計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課后習(xí)題答案

1、1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個(gè)步驟：(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并輸入給計(jì)算機(jī)。(2)實(shí)時(shí)決策：對(duì)采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)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(shí)時(shí)控制：根據(jù)決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。1.2實(shí)時(shí)、在線方式和離線方式的含義是什么？(1)實(shí)時(shí)：所謂“實(shí)時(shí)”，是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都是在一定時(shí)間范圍內(nèi)完成的，即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)并進(jìn)行控制，超出了這個(gè)時(shí)間就會(huì)失去控制時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。(2)“在線”方式：在計(jì)算機(jī)控

2、制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計(jì)算機(jī)連接，生產(chǎn)過程直接受計(jì)算機(jī)的控制，就叫做“聯(lián)機(jī)”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(jì)算機(jī)相連接，其工作不直接受計(jì)算機(jī)的控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式，則叫做“脫機(jī)”方式或“離線”方式。1.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？微機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)：a.控制規(guī)律靈活多樣，改動(dòng)方便b.控制精度高，抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制c.能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，控制效率高d.控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度1.6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是什么？大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，提高了

3、計(jì)算機(jī)的可靠性和性能價(jià)格比，從而使計(jì)算機(jī)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(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，以滿足對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求，目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面。a.普及應(yīng)用可編程序控制器b.采用集散控制系統(tǒng)c.研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)2.4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(shí)計(jì)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(dòng)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，

4、進(jìn)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(shí)還要考慮對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、保護(hù)、消除觸點(diǎn)抖動(dòng)，以及進(jìn)行信號(hào)隔離等問題。2.5簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)消抖。2.6簡(jiǎn)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(gè)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。輸入電流流過二極管時(shí)使其發(fā)光，照射到光敏三極管上使其導(dǎo)通，完成信號(hào)的光電耦合傳送，它在過程通道中實(shí)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

5、路圖2.7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。(1)I/V變換：提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號(hào)的衰減，為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配提供了方便。(2)多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號(hào)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(shí)間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，希望輸入信號(hào)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

6、器(Analog/Digital Converter，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)。2.9采樣保持器有什么作用？試說明保持電容的大小對(duì)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(shí)間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，希望輸入信號(hào)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(duì)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(shí)充電時(shí)間常數(shù)小，即保持電容充電快，輸出對(duì)輸入信號(hào)的跟隨特性好，但在保持狀態(tài)時(shí)放電時(shí)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。2.10對(duì)理想多路開關(guān)的要

7、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(shí)的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長(zhǎng)、工作可靠。2.13設(shè)被測(cè)溫度變化范圍為0oC1200oC,如果要求誤差不超過0.4oC,應(yīng)選用分辨為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？選擇依據(jù)：2.14模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？模擬量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(hào)調(diào)理電路組成。(1)D/A轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(Digital/Analog Converter,簡(jiǎn)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

8、的輸出是電壓信號(hào)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，為了便于信號(hào)的遠(yuǎn)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(hào)。許多標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是采用010mA或420mA的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。因此，需要將模擬電壓信號(hào)通過電壓/電流(V/I)變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。2.16什么是共模干擾和串模干擾？如何抑制？共模干擾是在電路輸入端相對(duì)公共接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾，也稱為共態(tài)干擾、對(duì)地干擾、縱向干擾、同向干擾等。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號(hào)源的地之間的傳輸線上電壓降造成得。消除共模干擾的方法有以下幾種:變壓器隔離；光電隔離；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制

9、比的的儀表放大器作為輸入放大器。串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號(hào)上的干擾，也稱之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等。消除串模干擾的方法有以下幾種：在輸入回路中接入模擬濾波器；使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器；采用雙絞線作為信號(hào)線；電流傳送，4.1數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)步驟是什么？模擬化設(shè)計(jì)步驟：（1）設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的差分方程（5）根據(jù)差分方程編制相應(yīng)程序。4.2某連續(xù)控制器設(shè)計(jì)為試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器D(Z)。雙線形變換法：把代入，則前向差分法：把代入，則 后向差分法：把代

10、入，則4.4在PID調(diào)節(jié)器中系數(shù)、各有什么作用？它們對(duì)調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響？系數(shù)為比例系數(shù)，提高系數(shù)可以減小偏差，但永遠(yuǎn)不會(huì)使偏差減小到零，而且無止境地提高系數(shù)最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速性。系數(shù)為積分常數(shù)，越大積分作用越弱，積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點(diǎn)是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點(diǎn)，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)原位，因而能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點(diǎn)，其動(dòng)作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時(shí)間加長(zhǎng)。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，提高控制精度。系數(shù)為微分常數(shù)，越大微分

11、作用越強(qiáng)。微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的相應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩，消除系統(tǒng)慣性的影響。4.5什么是數(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(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)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(yuǎn)小于信號(hào)變化周期時(shí)，作如下近似(T足夠小時(shí)，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近)：于是有：u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如控制閥門的開度)一一對(duì)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(xiàng)，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

12、大幅度變化，這樣會(huì)引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以實(shí)際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量時(shí)，可以采用增量型PID算法。當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進(jìn)電機(jī)、電動(dòng)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(shí)，一般均采用增量型PID控制算法。與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)位置型算式每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)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(jì)算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項(xiàng)，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時(shí)，計(jì)算誤差對(duì)控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。(2)為實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)無擾切換，在切換瞬時(shí)，計(jì)算機(jī)的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始

13、閥門開度u0，若采用增量型算法，其輸出對(duì)應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)u0項(xiàng)，所以易于實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切換。(3)采用增量型算法時(shí)所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成惡劣影響。4.6已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為試寫出相應(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=0.2s。則 把T=0.2S代入得位置型增量型4.7什么叫積分飽和？ 它是怎樣引起的？如何消除？在PID位置式算法中需要偏差信號(hào)的累加值，當(dāng)累加值超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的額定范圍后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出值不再隨控制信號(hào)的增加而增加，于是就出現(xiàn)了積分飽和現(xiàn)象。消除方法：1采用增

14、量式算法；2采用積分分離式算法。4.9數(shù)字控制器直接設(shè)計(jì)步驟是什么？計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖41所示。圖41計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖由廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)可得閉環(huán)脈沖傳遞函數(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(jì)步驟如下：(1)根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)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)(z)。(2)求廣義對(duì)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(jì)算公式。410.被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為 采樣周期T=1s，采用零階保持器，針對(duì)單位速度輸入函數(shù)，設(shè)計(jì)： (1)最少拍控制器； (2)畫出采樣瞬間數(shù)字控制器的輸出和

15、系統(tǒng)的輸出曲線。(1)最少拍控制器可以寫出系統(tǒng)的廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)將T=1S代入，有由于輸入r(t)=t，則(2)系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)則當(dāng)輸入為單位速度信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)輸出序列Z變換為y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,411.被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為采樣周期T=1s，要求：(1)采用Smith補(bǔ)償控制，求取控制器的輸出；(2)采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器，并求取的遞推形式。(1)采用Smith補(bǔ)償控制廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為其中則(2)采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器取T=1S,K=1,T1=1,L=1,設(shè)期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時(shí)間常數(shù)T0=0.5S則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為廣

16、義被控對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為則又則上式反變換到時(shí)域，則可得到5.2什么是逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法？直線插補(bǔ)計(jì)算過程和圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程各有哪幾個(gè)步驟？逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)運(yùn)算，就是在某個(gè)坐標(biāo)方向上每走一步（即輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖），就作一次計(jì)算，將實(shí)際進(jìn)給位置的坐標(biāo)與給定的軌跡進(jìn)行比較，判斷其偏差情況，根據(jù)偏差，再?zèng)Q定下一步的走向（沿X軸進(jìn)給，還是沿Y軸進(jìn)給）。逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的實(shí)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(gè)脈沖當(dāng)量（每走一步的距離，即步長(zhǎng)）。直線插補(bǔ)計(jì)算過程的步驟如下： (1)偏差判別：即判別上一次進(jìn)給后的偏差值Fm是最大于等于零，還是小于零；(2)坐標(biāo)進(jìn)給：即根據(jù)偏差判斷

17、的結(jié)果決定進(jìn)給方向，并在該方向上進(jìn)給一步； (3)偏差計(jì)算：即計(jì)算進(jìn)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(diǎn)判別：即若已到達(dá)終點(diǎn)，則停止插補(bǔ)；若未到達(dá)終點(diǎn)，則重復(fù)上述步驟。圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程的步驟如下：(1)偏差判別(2)坐標(biāo)進(jìn)給(3)偏差計(jì)算(4)坐標(biāo)計(jì)算(5)終點(diǎn)判別5.4三相步進(jìn)電機(jī)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。有三種工作方式：（1）三相單三拍工作方式各相的通電順序?yàn)锳BC,各相通電的電壓波形如圖3.1所示。圖3.1單三拍工作的電壓波形圖（2）三相雙三拍工作方式雙三拍工作方式各相的通電順序?yàn)锳BBCCA。各相通電的電壓波形如圖3.2所

18、示。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(jìn)電機(jī)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?yàn)锳ABBBCCCA。各相通電的電壓波形如圖3.3所示。圖3.3三相六拍工作的電壓波形圖5.5 采用三相六拍方式控制X軸走向步進(jìn)電機(jī)。P1.0P1.1P1.2P1.7非門非門非門光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)ABC方向控制(“1”正轉(zhuǎn),“0”反轉(zhuǎn))8031主程序: MOV A，#0FH；方向輸入信號(hào) MOV P1，AXMM： MOV A，P1 JNB ACC.7，XM；P1.7=0反轉(zhuǎn) LCALL STEP1；調(diào)正轉(zhuǎn)子程序 SJMP XMMXM： LCALL STP2；調(diào)反轉(zhuǎn)子程序 SJMP XMM+X走步子程序： STEP1： MOV DPTR，#TAB；指表頭 CLR A MOVX A，A+DPTR；取數(shù) CJNE A，#05H，S11；是否最后單元 MOV DPTR，#TAB； 重置表頭 SJMP S12S11： INC DPTR；地址加1 S12： MOV R0，#7FH；延時(shí) S13： DJNZ R0，S13； CLR A； MOVX A，A+DPTR；取數(shù)據(jù) MOV P1，A R