微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答案

微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答案微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答案微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答案第一章（緒論）作業(yè)1.1什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)？它由哪幾部分組成？答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制的系統(tǒng)。、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程兩個(gè)大部分組成。工業(yè)控制機(jī)是指按生產(chǎn)過(guò)程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，它包括硬件和軟件兩部分。生產(chǎn)過(guò)程包括被控對(duì)象、測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開(kāi)關(guān)裝置。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖見(jiàn)書(shū)本第2頁(yè)（圖）。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式有哪些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：（1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈便，安全。缺點(diǎn)：由人工操作，速度碰到限制，不能夠控制多個(gè)對(duì)象。（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDS）優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性好，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)。（3）督查控制系統(tǒng)（SCC）優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)過(guò)程向來(lái)處于最優(yōu)工況。（4）分別控制系統(tǒng)（DCS）優(yōu)點(diǎn)：分別控制、集中操作、分級(jí)管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)。（5）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）優(yōu)點(diǎn)：與DCS比較，降低了成本，提高了可靠性。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致后，可實(shí)現(xiàn)真切的開(kāi)放式互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1.4工業(yè)控制機(jī)由哪幾部分組成？各部分的重要作用是什么？工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)是什么？答：工業(yè)控制機(jī)主要由以下幾部分組成：1、硬件組成（1）主機(jī)板：進(jìn)行必要的數(shù)值計(jì)算，邏輯判斷，數(shù)據(jù)辦理。（2）內(nèi)部總線：內(nèi)部各部分進(jìn)行信息傳達(dá)的公共通道，是一組信號(hào)線的會(huì)集（3）外面總線：與其他計(jì)算機(jī)和智能設(shè)備進(jìn)行信息傳達(dá)的公共通道。（4）人--機(jī)接口5）系統(tǒng)支持功能：監(jiān)控準(zhǔn)時(shí)器、電源掉電檢測(cè)、保護(hù)重要數(shù)據(jù)的后臺(tái)積蓄器體、實(shí)時(shí)間歷時(shí)鐘、磁盤(pán)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(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)換執(zhí)行程序。2）支持軟件：匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、編譯程序、編寫(xiě)程序、調(diào)試程序、診斷程序。3）應(yīng)用軟件：過(guò)程輸入程序、過(guò)程控制程序、過(guò)程輸出程序、人—機(jī)接口出程序。工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)以下（1）可靠性高和克維修性好（2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)（3）控制的實(shí)時(shí)性好（4）晚含的輸入輸出通道（5）豐富的軟件（6）合適的計(jì)算精度和運(yùn)算速度第二章（輸入輸出接口與過(guò)程通道）作業(yè)2.1什么是接口、接口技術(shù)和過(guò)程通道？答：接口是計(jì)算機(jī)與外設(shè)交換信息的橋梁，包括輸入接口和輸出接口。接口技術(shù)是研究計(jì)算機(jī)與外面設(shè)備之間如何交換信息的技術(shù)。過(guò)程通道是計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程之間設(shè)置的信息傳達(dá)和變換的連接通道。2.2采用74LS244和74LS273與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口，設(shè)計(jì)8路數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）輸入接口和8路數(shù)字量輸出接口。請(qǐng)畫(huà)出接口電路原理圖，并分別編寫(xiě)數(shù)字量輸入與輸出程序。答：電路原理圖見(jiàn)書(shū)本第19頁(yè)（圖2.1和圖）。數(shù)字量輸入程序（設(shè)片選端口地址為port）：MOVDX，portINAL,DX數(shù)字量輸出程序：MOV

AL,DATAMOV

DX,portOUT2.3用8位

DX，ALA/D變換器

ADC0809

經(jīng)過(guò)

8255A

與PC

總線工業(yè)控制接口，實(shí)現(xiàn)

8路模擬量的采集，請(qǐng)畫(huà)出接口原理圖，并設(shè)計(jì)出答：原理圖見(jiàn)書(shū)本上第28頁(yè)（圖

8路模擬量的數(shù)據(jù)采集程序。）。路模擬量采樣程序：ADC0809PROCNEARMOVCX,8CLDMOVBL,00HLEADI,DATABUFNEXT:MOVDX,02C2HMOVAL,BLOUTDX,ALINCDXMOVAL,00000111B//輸入啟動(dòng)信號(hào)OUTDX,ALDECDXNOSC:INAL,DXTESTAL,80HJNZNOSC//NOEOC:INAL,DXTESTAL,80HJZNOEOC//EOC=0，等待MOVDX,02C0H//讀變換結(jié)果INAL,DXSTOSDATABUFINCBL//更正模擬通道地址LOOPNEXTRETADC0809ENDP2.5請(qǐng)分別畫(huà)出一個(gè)有源

I/V

變換電路和一個(gè)無(wú)源

I/V

變換電路圖。并分別說(shuō)明各個(gè)器件的作用。答：有源變換電路見(jiàn)書(shū)本上第

32頁(yè)（圖

）：同相放大器電路把電阻

R1上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓（放大倍數(shù)為

A1

R4）；R3極性電容

C能起到濾波作用，防范高頻的攪亂；R5為平衡電容。無(wú)源變換電路見(jiàn)書(shū)本上第31頁(yè)（圖極性電容C起濾波的作用；

）：二極管

D起限幅保護(hù)作用（當(dāng)輸出電壓大于

5V

時(shí)，D

導(dǎo)通減少流過(guò)

R2

的電流從而降低

R2上的電壓，保證輸出不高出

5V）；2.6什么是采樣過(guò)程？量化，孔徑時(shí)間？答：采樣過(guò)程：按必然的時(shí)間間隔T，把時(shí)間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成在時(shí)刻0，T，2T，、、、、、、kT的一連串脈沖輸出信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為采樣過(guò)程。量化：采用一組數(shù)碼來(lái)逼近失散模擬信號(hào)的幅值，將其變換為數(shù)字信號(hào)?？讖綍r(shí)間：在模擬輸入通道中，A/D變換器將模擬信號(hào)變換成數(shù)字量總需要必然的時(shí)間，完成一次A/D變換所需要的時(shí)間稱(chēng)為孔徑時(shí)間。2.7采樣保持器的作用是什么？可否所有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(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，可以采用帶有保持器電路的采樣器。當(dāng)被測(cè)信號(hào)變化很慢時(shí)，若A/D變換器時(shí)間足夠短，可以不加采樣保持器。2.8一個(gè)8位A/D變換器，孔徑時(shí)間為100s。若是要求變換誤差在A/D變換精度（0.4%）內(nèi)，求同意變換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率是多少？解：f6.4HZ*100*1026*102s2.9試用8255A、AD574、LF398、CD4051和PC總線工業(yè)控制機(jī)接口設(shè)計(jì)出8路模擬量采集系統(tǒng)，請(qǐng)畫(huà)出接口電路原理圖，并編寫(xiě)相應(yīng)8路模擬量數(shù)據(jù)采集程序。答：原理圖見(jiàn)書(shū)本上第36頁(yè)（圖）。數(shù)據(jù)采集程序以下：設(shè)8255A的地址為2C0H—2C3H，主過(guò)程已對(duì)8255A初始化，且已裝填DS、ES（兩者段基值相同），采樣值村入數(shù)據(jù)段中的采樣值緩沖區(qū)BUF。其8通道數(shù)據(jù)采集的程序見(jiàn)書(shū)本上第37（圖）。AD574APROCNEARCLDLEADI,BUFMOVBL,00000000B//MOVCX,8ADC:MOVDX,2C2HMOVAL,BLOUTDX,ALNOPNOPORAL,01000000BOUTDX,ALANDAL,10111111BOUTDX,ALMOVDX,2C0HPULLING:INAL,DXTESTAL,80HJNZPULLINGMOVAL,BLORAL,00010000BMOVDX,2C2HOUTDX,ALORAL,01000000BOUTDX,ALMOVDX,2C0HINAL,DXANDAL,0FHMOVAH,ALINCDXINAL,DXSTOSWINCBLLOOPADCMOVAL,00111000BMOVDX,2C2HOUTDX,ALRETADC574AENDP2.10采用DAC0832和PC總線工業(yè)控制機(jī)接口，請(qǐng)畫(huà)出接口電路原理圖，并編寫(xiě)D/A變換程序。答：原理圖見(jiàn)書(shū)本上第41頁(yè)（圖）。若DAC0832的片選地址為200H,則8位2進(jìn)制數(shù)6DH變換為模擬電壓的接口程序?yàn)椋篗OVDX，200HMOVAL，6DHOUTDX，ALHLT2.12請(qǐng)分別畫(huà)出D/A變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(shù)字兩之間的關(guān)系式。解：D/A變換器的單極性和雙極性輸出電路見(jiàn)書(shū)本上第44頁(yè)（圖）。VOUT1為單極性輸出，若D為輸入數(shù)字量，VREF為基準(zhǔn)參照電壓，且為n位D/A變換器，則有VOUT1VREF*D2n；VOUT2為雙極性輸出，能夠推出：VOUT2R3*VREFR3*VOUT1)VREF*(D1)(R22n1R12.13采用DAC0832、運(yùn)放、CD4051等元件與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口，設(shè)計(jì)8路模擬量輸出系統(tǒng)，請(qǐng)畫(huà)出接口電路原理圖，并編寫(xiě)8路模擬量輸出的程序。答：原理圖見(jiàn)書(shū)本上第48頁(yè)（圖）。設(shè)8個(gè)輸出數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存數(shù)據(jù)段BUF0—BUF7這8個(gè)連續(xù)單元中，主過(guò)程已經(jīng)填裝DS，輸出子程序以下：DOUTPROCNEARMOVBX,OFFSETBUFNEXT:MOVAL,[BX]OUTDX,ALINCDXOUTDX,ALCALLDELAYINCAHDECDXLOOPNEXTRETDOUTENDP其中DELAY是一段延時(shí)程序。第四章（常例及復(fù)雜控制技術(shù)）作業(yè)4.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)步驟是什么？答：1、設(shè)計(jì)家鄉(xiāng)的連續(xù)控制器D（S）2、選擇采樣周期T3、將D（S）失散化為D（Z）4、設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法5、校驗(yàn)4.2某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計(jì)為U(s)1T1sD(s)1T2sE(s)試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求出數(shù)字控制器D（Z），并分別給出三種方法對(duì)應(yīng)的遞推控制算法。答：雙線形變換法：由s2z1帶入D（s）表達(dá)式中獲?。篢z112T1z1(T2T1)(T2T1)z1D(z)Tz1T2z1(T2T2)(T2T2)z112Tz1進(jìn)一步利用D(z)U(z)獲取：E(z)U(z)(T2T2)(T2T2)z1U(z)E(z)(T2T1)(T2T1)z1E(z)所以：u(k)1[(T2T1)e(k)(T2T1)e(k1)(T2T2)u(k1)]T2T2前向差分法：將sz1代入D（s）中獲?。篢T1zTT1T1(TT1)zD(z)T2(TT2)zT2zTT2

11所以：u(k)1[T1e(k)(TT1)e(k1)(TT2)u(k1)]T2后向差分法：將z1s代入D（s）中獲取：Tz1T1z1TT1T1z1D(z)Tzz1T21TTTz1Tz22所以：u(k)1[T2u(k1)(TT1)e(k)T1e(k1)]TT24.3什么是數(shù)字PID地址控制算法和增量型控制算法？試比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。答：數(shù)字PID地址控制算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：u(k)KTke(k)e(k)e(k1)[e(k)T]pTIi0DT數(shù)字PID增量型控制算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：u(k1)KP[e(k1)Tke(i)TDe(k1)e(k2)]TIi0Tu(k)u(k)u(k1)這種數(shù)字PID算法的比較以下：1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與近來(lái)幾次誤差采樣值有關(guān)，計(jì)算誤差對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。而地址型的算法要用到過(guò)去的誤差的累加值，簡(jiǎn)單產(chǎn)生大的累加誤差。2）增量型算法得出的是控制量的增量；而地址型算法獲取的控制兩的全量輸出，誤動(dòng)作影響很大。3）采用增量型算法，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。4.4已知模擬調(diào)治器的傳達(dá)函數(shù)為：D(s)U(s)10.17s，試寫(xiě)出相應(yīng)數(shù)字控制器的地址型和增量型控制算法，設(shè)采樣周期T=0.2S并以C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。答：依照D(s)U(s)10.17s，獲取du(t)u(t)de(t)e(t)E(s)1dtdt0.085u(k)u(k1)u(k)0.17e(k)e(k1)e(k),[T0.2s]TT令：u(k)5m1u(k1)10m1e(k)10me(k1)5m5m15m1u(k1)5mu(k2)10m1e(k1)10me(k2)5m15m15m1u(k)u(k)u(k1)5m[u(k1)u(k10m1[e(k)e(k20m112)]12)]e(k1)5m5m5m1所以：u(k)0.298[u(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(chǎn)生的？如何除掉？答：（1）由于長(zhǎng)時(shí)間的誤差或誤差過(guò)大，控制量高出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限地址，以致控制量誠(chéng)然在增大但是執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無(wú)動(dòng)作的現(xiàn)象稱(chēng)為積分飽和。2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性和誤差的長(zhǎng)時(shí)間存在時(shí)以致積分飽和現(xiàn)象的原因。3）除掉方法：0u(k)0對(duì)控制量限幅：比方令：u(k)u1u(k)u1過(guò)限削弱積分PID算法：若u(k1)u則只有當(dāng)e(k)時(shí)才將e(k)計(jì)入積分項(xiàng)；10若u(k1)1u則只有當(dāng)e(k)0時(shí)才將其計(jì)入積分項(xiàng)。第四章補(bǔ)充題1：求z變換（1）f(t)e2at（2）F(s)s3(s1)(s2)解：（1）失散化：f(k)e2akTF(z)1e2aTzze2aT1e2aTz1e2aTz1（2）F(s)s321(s1)(s2)s1s2所以：f(t)2ete2tf(k)2ekTe2kT失散化：21F(z)1eTz11e2Tz1第四章補(bǔ)充題2：求z反變換（1）F(z)z23z3(z0.5)(z0.8)（2）F(z)z(z1)2(z2)解：（1）由于Z變化的特別性，所以先要確定收斂域才能進(jìn)行反變換，從而與一個(gè)特定的信號(hào)相對(duì)應(yīng)起來(lái)。對(duì)于控制系統(tǒng)中假定信號(hào)為因果序列，用部分分式張開(kāi)發(fā)：F(z)z23z3(z0.5)(z0.8)119z1131z131510.5z110.8z1

z19131315zF(z)z2z12(z1)2(z2)(z1)2z2（2）z22z12z1(1z1)212z1第四章補(bǔ)充題3：求初值和終值。F(z)2zz2解：f(0)limF(z)2limz2zzf()lim(1z1)F(z)lim1)(z1)0z1z1z2第四章補(bǔ)充題4：用z變換求差分方程y(k2)4y(k1)3y(k)2ky(0)y(1)0解：第四章補(bǔ)充題5：求脈沖函數(shù)的z變換（1）G(s)1eTsk.(sa)(sb)s2）G(s)1eTsks.a)(sb)(skkk解：（1）(1eTs)[aba(ba)b(ab)]ssasbkkkG(z)(1z1)[ab1a(aaTb)1b(abTb)1]1z1ez1ezG1(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）依照香農(nóng)定律能夠計(jì)算出采樣周期的上限，其下限為計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制程序和輸入和輸出及A/D,D/A變換時(shí)間。2）給定值的變化頻率。3）被控對(duì)象的特點(diǎn)。4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。5）控制算法的種類(lèi)。6）控制的回路數(shù)。4.7試表達(dá)試湊法，擴(kuò)大臨界比力度法，擴(kuò)大響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。答：試湊法：只整定比率部分，將比率系數(shù)由小變大直至反應(yīng)快，超調(diào)小的曲線；(2)若（1）步不能夠滿足設(shè)計(jì)要求（靜差），加入積分環(huán)節(jié)，將積分時(shí)間TI由較大值開(kāi)始調(diào)整，并將（1）步獲取的比率系數(shù)調(diào)味原來(lái)的80%左右，見(jiàn)效TI直至靜差除掉；(3)若動(dòng)向過(guò)程性能不好，先置微分時(shí)間TD為0，今后增大至其滿意的結(jié)果。擴(kuò)大臨界比力度法：（1）選擇采樣周期為被控對(duì)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，減小比率度直至系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩。記下此時(shí)的臨界比率度P與臨界振蕩周期Tk；（3）選擇控制度，以模擬調(diào)治器為基準(zhǔn)，將DDC的控制見(jiàn)效與之比較（4）依照選定的控制度查表求得T,Kp,TI,TD的值。擴(kuò)大響應(yīng)曲線法：1）數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)中，手動(dòng)將被調(diào)量牢固在給定值周邊，突然改變給定植，給對(duì)象一個(gè)階躍信號(hào)；2）用記錄儀表記錄被調(diào)量在節(jié)約輸入下的整個(gè)變化過(guò)程的曲線3）在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間，被控對(duì)象時(shí)間參數(shù)c以及它們的比值c。查表獲取T,Kp,TI,TD的值。4.8數(shù)字控制器的失散化設(shè)計(jì)步驟是什么？答：（1）依照系統(tǒng)性能的指標(biāo)要求和其他拘束條件確定所需的閉環(huán)脈沖傳達(dá)函數(shù)G(z)2）依照式3）依照式

G(z)B(z)Z[H(sG)(s)]Z[1eTSG(s)]求出廣義對(duì)象的脈沖傳達(dá)函數(shù)A(z)sD(z)1(z)求得數(shù)字控制器的脈沖傳達(dá)函數(shù)G(z)1(z)（4）依照D(z)求取控制器算法的遞推形式miU(z)bziD(z)i0E(z)ni1azii1mnU(z)bziE(z)aziU(z)iii0i1mnu(k)beki(i)aui(ki)i0i14.9已知被控對(duì)象的傳達(dá)函數(shù)為Gc(s)10，采樣周期為T(mén)1s，采用零階保持器。要1)求：（1）針對(duì)單位速度輸入信號(hào)設(shè)計(jì)最小拍無(wú)紋波系統(tǒng)的D(z)，并計(jì)算輸出響應(yīng)y(k)、控制信號(hào)u(k)、誤差e(k)序列，畫(huà)出它們對(duì)