《計算機控制技術第3版》-于海生 習題解答

第一章緒論習題參考答案1.什么是計算機控制系統(tǒng)?其工作原理是怎樣的？圖為輸入量 輸入量 +輸出量控制器 DA執(zhí)行機構被控對象r–y計算機 AD 傳感變送工業(yè)控制機 生產過程計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下3個步驟的不斷重復：(1)實時數(shù)據(jù)采集：通過傳感器或變送器對被控量的瞬時值進行檢測，并經A/D輸入給計算機。(2)實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。(3)實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。人機接口模擬量輸入AI)接口與過程通道傳感變送主機模擬量輸出(AO)接口與過程通道執(zhí)行機構系統(tǒng)支持數(shù)字量輸入(D)接口與過程通道開關裝置磁盤系統(tǒng)數(shù)字量輸出(DO)接口與過程通道開關裝置通信接口脈沖量輸入(I)接口與過程通道脈沖裝置外部總線脈沖量輸出(O)接口與過程通道脈沖裝置被控對系統(tǒng)總2.計算機控制系統(tǒng)由哪幾部分組成?請畫出計算機控制系統(tǒng)的組成框圖。人機接口模擬量輸入AI)接口與過程通道傳感變送主機模擬量輸出(AO)接口與過程通道執(zhí)行機構系統(tǒng)支持數(shù)字量輸入(D)接口與過程通道開關裝置磁盤系統(tǒng)數(shù)字量輸出(DO)接口與過程通道開關裝置通信接口脈沖量輸入(I)接口與過程通道脈沖裝置外部總線脈沖量輸出(O)接口與過程通道脈沖裝置被控對系統(tǒng)總 工業(yè)控制機工業(yè)控制機生產過程象線計算機控制系統(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象線機構、開關裝置、脈沖裝置等。3.計算機控制系統(tǒng)的典型型式有哪些?各有什么優(yōu)缺點?線控制系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)。(1)操作指導控制系統(tǒng)優(yōu)點；結構簡單，控制靈活和安全。象。(2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)優(yōu)點：閉環(huán)結構，有負反饋。實時性好，可靠性高，適應性強。缺點：回路越多，硬件軟件越復雜。(3)監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)優(yōu)點：SCC系統(tǒng)可靠性高，生產過程始終處于最優(yōu)工況。SCC能進行較為復雜的控制，并能完成某些管理工作。上一級出現(xiàn)故障時，下一級仍可繼續(xù)執(zhí)行控制任務。缺點：系統(tǒng)硬件軟件更加復雜。(4)集散控制系統(tǒng)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。缺點：系統(tǒng)規(guī)模龐大且硬件軟件復雜。(5)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)高。缺點：系統(tǒng)規(guī)模較為龐大且硬件軟件復雜。(6)綜合自動化系統(tǒng)優(yōu)點：綜合自動化系統(tǒng)主要包括ERP、MES、PCS三層結構，涉及到計算機集成制造程決策、管理、優(yōu)化、調度、協(xié)調、網絡、智能、集成、控制的智能制造系統(tǒng)解決方案。缺點：因涉及智能制造系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能、規(guī)模非常龐大且硬件軟件非常復雜。4.實時、在線方式和離線方式的含義是什么?超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。(2)“在線”方式：在計算機控制系統(tǒng)中，如果生產過程直接與計算機連接，生產過程直接受計算機的控制，就叫做“聯(lián)機”方式或“在線”方式。(3)“離線”方式：若生產過程不直接與計算機相連接，其工作不直接受計算機的控制，而5.簡述計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況。答：1）計算機技術的發(fā)展過程在生產過程控制中采用數(shù)字計算機的思想出現(xiàn)在五十年代中期。最重要的工作開始于1956年3TRW航空工業(yè)公司合作進行計算機控制研究，以過三年的努力，設計出了一個采用RW-300計算機控制的聚合裝置的系統(tǒng)。TRW公司的這項開創(chuàng)性工作，為計算機控制技術的發(fā)展奠定了基礎。計算機技術的發(fā)展過程可按以下四個階段來描述：(1)開創(chuàng)時期(1955～1962年)早期的計算機使用電子管，體積龐大，價格昂貴，可靠性差，所以它只能從事一些操作指應，從而導致中斷技術的發(fā)明，使計算機能夠對更緊迫的過程任務及時做出反映。(2)直接數(shù)字控制時期(1962～1967年)早期的計算機控制按照監(jiān)督方式運行，屬于操作指導或設定值控制，仍需要常規(guī)的模擬控制裝置。1962年，英國的帝國化學工業(yè)公司利用計算機完全代替了原來的模擬控制。由于計算機直接控制過程變量，完全取代了原來的模擬控制，因而稱這樣的控制為直接數(shù)字控制，簡稱DDC(DirectDigitalControl)。采用DDC系統(tǒng)一次投資較大，而增加一個控制回路并不需要增加很多費用。靈活性是DDC可。DDC是計算機控制技術發(fā)展方向上的重大變革，為以后的發(fā)展奠定了基礎。(3)小型計算機時期(1967～1972年)整個六十年代計算機技術有了很大的發(fā)展，主要特點是它的體積更小，速度更快，工作可于小型機的出現(xiàn)，過程控制計算機的臺數(shù)迅速增長。(4)微型計算機時期(1972年至今)在1972年之后，由于微型計算機的出現(xiàn)和發(fā)展，計算機控制技術進入了嶄新的階段。在八算機控制系統(tǒng)。多媒體計算機的出現(xiàn)也將推動計算機控制技術的發(fā)展。采用微型計算機，已經制造出大量的分級遞階控制系統(tǒng)、分散型控制系統(tǒng)、專用控制器等，對工業(yè)的發(fā)展起到了巨大促進作用。與計算機的硬件相比，計算機的軟件的發(fā)展則要慢得多，在整個50年代至70年代，軟件生產的改進很有限。到70年代末，許多計算機控制系統(tǒng)仍采用匯編語言編程?，F(xiàn)在已采用了高級語言進行實時控制，如Forth、BASIC、Fortran、C、Pascal等語言，這是今后的發(fā)展方向。2）計算機控制理論的發(fā)展過程(1)采樣定理乃奎斯特首先證明，要把正弦信號從它的采樣值中復現(xiàn)出來，每周期至少必須采樣兩次。香農(Shannon)于1949散點上的值重現(xiàn)出來”這個問題。(2)差分方程采樣系統(tǒng)理論的最初起源與某些特殊控制系統(tǒng)的分析有關。奧爾登伯格(Oldenburg)和薩托里厄斯(Sartorius)于1948間系統(tǒng)的勞斯—霍爾維茲判據(jù)(Routh-Hurwitzcriterion)。(3)變換法由于拉氏變換理論已經成功地應用于連續(xù)時間系統(tǒng)中，人們自然想到為采樣系統(tǒng)建立一種類似的變換理論?；魻柧S茲于1947∞ZfkT =主????(??)?=0后來，這種變換由拉格茲尼(Ragazzini)和扎德(Zadeh)于1952年定義為Z變換。建立采樣理論的許多工作都是由美國哥倫比亞大學的拉格茲尼領導的研究小組來完成的。(4)狀態(tài)空間理論狀態(tài)空間理論的建立，來自許多數(shù)學家的共同努力，例如，萊夫謝茲(Lefchetz)、龐特里他建立了許多概念并解決了許多重要問題。(5)最優(yōu)控制與隨機控制五十年代后期，貝爾曼(1957年)與龐特里亞金等人(1962年)證明了許多設計問題都可以形式化為最優(yōu)化問題。六十年代初，隨機控制理論的發(fā)展，引出所謂線性二次型高斯(LQG)理論。(6)代數(shù)系統(tǒng)理論代數(shù)系統(tǒng)理論對線性系統(tǒng)理論有了更好的理解，并應用多項式方法解決特殊問題。(7)系統(tǒng)辨識與自適應控制奧斯特隆姆(?str?m)和威頓馬克(Wittenmark)等人在系統(tǒng)辨識與自適應控制方面做出了重器便是一個突出的例子。(8)先進控制技術先進控制技術主要包括模糊控制技術、神經網絡控制技術、專家控制技術、預測控制技術、術仍處于不斷發(fā)展和完善階段。6.簡要分析計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。答：(1)控制系統(tǒng)的數(shù)字化企業(yè)在精益理念、協(xié)同生產、高效執(zhí)行方面打造，打造透明工廠，通過設備互聯(lián)、協(xié)生命周期、工廠生命周期以及績效數(shù)據(jù)的有效集成，最終實現(xiàn)產品和生產的持續(xù)優(yōu)化循環(huán)。(2)控制系統(tǒng)的網絡化隨著計算機技術和網絡技術的迅猛發(fā)展，各種層次的計算機網絡在控制系統(tǒng)中的應用越來越無線網）過程中發(fā)生了根本變化，并最終逐步實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的網絡化（有線網、無線網）。(3)控制系統(tǒng)的智能化進的計算機控制系統(tǒng)，必將大大推動科學技術的進步和工業(yè)自動化系統(tǒng)的水平。(4)控制系統(tǒng)的扁平化絡能夠接入更多的設備。新一代計算機控制系統(tǒng)的結構發(fā)生了明顯變化,逐步形成兩層網絡的系統(tǒng)結構，使得整體系統(tǒng)出現(xiàn)了扁平化趨勢，簡化了系統(tǒng)的結構和層次。(5)控制系統(tǒng)的綜合化技術（ERP+MES+PCS）廣泛的應用到工業(yè)過程，借助于計算機的硬件、軟件技術，將企業(yè)生產全帶來更大的經濟效益。(6)控制系統(tǒng)的綠色化源、大幅提高利用效率，自動化系統(tǒng)實現(xiàn)清潔、低碳、安全、高效利用。第二章輸入輸出接口與過程通道習題參考答案1.什么是接口、接口技術和過程通道?接口是計算機與外部設備交換信息的橋梁，它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。模擬量輸出通道、數(shù)字量(開關量)輸入通道、數(shù)字量(開關量)輸出通道。2.采用74LS244和74LS273與PC/ISA8路數(shù)字量(開關量)輸入接口和8路數(shù)字量(開關量)輸出接口，請畫出接口電路原理圖，并分別編寫數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出程序。數(shù)字量(開關量)輸入接口電路原理圖如下：數(shù)字量輸入程序（設片選端口地址為DX，portIN AL， DX數(shù)字量(開關量)輸出接口電路原理圖如下：數(shù)字量輸出程序（設片選端口地址為port）AL， DX， portOUT DX，AL3.用8位A/D轉換器ADC0809與PC/ISA8口原理圖，并設計出8路模擬量的數(shù)據(jù)采集程序。接口原理圖如下：數(shù)據(jù)采集程序如下：ADC0809 PROCNEARMOVC,8;CLD;MOVBL,00H;設置ADC0809通道地址LEADI,MOVDX,020CHMOVAL,BLOUTDX,AL；ADC0809鎖存通道地址，并啟動AD轉換INCDXMOVAL,000000111B;OUTDX,ALNOPNOPNOPMOVAL,00000110BOUTDX,ALDECDXNOSC: INAL,DXTESTAL,80HJNZNOSC；EOC=1，未開始轉換，等待NOEOC: INAL,DXTESTAL,80HJZNOEOC；EOC=0，正在轉換，等待MOVDX02C0H；讀轉換結果INAL,DXSTOSINCBL；修改模擬通道地址LOOPRETADC0809ENDP4.用12位A/D轉換器AD574與PC/ISA總線工業(yè)控制機接口，實現(xiàn)模擬量采集。請畫出接口電路原理圖，并設計出A/D轉換程序。接口原理圖（AD574/AD1674）如下：A/D轉換程序如下：啟動子程序MOVDX,BASE+0OUTDX,ALNOPRET讀數(shù)子程序MOVDX,BASE+2IN AL,DXMOVAH,ALMOVDX,BASE+3IN AL,DXRET5.請分別畫出一路有源I/V變換電路和一路無源I/V①無源I/V變換無源I/V變換主要是利用無源器件電阻來實現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護措施，如圖所示。對于0～10mAR2I為0～10mA電流時，輸出的V為0～5V.對于4～20mA輸入信號，可取R１=100Ω，R2=250Ω，且R2為精密電阻，這樣當輸入的I為4～20mA時，輸出的V為1～5V。②有源I/V變換有源I/V變換主要是利用有源器件運算放大器、電阻組成，如圖所示。R2為精密電阻阻值為25Ω通過取樣電阻R將電流信號轉換為電壓信號取精密電阻R=1Ω，Rf設定為4.KΩ精密多圈電位器，通過調整Rf的值，可使0～10A輸入對應于0～5V的電壓輸出，～2mA輸入對應于～5V的電壓輸出。6.什么是采樣過程、量化、孔徑時間?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、…、所謂量化，就是采用一組數(shù)碼(如二進制碼)來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉換為數(shù)字信號。將采樣信號轉換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程，執(zhí)行量化動作的裝置是A/D轉換器。在模擬量輸入通道中，A/D轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字量總需要一定的時間，完成一次A/D轉換所需的時間稱之為孔徑時間。7.采樣保持器的作用是什么?是否所有的模擬量輸入通道中都需要采樣保持器?為什么?持電路的采樣器，即采樣保持器。當被測信號變化緩慢時，若A/D轉換器轉換時間足夠短，可以不加采樣保持器。8.一個8位A/DA/D轉換器的轉換精度(0.4%)內，求允許轉換的正弦波模擬信號的最大頻率是多少?f 0.42100106102s

6.4Hz9.試用AD574、LF398、CD4051和PC/ISA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，并編寫相應的8路模擬量數(shù)據(jù)采集程序。接口電路原理圖如下：題中8路模擬量數(shù)據(jù)采集程序如下：AD574A PROCNEARCLDLEADI,BUFMOVBL,00000000B;令CE,CS,R/C,INH=0,初始化輸入通道MOVCX,8；輸入通道總數(shù)ADC: MOVDX,2C2H;C口地址MOVAL,BLOUTDX,AL;選擇多路開關XO,STS=0,LF398采樣CALL延時30μsORAL,01000000B;令CE=1,啟動轉換A/DOUTDX,AL;CE=0,形成啟動脈沖OUTDX,AL;MOVDX,2C0H;A口地址PULLING: INAL,DX;測試STS,看轉換是否結束TESTAL,80HJNZPULLING;轉換期間STS=1,LF398保持MOVAL,BL;ORAL,00010000B;轉換結束,令R/C=1,準備讀MOVDX,2C2H;OUTDX,ALORAL,01000000B;令CE,R/C=1,開始讀MOVDX,2C2H;OUTDX,ALORAL,0100000B;令CE,R/C=1,開始讀MOVDX,2COH;讀A口高4位INAL,DXANDAL,0FHMOVAH,AL;高4位存在AHINCDX;讀B口低8位INAL,DX;低8位存在ALCALLSTOSW;數(shù)據(jù)存儲INCBL;更換通道DECCX;通道數(shù)減1JCXZADCMOVAL,00111000B;CE=0CS,R/C,INH=1,芯片復位MOVDX,2C2HOUTDX,ALRETAD574AENDP10.采用DAC0832和PC/ISAD/A轉換程序。接口電路原理圖如下：若DAC0832CS的口地址為BASE，則7FH轉換為模擬電壓的接口程序為：DAOUT：MOV DX，BASEMOV AL，7FHOUT DX，ALRET11.采用DAC1210和PC/ISAD/A轉換程序。接口電路原理圖如下：D/A轉換程序如下：設端口地址譯碼器譯出Y0*地址為基地址7FF0H;則D/A高8位地址為7FF1H，低8位地址為7FF0H假設待轉換數(shù)據(jù)為2FEHD/A轉換程序:.MOVDX，7FF1HMOVAL，2F0H；送高8位數(shù)據(jù)OUTDX，ALMOVDX，7FF0HMOVAL，EH;送低4位數(shù)據(jù)OUTDX，AL;12位數(shù)據(jù)進行轉換RET12.請分別畫出D/A轉換器的單極性和雙極性電壓輸出電路，并分別推導出輸出電壓與輸入數(shù)字量之間的關系式。單極性和雙極性電壓輸出電路如下：圖中，3電阻都為精密電阻。輸出電壓與輸入數(shù)字量之間的關系式如下：V Dout1

REF2nV (VV)V

D2V

(D

1)out2

REFR

out1R

REF REF2n

REF

2n11 213.什么是串模干擾和共模干擾?如何抑制?所謂串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲。也稱為常態(tài)干擾。串模干擾的抑制方法應從干擾信號的特性和來源入手。123采用低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器。當尖峰型串模干擾成為主要干擾源時，用雙積分式A/D轉換器可以削弱串模干擾的影響。12345施。45采用雙絞線減少電磁感應，并且使各個小環(huán)路的感應電勢互相呈反向抵消。2共模干擾是指模/數(shù)轉換器兩個輸入端上共有的干擾電壓。共模干擾也稱為共態(tài)干擾。變壓器隔離2②光電隔離3浮地屏蔽④采用儀表放大器提高共模抑制比314.MAX1232有哪些主要功能?(1)電源監(jiān)控 (2)按鈕復位輸入(3)監(jiān)控定時器15.計算機控制系統(tǒng)中一般有哪幾種地線?請畫出回流法接地和一點接地示意圖。在計算機控制系統(tǒng)中，一般有以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、安全地、系統(tǒng)地、交流地。（1）回流法接地示例數(shù)字地橫匯流條

模擬地橫匯流條數(shù)字地縱匯流條

模擬地縱匯流條安全地（機殼地）

系統(tǒng)地 大地

接地板（2）串聯(lián)一點接地示例（3）并聯(lián)一點接地示例第三章數(shù)字控制技術習題參考答案1. 什么是數(shù)字程序控制?數(shù)字程序控制有哪幾種方式?答：所謂數(shù)字程序控制，就是計算機根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產機械(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。2. 什么是逐點比較法插法?直線和圓弧插補計算過程各有哪幾個步驟?情況，再決定下一步的走向（沿x軸進給，還是沿y直線插補的計算過程如下：① 偏差判別② 坐標進給③ 偏差計算④ 終點判斷圓弧插補計算過程如下：12345偏差判別坐標進給偏差計算坐標計算終點判斷123453. 試用高級或匯編語言編寫下列各插補計算程序：(1)第一象限直線插補程序；(2)第一象限逆圓弧插補程序。答：(1)第一象限直線插補程序在計算機的內存中開辟六個單元XE、YE、FM，分別存放終點橫坐標xe、終點縱坐標ye、加工點偏差Fm。datasegmentXEDBxeYEDByzFMDB0ZFDB0dataendsMOVAL,XEADDAL,YEMOVCL,AL;CL存NXYLAB1:MOVAL,FMCMPAL,00HJGELAB2MOVMOVAX,FMADDAX,XEMOVFM,AXJMPCONTROLLAB2: MOV01HMOVAX,FMSUBAX,YEMOVFM,AXCONTROL:┇DECCLJNZLAB1RET(2)第一象限逆圓弧插補程序流程圖4. 若加工第一象限直線OA，起點O(0，0)，終點A(11，7)。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：由題意可知，xe=11，ye=7。設置總計數(shù)器Nxy，其初值為Nxy=|11-0|+|7-0|=18則插補計算過程如表3—1所示：表3—1步數(shù)偏差判別坐標進給偏差計算終點判別起點F0=0Nxy=181F0=0+xF1=F0-ye=-7Nxy=172F1<0+yF2=F1+xe=4Nxy=163F2>0+xF3=F2-ye=-3Nxy=154F3<0+yF4=F3+xe=8Nxy=145F4>0+xF5=F4-ye=1Nxy=136F5>0+xF6=F5-ye=-6Nxy=127F6<0+yF7=F6+xe=5Nxy=118F7>0+xF8=F7-ye=-2Nxy=109F8<0+yF9=F8+xe=9Nxy=910F9>0+xF10=F9-ye=2Nxy=811F10>0+xF11=F10-ye=-5Nxy=712F11<0+yF12=F11-ye=6Nxy=613F12>0+xF13=F12-ye=-1Nxy=514F13<0+yF14=F13+xe=10Nxy=415F14>0+xF15=F14-ye=3Nxy=316F15>0+xF16=F15-ye=-4Nxy=217F16<0+yF17=F16+xe=7Nxy=118F17>0+xF18=F17-ye=0Nxy=0根據(jù)插補計算過程表所做出的直線插補走步軌跡圖如下：5. 設加工第一象限逆圓弧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。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F0=0x0=6,y0=0Nxy=121F0=0-xF1=0-12+1=-11x1=5,y1=0Nxy=112F1<0+yF2=-11+0+1=-10x2=5,y2=1Nxy=103F2<0+yF3=-10+2+1=-7x3=5,y3=2Nxy=94F3<0+yF4=-7+4+1=-2x4=5,y4=3Nxy=85F4<0+yF5=-2+6+1=5x5=5,y5=4Nxy=76F5>0-xF6=5-10+1=-4x6=4,y6=4Nxy=67F6<0+yF7=-4+8+1=5x7=4,y7=5Nxy=58F7>0-xF8=5-8+1=-2x8=3,y8=5Nxy=49F8<0+yF9=-2+10+1=9x8=3,y8=6Nxy=310F9>0-xF10=9-6+1=4x8=2,y8=6Nxy=211F10>0-xF11=4-4+1=1x8=1,y8=6Nxy=11Nxy=0時，加工到終點，插補運算結束。下圖為插補過程中的走步軌跡。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下圖所示。（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下圖所示。（3）三相六拍工作方式把單三拍和雙三拍工作方式結合起來，就產生了六拍工作方式，其通電順序為A→AB→B→BC→C→CA。各相通電的電壓波形如圖3.3所示。7. 采用或PCL-730板卡設計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y出字表。答：電路原理圖如下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=01HADY100000001=01HADX200000010=02HADY200000010=02HADX300000100=04HADY300000100=04H三相雙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ADX100000011=03HADY100000011=03HADX200000110=06HADY200000110=06HADX300000101=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=01HADX200000011=03HADY200000011=03HADX300000010=02HADY300000010=02HADX400000110=06HADY400000110=06HADX500000100=04HADY500000100=04HADX600000101=05HADY600000101=05H8. 位置伺服系統(tǒng)分為哪幾種類型？答：位置伺服系統(tǒng)分為數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)。9. 討論多軸步進驅動控制技術和多軸伺服驅動控制技術各有何特點？并分別列舉設計或應用實例。轉換器。在開環(huán)數(shù)字程序控制系統(tǒng)中，輸出控制部分常采用步進電機作為驅動元件。步進電機控制線路接收計算機發(fā)來的指令脈沖，控制步進電機作相應地轉動，步進電機驅動數(shù)控系統(tǒng)(如數(shù)控機床)的工作臺或刀具。特點：步進電機的轉動時一步一步進行，每輸入一個脈沖電信號，步進電機就轉動一個角度。通過改變脈沖頻率和數(shù)量，即可實現(xiàn)調速和控制轉動的角位移大小，具有較高的定位精度，其最小步距角可達0.75°，轉動、停止、反轉反應靈敏、可靠。應用舉例：三軸步進電動機控制。多軸伺服驅動控制技術：在自動控制系統(tǒng)中，輸出量能自動地、連續(xù)地、精確地復現(xiàn)或跟蹤輸入量的系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自上位控制裝置的指令信號，驅動被控制對象跟隨指令脈沖運動，并保證動作的快速和準確，這就要求高質量的速度和位置伺服。特點：精確地檢測裝置；有多種反饋原理和方法；高性能的伺服電動機。應用舉例：寬調速范圍的速度調節(jié)系統(tǒng)。第四章常規(guī)及復雜控制技術習題參考答案1.數(shù)字控制器的連續(xù)化設計步驟是什么?答：數(shù)字控制器的連續(xù)化設計步驟如下：（1）設計假想的連續(xù)控制器D(s)（2）選擇采樣周期T（3）將D(s)離散化為D(z)（4）設計由計算機實現(xiàn)的控制算法，求出u(k)（5）校驗2.某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設計為=

U(s)=

1+1+s試用雙線性變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器法對應的遞推控制算法。解：（1）應用雙線性變換法：把s2z1代入D(s)，則Tz11

2z1

)zTD(z) Tz1 1 11

2z1 )zTTz1（2）應用前向差分法：把sz1代入D(s)，則T1

z1

TzTTD(z) T1 11

z1TzT（3）應用后向差分法：把sz1代入D(s)，則TzD(z)

11

z1Tzz1Tz

TzTz3.什么是數(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。答：理想模擬PID調節(jié)器的控制規(guī)律為u(t)

K e(t)

1 tTe(t)dtT

Tde(t)

(1) P

0I

D dt為了便于計算機實現(xiàn)，必須把式(1)變換成差分方程，為此，當tkT時，可作如下近似t k0e(t)dtTe(i)0

(2)ide(t)e(k)e(k

(3)dt T式中，T為采樣周期，k為采樣序號。由式(1)-式(3)可得理想數(shù)字PID位置型控制算式為u(k)K

PeT

ke(i)TD

e(k)e(k1)

(4)

i0 T 式(4)表示的控制算法提供了執(zhí)行機構的位置u(k)，如閥門的開度，所以被稱為數(shù)字PID位置型控制算式。根據(jù)式(4)不難寫出u(k-1)的表達式，即u(k1)K

TPe(k1)

k

e(i)TD

e(k1)e(k2)

(5)

i0 T 將式(4)和式(5)相減，即得理想數(shù)字PID增量型控制算式為u(k)u(k)u(kKP)e(k1)KIe(k)KD)2e(ke(k2)

(6)其中：KP

1σ稱為比例增益；KI

KPT/TI稱為積分系數(shù)；KDKPTD/T稱為微分系數(shù)。增量式算法與位置式算法相比，具有以下優(yōu)點：(1)增量算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關，計算誤易產生大的累加誤差。(2)增量式算法得出的是控制量的增量，例如閥門控制中、只輸出閥門開度的變化部分，誤動作影響小，必要時通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴重影響系統(tǒng)的工作。而位置算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大。(3)采用增量算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。4.已知模擬調節(jié)器的傳遞函數(shù)為D(s)U(s)E(s)

10.17s10.085s試寫出相應數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式，設采樣周期T=0.2s。解：由D(s)U(s)E(s)

10.17s，得10.085sU(s)0.085sU(s)E(s)0.17sE(s)，將上式兩邊進行拉氏反變換，可得微分方程：u(t)0.085du(t)e(t)0.17de(t)dt dt，再采用后向差分法，轉化為差分方程：u(k)u(k)u(k1)e(k)0.17e(k)e(k1)。T T把T0.2s，代入上式，得1.425?(?)?0.425?(??1)=1.85?(?)?0.85?(??1)，故數(shù)字控制器的位置型算式為?(?)=1.298?(?)?0.596?(??1)+0.298?(??1)數(shù)字控制器的增量型算式為??(?)=?(?)??(??1)=1.298?(?)?1.894?(??1)+0.596?(??1)+0.298[?(??1)??(??2)]=1.298?(?)?1.894?(??1)+0.596?(??1)+0.298??(??1)5.什么叫積分飽和？它是怎樣引起的?如何消除？答：（1）如果執(zhí)行機構已到極限位置，仍然不能消除偏差時，由于積分作用，盡管計算PID差分方程式所得的運算結果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機構已無相應的動作，這就稱為積分飽和。（2）當偏差產生躍變時，系統(tǒng)輸出需要很長時間才到達給定值時，或當系統(tǒng)輸出超過給定值后，偏差反向時，都容易引起積分飽和。（3）當出現(xiàn)積分飽和時，勢必使超調量增加，控制品質變壞。作為防止積分飽和的辦法之一，可對計算出的控制量u(k)限幅，同時，把積分作用切除掉。6.選擇采樣周期需要考慮哪些因素?答：(1)首先要考慮的因素香農采樣定理給出了采樣周期的上限。根據(jù)采樣定理，采樣周期應滿足T耗費的時間，系統(tǒng)的采樣周期只能在T 與T 之間選擇。采樣周期T既不能太大也不能太min

max小，T太小時，一方面增加了微型計算機的負擔，不利于發(fā)揮計算機的功能；另一方面，兩T應在Tmin和Tmax之間，即TminTTmaxmin若選擇采樣周期在T與Tmax之間，則系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，但控制質量較差。若采樣周期選擇在T 與T之間，滿足采樣定理，可得到較好的控制質量。min給定值的改變可以迅速得到反映。②被控對象的特性：若被控對象是慢速的熱工或化工對象時，采樣周期一般取得較大；若被控對象是較快速的系統(tǒng)時，采樣周期應取得較小。反映數(shù)字控制器輸出值的變化。PIDT的選擇有關。選擇采樣周期T太小，將使微分積分作用不明顯。因為當T小到一定程度后，由于受計算精度的限制，偏差ek始終為零。另外，各種控制算法也需要計算時間。⑤控制的回路數(shù)：控制的回路數(shù)n與采樣周期T有下列關系nTTjj1式中，Tj指第j回路控制程序執(zhí)行時間和輸入輸出時間。7.試敘述試湊法、擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法整定PID參數(shù)的步驟。答：（1）試湊法整定PID參數(shù)的步驟如下：①首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直到得到屬滿意，那么只須用比例調節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由此確定。②如果在比例調節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分時間TI為一較大值，并將經第一步整定得到的比例系數(shù)略為縮小(如縮小為原值的0.8倍)，然后減小積分時間，使在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。程與整定參數(shù)。③若使用比例積分調節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經反復調整仍不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構成比例積分微分調節(jié)器。在整定時，可先置微分時間TD為零。在第二步整定的基礎上，增大TD，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，以獲得滿意的調節(jié)效果和控制參數(shù)。（2）擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟如下：①選擇一個足夠短的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。②用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。這時，數(shù)字控制器去掉積分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐漸減小比例度δ（δ=1/KP)，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度δk及系統(tǒng)的臨界振蕩周期Tk。③選擇控制度。所謂控制度就是以模擬調節(jié)器為基準，將DDC的控制效果與模擬調22器控效相較控效的價數(shù)常誤平積分0e

(t)dt表示。2

0e

(t)dt

DDC2 0e

(t)dt模擬如，當控制度為1.05時，就是指DDC與模擬控制效果相當；控制度為2.0時，是指DDC比模擬控制效果差。④根據(jù)選定的控制度，查表4-1，求得T、KP、TI、TD的值。（3）擴充響應曲線法整定PID參數(shù)的步驟如下：近，并使之穩(wěn)定下來。然后突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。②用記錄儀表記錄被調量在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖4-13所示。③在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間τ，被控對象時間常數(shù)Tτ以及它們的比值Tτ／T，查表4-2，即可得數(shù)字控制器的及采樣周期T。8.數(shù)字控制器的離散化設計步驟是什么?答：數(shù)字控制器的離散化設計步驟如下：1）根據(jù)控制系統(tǒng)的性能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)Φ(z)。2）根據(jù)式(4.3.1)求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)。3）根據(jù)式(4.3.3)求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)z離散系統(tǒng)的w變換設計法（頻率特性法）和根軌跡法求取D(z)。4）根據(jù)式(4.3.4)求取控制量u(k)的遞推計算公式(4.3.6)，方法與數(shù)字控制器的連續(xù)化設計步驟相同。5）z)設計完并求出控制算法u(k)4-16所示的計算機控制系統(tǒng)證，如果滿足設計要求設計結束，否則應修改設計。9.已知被控對象的傳遞函數(shù)為

G(s) 10c s(0.1s采樣周期T=1s，采用零階保持器。要求：（1）針對單位階躍輸入信號設計最少拍有紋波系統(tǒng)的D(z)，并計算輸出響應y(k)、控制信號u(k)和誤差e(k)序列，畫出它們對時間變化的波形。（2）針對單位速度輸入信號設計最少拍無紋波系統(tǒng)的D(z)，并計算輸出響應y(k)、控制信號u(k)和誤差e(k)序列，畫出它們對時間變化的波形。?1?(?)=?1??? = 9?1+0.111? ? ?(0.1?+1)

1???11?0.000045??1針對單位階躍輸入信號，結合上式知dmnqjuv1，且jq。選擇k0，為滿足pqvjudnmk，則p0，故vj e i 1(z)

iaz1)z1)qF(z)=(1z1)u 11(z)z(dn11

i1biz)

F2(z)=zf20111由e(z)1(z1111zf20z

，則f201。故有(z)z

，e(z)1z。則D(z) 1

zGzezz110.000045z1

z1

0.11110.000045z1 9z10.111z1

1z1

10.111z1Eze

zRzz11 11z1e(0)1，))L0Y(z)Rzz11z1

z1z1z2z3Ly(0)0，y(T)y(2T)L1Rzz

z1z110.000045z1U(z) Gz

1z11

9z10.111z1)0.0124z10.0014z2L10.111z1u(0)0.111，u(T)0.0124，u(2T)0.0014, L輸出響應y、控制信號u和誤差e序列波形圖如下：（2）首先求取廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)911+911+0.1?11?11?.04?1?(?)=?

? ??(0.1?+1)=由?(?)的表達式知，滿足無紋波設計的必要條件。針對單位速度輸入信號，結合上式知dnmqjwv1，且jq。由于選擇k0時，為滿足pqvjwdnmk，則p0，得vj e i 1(z)

iaz1)z1)qF(z)=(1z1)2，(z)z(dnm)bz1)F(z)z10.111z1f ，i1

i 2 20由以上式子，可知e(z)1(z)；故需要選擇k1和p1，則(z)

vjaz1)z1)qF(z)=(1z1)2fz1，e i i1

1 11(z)z(dmn)wbz1F(z)z10.111z1f

fz1，i1

i

20 211由e(z)1(z)可得，110.111z1

f20f21z

z1

21fz1

，則1112f11f111211 21 20 211 21 2011 21 11 21故有

f110.11f20f20f21 f21(z)z111.890.99z1e(z)1z1210.1z1e則可得D(z) 1

zGzezz110.000045z1 9z10.111z1

z10.111z10.99z11z1210.1z10.11110.000045z11.890.99z121z1210.1z12Eze

zRzz10.11z1

z11z12

z10.11z2e(0)))))L01Y(z)Rzz z z10.111z11.890.99z111z121.89z23z34z4Ly(0)y(T)y(2T))Rzz

y(4T)LU(z)

Gz z z1

1

11.890.991 z z

zz

12

9z10.111z10.111z10.000045z1)0.99z11z10.21z10.1z20.1z3Lu(0)0,u(T)

u(2T))L0.1輸出響應y、控制信號u和誤差e序列波形圖如下：10.已知被控對象的傳遞函數(shù)為

()=

6

—2sGcs+e采樣周期T=1s，采用零階保持器。要求：針對單位速度輸入信號設計最少拍無紋波系統(tǒng)的u(k)和誤差e(k)序列，畫出它們對時間變化的波形。解：首先求取廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)Ts

Ts1e 1e G(z)Z G(s)Z G'(s)eτs s c

s c 1eTs zdZ G'(s) s c 其中d/T212。故1eTs 6 G(z)z2Z s s(s2) z2z1Z 6 z2z1

s2(s2)6 3 3 Z 2z2z1

s26z1

s s23 3 2 1z12

1z1

1e2z1 1.703z30.5233z1)z10.1353z1)由?(?)的表達式知，滿足無紋波設計的必要條件。針對單位速度輸入信號，結合上式知dnmqjwv1，且jq。選擇k2，為滿足pqvjwdnmk，則p0，可得e(z)1(z)，故選擇k3，為滿足pqvjwdnmk，則p1。(z)

vjaz1)z1)qF(z)=(1z1)2fz1fz2fz3，e i i1

1 13(z)z(dmn)wbz1F(z)z30.5233z1f

fz1，i1

i

20 21由e(z)1(z)可得， 12

1 2

3

3

1

111z

1f11z

f12z

f13z

=z 10.5233z f20f21z ，則2f1102f11f1210fffff2fff0.5233f 13 12 21 20f130.5233f21

f1123f1213 13f 2.851420f212.1949故有(z)z30.5233z12.85142.1949z1，e(z)1z1212z13z21.1486z3。e則D(z) 1

zGzezz10.1353z1) 1.703z30.5233z1)

z30.5233z12.85142.1949z11z1212z13z21.1486z30.1353z1)2.85142.1949z11.7031z112z13z21.1486z30.1353z1)0.7698z1z112z13z21.1486z3EzezRz2z12z13z21.1486z32z12z23z31.1486z4

z1z1)2e(0)))))Y(z)Rzz z z z30.5233z12.85142.1949z1z1)22.8514z45z56z6L)0y(0)y(T)y(2T))y(4T)Rzz)

y(6T)6,LU(z)1

Gz1 1 z z0.1353z)z30.5233z12.85142.1949z11z12

1.703z30.5233z1)z10.1353z1)2.85142.1949z11.7031z11.6743z10.1589z20.0156z30.0156z4Lu(0)1.6743,u(T)u(2T))u(4T)L輸出響應y、控制信號u和誤差e序列波形圖如下：被控對象的傳遞函數(shù)為

G(s)1c s2采樣周期T=1s，采用零階保持器，針對單位速度輸入函數(shù)，按以下要求設計：（1）用最少拍無紋波系統(tǒng)的設計方法，設計Ф(z)和D(z)；（2）求出數(shù)字控制器輸出序列u(k)的遞推形式；（3）畫出采樣瞬間數(shù)字控制器的輸出和系統(tǒng)的輸出曲線。1esG(z)￠

1 z1z1 s s2

21z12由?(?)的表達式知，滿足無紋波設計的必要條件。針對單位速度輸入信號，結合上式知d0,n2,mq2,j2,wv2，且jq。由于選擇k0時，e(z)1(z)，因此故需要選擇k1和p1，則vj

q (z)az1z1

F(z)1z121fz1，e i j1 w

1 11(z)z(dmn)bz1F(z)z1z1f

fz1，i1

i

111由e(z)1(z)可得，11z1

f20f21z

z1

21fz1

，則112f11f2011 f f1fff11 21

f110.75f0f0f1 f1故有(z)z11z11.250.75z1e(z)1z1210.75z1e則可得D(z) 1

zGzez21z12 z1z1

z1z10.75z11z1210.75z120.75z1 10.75z1

106z143z1（2）求數(shù)字控制器輸出序列u(k)的遞推形式RzzU(z) z 21z 1 1 1

Gz

12 z1z1.250.75z1z12

z1z12z10.75z12.5z11.5z2u(0)0,u(T)u(2T))01Y(z)Rzz z z1z10.75z111z121.25z23z34z4Ly(0)y(T)y(2T))

y(4T)L（3）控制信號u(k)和輸出響應y(k)序列波形圖如下：0T 0T TTTt432112.被控對象的傳遞函數(shù)為采樣周期T=1s。要求：

Gc(s)

1s1

es（1）采用施密斯預估控制，并按圖4.23所示的結構，求取控制器的輸出u(k)；（2）試用達林算法設計數(shù)字控制器D(z)，并求取u(k)的遞推形式。)1))2))數(shù)字ID1-ssP)e)s TT) TP()(e )sT由上圖可知：1）計算反饋回路的偏差(k)r(k)y(k)2）計算純滯后補償器的輸出Y(s)

KeNTS)GU(s) P

(s)(1)f Tfs1將上式化成微分方程式，則可寫成T(t)y(t)K

u(t)u(tNT)f dt f利用后向差分代替微分，上式相應的差分方程為(k)(kbu(k)u(kN)其中a

TfTfT

，b

KfTTfT

；已知TT

fKf

N1，故a0.5,b0.5。T3）計算偏差kkk4）計算控制器的輸出當控制器采用PID控制算法時，則u(k)u(k1)u(k)u(k)KP2(k)2(k)KI2(k)KD2(k)2(k)2(k)式中，Kp為PID控制的比例系數(shù)；KIKpT/為積分系數(shù)；KDKpTD/T為微分系數(shù)。（2）用達林算法設計數(shù)字控制器被控對象為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其脈沖傳遞函數(shù)為eTs

Kes1G(z)Z 代以τ=NT，得

Ts

s 1T1e

N1e G(z)Z

Kzs Ts1 1eTz1 1 1z21e z2 1e1z1得到數(shù)字控制器的算式

10.3679z1D(z)eTeTz1)KeT)eTz1eT)zN1e2e1z1)e1)e2z1e2)z20.86470.1353z10.63210.0855z10.5466z2故u(k)1.368e(k)0.5032e(k1)0.1353u(k1)0.8647u(k2)1z1213.在圖4.27所示的計算機串級控制系統(tǒng)中，已知采樣周期為T，且有1z12a0

az1a 2

0

bz1(z)

1z

,D2(z)

1z是使D1(z)和D2(z)能夠實現(xiàn)的常數(shù)，試寫出計算機串級控制算法。解：路串級控制系統(tǒng)，其計算順序為1．計算主回路的偏差kkk2．計算主回路控制器z的輸出U(z)az1az2由D(z)1

0 1 2 ，得11 E(z) 1z11 1z (z)

z (z)，故(k)a0(k)(ka2(k2)(k3．計算副回路的偏差kkky2k4.計算副回路控制器(z)的輸出u2kU(z)bz1由D(z)2

0 1 ，得22 E(z) 1z12 1z U2(z)(z)故u2(k)e2(k)(ku2(k14.前饋控制完全補償?shù)臈l件是什么？前饋和反饋相結合有什么好處？Y(s)=0，因此Dn(s)G(s)Gn(s)0。采有前饋與反饋控制相結合的控制結構，既能發(fā)揮前饋控制對擾動的補償作用，又能保留反饋控制對偏差的控制作用。15.多變量控制系統(tǒng)解耦的條件是什么?答：多變量控制系統(tǒng)解耦的條件是系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣(s)為對角線矩陣。第五章現(xiàn)代控制技術習題參考答案1.設一階單輸入單輸出系統(tǒng)的狀態(tài)方程為ax(t)bu(t)y(t)cx(t)采樣周期為T，試設計最少拍無紋波控制器D(z)。解：①將連續(xù)狀態(tài)方程進行離散化可得離散狀態(tài)方程??+1=???+??(?)??=??(?)中?=??,?=f??????=?

????1,?=?0 ?②求滿足跟蹤條件的?(?)條件。

由已知條件可知?=1,?=1,?=1,因此取?=1可滿足(?+1)?≥(?+?)的可得?? 0???

?)?)

=00(????0??(1)=0?(????1) ?則 ?(0)

= ? ??0

?(0)= ?

?2?(????1) 00故 ?0= ? ??(????1)

?1=0由?=1知??1

???1??=

主?????+??1?11??1

?1

?0=?0??1+??????1??1

?0=

??(????1)?0??=主[??主??????1??(?)]?0???=?0

?=0?1所以數(shù)字控制器??=?(?)=?? ?(?)

??(????1)2.被控對象的傳遞函數(shù)為G(s) 1s(0.1s采樣周期T=0.1s，采用零階保持器。按極點配置方法設計狀態(tài)反饋控制規(guī)律L，使閉環(huán)系統(tǒng)的極點配置在Z平面z1,2=0.8±j0.25處，求L和u(k)。1解：由G(s)

s(0.1s

可得狀態(tài)空間模型如下：??=???+??(?)??=??(?)??=0 10

??+01

?(?)??=10 0?(?)通過零階保持采樣，得離散狀態(tài)空間模型如下：??+1=???+??(?)??=??(?)其中?=???=1

1(1??10

?10?)1=1

??110

=1 0.0630 ??10???

0 ??11???10?

0 0.368?=0

??????=1

100?0?10

=0.0040.063?=10 0設計??=??(?)，得閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程如下：????+??=0設?=?1 2與期望特征方程?2?1.6?+0.7025=0對照，得.68?.041?.632=1.6.68?.3?2+0.05?1=0.25可得?1=37.762=6.793.在題5.2中，進行全狀態(tài)直接反饋，但只能測到一個狀態(tài)變量。現(xiàn)設計一個狀態(tài)觀測器(預報觀測器)，極點配置在z1,2=0.3±j0.5處，試求觀測器的增益矩陣。解：由觀測器對應的觀測誤差系統(tǒng)的特征方程為：????+??=0假設?=?1，得?2?2+10?1?1.368?+0.36?3.68?1+0.63?2=0與期望特征方程?2?0.6?+0.34=0對照，可得1.368?10?1=0.60.36?3.68?1+0.63?2=0.34所以可得

?1=0.0768?2=0.41684.什么是分離性原理?該原理有何指導意義?2n個極點由兩部分組成：一部分是按狀態(tài)反饋控制規(guī)律設計所給定的n個控制極點；另一部分是按狀態(tài)觀測器設計所給定的n第六章先進控制技術習題參考答案1. 先進控制技術主要包括哪些控制技術？括模糊控制與神經網絡在內的智能控制方法。2. 模糊控制器的主要組成部分有哪些？分，如下圖所示。知識庫知識庫模糊化接口推理機清晰化接口偏差e被控量u模糊控制器 3. 請給出雙輸入單輸出模糊控制器的設計步驟與設計內容。答：(1)模糊控制系統(tǒng)的基本結構對于雙輸入單輸出系統(tǒng)，采用模糊控制的閉環(huán)系統(tǒng)如下圖所示。其中：e為實際偏差，αe為偏差比例因子；ec為實際偏差變化率，αc為偏差變化率比例因子；u為控制量，αu為控制量的比例因子。(2)模糊化設置輸入輸出變量的論域，并預置常數(shù)αe、αc、αu，如果偏差eemax,emax，且l=6，則由式(6-19)知誤差的比例因子為αe=6/｜emax｜，這樣就有E=αe·e采用就近取整的原則，得E的論域為｛-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6｝E的賦值如偏差E的賦值表所示。如果偏差變化率ececmax,ecmaxm=6，則由式(6-20)采用類似方法得EC的論域為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}偏差E的賦值表E隸屬模糊 度變量-6-5-4-3-2-1-0+0123456PL00000000001.0PM0000000000.70.2PS00000000.50.100PO00000001.00.60.10000NO00000000000NS000.80.30000000NM0.70.2000000000NL1.00.1000000000大〔PL〕七個模糊狀態(tài)來描述EC，那么EC的賦值如偏差變化率EC的賦值表所示。偏差變化率EC的賦值表隸屬模糊 度變量-6-5-4-3-2-10123456PL0000000001.0PM000000000.70.2PS00000000.91.00.70.200O000000.51.00.500000NS000.90000000NM0.70.200000000NL1.0000000000U的論域{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7},也采用O、PS、PM、PL七個模糊狀態(tài)來描述U，那么U的賦值如輸出U的賦值表所示。輸出U的賦值表隸 U屬模糊 度變量-7-6-5-4-3-2-101234567PL000000000001.0PM0000000000.70.20PS00000000.41.0000O0000000.51.00.5000000NS0001.00.40000000NM00.70.200000000011.00000000000L0(3)模糊控制規(guī)則、模糊關系和模糊推理對于雙輸入單輸出的系統(tǒng)，一般都采用“IfAandBthenC”來描述。因此，模糊關系為RABC模糊控制器在某一時刻的輸出值為U(k)EkECkR為了節(jié)省CPU的運算時間，增強系統(tǒng)的實時性，節(jié)省系統(tǒng)存貯空間的開銷，通常離線進行模糊矩陣R的計算、輸出U(k)的計算。本模糊控制器把實際的控制策略歸納為控制規(guī)則表，如推理語言規(guī)則表所示，表中“*”表示在控制過程中不可能出現(xiàn)的情況，稱之為“死區(qū)”。推理語言規(guī)則表輸 E出EC UNLNMNSNOPOPSPMPLPLPLPMNLNLNLNL**PMPLPMNMNMNSNS**PSPLPMNSNSNSNSNMNLOPLPMPSOONSNMNLNSPLPMPSPSPSPSNMNLNM**PSPMPMPMNMNLNL**PLPLPLPLNMNL(4)清晰化采用隸屬度大的規(guī)則進行模糊決策，將U(k)經過清晰化轉換成相應的確定量。把運算的結果存貯在系統(tǒng)中，如控制表所示。系統(tǒng)運行時通過查表得到確定的輸出控制量，然后輸出控制量乘上適當?shù)谋壤蜃应羥，其結果用來進行D/A轉換輸出控制，完成控制生產過程的任務?？刂票鞥UEC-6-5-4-3-2-1-0+0123456-676764444210000-566664444210000-476764444210000-3666655552-20-2-2-2-2767644110-3-3-4-4-4-1767644110-3-3-7-6-7076764100-1-4-6-7-6-71444310-1-1-4-4-6-7-6-72444200-1-1-4-4-6-7-6-73222000-1-1-3-3-6-6-6-64000-1-1-3-4-4-4-4-6-7-6-75000-1-1-2-4-4-4-4-6-6-6-60000-1-1-1-4-4-4-4-6-7-66-74. 神經網絡控制中常用的神經元變換函數(shù)有哪些？答：常用的神經元變換函數(shù)如下表所示序號變換函數(shù)數(shù)學表達式曲線形狀1比例函數(shù)yf(s)sy0 s2符號函數(shù)1 s0yf(s)1 s0y0 s3階躍函數(shù)s0yf(s)0 s0y10 s4飽和函數(shù)1 s1 kyf(s)ks 1s1 k k1 s1 ky10 s-15雙曲函數(shù)1eyf(s)1y10 s-16S形函數(shù)yf(s) 11y10.50 s5. 神經網絡控制主要包括哪些控制方法？答：典型的神經網絡控制包括神經網絡監(jiān)督控制(或稱神經網絡學習控制自適應控制(自校正、模型參考控制，含直接與間接自適應控制)、神經網絡內?？刂?、神經網絡預測控制等。6. 專家控制技術主要分哪幾大類？答：專家控制系統(tǒng)大致可以分為以下幾類：1）基于規(guī)則的專家自整定控制2）專家監(jiān)督控制3）混合型專家控制4）仿人智能控制7. 專家控制的推理策略主要有哪幾種？答：專家控制的推理策略主要有以下幾種：①數(shù)據(jù)驅動控制策略，也稱前向鏈控制，基于此策略的推理稱為正向難理；②目標驅動控制策略，也稱后向鏈控制，基于此策略的推理稱為反向推理；③雙向推理控制策略，正向推理與反向推理的綜合。9. 預測控制系統(tǒng)主要由哪幾部分組成？DMC和MAC算法的基本原理是什么？答：預測控制系統(tǒng)主要由內部模型、預測模型、參考軌跡和預測控制算法組成。動態(tài)矩陣控制（DMC）算法首先要建立DMC預測模型，然后按照滾動優(yōu)化和反饋校正的步驟實現(xiàn)預測控制。幾部分組成。第七章應用程序設計與實現(xiàn)技術習題參考答案1.什么是模塊化程序設計和結構化程序設計？程序設計通常分為哪5個步驟？模塊化程序設計的出發(fā)點是把一個復雜的系統(tǒng)軟件，分解為若干個功能模塊，每個模塊執(zhí)行單一的功能，并且具有單入口單出口結構。結構化程序設計是一種程序設計技術，它采用自頂向下逐步求精的設計方法和單入口單出口的控制結構。程序設計通常分為五個步驟，即問題定義、程序設計、編碼、調試、改進和再設計。問題定義階段是要明確計算機完成哪些任務、執(zhí)行什么程序，決定輸入/輸出的形式，與接口硬件電路的連接配合以及出錯處理方法；程序設計是利用程序對任務作出描述，使用的方法有模塊程序設計法和結構化程序設計法；編碼是指程序設計人員選取一種適當?shù)母呒?或匯編)語言，書寫程序；調并對程序進行改進設計和補充。2.HMI/SCADA的含義是什么？監(jiān)控組態(tài)軟件設計有哪兩種方法？基于監(jiān)控組態(tài)軟件可實現(xiàn)哪些功能？答：HMI（HumanMachineInterface）廣義的解釋就是“使用者與機器間溝通、傳達及接收信息能，為系統(tǒng)提供良好的人機界面。凡是具有系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能的軟件，都可稱為SCADA(SupervisorControlandDataAcquisition)軟件。它是建立在PC基礎之上的自動化監(jiān)控系統(tǒng)具有以下的基本特征：圖形界表輸出?？刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控軟件設計有兩種方法：組態(tài)軟件與用戶自行編制的監(jiān)控軟件。用組態(tài)軟件實現(xiàn)監(jiān)控，可以利用組態(tài)軟件提供的硬件驅動功能直接與硬件進行通信，不需編軟件不支持相關的硬件時就會受到限制。在復雜控制系統(tǒng)中可以采用此方法。用戶利用面向對象的可視化編程語言如VB或VC等，編制監(jiān)控軟件實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，其中包括程序。從功能上分析，目前組態(tài)軟件都具有以下共同點：(1)強大的圖形組態(tài)功能：組態(tài)軟件大都以MicrosoftWindows平臺作為操作平臺，充分利用了Windows圖形功能完備，界面一致性好，易學易用的特點。設計人員可高效快捷地繪制出各種工藝畫面，并可方便進行編輯，使采用PC機比以往使用專用機開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更有通用性，等，使畫面生動直觀。(2)腳本語言：從使用腳本語言方面，組態(tài)軟件均使用腳本語言提供二次開發(fā)。腳本語言也稱命數(shù)量上不斷提高。(3)開放式結構：組態(tài)軟件能與多種通信協(xié)議互聯(lián)，支持多種硬件設備。既能與低層數(shù)據(jù)采集設備通信，也能與管理層通信。在SCADA應用與通用數(shù)據(jù)庫及用戶程序間傳送實時、歷史數(shù)據(jù)。(4)提供多種數(shù)據(jù)驅動程序：組態(tài)軟件用于和I/O設備通信，互相交換數(shù)據(jù)。DDE和OPCC1ient是兩個通用的標準I/O驅動程序，用來支持DDE標準和OPC標準的I/O設備通信。(5)強大的數(shù)據(jù)庫：組態(tài)軟件均有一個實時數(shù)據(jù)庫作為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)組織和管理的核(6)豐富的功能模塊：組態(tài)軟件以模塊形式掛接在基本模塊上，互相獨立提高了系統(tǒng)可靠性和可3.某熱處理爐溫度變化范圍為0～1350℃，經溫度變送器變換為1～5V電壓送至ADC0809，ADC0809的輸入范圍為0～5V。當t=kT時，ADC0809的轉換結果為6AH，問此時的爐內溫度為多少度?解：0～1350℃→ADC0809→33H～FFH→51～255A/D轉換值為6AH=6×16+10=106時的溫度T：1350?0255?51

（6AH?33H）=

1350?0255?51

（106?51）=

1350204

×55→爐內溫度=363.97℃4.為使數(shù)字PID控制器實現(xiàn)從手動到自動的無平衡無擾動切換，應采取哪些措施?答：為了實現(xiàn)從手動到自動的無平衡無擾動切換，在手動(SM或HM)狀態(tài)下，盡管并不進行PID計算，但應使給定值(CSV)跟蹤被控量(CPV)，同時也要把歷史數(shù)據(jù)，如e(k-1)和e(k-2)清零，還要使u(k-1)跟蹤手動控制量(MV或u(k-1)又等于切換瞬間的手動控制量，這就保證了PID控制量的連續(xù)性。當然，這一切需要有相應的硬件電路配合。035.某爐溫度變化范圍為0～1500℃，要求分辨率為3℃，溫度變送器輸出范圍為A／D轉換器的輸入范圍也為A／D轉換器的字長應為多少位?若A／D轉換器的字長不變，現(xiàn)在通過變送器零點遷移而將信號零點遷移到03≥log21+

=log2501≈8.97，取n1=10（2）λ>1500?600=900=0.88℃2?1?1

10232 005 16.某執(zhí)行機構的輸入變化范圍為D／A轉換器的字長為多少位?解：n>log（1+1）≈8.33，因此，取A/D轉換器字長n2 005 120?47.數(shù)字控制器算法的工程實現(xiàn)可分為哪幾個部分？請圖示說明。答：數(shù)字控制器算法的工程實現(xiàn)可分為六部分，如圖所示。SV給定值處理

CSVCDV U

MVCMV偏差 控制處理 算法

k 控制量處理

自動手動處理被控量處理CPV8.編制一個能完成中位值濾波加上算術平均值濾波的子程序。設對變量采樣測量7次，7個采樣值排序后取中間的3個采樣值平均，每個采樣值為12位二進制數(shù)。#undefN#defineN7//charfilter_zs(){ charcount,i,j,temp;//i,jcharvalue_buf[N];intsum=0;for(count=0;count<N;count++){value_buf[count]=get_ad();delay;}//連續(xù)從子程序get_ad()中讀入N個采樣值for(j=0;j<N-1;j++){for(i=0;i<N-j);i++}{if(value_buf[i]>value_buf[i+1]){ temp=value_buf[i]; value_buf[i]=value_buf[i+1];value_buf[i+1]=temp;}}}for(count=2;count<N-2;count++)sum+=value_buf[count];return(char)(sum/(n-4));第八章分布式測控網絡技術習題參考答案1．工業(yè)局部網絡通常有哪四種拓撲結構?各有什么特點?答：局部網絡通常有四種拓撲結構：星形、環(huán)形、總線形和樹形。(1)星形結構工作必須絕對可靠。中心結點負擔重，成本高，可靠性差是星形結構的最大弱點。歸納星形結構網絡的特點如下：①網絡結構簡單，便于控制和管理，建網容易；②網絡延遲時間短，傳輸錯誤率較低；③網絡可靠性較低，一旦中央結點出現(xiàn)故障將導致全網癱瘓；力較差；⑤通信電路都是專用線路，利用率不高，故網絡成本較高。(2)環(huán)形結構作，可靠性差。環(huán)形結構網絡具有以下特點：①信息流在網絡中是沿固定的方向流動，故兩結點之間僅有唯一的通路，簡化了路徑選擇控制；②環(huán)路中每個結點的收發(fā)信息均由環(huán)接口自舉控制，因此控制軟件較簡單；③環(huán)結構其結點數(shù)的增加將影響信息的傳輸效率，故擴展受到一定的限制。環(huán)形網絡結構較適合于信息處理和自動化系統(tǒng)中使用，是微機局部網絡中常用的結構之一。特別是IBM公司推出令牌環(huán)網之后，環(huán)形網絡結構就被越來越多的人所采用。(3)總線形廣播式網絡?？偩€形網絡的接口內具有發(fā)送器和接收器。接收器接收總線上的串行信息，并將其轉換為并行信息送到結點；發(fā)送器則將并行信息轉換成串行信息廣播發(fā)送到總線上。當在總線上發(fā)送的信息目的地址與某一結點的接口地址相符時，傳送的信息就被該結點接收。由于一條公共總線具有一定的負載能力，因此總線長度有限，其所能連接的結點數(shù)也有限?？偩€型網絡具有如下特點：①結構簡單靈活，擴展方便；②可靠性高，網絡響應速度快；③共享資源能力強，便于廣播式工作；④設備少，價格低，安裝和使用方便；時性要求高的場合。解決總線信息沖突(通常稱之為瓶頸)是總線形結構的重要問題。(4)樹形結構點或連線的故障均影響其所在支路網絡的正常工作。構，該種結構最適于信息管理系統(tǒng)、辦公室自動化系統(tǒng)、教學系統(tǒng)等領域的應用。2．工業(yè)局部網絡常用的傳輸訪問控制方式有哪三種?各有什么優(yōu)缺點?答：微機局部網絡常用的傳輸訪問控制方式有三種，即沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)；令牌環(huán)(TokenRing)；令牌總線(TokenBus)。(1)沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)CSMA/CD是由Xerox公司提出，又稱隨機訪問技術或爭用技術。主要用于總線形和樹形網絡一條線路，任何結點發(fā)送信息前都必須先檢查網絡的線路是否有信息傳輸。CSMA/CD但當網絡負載增大時，發(fā)送信息的等待時間加長，效率顯著降低。令牌環(huán)(TokenRing)令牌環(huán)(TokenRing)全稱是令牌通行環(huán)(TokenPassingRing)，僅適用于環(huán)形網絡結構。在后，令牌又傳給相鄰的另一結點。是需要對令牌進行維護，且空閑令牌的丟失將會降低環(huán)路的利用率；控制電路復雜。令牌總線(TokenPassingBus)介質上的各個結點形成一個邏輯環(huán)，即人為地給各結點規(guī)定一個順序(例如，可按各結點號的大小排列)。邏輯環(huán)中的控制方式類同于令牌環(huán)。不同的是令牌總線中，信息可以雙向傳送、任何沖突就可以避免沖突。令牌總線具有如下優(yōu)點：①吞吐能力大，吞吐量隨數(shù)據(jù)傳輸速率的提高而增加；②控制功能不隨電纜線長度的增加而減弱；③不需沖突檢測，故信號電壓可以有較大的動態(tài)范圍；④具有一定的實時性?？梢姡捎每偩€方式網絡的連網距離較CSMA/CD及TokenRing方式的網絡遠。令牌傳送后才能獲得令牌。下表對三種訪問控制方式進行了比較?？刂品绞叫阅鼙容^低負載好差中高負載差好好短包差中中長包中差好3．國際標準化組織(ISO)提出的開放系統(tǒng)互連參考模型即OSI模型是怎樣的?答：為了實現(xiàn)計算機系統(tǒng)之間的互連，1977