1、第一章 計算機控制系統概述習題參考答案1.計算機控制系統的控制過程是怎樣的?計算機控制系統的控制過程可歸納為以下三個步驟：(1)實時數據采集：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。(2)實時決策：對采集到的表征被控參數的狀態量進行分析，并按已定的控制規律，決定下一步的控制過程。(3)實時控制：根據決策，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。2.實時、在線方式和離線方式的含義是什么？(1)實時：所謂“實時”，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內完成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理，并在一定的時間內作出反應并進行控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意

2、義。(2)“在線”方式：在計算機控制系統中，如果生產過程設備直接與計算機連接，生產過程直接受計算機的控制，就叫做“聯機”方式或“在線”方式。(3)“離線”方式：若生產過程設備不直接與計算機相連接，其工作不直接受計算機的控制，而是通過中間記錄介質，靠人進行聯系并作相應操作的方式，則叫做“脫機”方式或“離線”方式。3.微型計算機控制系統的硬件由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？由四部分組成。圖1.1微機控制系統組成框圖(1)主機：這是微型計算機控制系統的核心，通過接口它可以向系統的各個部分發出各種命令，同時對被控對象的被控參數進行實時檢測及處理。主機的主要功能是控制整個生產過程，按控制規律進行各種

3、控制運算(如調節規律運算、最優化計算等)和操作，根據運算結果作出控制決策；對生產過程進行監督，使之處于最優工作狀態；對事故進行預測和報警；編制生產技術報告，打印制表等等。(2)輸入輸出通道：這是微機和生產對象之間進行信息交換的橋梁和紐帶。過程輸入通道把生產對象的被控參數轉換成微機可以接收的數字代碼。過程輸出通道把微機輸出的控制命令和數據，轉換成可以對生產對象進行控制的信號。過程輸入輸出通道包括模擬量輸入輸出通道和數字量輸入輸出通道。(3)外部設備：這是實現微機和外界進行信息交換的設備，簡稱外設，包括人機聯系設備(操作臺)、輸入輸出設備(磁盤驅動器、鍵盤、打印機、顯示終端等)和外存貯器(磁盤)。

4、其中操作臺應具備顯示功能，即根據操作人員的要求，能立即顯示所要求的內容；還應有按鈕，完成系統的啟、停等功能；操作臺還要保證即使操作錯誤也不會造成惡劣后果，即應有保護功能。(4)檢測與執行機構a.測量變送單元：在微機控制系統中，為了收集和測量各種參數，采用了各種檢測元件及變送器，其主要功能是將被檢測參數的非電量轉換成電量，例如熱電偶把溫度轉換成mV信號；壓力變送器可以把壓力轉換變為電信號，這些信號經變送器轉換成統一的計算機標準電平信號(05V或420mA)后，再送入微機。b.執行機構：要控制生產過程，必須有執行機構，它是微機控制系統中的重要部件，其功能是根據微機輸出的控制信號，改變輸出的角位移或

5、直線位移，并通過調節機構改變被調介質的流量或能量，使生產過程符合預定的要求。例如，在溫度控制系統中，微機根據溫度的誤差計算出相應的控制量，輸出給執行機構(調節閥)來控制進入加熱爐的煤氣(或油)量以實現預期的溫度值。常用的執行機構有電動、液動和氣動等控制形式，也有的采用馬達、步進電機及可控硅元件等進行控制。4.微型計算機控制系統軟件有什么作用？說出各部分軟件的作用。軟件是指能夠完成各種功能的計算機程序的總和。整個計算機系統的動作，都是在軟件的指揮下協調進行的，因此說軟件是微機系統的中樞神經。就功能來分，軟件可分為系統軟件、應用軟件及數據庫。(1)系統軟件：它是由計算機設計者提供的專門用來使用和管

6、理計算機的程序。對用戶來說，系統軟件只是作為開發應用軟件的工具，是不需要自己設計的。系統軟件包括：a.操作系統：即為管理程序、磁盤操作系統程序、監控程序等；b.診斷系統：指的是調節程序及故障診斷程序；c.開發系統：包括各種程序設計語言、語言處理程序(編譯程序)、服務程序(裝配程序和編輯程序)、模擬主系統(系統模擬、仿真、移植軟件)、數據管理系統等；d.信息處理：指文字翻譯、企業管理等。(2)應用軟件:它是面向用戶本身的程序，即指由用戶根據要解決的實際問題而編寫的各種程序。應用軟件包括：a.過程監視程序：指巡回檢測程序、數據處理程序、上下限檢查及報警程序、操作面板服務程序、數字濾波及標度變換程序

7、、判斷程序、過程分析程序等；b.過程控制計算程序：指的是控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成調度、文件管理及輸出、打印、顯示程序等；c.公共服務程序：包括基本運算程序、函數運算程序、數碼轉換程序、格式編碼程序。(3)數據庫：數據庫及數據庫管理系統主要用于資料管理、存檔和檢索，相應軟件設計指如何建立數據庫以及如何查詢、顯示、調用和修改數據等。5.微型計算機控制系統的特點是什么？微機控制系統與常規的自動控制系統相比，具有如下特點：a.控制規律靈活多樣，改動方便b.控制精度高，抑制擾動能力強，能實現最優控制c.能夠實現數據統計和工況顯示，控制效率高d.控制與管理一體

8、化，進一步提高自動化程度6.操作指導、DDC和SCC系統工作原理如何？它們之間有何區別和聯系？(1)操作指導控制系統：在操作指導控制系統中，計算機的輸出不直接作用于生產對象，屬于開環控制結構。計算機根據數學模型、控制算法對檢測到的生產過程參數進行處理，計算出各控制量應有的較合適或最優的數值，供操作員參考，這時計算機就起到了操作指導的作用。其原理框圖如圖1.2所示。圖1.2操作指導控制系統原理框圖(2)直接數字控制系統(DDC系統)：DDC(Direct Digital Control)系統就是通過檢測元件對一個或多個被控參數進行巡回檢測，經輸入通道送給微機，微機將檢測結果與設定值進行比較，再進

9、行控制運算，然后通過輸出通道控制執行機構，使系統的被控參數達到預定的要求。DDC系統是閉環系統，是微機在工業生產過程中最普遍的一種應用形式。其原理框圖如圖1.3所示。圖1.3 DDC系統原理框圖(3)計算機監督控制系統(SCC系統)：SCC(Supervisory Computer Control)系統比DDC系統更接近生產變化的實際情況，因為在DDC系統中計算機只是代替模擬調節器進行控制，系統不能運行在最佳狀態，而SCC系統不僅可以進行給定值控制，并且還可以進行順序控制、最優控制以及自適應控制等。SCC系統的原理框圖如圖1.4所示。圖1.4 SCC系統原理框圖SCC是操作指導控制系統和DDC

10、系統的綜合與發展。7.計算機控制系統的發展趨勢是什么？大規模及超大規模集成電路的發展，提高了計算機的可靠性和性能價格比，從而使計算機控制系統的應用也越來越廣泛。為更好地適應生產力的發展，擴大生產規模，以滿足對計算機控制系統提出的越來越高的要求，目前計算機控制系統的發展趨勢有以下幾個方面。a.普及應用可編程序控制器b.采用集散控制系統c.研究和發展智能控制系統本章作業簡述幾類常見的計算機控制系統的特點及其應用領域。第二章 輸入輸出過程通道習題參考答案1.什么是過程通道？過程通道有哪些分類？過程通道是在計算機和生產過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。按信息傳遞的方向來分，過程通道可分為輸入過程

11、通道和輸出過程通道；按所傳遞和交換的信息來分，過程通道又可分為數字量過程通道和模擬量過程通道。2.數字量過程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？數字量過程通道包括數字量輸入通道和數字量輸出通道。數字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定時計數電路等組成。數字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：輸入調理電路將來自控制裝置或生產過程的各種開關量，進行電平轉換，將其通斷狀態轉換成相應的高、低電平，同時還要考慮對信號進行濾波、保護、消除觸點抖動，以及進行信號隔離等問題。3.簡述兩種硬件消抖電路的工作原理。采用積分電路的硬件

12、消抖電路，首先利用積分電路將抖動的高頻部分濾出，其次利用施密特觸發器整形。采用RS觸發器的硬件消抖電路，主要是利用RS觸發器的保持功能實現消抖。4.簡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管殼內的發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使其發光，照射到光敏三極管上使其導通，完成信號的光電耦合傳送，它在過程通道中實現了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。圖2.1光電耦合器電路圖5.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、多路轉換器、采樣保持器、A/D轉換器、接口及控制邏輯電路組成。(1)I/V變換：提高了信號

13、遠距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減，為與標準化儀表和執行機構匹配提供了方便。(2)多路轉換器：用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。(3)采樣保持器：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間內，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉換器之前加入采樣保持器。(4)A/D轉換器：模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉換成數字量，能夠完成這一任務的器件，稱為之模/數轉換器(Analog/Digital Converter，簡稱A/D轉換器或ADC)。6.對理想多路開關的要求是什么？理想的多路開關其開路電阻為無窮大，其接通時的導通電阻為零。此外，還希

14、望切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。7.采樣保持器有什么作用？試說明保持電容的大小對數據采集系統的影響。采樣保持器的作用：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間內，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉換器之前加入采樣保持器。保持電容對數據采集系統采樣保持的精度有很大影響。保持電容值小，則采樣狀態時充電時間常數小，即保持電容充電快，輸出對輸入信號的跟隨特性好，但在保持狀態時放電時間常數也小，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。8.在數據采樣系統中，是不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器？為什么？

15、不是，對于輸入信號變化很慢，如溫度信號；或者A/D轉換時間較快，使得在A/D轉換期間輸入信號變化很小，在允許的A/D轉換精度內，就不必再選用采樣保持器。9.A/D轉換器的結束信號有什么作用？根據該信號在I/O控制中的連接方式，A/D轉換有幾種控制方式？它們在接口電路和程序設計上有什么特點？A/D轉換器的結束信號的作用是用以判斷本次AD轉換是否完成。常見的A/D轉換有以下幾種控制方式，各自特點如下延時等待法:EOC可不和I/O口連接，程序設計時，延時大于ADC轉換時間后，取數據。保持等待法:EOC與READY相連,EOC無效時,自動插入等待狀態。直至EOC有效時，取數據。查詢法: EOC可以和任

16、意I/O口連接，程序設計時，反復判斷EOC是否有效，直至EOC有效時，取數據。中斷響應法: EOC與外部中斷相連，AD轉換結束后,發中斷申請,在中斷服務程序中取數據。10.設被測溫度變化范圍為0oC1200oC,如果要求誤差不超過0.4oC,應選用分辨為多少位的A/D轉換器？選擇依據：11.設計出8路模擬量采集系統。請畫出接口電路原理圖，并編寫相應的8路模擬量數據采集程序。本例給出用8031、DAC0809設計的數據采集系統實例。把采樣轉換所得的數字量按序存于片內RAM的30H37H單元中。采樣完一遍后停止采集。其數據采集的初始化程序和中斷服務程序如下：初始化程序：MOV R0，#30H ；設

17、立數據存儲區指針MOV R2，#08H ；設置8路采樣計數值SETB IT0 ；設置外部中斷0為邊沿觸發方式SETB EA ；CPU開放中斷SETB EX0 ；允許外部中斷0中斷MOV DPTR，#FEF8H ；送入口地址并指向IN0LOOP：MOVX DPTR，A ；啟動A/D轉換，A的值無意義HERE：SJMP HERE ；等待中斷中斷服務程序： MOVX A，DPTR ；讀取轉換后的數字量 MOV R0，A ；存入片內RAM單元 INC DPTR ；指向下一模擬通道 INC R0 ；指向下一個數據存儲單元 DJNZ R2，INT0 ；8路未轉換完，則繼續 CLR EA ；已轉換完，則關中

18、斷 CLR EX0 ；禁止外部中斷0中斷 RETI ；中斷返回 INT0：MOVX DPTR，A ；再次啟動A/D轉換RETI ；中斷返回12.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轉換器、功率放大和V/I變換等信號調理電路組成。(1)D/A轉換器：模擬量輸出通道的核心是數/模轉換器(Digital/Analog Converter,簡稱D/A轉換器或DAC)。它是指將數字量轉換成模擬量的元件或裝置。(2)V/I變換：一般情況下，D/A轉換電路的輸出是電壓信號。在計算機控制系統中，當計算機遠離現場，為了便于信號的遠距離傳輸，減少由于傳輸帶來的干擾

19、和衰減，需要采用電流方式輸出模擬信號。許多標準化的工業儀表或執行機構，一般是采用010mA或420mA的電流信號驅動的。因此，需要將模擬電壓信號通過電壓/電流(V/I)變換技術，轉化為電流信號。13.采用DAC0832和PC總線工業控制機接口。請畫出接口電路原理圖，并編寫產生三角波、梯形波和鋸齒波的程序。本章作業設計一八路數據采集及其回放系統。要求八路數據巡回檢測，存儲10組數據，輸數據為電壓信號（0-5V），檢測精度<1%。CPU、AD、DA可任選。第三章 微機數控系統習題參考答案1.什么是數控系統？數控系統包括哪些？數控系統是采用數字電子技術和計算機技術，對生產機械進行自動控制的系統

20、，它包括順序控制和數字程序控制兩部分。2.什么是順序控制系統？它由哪幾部分組成？微機順序控制方式是指以預先規定好的時間或條件為依據，按預先規定好的動作次序順序地進行工作。一般地，把按時序或事序規定工作的自動控制稱為順序控制。它包括系統控制器、輸入電路、輸入接口、輸出電路、輸出接口、檢測機構、顯示與報警電路。3.微機數控系統由哪些部分組成？各部分的作用是什么？由五部分組成。(1)輸入裝置：一般指微機的輸入設備，如鍵盤。其作用是輸入數控系統對生產機械進行自動控制時所必需的各種外部控制信息和加工數據信息。(2)微機：微機是MNC系統運算和控制的核心。在系統軟件指揮下，微機根據輸入信息，完成數控插補器

21、和控制器運算，并輸出相應的控制和進給信號。若為閉環數控系統，則由位置檢測裝置輸出的反饋信息也送入微機進行處理。(3)輸出裝置：一般包括輸出緩沖電路、隔離電路、輸出信號功率放大器、各種顯示設備等。在微機控制下，輸出裝置一方面顯示加工過程中的各有關信息，另一方面向被控生產機械輸出各種有關的開關量控制信號(冷卻、啟、停等)，還向伺服機構發出進給脈沖信號等。(4)伺服機構：一般包括各種伺服元件和功率驅動元件。其功能是將輸出裝置發出的進給脈沖轉換成生產機械相應部件的機械位移(線位移、角位移)運動。(5)加工機械：即數控系統的控制對象，各種機床、織機等。目前已有專門為數控裝置配套設計的各種機械，如各種數控

22、機床，它們的機械結構與普通機床有較大的區別。4.什么是逐點比較插補法？直線插補計算過程和圓弧插補計算過程各有哪幾個步驟？逐點比較法插補運算，就是在某個坐標方向上每走一步（即輸出一個進給脈沖），就作一次計算，將實際進給位置的坐標與給定的軌跡進行比較，判斷其偏差情況，根據偏差，再決定下一步的走向（沿X軸進給，還是沿Y軸進給）。逐點比較法插補的實質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控系統的一個脈沖當量（每走一步的距離，即步長）。直線插補計算過程的步驟如下： (1)偏差判別：即判別上一次進給后的偏差值Fm是最大于等于零，還是小于零；(2)坐標進給：即根據偏差判斷的結果決定進給方

23、向，并在該方向上進給一步； (3)偏差計算：即計算進給后的新偏差值Fm+1，作為下一步偏差判別的依據；(4)終點判別：即若已到達終點，則停止插補；若未到達終點，則重復上述步驟。圓弧插補計算過程的步驟如下：(1)偏差判別(2)坐標進給(3)偏差計算(4)坐標計算(5)終點判別5.若加工第二象限直線OA，起點O（0，0），終點A（-4，6）。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。解：由題意可知xe=4,ye=6，F0=0，我們設置一個總的計數器Nxy,其初值應為Nxy=|6-0|+|-4-0|=10，則插補計算過程如表31所示。根據插補計算過程表所作

24、出的直線插補走步軌跡圖如下圖所示。表31步數偏差判別坐標進給偏差計算終點判別起點F0=0Nxy=101F0=0-XF1=F0-ye=-6Nxy=92F1<0+YF2=F1+xe=-2Nxy=83F2<0+YF3=F2+xe=2Nxy=74F3>0-XF4=F3-ye=-4Nxy=65F4<0+YF5=F4+xe=0Nxy=56F5=0-XF6=F5-ye=-6Nxy=47F6<0+YF7=F6+xe=-2Nxy=38F7<0+YF8=F7+xe=2Nxy=29F8>0-XF9=F8-ye=-4Nxy=110F9<0+YF10=F9+xe=0Nxy

25、=06.設加工第一象限的圓弧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。解：插補計算過程如表32所示。終點判別仍采用第二種方法，設一個總的計數器Nxy，每走一步便減1操作，當Nxy=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。表32步數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+

26、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=9x9=3,y9=6Nxy=310F9>0-XF10=9-6+1=4x10=2,y10=6Nxy=211F10>0-XF11=4-4+1=1x11=1,

27、y11=6Nxy=112F11>0-XF12=1-2+1=0x12=0,y12=6Nxy=07.三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。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ABC,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為ABBCCA。各相通電的電壓波形如圖3.2所示。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式步進電機控制中，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AABBBCCCA。各相通電的電壓波形如圖3.

28、3所示。圖3.3三相六拍工作的電壓波形圖8.采用三相六拍方式控制X軸走向步進電機。P1.0P1.1P1.2P1.7非門非門非門光電隔離功率放大步進電機ABC方向控制(“1”正轉,“0”反轉)8031主程序: MOV A，#0FH；方向輸入信號 MOV P1，AXMM：MOV A，P1 JNB ACC.7，XM；P1.7=0反轉 LCALL STEP1；調正轉子程序 SJMP XMMXM： LCALL STP2；調反轉子程序 SJMP XMM+X走步子程序：STEP1： MOV DPTR，#TAB；指表頭 CLR A MOVX A，A+DPTR；取數CJNE A，#05H，S11；是否最后單元

29、MOV DPTR，#TAB；重置表頭 SJMP S12S11： INC DPTR；地址加1S12： MOV R0，#7FH；延時S13： DJNZ R0，S13； CLR A； MOVX A，A+DPTR；取數據 MOV P1，A RET-X走步子程序：STEP2： MOV DPTR，#TAB CLR AMOVX A，A+DPTR； CJNZ A，#01H，S21 MOV DPTR，#TAB ADD DPTR，#0006H SJMP S12S21： CLR C DEC DPL SJMP S12TAB： DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H本章作業若加工第二象限直線OA和圓弧AB

30、，已知直線起點O（0，0），終點A（-4，6）。圓弧起點A（-4，6），終點A（-6，10）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。第四章 微型計算機控制系統的控制算法習題參考答案1.數字控制器的模擬化設計步驟是什么？模擬化設計步驟：（1）設計假想的模擬控制器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)對應的差分方程（5）根據差分方程編制相應程序。2.某連續控制器設計為試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數字控制器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：把代入，則3

31、.在PID調節器中系數、各有什么作用？它們對調節品質有什么影響？系數為比例系數，提高系數可以減小偏差，但永遠不會使偏差減小到零，而且無止境地提高系數最終將導致系統不穩定。比例調節可以保證系統的快速性。系數為積分常數，越大積分作用越弱，積分調節器的突出優點是，只要被調量存在偏差，其輸出的調節作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零。在被調量的偏差消除后，由于積分規律的特點，輸出將停留在新的位置而不回復原位，因而能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點，其動作過于遲緩，因而在改善靜態品質的同時，往往使調節的動態品質變壞，過渡過程時間加長。積分調節可以消除靜差，提高控制精度。系數為微分常數，越大微分作用越強。

32、微分調節主要用來加快系統的相應速度，減小超調，克服振蕩，消除系統慣性的影響。4.什么是數字PID位置型控制算法和增量型控制算法？試比較它們的優缺點。為了實現微機控制生產過程變量，必須將模擬PID算式離散化，變為數字PID算式，為此，在采樣周期T遠小于信號變化周期時，作如下近似(T足夠小時，如下逼近相當準確，被控過程與連續系統十分接近)：于是有：u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執行機構的位置(如控制閥門的開度)一一對應，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，因此輸出的控制量u(k)不僅與本次偏差有關，還與過去歷次采樣偏差有關，使得u(k)產生大幅度變化，

33、這樣會引起系統沖擊，甚至造成事故。所以實際中當執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可以采用增量型PID算法。當控制系統中的執行器為步進電機、電動調節閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一般均采用增量型PID控制算法。與位置算法相比，增量型PID算法有如下優點：(1)位置型算式每次輸出與整個過去狀態有關，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調節器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。(2)為實現手動自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設置為原始閥門開度u0

34、，若采用增量型算法，其輸出對應于閥門位置的變化部分，即算式中不出現u0項，所以易于實現從手動到自動的無擾動切換。(3)采用增量型算法時所用的執行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發生故障，執行器仍能保持在原位，不會對生產造成惡劣影響。5.已知模擬調節器的傳遞函數為試寫出相應數字控制器的位置型和增量型控制算式，設采樣周期T=0.2s。則把T=0.2S代入得位置型增量型6.有哪幾種改進的數字PID控制器？有四種：（1）積分分離PID控制算法（2）不完全微分PID控制算法（3）帶死區的PID控制算法（4）消除積分不靈敏區的PID控制7.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？(1)從調節品質上看，希望采樣

35、周期短，以減小系統純滯后的影響，提高控制精度。通常保證在95%的系統的過渡過程時間內，采樣6次15次即可。(2)從快速性和抗擾性方面考慮，希望采樣周期盡量短，這樣給定值的改變可以迅速地通過采樣得到反映，而不致產生過大的延時。(3)從計算機的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應長些，尤其是多回路控制時，應使每個回路都有足夠的計算時間；當被控對象的純滯后時間較大時，常選T=（1/41/8）。(4)從計算精度方面考慮，采樣周期T不應過短，當主機字長較小時，若T過短，將使前后兩次采樣值差別小，調節作用因此會減弱。另外，若執行機構的速度較低，會出現這種情況，即新的控制量已輸出，而前一次控制卻還沒完成，這樣

36、采樣周期再短也將毫無意義，因此T必須大于執行機構的調節時間。8.簡述擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法整定PID參數的步驟。擴充臨界比例度法整定PID參數的步驟：(1)選擇一個足夠短的采樣周期T，例如被控過程有純滯后時，采樣周期T取滯后時間的1/10以下，此時調節器只作純比例控制，給定值r作階躍輸入。(2)逐漸加大比例系數Kp，使控制系統出現臨界振蕩。由臨界振蕩過程求得相應的臨界振蕩周期Ts，并記下此時的比例系數Kp，將其記作臨界振蕩增益Ks。此時的比例度為臨界比例度，記作。(3)選擇控制度，所謂控制度是數字調節器和模擬調節器所對應的過渡過程的誤差平方的積分之比。(4)根據控制度，查表求出T、K

37、p、Ti和Td值。(5)按照求得的整定參數，投入系統運行，觀察控制效果，再適當調整參數，直到獲得滿意的控制效果為止。擴充響應曲線法整定PID參數的步驟：(1)斷開數字調節器，讓系統處于手動操作狀態。將被調量調節到給定值附近并穩定后，然后突然改變給定值，即給對象輸入一個階躍信號。(2)用儀表記錄被控參數在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖所示。(3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間、被控對象的時間常數Tc，以及它們的比值Tc/。(4)由、Tc、Tc/值，查表，求出數字控制器的T、Kp、Ti和Td。9.數字控制器直接設計步驟是什么？計算機控制系統框圖如圖41所示。圖41計算機控制系統框圖由廣義

38、對象的脈沖傳遞函數可得閉環脈沖傳遞函數，可求得控制器的脈沖傳遞函數D(z)。數字控制器的直接設計步驟如下：(1)根據控制系統的性質指標要求和其它約束條件，確定所需的閉環脈沖傳遞函數(z)。(2)求廣義對象的脈沖傳遞函數G(z)。(3)求取數字控制器的脈沖傳遞函數D(z)。(4)根據D(z)求取控制算法的遞推計算公式。10.被控對象的傳遞函數為 采樣周期T=1s，采用零階保持器，針對單位速度輸入函數，設計： (1)最少拍控制器； (2)畫出采樣瞬間數字控制器的輸出和系統的輸出曲線。(1)最少拍控制器可以寫出系統的廣義對象的脈沖傳遞函數將T=1S代入，有由于輸入r(t)=t，則(2)系統閉環脈沖傳

39、遞函數則當輸入為單位速度信號時，系統輸出序列Z變換為y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,11.被控對象的傳遞函數為采樣周期T=1s，要求：(1)采用Smith補償控制，求取控制器的輸出；(2)采用大林算法設計數字控制器，并求取的遞推形式。(1)采用Smith補償控制廣義對象的傳遞函數為其中則(2)采用大林算法設計數字控制器取T=1S,K=1,T1=1,L=1,設期望閉環傳遞函數的慣性時間常數T0=0.5S則期望的閉環系統的脈沖傳遞函數為廣義被控對象的脈沖傳遞函數為則又則上式反變換到時域，則可得到12.何為振鈴現象？如何消除振鈴現象？所謂振鈴現象是指數字控制器的輸出u(k

40、)以接近二分之一的采樣頻率大幅度上下擺動。它對系統的輸出幾乎是沒有影響的，但會使執行機構因磨損而造成損壞。消除振鈴現象的方法：（1）參數選擇法對于一階滯后對象，如果合理選擇期望閉環傳遞函數的慣性時間常數T0和采樣周期T，使RA0，就沒有振鈴現象。即使不能使RA0，也可以把RA減到最小，最大程度地抑制振鈴。（2）消除振鈴因子法找出數字控制器D(z)中引起振鈴現象的因子(即z=-1附近的極點)，然后人為地令其中的z=1，就消除了這個極點。根據終值定理，這樣做不影響輸出的穩態值，但卻改變了數字控制器的動態特性，從而將影響閉環系統的動態響應。13.前饋控制完全補償的條件是什么？前饋和反饋相結合有什么好

41、處？前饋控制完全補償的條件是。如果能將擾動因素測量出來，預先將其變化量送到系統中進行調整，這樣在被調量改變之前就能克服這些擾動的影響。這種擾動的預先調整作用就稱為前饋。若參數選擇得合適，前饋控制可取得良好的控制效果。但實際上，前饋控制環節的參數不易選得那么準確，而且一個實際系統的擾動也不只一個，因此反饋控制還是不可少的。主要擾動引起的誤差，由前饋控制進行補償；次要擾動引起的誤差，由反饋控制予以抑制，這樣在不提高開環增益的情況下，各種擾動引起的誤差均可得到補償，從而有利于同時兼顧提高系統穩定性和減小系統穩態誤差的要求。14.與PID控制和直接數字控制相比，模糊控制具有哪些優點？與PID控制和直接

42、數字控制相比，模糊控制的優點：（1）模糊控制可以應用于具有非線性動力學特征的復雜系統。（2）模糊控制不用建立對象精確的數學模型。（3）模糊控制系統的魯棒性好。（4）模糊控制是以人的控制經驗作為控制的知識模型，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。15.多變量控制系統解耦條件是什么？多變量控制系統解耦條件是系統的閉環傳遞函數矩陣為對角線矩陣。本章作業用C語言編寫數字PID算法、大林算法、施密斯算法通用子程序。第五章 微型計算機控制系統的應用軟件設計習題參考答案1.簡述應用軟件的設計步驟。圖51給出了應用軟件設計的流程圖，它描述了應用軟件設計的基本任務和設計過程。圖51 應用軟件設

43、計流程圖（1）問題定義（2）程序設計（3）手編程序（4）差錯（5）測試（6）文件編制（7）維護和再設計2.什么是計算延時？當采樣信號送入CPU，按控制算法要求進行數據處理時，由于計算機執行每條指令均需要一定時間，這樣，從數據采樣到結果輸出之間就要產生一定的時間延遲，稱為計算延時。3.如何在應用軟件設計中減少計算延時？在應用軟件設計過程中，為減少計算延時，通常將運算分為前臺運算和后臺運算。前臺運算：為得到當前輸出值U(k)，而必須進行的運算。后臺運算：為得到下一時刻輸出值U(k +1)以及與當前輸出無關的其他計算和管理算法。采樣時刻到？A/D采樣前臺算法D/A輸出NY后臺算法4.標度變換在工程上

44、有什么意義？在什么情況下使用標度變換程序？微機控制系統在讀入被測模擬信號并轉換成數字量后，往往還要轉換成操作人員所熟悉的工程值。這是因為生產現場的各種工藝參數量綱不同。例如，壓力的單位為Pa，流量的單位為m3/h，溫度的單位為。這些參數A/D轉換后得到一系列的數碼，這些數碼的值并不一定等于原來帶有量綱的參數值，它僅代表參數值的大小，故必須把它轉換成帶有量綱的數值后才能運算、顯示或打印輸出。這種轉換稱為工程量轉換，也稱為標度變換。標度變換有各種不同類型，它取決于被測參數測量傳感器的類型，設計時應根據實際情況選擇適當的標度變換方法，常用線性參數標度變換。第六章 微型計算機控制系統的抗干擾技術習題參

45、考答案1.干擾的作用途徑是什么？無論是內部干擾還是外部干擾，都是從以下幾個途徑作用于系統的。(1) 傳導耦合(2) 靜電耦合(3) 電磁耦合(4) 公共阻抗耦合2.什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公共接地點同時出現的干擾，也稱為共態干擾、對地干擾、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比的的儀表放大器作為輸入放大器。串模干擾就是指串聯疊加在工作信號上的干擾，也稱之為正態干擾、常態干擾、橫向干擾等。消除串模干擾的方法有以下幾種

46、：在輸入回路中接入模擬濾波器；使用雙積分式A/D轉換器；采用雙絞線作為信號線；電流傳送，3.數字濾波與模擬濾波相比有什么特點？數字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比，有以下幾個優點：(1)數字濾波是用程序實現的，不需要增加硬設備，所以可靠性高，穩定性好；(2)數字濾波可以對頻率很低(如0.01Hz)的信號實現濾波，克服了模擬濾波器的缺陷；(3)數字濾波器可根據信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數，具有靈活、方便、功能強的特點。4.常用的數字濾波方法有幾種？它們各自有什么特點？常用的數字濾波方法有7種。（1）程序判斷濾波法：是根據生產經驗，確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現得最大

47、偏差。（2）中值濾波法：它對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩定而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效。（3）算術平均值濾波法：它適用于一般的具有隨機干擾信號的濾波。它特別適合于信號本身在某一數值范圍附近作上下波動的情況。（4）加權平均值濾波：可以提高濾波效果（5）滑動平均值濾波法：采樣時間短，可以提高檢測速度（6）慣性濾波法：適用于慢速隨機變量的濾波（7）復合數字濾波：比單純的平均值濾波的效果要好5.算術平均值濾波、加權平均值濾波以及滑動平均濾波三者的區別是什么？算術平均值法適用于對壓力、流量等周期脈動信號的平滑，這種信號的特點是往往在某一數值范圍附近作上、下波動，有一個平均值。這種算法對信

48、號的平滑程度取決于平均次數N，當N較大時平滑度高，但靈敏度低；當N較小時，平滑度低，但靈敏度高，應該視具體情況選取N值。對于一般流量，通常取N=12；若為壓力，則取N=4。在算術平均濾波中，N次采樣值在結果中所占的比重是均等的，即每次采樣值具有相同的加權因子1/N。但有時為了提高濾波效果，往往對不同時刻的采樣值賦以不同的加權因子。這種方法稱為加權平均濾波法，也稱滑動平均或加權遞推平均。其算法為其中。加權因子選取可視具體情況決定，一般采樣值愈靠后，賦予的比重越大，這樣可增加新的采樣值在平均值中的比例，系統對正常變化的靈敏性也可提高，當然對干擾的靈敏性也稍大了些。滑動平均值濾波法，依次存放N次采樣

49、值，每采進一個新數據，就將最早采集的那個數據丟掉，然后求包含新值在內的N個數據的算術平均值或加權平均值。6.計算機控制系統的常用接地方法是什么？（1）一點接地和多點接地（2）模擬地和數字地的連接（3）主機外殼接地（4）多機系統的接地7.微機常用的直流穩壓電源由哪些部分組成？各部分的作用是什么？微機常用的直流穩壓電源如圖61所示。該電源采用了雙隔離、雙濾波和雙穩壓措施，具有較強的抗干擾能力，可用于一般工業控制場合。圖61 抗干擾直流穩壓電源示意圖（1）隔離變壓器隔離變壓器的作用有兩個：其一是防止浪涌電壓和尖峰電壓直接竄入而損壞系統；其二是利用其屏蔽層阻止高頻干擾信號竄入。（2）低通濾波器各種干擾

50、信號一般都有很強的高頻分量，低通濾波器是有效的抗干擾器件，它允許工頻50Hz電源通過，而濾掉高次諧波，從而改善供電質量。（3）交流穩壓器交流穩壓器的作用是保證供電的穩定性，防止電源電壓波動對系統的影響。（4） 電源變壓器電源變壓器是為直流穩壓電源提供必要的電壓而設置的。為了增加系統的抗干擾能力，電源變壓器做成雙屏蔽形式。（5）直流穩壓系統直流穩壓系統包括整流器、濾波器、直流穩壓器和高頻濾波器等幾部分，常用的直流穩壓電路如圖62所示。圖62 直流穩壓系統電路圖一般直流穩壓電源用的整流器多為單相橋式整流，直流側常采用電容濾波。圖中C1為平滑濾波電容，常選用幾百幾千F的電解電容，用以減輕整流橋輸出電

51、壓的脈動。C2為高頻濾波電容，常選用0.010.1F的瓷片電容，用于抑制浪涌的尖峰。作為直流穩壓器件，現在常用的就是三端穩壓器78XX和79XX系列芯片，這類穩壓器結構簡單，使用方便，負載穩定度為15mV，具有過電流和輸出短路保護，可用于一般微機系統。三端穩壓電源的輸出端常接兩個電容C3和C4，C3主要起負載匹配作用，常選用幾十幾百F的電解電容；C4中抗高頻干擾電容，常選取0.010.1F的瓷片電容。第七章 總線技術習題參考答案1.何謂總線？總線有什么功能？總線標準是怎樣形成的？總線是一組信號線的集合。這些線是系統的各插件間(或插件內部芯片間)、各系統之間傳送規定信息的公共通道，有時也稱數據公

52、路，通過它們可以把各種數據和命令傳送到各自要去的地方。在微型計算機的硬件設計中，許多廠商設計和提供了許多具有不同功能的插件(亦稱“模板”)。用戶為了構成計算機應用系統，希望這些模板能互相兼容。這種兼容是指插件的尺寸、插座的針數及類型、插針的邏輯定義、控制插件工作的時序及電氣特性等相同。也就是說為了使插件與插件間、系統與系統間能夠正確連接，就必須對連接各插件或各系統的基礎總線，制定出嚴格的規約，即總線標準，為各廠商設計和生產插件模塊提供統一的依據。因此，采用同一總線標準的不同廠家的插件模塊，就可以組成可正常工作的系統。2.試述總線的分類、各類總線間的關系。a.根據總線不同的結構和用途，總線有如下

53、的幾種類型：（1）專用總線我們將只實現一對物理部件間連接的總線稱為專用總線。專用總線的基本優點是其具有較高的流量，多個部件可以同時發送或接受信息，幾乎不會出現總線爭用的現象。在全互連或部分互連以及環形拓撲結構中使用的總線就是專用總線。（2）非專用總線非專用總線可以被多種功能或多個部件所共享，所以也稱之為共享總線。每個部件都能通過共享總線與接在總線上的其他部件相連，但在同一時刻，卻只允許2個部件共享通信，其他部件間的通信要分時進行，因此準確地應稱之為分時共享總線。b.根據總線的用途和應用環境，總線可以有如下幾種類型：（1）局部總線局部總線又稱為芯片總線。它是微處理器總線的延伸，是微處理器與外部硬件接口的