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能的影響減小積分時(shí)間常數(shù)I,將增強(qiáng)積分作用，加快消除系統(tǒng)靜差，提高系統(tǒng)的控制精度；但TI太小，將會(huì)產(chǎn)生超調(diào)、并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。(3)微分時(shí)間常數(shù)7D對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能的影響增大微分時(shí)間常數(shù)7D,將增強(qiáng)微分作用，減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，改善動(dòng)態(tài)性能。11答：(1)增量型算法不需做累加，計(jì)算誤差后產(chǎn)生的計(jì)算精度問題，對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。位置型算法用到過去的誤差的累加，容易產(chǎn)生較大的累加誤差。(2)增量型算法得出的是控制的增量，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)影響系統(tǒng)的工作。位置型算法的輸出是控制量的全部輸出，誤動(dòng)作影響大。(3)采用增量型算法，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。12答：13答：根據(jù)數(shù)字PID控制器公式，整理可得14答：增大比例系數(shù)Kp,將增強(qiáng)比例作用，一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在系統(tǒng)有靜差的情況下，有利于減小靜差；但Kp過大時(shí)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。值得說明的是，增大Kp只是減小靜差，卻不能完全消除靜差。15答：在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于負(fù)載的突變，如開工、停工、或給定值的突變等，都會(huì)引起偏差的階躍，即|e(k)|增大。因而，計(jì)算出的位置式PID輸出u(k)將急驟增大或減小，以至超過閥門全開(或全關(guān))時(shí)的輸入量umax(或umin)。此時(shí)的實(shí)際控制量只能限制在umax(或umin),而不是實(shí)際計(jì)算值。此時(shí)，雖然系統(tǒng)輸出u(k)在不斷上升，但由于控制量受到限制，其增加速度減慢，偏差e(k)將比正常情況下持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間保持在正值，使積分項(xiàng)有較大的積累值。當(dāng)被控量超過給定值r(t)后，開始出現(xiàn)負(fù)偏差，但由于積分項(xiàng)累計(jì)值很大，還要經(jīng)過相當(dāng)一段時(shí)間之后，控制量u(k)才能脫離飽和區(qū)。這樣就使系統(tǒng)的輸出出現(xiàn)明顯的超調(diào)。很明顯，在位置式PID算法中，飽和現(xiàn)象主要是由積分項(xiàng)引起的，所以稱之為“積分飽和”。這種現(xiàn)象引起大幅度的超調(diào)，使系統(tǒng)不穩(wěn)定?？朔椒ǎ河鱿尴醴e分法、積分分離法。16答：湊試法、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法、歸一參數(shù)整定法等。湊試法：湊試法是通過模擬實(shí)驗(yàn)或系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行(允許的條件下)記錄觀察系統(tǒng)對(duì)典型輸入信號(hào)的響應(yīng)曲線，如階躍響應(yīng)曲線。然后根據(jù)控制效果及各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的控制影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的系統(tǒng)響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法：用湊試法確定PID參數(shù)，必須進(jìn)行多次模擬或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，過程繁瑣。為了減少湊試次數(shù)，我們可以利用在PID參數(shù)選擇過程中取得的經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)一定的控制要求先做一些實(shí)驗(yàn)，以獲得相應(yīng)的基本參數(shù)，然后按照經(jīng)驗(yàn)公式，由這些基本參數(shù)推導(dǎo)計(jì)算出PID參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。歸一參數(shù)整定法：只要整定一個(gè)參數(shù)Kp。改變Kp,觀察控制效果，直到滿意為止。該方法為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的自整定控制帶來方便17答：用差分法離散可得：u(k)=u(k-1)+a?e(k)-a?e(k-1)+a?e(k-2),,1答：數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)步驟：第一步設(shè)計(jì)近似認(rèn)為的模擬控制器D(s);第二步選擇采樣周期T;第三步將D(s)離散化為D(z);第四步設(shè)計(jì)由微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法；第五步校驗(yàn)。特點(diǎn)是這種方法在被控對(duì)象的特性不太清楚的情況下，人們可以充分利用技術(shù)成熟的連續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)(如PID控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)),并把它移植到微型計(jì)算機(jī)上予以實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到滿意的控制效果。但是模擬化設(shè)計(jì)技術(shù)要求相當(dāng)短的采樣周期，因此只能實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的控制算法。數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)步驟：第一步根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求和其它約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)φ(z);第二步求廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)G(z);第三步求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z);第四步根據(jù)D(z),求取控制算法的遞推計(jì)算公式。特點(diǎn)是當(dāng)所選擇的采樣周期比較大或?qū)刂瀑|(zhì)量要求比較高時(shí)，必須從被控對(duì)象的特性出發(fā)，直接根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論(采樣控制理論)來設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，這類方法稱為數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法，或稱離散化設(shè)計(jì)方法。直接設(shè)計(jì)方法比模擬化設(shè)計(jì)方法具有更一般的意義，它完全是根據(jù)采樣系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析與綜合，并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律。2答：所謂最少拍控制，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于某種特定的輸入在最少個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到無靜差的穩(wěn)態(tài)。應(yīng)滿足系統(tǒng)的準(zhǔn)確性要求、快速性要求、穩(wěn)定性要求及在物理上的可實(shí)現(xiàn)要求。3答：4答：5答：6答：(3)有波紋=0.54z-1-0.32z-2+0.40z3-0.12z?+0無波紋=0.38z-1+0.02z-2+0.09z-3+0.09z?+.(4)有波紋無波紋8答：10答：11答：系統(tǒng)滿足無紋波設(shè)計(jì)的必要條件，12答：13答：缺點(diǎn)：對(duì)不同輸入類型的適應(yīng)性差、對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化過于敏感、控制作用易超出限定范圍。14答：如果φ。(z)的極點(diǎn)在z平面的負(fù)實(shí)軸上，且與z=一1點(diǎn)相近，那么數(shù)字控制器的輸出序列u(k)中將含有這兩種幅值相近的瞬態(tài)項(xiàng)，而且瞬態(tài)項(xiàng)的符號(hào)在不同時(shí)刻是不相同的。當(dāng)兩瞬態(tài)項(xiàng)符號(hào)相同時(shí)，數(shù)字控制器的輸出控制作用加強(qiáng)，符號(hào)相反時(shí)，控制作用減弱，從而造成數(shù)字控制器的輸出序列大幅度波動(dòng)。振鈴現(xiàn)象會(huì)增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損。先找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(z=一1附近的極點(diǎn)),然后令其中的z=1,根據(jù)終值定理，這樣處理不影響輸出量的穩(wěn)態(tài)值。有振鈴現(xiàn)象，消除振鈴可得16答：對(duì)象是一階的，根據(jù)書上公式整理可得無振鈴現(xiàn)象。17答：對(duì)象是一階的，根據(jù)書上公式整理可得無振鈴現(xiàn)象。1答：設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)地補(bǔ)償在模型階次、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知變化的控制器。這就是自適應(yīng)控制的任務(wù)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)需要不斷地測(cè)量系統(tǒng)的狀態(tài)性能或參數(shù)，利用系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行指標(biāo)與期望的指標(biāo)相比較，進(jìn)而作出決策以改變控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或根據(jù)自適應(yīng)律來改變控制作用，以保證系統(tǒng)運(yùn)行在某種意義下的最優(yōu)或次最優(yōu)狀態(tài)。2答：模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)：在這個(gè)系統(tǒng)中，采用了一個(gè)稱為參考模型的輔助系統(tǒng)。加到可調(diào)系統(tǒng)的參考輸入r同時(shí)也加到這個(gè)參考模型輸入端，參考模型的輸出或狀態(tài)可以用期望的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)。為了比較期望的性能指標(biāo)和可調(diào)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的性能指標(biāo)，可用減法器將參考模型和可調(diào)系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)直接相減，得到廣義誤差信號(hào)e。自適應(yīng)機(jī)構(gòu)按一定的規(guī)則利用廣義誤差信號(hào)來修改可調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)，或產(chǎn)生一個(gè)輔助輸入信號(hào)，使廣義誤差的某個(gè)泛函指標(biāo)達(dá)到極小。當(dāng)可調(diào)系統(tǒng)特性與參考模型特性漸近逼近，廣義誤差就趨于極小或下降為零，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。自校正控制系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是必須對(duì)過程或被控對(duì)象進(jìn)行在線辨識(shí)(遞推參數(shù)估計(jì)),然后用過程參數(shù)的估計(jì)值和事先規(guī)定的性能指標(biāo)，在線地綜合出調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)，并根據(jù)此控制參數(shù)產(chǎn)生的控制作用對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。經(jīng)過多次的辨識(shí)和綜合調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)漸近地趨于最優(yōu)。3答：與PID控制相比，模糊控制的優(yōu)點(diǎn)：(1)模糊控制可以應(yīng)用于具有非線性動(dòng)力學(xué)特征的復(fù)雜系統(tǒng)。(2)模糊控制不用建立對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型。(3)模糊控制系統(tǒng)的魯棒性好。(4)模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識(shí)模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法。4答：模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟如下。模糊控制器的結(jié)構(gòu)、定義輸入、輸出模糊集、定義輸入、輸出隸屬函數(shù)、建立模糊控制規(guī)則、建立模糊控制表、模糊推理、精確化過程。5答：自適應(yīng)PID控制其控制效果的好壞取決于辨識(shí)模型的精確度，這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。模糊自適應(yīng)PID控制運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息(如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始PID參數(shù)等)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況(即專家系統(tǒng)的輸入條件),運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。1答：?jiǎn)栴}定義、程序設(shè)計(jì)、手編程序、查錯(cuò)、測(cè)試。2答：節(jié)約硬件成本、可靠穩(wěn)定、功能強(qiáng)、方便靈活、不會(huì)丟失原始數(shù)據(jù)。4答：為了保證測(cè)量參數(shù)能有線性輸出，需要引入非線性補(bǔ)償，將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化成線性的，這種轉(zhuǎn)化過程稱為線性化處理。方法有：計(jì)算法、插值逼近法、折線近似法。當(dāng)參數(shù)間的非線性關(guān)系可以用數(shù)學(xué)方程式來表示時(shí)，采用計(jì)算法。當(dāng)參數(shù)間的非線性關(guān)系以某種數(shù)據(jù)表格給出，采用插值逼近法。當(dāng)參數(shù)間的非線性關(guān)系以某種曲線描述出來，采用折線近似法。//函數(shù)名：ComplexFilter//出口參數(shù)：濾波值//描述：先排序，后求和，再取平均{{//定義臨時(shí)中間變量//6次循環(huán)//如果前一個(gè)數(shù)大于后一個(gè)數(shù)，則相互交換數(shù)值temp=temp+*(X+i)//求中間3個(gè)采樣值的累加和returntemp;//返回平均值6答：//入口參數(shù)：Xn-過去采樣值，Yn1-當(dāng)前采樣值，Zn1-當(dāng)前采樣值//出口參數(shù)：濾波值//描述：按公式計(jì)算濾波值，并返回doubleFilter(doubleYn1,doubl{//函數(shù)名：Line//入口參數(shù)：U-輸入量//出口參數(shù)：線性化值//描述：按公式線性化，并返回doubleLine(doubleU){是否否否是是是//入口參數(shù)：*Y-采樣值地址//出口參數(shù)：遇限削弱PID算法的結(jié)果//比例系數(shù)//積分系數(shù)//微分系數(shù)//控制器輸出上限//控制器輸出下限//設(shè)定值//前一次計(jì)算控制量輸出doubleWeakenedPID(doubledoubleresul//求取偏差//k時(shí)刻的比例項(xiàng)//k時(shí)刻的積分項(xiàng)result=PPk+PIk+PDk;//計(jì)算積分項(xiàng)}(2)MCGS(MonitorandControlGen循C/VB語言規(guī)范。它與編程語言相關(guān)，6答：用來分配、管理和監(jiān)控用戶對(duì)WinCC組態(tài)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)的訪問權(quán)限。第九章習(xí)題1答：安全性與可靠性、操作維護(hù)方便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、通用性好。2答：分析問題和確定任務(wù)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。3答：(1)模擬信號(hào)輸人范圍、被采集信號(hào)的分辨率。(3)模擬輸入信號(hào)的特性是什么,是否經(jīng)過濾波，信號(hào)的最高頻率是多少。4答：/*編譯環(huán)境：Keil7.50Ac51*//**********************************************/*********************************包含頭文件********************************//*********************************數(shù)碼管表格********************************//******************************************************************函數(shù)功能：延時(shí)子程序入口參數(shù)：出口參數(shù):*******************************************************************}入口參數(shù):i{}入口參數(shù)：出口參數(shù)：voidkeyscan(voi//掃描第一行{//掃描第四行{函數(shù)功能：主程序入口參數(shù)：出口參數(shù):第十章習(xí)題1答：固有可靠性、工作可靠性、可靠度、失效率、平均壽命、平均修復(fù)時(shí)間和利用率。2答：構(gòu)成電磁干擾必須同時(shí)具備三個(gè)要素：電磁干擾源、電磁干擾的耦合途徑、電磁干擾的敏感設(shè)備4答：(1)DCS是個(gè)大系統(tǒng)，其控制器功能強(qiáng)，而且在系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴(kuò)容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理2~5次，提高到FCS的每秒10~20次，從而改善調(diào)節(jié)性能。(7)與(6)同樣理由，F(xiàn)CS可以減少大量電纜與敷設(shè)電纜用的橋架等，同時(shí)也節(jié)省了設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)費(fèi)用，有專家認(rèn)為可以節(jié)省6