微型計算機控制技術課程復習資料

1、第一章（緒論）作業(yè)1.1 什么是計算機控制系統(tǒng)？它由哪幾部分組成？答：計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機來實現生產過程控制的系統(tǒng)。、計算機控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機和生產過程兩個大部分組成。工業(yè)控制機是指按生產過程控制的特點和要求而設計的計算機，它包括硬件和軟件兩部分。生產過程包括被控對象、測量變送、執(zhí)行機構、電氣開關裝置。計算機控制系統(tǒng)的組成框圖見書本第2 頁（圖 1.2）。1.2 計算機控制系統(tǒng)的典型形式有哪些？各有什么優(yōu)缺點？答：（ 1）操作指導控制系統(tǒng)優(yōu)點：結構簡單，控制靈活，安全。缺點：由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。（ 2）直接數字控制系統(tǒng)（ DDS）優(yōu)點：實時性好，可靠性高，適應

2、性強。 （ 3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（ SCC ）優(yōu)點：生產過程始終處于最優(yōu)工況。 （ 4）分散控制系統(tǒng)（ DCS ） 優(yōu)點：分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調。 （5）現場總線控制系統(tǒng)（ FCS ）優(yōu)點：與 DCS 相比，降低了成本，提高了可靠性。國際標準統(tǒng)一后，可實現真正的開放式互聯系統(tǒng)結構。1.4 工業(yè)控制機由哪幾部分組成？各部分的重要作用是什么？工業(yè)控制機的特點是什么？答：工業(yè)控制機主要由以下幾部分組成：1、硬件組成（ 1）主機板：進行必要的數值計算，邏輯判斷，數據處理。（ 2）內部總線：內部各部分進行信息傳遞的公共通道，是一組信號線的集合（ 3）外部總線：與其他計算機和智能設備

3、進行信息傳送的公共通道。 （4）人 -機接口 5）系統(tǒng)支持功能：監(jiān)控定時器、電源掉電檢測、保護重要數據的后臺存儲器體、實時日歷時鐘、磁盤系統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道。 2、軟件組成：（ 1）系統(tǒng)軟件：實時多任務操作系統(tǒng)、引導程序、調度執(zhí)行程序。（ 2）支持軟件：匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調試程序、診斷程序。（ 3）應用軟件： 過程輸入程序、過程控制程序、 過程輸出程序、人 機接口出程序。工業(yè)控制機的特點如下（ 1）可靠性高和克維修性好（ 2）環(huán)境適應性強（ 3）控制的實時性好（ 4）晚含的輸入輸出通道（5）豐富的軟件（6）適當的計算精度和運算速度第二章（輸入輸出接口與過程通道）作

4、業(yè)2.1 什么是接口、接口技術和過程通道？答：接口是計算機與外設交換信息的橋梁，包括輸入接口和輸出接口。接口技術是研究計算機與外部設備之間如何交換信息的技術。過程通道是計算機與生產過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。2.2 采用 74LS244 和 74LS273 與 PC 總線工業(yè)控制機接口，設計8 路數字量（開關量）輸入接口和 8 路數字量輸出接口。請畫出接口電路原理圖，并分別編寫數字量輸入與輸出程序。答：電路原理圖見書本第19 頁（圖 2.1 和圖 2.2）。數字量輸入程序（設片選端口地址為port ）：MOVDX ， portINAL,DX數字量輸出程序：MOVAL , DATAM

5、OVDX , portOUTDX ，AL2.3 用 8 位 A/D 轉換器 ADC0809 通過 8255A 與 PC 總線工業(yè)控制接口，實現8 路模擬量的1/13采集，請畫出接口原理圖，并設計出8 路模擬量的數據采集程序。答：原理圖見書本上第28 頁（圖 2.15）。8 路模擬量采樣程序：ADC0809 PROCNEARMOVCX,8CLDMOVBL , 00HLEADI , DA TABUFNEXT:MOVDX , 02C2HMOVAL,BLOUTDX,ALINCDXMOV AL , 00000111B /輸入啟動信號OUTDX,ALDECDXNOSC:INAL,DXTESTAL , 80

6、HJNZNOSC/NOEOC:INAL ,DXTESTAL ,80HJZNOEOC/EOC=0 ，等待MOVDX , 02C0H/ 讀轉換結果INAL,DXSTOSDATABUFINCBL/ 修改模擬通道地址LOOPNEXTRETADC0809 ENDP2.5 請分別畫出一個有源I/V 變換電路和一個無源I/V 變換電路圖。并分別說明各個器件的作用。答：有源變換電路見書本上第32 頁（圖 2.19）：同相放大器電路把電阻R1 上的輸入電壓變成標準的輸出電壓（放大倍數為A1R4 ）；R3極性電容 C 能起到濾波作用，防止高頻的干擾；R5 為平衡電容。無源變換電路見書本上第31 頁（圖 2.18）

7、：極性電容 C 起濾波的作用；二極管 D 起限幅保護作用（當輸出電壓大于5V 時， D 導通減少流過R2 的電流從而降低 R2 上的電壓，保證輸出不超過5V ）；2.6 什么是采樣過程？量化，孔徑時間？2/13答：采樣過程：按一定的時間間隔T，把時間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬信號轉變成在時刻 0， T ，2T ，、 kT 的一連串脈沖輸出信號的過程稱為采樣過程。量化：采用一組數碼來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉換為數字信號?？讖綍r間：在模擬輸入通道中， A/D 轉換器將模擬信號轉換成數字量總需要一定的時間，完成一次 A/D 轉換所需要的時間稱為孔徑時間。2.7 采樣保持器的作用是什么？是否所有

8、的模擬量輸入通道中都需要采樣保持器？為什么？答：為了提高模擬量輸入信號的頻率范圍，以適應某些隨時間變化較快的信號的要求，可以采用帶有保持器電路的采樣器。當被測信號變化很慢時，若A/D轉換器時間足夠短，可以不加采樣保持器。2.8 一個 8 位 A/D 轉換器， 孔徑時間為 100s 。如果要求轉換誤差在A/D 轉換精度 （ 0.4%）內，求允許轉換的正弦波模擬信號的最大頻率是多少？解：f0.46.4H Z*100*1026 *10 2 s2.9 試用 8255A 、AD574 、 LF398 、CD4051 和 PC 總線工業(yè)控制機接口設計出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

9、8 路模擬量數據采集程序。答：原理圖見書本上第36 頁（圖 2.25）。數據采集程序如下：設8255A 的地址為 2C0H 2C3H ，主過程已對8255A 初始化，且已裝填 DS 、ES（兩者段基值相同） ，采樣值村入數據段中的采樣值緩沖區(qū)BUF 。其 8 通道數據采集的程序見書本上第37（圖 2.26）。AD574APROCNEARCLDLEADI , BUFMOVBL , 00000000B /MOVCX,8ADC :MOVDX , 2C2HMOVAL,BLOUTDX,ALNOPNOPORAL , 01000000BOUTDX,ALANDAL , 10111111BOUTDX,ALMOV

10、DX , 2C0HPULLING: INAL,DXTESTAL , 80HJNZPULLINGMOVAL,BLORAL , 00010000BMOVDX , 2C2HOUTDX,ALORAL , 01000000B3/13OUTDX,ALMOVDX , 2C0HINAL,DXANDAL , 0FHMOVAH,ALINCDXINAL,DXSTOSWINCBLLOOPADCMOVAL , 00111000BMOVDX ,2C2HOUTDX,ALRETADC574AENDP2.10 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 D/A 轉換程序。答：原理圖見書本

11、上第41 頁（圖 2.29）。若 DAC0832 的片選地址為200H,則 8 位 2進制數 6DH 轉換為模擬電壓的接口程序為：MOVDX， 200HMOVAL，6DHOUTDX，ALHLT2.12 請分別畫出D/A 轉換器的單極性和雙極性電壓輸出電路，并分別推出輸出電壓與輸入數字兩之間的關系式。解： D/A 轉換器的單極性和雙極性輸出電路見書本上第44 頁（圖 2.33）。VOUT 1 為單極性輸出，若D 為輸入數字量， VREF 為基準參考電壓，且為n 位 D/A 轉換器，則有 VOUT 1VREF *D ；n2VOUT 2 為雙極性輸出，可以推出：VOUT 2( R3 * VREFR3

12、 * VOUT 1 ) VREF *(D1)R1R22n 12.13 采用 DAC0832 、運放、 CD4051等元件與 PC 總線工業(yè)控制機接口， 設計 8 路模擬量輸出系統(tǒng)，請畫出接口電路原理圖，并編寫8 路模擬量輸出的程序。答：原理圖見書本上第48 頁（圖 2.40）。設 8 個輸出數據存放在內存數據段BUF0 BUF7 這 8 個連續(xù)單元中，主過程已經填裝DS，輸出子程序如下：DOUTPROCNEARMOVBX , OFFSETBUFNEXT:MOVAL , BXOUTDX,AL4/13INCDXOUTDX,ALCALLDELAYINCAHDECDXLOOPNEXTRETDOUTEN

13、DP其中 DELAY 是一段延時程序。第四章（常規(guī)及復雜控制技術）作業(yè)4.1 數字控制器的連續(xù)化設計步驟是什么？答： 1、設計家鄉(xiāng)的連續(xù)控制器D（ S）2、選擇采樣周期T3、將 D（ S）離散化為D（ Z）4、設計由計算機實現的控制算法5、校驗4.2 某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設計為D ( s)U (s)1T1sE( s)1T2 s試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法 分別求出數字控制器D （Z ），并分別給出三種方法對應的遞推控制算法。答：雙線形變換法：由s2 z1 帶入 D（ s）表達式中得到：T1z1T z112(T2T1) (T2T1 ) z1D( z)T z1T2 z1(T 2T2 )

14、(T 2T2 ) z 112T z1進一步利用 D ( z)U ( z)得到：E( z)U ( z)(T2T2 )(T2T2 ) z 1U ( z) E( z)(T2T1)(T2T1 ) z 1E(z)所以： u(k )1(T2T1) e(k)(T 2T1 )e(k 1)(T 2T2 )u(k 1)T2T2前向差分法：將sz1代入 D（ s）中得到：TT1 z T T1T1(T T1 )z 1D( z)TTT(TT )z 1T z2222所以： u(k )1(TT1)e( k1) (TT2 )u(k1)T1e(k)T25/13后向差分法：將z1代入 D（ s）中得到：sTz1T1z1TT1T1

15、 z1D( z)Tzz1T21TTT z 1Tz22所以： u(k)11) (T T1 )e(k ) Te(1 k 1)TT2u( kT24.3 什么是數字PID 位置控制算法和增量型控制算法？試比較它們的優(yōu)缺點。答：數字 PID 位置控制算法的數學表達式為：u(k)K p e(k)Tke(k)TD e(k)e( k1) TI i 0T數字 PID 增量型控制算法的數學表達式為：u(k 1)K P e(kTke(k 1) e(k 2)1)e(i) TDTIi 0Tu( k)u(k ) u(k1)這種數字 PID 算法的比較如下：（ 1） 增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差

16、采樣值有關，計算誤差對控制量的計算影響較小。而位置型的算法要用到過去的誤差的累加值，容易產生大的累加誤差。（ 2） 增量型算法得出的是控制量的增量；而位置型算法得到的控制兩的全量輸出，誤動作影響很大。（ 3） 采用增量型算法，易于實現手動到自動的無沖擊切換。4.4 已知模擬調節(jié)器的傳遞函數為：D( s)U ( s)10.17 s ，試寫出相應數字控制器的位置型和增量型控制算法，設采樣周E (s)10.085s期 T=0.2S 并以 C 語言實現。答：根據 D (s)U ( s)10.17 s，得到 0.085 du(t)u(t ) 0.17 de(t)e(t)E(s)10.085sdtdt0.

17、085 u( k)u(k 1)u(k )0.17 e(k) e(k1)e( k), T0.2sTT令： m=0.085u(k)5m1u( k1)10m1 e( k)10 me( k1)5m5m15m15m10m11)10me( k 2)u(k 1)u(k2)e(k5m15m15m1u( k)u(k )u(k1)5mu(k1)u( k 2)10m1 e(k) e(k 2)20m1e( k 1)5m15m15m16/13所以： u(k)0.298u(k1)u( k2)1.298 e(k)e(k2)1.895e(k1)4.5 什么叫積分飽和？它是怎么樣產生的？如何消除？答：（ 1）由于長時間的偏差或

18、偏差過大，控制量超過執(zhí)行機構的極限位置，導致控制量雖然在增大但是執(zhí)行機構已無動作的現象稱為積分飽和。（ 2）執(zhí)行機構的非線性和偏差的長時間存在時導致積分飽和現象的原因。（ 3）消除方法：0u( k)0對控制量限幅：例如令：u(k)u1u(k )u1過限削弱積分PID 算法：若 u(k1)u1 則只有當 e(k )0 時才將 e(k ) 計入積分項；若u( k1)u1 則只有當 e( k)0 時才將其計入積分項。第四章補充題1：求 z 變換（1） f (t)e 2at（2） F ( s)s3( s 1)(s 2)解：（ 1）離散化：f (k )e 2akTF ( z)1e2aT z1ze 2 a

19、T1 e2aT z 1e2aT z（2） F ( s)s321( s1)(s2)s1 s2所以： f (t )2e te 2tf (k )2e kTe 2kT離散化：21F ( z)1e T z 11e 2T z 1第四章補充題2：求 z 反變換（1） F ( z)z23z3( z0.5)( z0.8)z（2） F ( z)( z1)2 ( z 2)解：（ 1）因為 Z 變化的特殊性，所以先要確定收斂域才能進行反變換，從而與一個特定的信號相對應起來。對于控制系統(tǒng)中假定信號為因果序列，用部分分式展開發(fā)：7/13z23z3z19131F ( z)315z0.8( z0.5)( z0.8)z0.5z

20、0.8119 z 1131 z 131510.5z 110.8 z 1F ( z)z2z12( z 1)2 (z 2)( z 1)2z 2（2）z 22z 12z 1(1z 1 )212z 1第四章補充題3：求初值和終值。F ( z)1.6z2zz20.8z0.5解： f (0)lim F (z)1.6 z21.6lim2zzzf ( )lim(1z 1 )F ( z)lim (1.6z 1)(z1)0z 1z1z20.8z 0.5第四章補充題4：用 z 變換求差分方程y(k 2) 4 y(k1)3y( k)2ky(0)y(1) 0解：第四章補充題5：求脈沖函數的z 變換（1） G ( s)1

21、e Ts.ksa)( sb)( s（ 2）8/13G(s)1eTs.ksa)(sb)( skkk解：（ 1）(1eTs)aba(ba)b(ab)ssasbkkkQ G( z)(1z 1 )aba(ab)b(a b)1 z 11 e aT z 11 e bT z 1G1( z)G2 ( z)（2） G ( z)G1 ( z)G2 ( z)14.6 采樣周期的選擇需要考慮什么因素？答：（ 1）根據香農定律可以計算出采樣周期的上限，其下限為計算機執(zhí)行控制程序和輸入和輸出及 A/D,D/A 轉換時間。（ 2）給定值的變化頻率。（ 3）被控對象的特性。（ 4）執(zhí)行機構的特性。（ 5）控制算法的類型。（

22、6）控制的回路數。4.7 試敘述試湊法，擴充臨界比力度法，擴充響應曲線法整定PID 參數的步驟。答：試湊法：(1) 只整定比例部分，將比例系數由小變大直至反應快，超調小的曲線；(2)若（ 1）步不能滿足設計要求（靜差），加入積分環(huán)節(jié)，將積分時間 TI由較大值開始調整， 并將（ 1）步得到的比例系數調味原來的80% 左右，見效 TI 直至靜差消除；(3)若動態(tài)過程性能不好，先置微分時間TD 為 0，然后增大至其滿意的結果。擴充臨界比力度法：（ 1）選擇采樣周期為被控對象純滯后的1 以下；10（ 2）用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。去掉積分和微分作用，減小比例度直至系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩。記下此時的臨界比例

23、度P 與臨界振蕩周期Tk ；（ 3）選擇控制度，以模擬調節(jié)器為基準，將DDC 的控制效果與之比較（ 4）根據選定的控制度查表求得T, Kp,TI ,TD 的值。擴充響應曲線法：（ 1） 數字控制器不接入控制系統(tǒng)中，手動將被調量穩(wěn)定在給定值附近，突然改變給定植，給對象一個階躍信號；（ 2） 用記錄儀表記錄被調量在節(jié)約輸入下的整個變化過程的曲線（ 3） 在曲線最大斜率處作切線， 求得滯后時間 ，被控對象時間參數 c 以及它們的9/13比值 c 。查表得到, ,TD 的值。TKp TI4.8 數字控制器的離散化設計步驟是什么？答：（ 1）根據系統(tǒng)性能的指標要求和其他約束條件確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數

24、G(z)（ 2）根據式 G(z) B(z) ZH(sG)(s) Z1 e TS G(s)求出廣義對象的脈沖傳遞函數A(z)s（ 3）根據式 D(z)1(z)G(z)1求得數字控制器的脈沖傳遞函數(z)（ 4）根據 D(z) 求取控制器算法的遞推形式miU(z)i 0bziD(z)nE(z)1aziii1miE(z)niU(z)U(z)bziazii 0i1mnu(k)bei(k i)aui(ki)i 0i 110，采樣周期為T，采用零階保持器。要4.9 已知被控對象的傳遞函數為Gc (s)1)1ss(0.1s求：（1）針對單位速度輸入信號設計最小拍無紋波系統(tǒng)的D(z) ，并計算輸出響應y(k)、控制信號 u(k) 、誤差 e(k)序列，畫出它們對時間的波形。（2）針對單位階躍輸入信號設計最小拍有紋波系統(tǒng)的D(z) ，并計算輸出響應y(k)、控制信號 u(k) 、誤差 e(k)序列，畫出它們對時間的波形。解:(1) 廣義對象