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第一章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 習(xí)題及參考答案 1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程是怎樣的? 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)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(guò)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)。 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)控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備直接與計(jì)算機(jī)連接，生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(guò)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。 3.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)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(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 (1)主機(jī)：這是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)接口它可以向系統(tǒng)的各個(gè)部分發(fā)出各種命令，同時(shí)對(duì)被控對(duì)象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及處理。主機(jī)的主要功能是控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，按控制規(guī)律進(jìn)行各種控制運(yùn)算(如調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)算、最優(yōu)化計(jì)算等)和操作，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果作出控制決策；對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督，使之處于最優(yōu)工作狀態(tài)；對(duì)事故進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警；編制生產(chǎn)技術(shù)報(bào)告，打印制表等等。 (2)輸入輸出通道：這是微機(jī)和生產(chǎn)對(duì)象之間進(jìn)行信息交換的橋梁和紐帶。過(guò)程輸入通道把生產(chǎn)對(duì)象的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成微機(jī)可以接收的數(shù)字代碼。過(guò)程輸出通道把微機(jī)輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成可以對(duì)生產(chǎn)對(duì)象進(jìn)行控制的信號(hào)。過(guò)程輸入輸出通道包括模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量輸入輸出通道。 (3)外部設(shè)備：這是實(shí)現(xiàn)微機(jī)和外界進(jìn)行信息交換的設(shè)備，簡(jiǎn)稱外設(shè)，包括人機(jī)聯(lián)系設(shè)備(操作臺(tái))、輸入輸出設(shè)備(磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、鍵盤(pán)、打印機(jī)、顯示終端等)和外存貯器(磁盤(pán))。其中操作臺(tái)應(yīng)具備顯示功能，即根據(jù)操作人員的要求，能立即顯示所要求的內(nèi)容；還應(yīng)有按鈕，完成系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺(tái)還要保證即使操作錯(cuò)誤也不會(huì)造成惡劣后果，即應(yīng)有保護(hù)功能。 (4)檢測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu) a.測(cè)量變送單元：在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了收集和測(cè)量各種參數(shù)，采用了各種檢測(cè)元件及變送器，其主要功能是將被檢測(cè)參數(shù)的非電量轉(zhuǎn)換成電量，例如熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換成mV信號(hào)；壓力變送器可以把壓力轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，這些信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)(0～5V或4～20mA)后，再送入微機(jī)。 b.執(zhí)行機(jī)構(gòu)：要控制生產(chǎn)過(guò)程，必須有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是微機(jī)控制系統(tǒng)中的重要部件，其功能是根據(jù)微機(jī)輸出的控制信號(hào)，改變輸出的角位移或直線位移，并通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流量或能量，使生產(chǎn)過(guò)程符合預(yù)定的要求。例如，在溫度控制系統(tǒng)中，微機(jī)根據(jù)溫度的誤差計(jì)算出相應(yīng)的控制量，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)來(lái)控制進(jìn)入加熱爐的煤氣(或油)量以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的溫度值。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)等控制形式，也有的采用馬達(dá)、步進(jìn)電機(jī)及可控硅元件等進(jìn)行控制。 4.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件有什么作用？說(shuō)出各部分軟件的作用。 軟件是指能夠完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和。整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)作，都是在軟件的指揮下協(xié)調(diào)進(jìn)行的，因此說(shuō)軟件是微機(jī)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。就功能來(lái)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)。 (1)系統(tǒng)軟件：它是由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者提供的專門(mén)用來(lái)使用和管理計(jì)算機(jī)的程序。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)軟件只是作為開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件的工具，是不需要自己設(shè)計(jì)的。 系統(tǒng)軟件包括： a.操作系統(tǒng)：即為管理程序、磁盤(pán)操作系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序等； b.診斷系統(tǒng)：指的是調(diào)節(jié)程序及故障診斷程序； c.開(kāi)發(fā)系統(tǒng)：包括各種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、語(yǔ)言處理程序(編譯程序)、服務(wù)程序(裝配程序和編輯程序)、模擬主系統(tǒng)(系統(tǒng)模擬、仿真、移植軟件)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等； d.信息處理：指文字翻譯、企業(yè)管理等。 (2)應(yīng)用軟件:它是面向用戶本身的程序，即指由用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問(wèn)題而編寫(xiě)的各種程序。 應(yīng)用軟件包括： a.過(guò)程監(jiān)視程序：指巡回檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報(bào)警程序、操作面板服務(wù)程序、數(shù)字濾波及標(biāo)度變換程序、判斷程序、過(guò)程分析程序等； b.過(guò)程控制計(jì)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(diào)度、文件管理及輸出、打印、顯示程序等； c.公共服務(wù)程序：包括基本運(yùn)算程序、函數(shù)運(yùn)算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序。 (3)數(shù)據(jù)庫(kù)：數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)主要用于資料管理、存檔和檢索，相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)指如何建立數(shù)據(jù)庫(kù)以及如何查詢、顯示、調(diào)用和修改數(shù)據(jù)等。 5.微型計(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 6.操作指導(dǎo)、DDC和SCC系統(tǒng)工作原理如何？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？ (1)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出不直接作用于生產(chǎn)對(duì)象，屬于開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型、控制算法對(duì)檢測(cè)到的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行處理，計(jì)算出各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時(shí)計(jì)算機(jī)就起到了操作指導(dǎo)的作用。其原理框圖如圖1.2所示。 圖1.2操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖 (2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))：DDC(Direct Digital Control)系統(tǒng)就是通過(guò)檢測(cè)元件對(duì)一個(gè)或多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，經(jīng)輸入通道送給微機(jī)，微機(jī)將檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再進(jìn)行控制運(yùn)算，然后通過(guò)輸出通道控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達(dá)到預(yù)定的要求。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍的一種應(yīng)用形式。其原理框圖如圖1.3所示。 圖1.3 DDC系統(tǒng)原理框圖 (3)計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))：SCC(Supervisory Computer Control)系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實(shí)際情況，因?yàn)樵贒DC系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)只是代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，系統(tǒng)不能運(yùn)行在最佳狀態(tài)，而SCC系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行給定值控制，并且還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。SCC系統(tǒng)的原理框圖如圖1.4所示。 圖1.4 SCC系統(tǒng)原理框圖 SCC是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。 7.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(lái)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(lái)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) 本章作業(yè) 簡(jiǎn)述幾類常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域。 第二章 輸入輸出過(guò)程通道 習(xí)題及參考答案 1.什么是過(guò)程通道？過(guò)程通道有哪些分類？ 過(guò)程通道是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。 按信息傳遞的方向來(lái)分，過(guò)程通道可分為輸入過(guò)程通道和輸出過(guò)程通道；按所傳遞和交換的信息來(lái)分，過(guò)程通道又可分為數(shù)字量過(guò)程通道和模擬量過(guò)程通道。 2.數(shù)字量過(guò)程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？ 數(shù)字量過(guò)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(lái)自控制裝置或生產(chǎn)過(guò)程的各種開(kāi)關(guān)量，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(wèn)題。 3.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。 4.簡(jiǎn)述光電耦合器的工作原理及在過(guò)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(guò)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(guò)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(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(guò)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(lái)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)換器(Analog/Digital Converter，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)。 6.對(duì)理想多路開(kāi)關(guān)的要求是什么？ 理想的多路開(kāi)關(guān)其開(kāi)路電阻為無(wú)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。 7.采樣保持器有什么作用？試說(shuō)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。 8.在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，是不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器？為什么？ 不是，對(duì)于輸入信號(hào)變化很慢，如溫度信號(hào)；或者A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較快，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號(hào)變化很小，在允許的A/D轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，就不必再選用采樣保持器。 9.A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)有什么作用？根據(jù)該信號(hào)在I/O控制中的連接方式，A/D轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？它們?cè)诮涌陔娐泛统绦蛟O(shè)計(jì)上有什么特點(diǎn)？ A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)的作用是用以判斷本次AD轉(zhuǎn)換是否完成。 常見(jiàn)的A/D轉(zhuǎn)換有以下幾種控制方式，各自特點(diǎn)如下 ?延時(shí)等待法:EOC可不和I/O口連接，程序設(shè)計(jì)時(shí)，延時(shí)大于ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間后，取數(shù)據(jù)。 ?保持等待法:EOC與READY相連,EOC無(wú)效時(shí),自動(dòng)插入等待狀態(tài)。直至EOC有效時(shí)，取數(shù)據(jù)。 ?查詢法: EOC可以和任意I/O口連接，程序設(shè)計(jì)時(shí)，反復(fù)判斷EOC是否有效，直至EOC有效時(shí)，取數(shù)據(jù)。 ?中斷響應(yīng)法: EOC與外部中斷相連，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后,發(fā)中斷申請(qǐng),在中斷服務(wù)程序中取數(shù)據(jù)。 10.設(shè)被測(cè)溫度變化范圍為0oC~1200oC,如果要求誤差不超過(guò)0.4oC,應(yīng)選用分辨為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？ 選擇依據(jù)： 11.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)的8路模擬量數(shù)據(jù)采集程序。 本例給出用8031、DAC0809設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例。 把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi)RAM的30H~37H單元中。采樣完一遍后停止采集。其數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中斷服務(wù)程序如下： 初始化程序： MOV R0，#30H ；設(shè)立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)指針 MOV R2，#08H ；設(shè)置8路采樣計(jì)數(shù)值 SETB IT0 ；設(shè)置外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式 SETB EA ；CPU開(kāi)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IN0 LOOP： MOVX @DPTR，A ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，A的值無(wú)意義 HERE： SJMP HERE ；等待中斷 中斷服務(wù)程序： MOVX A，@DPTR ；讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 MOV @R0，A ；存入片內(nèi)RAM單元 INC DPTR ；指向下一模擬通道 INC R0 ；指向下一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 DJNZ R2，INT0 ；8路未轉(zhuǎn)換完，則繼續(xù) CLR EA ；已轉(zhuǎn)換完，則關(guān)中斷 CLR EX0 ；禁止外部中斷0中斷 RETI ；中斷返回 INT0： MOVX @DPTR，A ；再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)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(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(lái)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0～10mA或4～20mA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(guò)電壓/電流(V/I)變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。 13.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)產(chǎn)生三角波、梯形波和鋸齒波的程序。 設(shè)計(jì)一八路數(shù)據(jù)采集及其回放系統(tǒng)。要求八路數(shù)據(jù)巡回檢測(cè)，存儲(chǔ)10組數(shù)據(jù)，輸數(shù)據(jù)為電壓信號(hào)（0-5V），檢測(cè)精度<1%。CPU、AD、DA可任選。 第五章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 習(xí)題及參考答案 1.什么是數(shù)控系統(tǒng)？數(shù)控系統(tǒng)包括哪些？ 數(shù)控系統(tǒng)是采用數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)，它包括順序控制和數(shù)字程序控制兩部分。 2.什么是順序控制系統(tǒng)？它由哪幾部分組成？ 微機(jī)順序控制方式是指以預(yù)先規(guī)定好的時(shí)間或條件為依據(jù)，按預(yù)先規(guī)定好的動(dòng)作次序順序地進(jìn)行工作。一般地，把按時(shí)序或事序規(guī)定工作的自動(dòng)控制稱為順序控制。它包括系統(tǒng)控制器、輸入電路、輸入接口、輸出電路、輸出接口、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、顯示與報(bào)警電路。 3.微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)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(jī)的輸入設(shè)備，如鍵盤(pán)。其作用是輸入數(shù)控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)所必需的各種外部控制信息和加工數(shù)據(jù)信息。 (2)微機(jī)：微機(jī)是MNC系統(tǒng)運(yùn)算和控制的核心。在系統(tǒng)軟件指揮下，微機(jī)根據(jù)輸入信息，完成數(shù)控插補(bǔ)器和控制器運(yùn)算，并輸出相應(yīng)的控制和進(jìn)給信號(hào)。若為閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，則由位置檢測(cè)裝置輸出的反饋信息也送入微機(jī)進(jìn)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(hào)功率放大器、各種顯示設(shè)備等。在微機(jī)控制下，輸出裝置一方面顯示加工過(guò)程中的各有關(guān)信息，另一方面向被控生產(chǎn)機(jī)械輸出各種有關(guān)的開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)(冷卻、啟、停等)，還向伺服機(jī)構(gòu)發(fā)出進(jìn)給脈沖信號(hào)等。 (4)伺服機(jī)構(gòu)：一般包括各種伺服元件和功率驅(qū)動(dòng)元件。其功能是將輸出裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)機(jī)械相應(yīng)部件的機(jī)械位移(線位移、角位移)運(yùn)動(dòng)。 (5)加工機(jī)械：即數(shù)控系統(tǒng)的控制對(duì)象，各種機(jī)床、織機(jī)等。目前已有專門(mén)為數(shù)控裝置配套設(shè)計(jì)的各種機(jī)械，如各種數(shù)控機(jī)床，它們的機(jī)械結(jié)構(gòu)與普通機(jī)床有較大的區(qū)別。 4.什么是逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法？直線插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程和圓弧插補(bǔ)計(jì)算過(guò)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(lái)逼近給定直線或圓弧曲線，最大逼近誤差不超過(guò)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(guò)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(guò)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.若加工第二象限直線OA，起點(diǎn)O（0，0），終點(diǎn)A（-4，6）。要求： (1)按逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行列表計(jì)算； (2)作出走步軌跡圖，并標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù)。 解：由題意可知xe=4,ye=6，F(xiàn)0=0，我們?cè)O(shè)置一個(gè)總的計(jì)數(shù)器Nxy,其初值應(yīng)為Nxy=|6-0|+|-4-0|=10，則插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程如表3—1所示。根據(jù)插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程表所作出的直線插補(bǔ)走步軌跡圖如下圖所示。 表3—1 步數(shù) 偏差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算 終點(diǎn)判別 起點(diǎn) F0=0 Nxy=10 1 F0=0 -X F1=F0-ye=-6 Nxy=9 2 F1<0 +Y F2=F1+xe=-2 Nxy=8 3 F2<0 +Y F3=F2+xe=2 Nxy=7 4 F3>0 -X F4=F3-ye=-4 Nxy=6 5 F4<0 +Y F5=F4+xe=0 Nxy=5 6 F5=0 -X F6=F5-ye=-6 Nxy=4 7 F6<0 +Y F7=F6+xe=-2 Nxy=3 8 F7<0 +Y F8=F7+xe=2 Nxy=2 9 F8>0 -X F9=F8-ye=-4 Nxy=1 10 F9<0 +Y F10=F9+xe=0 Nxy=0 6.設(shè)加工第一象限的圓弧AB，起點(diǎn)A（6，0），終點(diǎn)B（0，6）。要求： (1)按逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行列表計(jì)算； (2)作出走步軌跡圖，并標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù)。 解：插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程如表3—2所示。終點(diǎn)判別仍采用第二種方法，設(shè)一個(gè)總的計(jì)數(shù)器Nxy，每走一步便減1操作，當(dāng)Nxy=0時(shí)，加工到終點(diǎn)，插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束。下圖為插補(bǔ)過(guò)程中的走步軌跡。 表3—2 步數(shù) 偏差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算 坐標(biāo)計(jì)算 終點(diǎn)判別 起點(diǎn) F0=0 x0=6,y0=0 Nxy=12 1 F0=0 -X F1=0-12+1=-11 x1=5,y1=0 Nxy=11 2 F1<0 +Y F2=-11+0+1=-10 x2=5,y2=1 Nxy=10 3 F2<0 +Y F3=-10+2+1=-7 x3=5,y3=2 Nxy=9 4 F3<0 +Y F4=-7+4+1=-2 x4=5,y4=3 Nxy=8 5 F4<0 +Y F5=-2+6+1=5 x5=5,y5=4 Nxy=7 6 F5>0 -X F6=5-10+1=-4 x6=4,y6=4 Nxy=6 7 F6<0 +Y F7=-4+8+1=5 x7=4,y7=5 Nxy=5 8 F7>0 -X F8=5-8+1=-2 x8=3,y8=5 Nxy=4 9 F8<0 +Y F9=-2+10+1=9 x9=3,y9=6 Nxy=3 10 F9>0 -X F10=9-6+1=4 x10=2,y10=6 Nxy=2 11 F10>0 -X F11=4-4+1=1 x11=1,y11=6 Nxy=1 12 F11>0 -X F12=1-2+1=0 x12=0,y12=6 Nxy=0 7.三相步進(jìn)電機(jī)有哪幾種工作方式？分別畫(huà)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→B→C,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B→BC→CA。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(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(lái)，就產(chǎn)生了六拍工作方式，其通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA。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 8. 采用三相六拍方式控制X軸走向步進(jìn)電機(jī)。 P1.0 P1.1 P1.2 P1.7 非門(mén) 非門(mén) 非門(mén) 光電隔離 功率放大 步進(jìn)電機(jī) A B C 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，A ?XMM： MOV A，P1 ? JNB ACC.7，XM；P1.7=0反轉(zhuǎn) ? LCALL STEP1；調(diào)正轉(zhuǎn)子程序 ? SJMP XMM ?XM： 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 S12 ?S11： 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 ? RET ?-X走步子程序： ?STEP2： MOV DPTR，#TAB ? CLR A ? MOVX A，@A+DPTR； ? CJNZ A，#01H，S21 ? MOV DPTR，#TAB ? ADD DPTR，#0006H ? SJMP S12 ?S21： CLR C ? DEC DPL ? SJMP S12 ?TAB： DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H 本章作業(yè) 若加工第二象限直線OA和圓弧AB，已知直線起點(diǎn)O（0，0），終點(diǎn)A（-4，6）。圓弧起點(diǎn)A（-4，6），終點(diǎn)A（-6，10）要求： (1)按逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行列表計(jì)算； (2)作出走步軌跡圖，并標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù)。 第四章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法 習(xí)題及參考答案 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。 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：把代入，則 3.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(wú)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(guò)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(guò)渡過(guò)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)，越大微分作用越強(qiáng)。微分調(diào)節(jié)主要用來(lái)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。 4.什么是數(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(guò)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(guò)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(mén)的開(kāi)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(guò)去歷次采樣偏差有關(guān)，使得u(k)產(chǎn)生大幅度變化，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(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過(guò)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(wú)擾切換，在切換瞬時(shí)，計(jì)算機(jī)的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門(mén)開(kāi)度u0，若采用增量型算法，其輸出對(duì)應(yīng)于閥門(mén)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(wú)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。 5.已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 試寫(xiě)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 6.有哪幾種改進(jìn)的數(shù)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(qū)的PID控制算法 （4）消除積分不靈敏區(qū)的PID控制 10: 什么叫積分飽和？ 它是怎樣引起的？如何消除？ 答案： 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．采用增量式算法；2．采用積分分離式算法。 7.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？ (1)從調(diào)節(jié)品質(zhì)上看，希望采樣周期短，以減小系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度。通常保證在95%的系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間內(nèi)，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(guò)采樣得到反映，而不致產(chǎn)生過(guò)大的延時(shí)。 (3)從計(jì)算機(jī)的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應(yīng)長(zhǎng)些，尤其是多回路控制時(shí)，應(yīng)使每個(gè)回路都有足夠的計(jì)算時(shí)間；當(dāng)被控對(duì)象的純滯后時(shí)間τ較大時(shí)，常選T=（1/4~1/8）τ。 (4)從計(jì)算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過(guò)短，當(dāng)主機(jī)字長(zhǎng)較小時(shí)，若T過(guò)短，將使前后兩次采樣值差別小，調(diào)節(jié)作用因此會(huì)減弱。另外，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度較低，會(huì)出現(xiàn)這種情況，即新的控制量已輸出，而前一次控制卻還沒(méi)完成，這樣采樣周期再短也將毫無(wú)意義，因此T必須大于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)時(shí)間。 8.簡(jiǎn)述擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。 擴(kuò)充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟： (1)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期T，例如被控過(guò)程有純滯后時(shí)，采樣周期T取滯后時(shí)間的1/10以下，此時(shí)調(diào)節(jié)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(shù)Kp，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩過(guò)程求得相應(yīng)的臨界振蕩周期Ts，并記下此時(shí)的比例系數(shù)Kp，將其記作臨界振蕩增益Ks。此時(shí)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(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器所對(duì)應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程的誤差平方的積分之比。 (4)根據(jù)控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。 (5)按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運(yùn)行，觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟： (1)斷開(kāi)數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)。將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近并穩(wěn)定后，然后突然改變給定值，即給對(duì)象輸入一個(gè)階躍信號(hào)。 (2)用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個(gè)變化過(guò)程曲線，如圖所示。 (3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間τ、被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)Tc，以及它們的比值Tc/τ。 (4)由τ、Tc、Tc/τ值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。 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4—1所示。 圖4—1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)Φ(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。 10.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(huà)出采樣瞬間數(shù)字控制器的輸出和系統(tǒng)的輸出曲線。 (1)最少拍控制器 可以寫(xiě)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,… 11.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 12.何為振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？ 所謂振鈴現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出u(k)以接近二分之一的采樣頻率大幅度上下擺動(dòng)。它對(duì)系統(tǒng)的輸出幾乎是沒(méi)有影響的，但會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)因磨損而造成損壞。 消除振鈴現(xiàn)象的方法： （1）參數(shù)選擇法 對(duì)于一階滯后對(duì)象，如果合理選擇期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時(shí)間常數(shù)T0和采樣周期T，使RA≤0，就沒(méi)有振鈴現(xiàn)象。即使不能使RA≤0，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(shù)字控制器D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(即z=-1附近的極點(diǎn))，然后人為地令其中的z=1，就消除了這個(gè)極點(diǎn)。根據(jù)終值定理，這樣做不影響輸出的穩(wěn)態(tài)值，但卻改變了數(shù)字控制器的動(dòng)態(tài)特性，從而將影響閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 13.前饋控制完全補(bǔ)償?shù)臈l件是什么？前饋和反饋相結(jié)合有什么好處？ 前饋控制完全補(bǔ)償?shù)臈l件是。 如果能將擾動(dòng)因素測(cè)量出來(lái)，預(yù)先將其變化量送到系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整，這樣在被調(diào)量改變之前就能克服這些擾動(dòng)的影響。這種擾動(dòng)的預(yù)先調(diào)整作用就稱為前饋。若參數(shù)選擇得合適，前饋控制可取得良好的控制效果。但實(shí)際上，前饋控制環(huán)節(jié)的參數(shù)不易選得那么準(zhǔn)確，而且一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的擾動(dòng)也不只一個(gè)，因此反饋控制還是不可少的。主要擾動(dòng)引起的誤差，由前饋控制進(jìn)行補(bǔ)償；次要擾動(dòng)引起的誤差，由反饋控制予以抑制，這樣在不提高開(kāi)環(huán)增益的情況下，各種擾動(dòng)引起的誤差均可得到補(bǔ)償，從而有利于同時(shí)兼顧提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的要求。 14.與PID控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制具有哪些優(yōu)點(diǎn)？ 與PID控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制的優(yōu)點(diǎn)： （1）模糊控制可以應(yīng)用于具有非線性動(dòng)力學(xué)特征的復(fù)雜系統(tǒng)。 （2）模糊控制不用建立對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型。 （3）模糊控制系統(tǒng)的魯棒性好。 （4）模糊控制是以人的控制經(jīng)驗(yàn)作為控制的知識(shí)模型，以模糊集合、模糊語(yǔ)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(tǒng)解耦條件是什么？ 多變量控制系統(tǒng)解耦條件是系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為對(duì)角線矩陣。 本章作業(yè) 用C語(yǔ)言編寫(xiě)數(shù)字PID算法、大林算法、施密斯算法通用子程序。 第五章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) 習(xí)題及參考答案 1.簡(jiǎn)述應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)步驟。 圖5—1給出了應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的流程圖，它描述了應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和設(shè)計(jì)過(guò)程。 圖5—1 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)流程圖 （1）問(wèn)題定義 （2）程序設(shè)計(jì) （3）手編程序 （4）差錯(cuò) （5）測(cè)試 （6）文件編制 （7）維護(hù)和再設(shè)計(jì) 2.什么是計(jì)算延時(shí)？ 當(dāng)采樣信號(hào)送入CPU，按控制算法要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行每條指令均需要一定時(shí)間，這樣，從數(shù)據(jù)采樣到結(jié)果輸出之間就要產(chǎn)生一定的時(shí)間延遲，稱為計(jì)算延時(shí)。 3.如何在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)中減少計(jì)算延時(shí)？ 在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，為減少計(jì)算延時(shí)，通常將運(yùn)算分為前臺(tái)運(yùn)算和后臺(tái)運(yùn)算。 前臺(tái)運(yùn)算：為得到當(dāng)前輸出值U(k)，而必須進(jìn)行的運(yùn)算。 后臺(tái)運(yùn)算：為得到下一時(shí)刻輸出值U(k +1)以及與當(dāng)前輸出無(wú)關(guān)的其他計(jì)算和管理算法。 N 采樣時(shí)刻到？ A/D采樣 前臺(tái)算法 D/A輸出 Y 后臺(tái)算法 4.標(biāo)度變換在工程上有什么意義？在什么情況下使用標(biāo)度變換程序？ 微機(jī)控制系統(tǒng)在讀入被測(cè)模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，往往還要轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的工程值。這是因?yàn)樯a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種工藝參數(shù)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(shù)A/D轉(zhuǎn)換后得到一系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼的值并不一定等于原來(lái)帶有量綱的參數(shù)值，它僅代表參數(shù)值的大小，故必須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能運(yùn)算、顯示或打印輸出。這種轉(zhuǎn)換稱為工程量轉(zhuǎn)換，也稱為標(biāo)度變換。標(biāo)度變換有各種不同類型，它取決于被測(cè)參數(shù)測(cè)量傳感器的類型，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)度變換方法，常用線性參數(shù)標(biāo)度變換。 第六章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) 習(xí)題及參考答案 1.干擾的作用途徑是什么？ 無(wú)論是內(nèi)部干擾還是外部干擾，都是從以下幾個(gè)途徑作用于系統(tǒng)的。 (1) 傳導(dǎo)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(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， 3.數(shù)字濾波與模擬濾波相比有什么特點(diǎn)？ 數(shù)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(gè)優(yōu)點(diǎn)： (1)數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好； (2)數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低(如0.01Hz)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷； (3)數(shù)字濾波器可根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。 4.常用的數(shù)字濾波方法有幾種？它們各自有什么特點(diǎn)？ 常用的數(shù)字濾波方法有7種。 （1）程序判斷濾波法：是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)得最大偏差。 （2）中值濾波法：它對(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動(dòng)干擾比較有效。 （3）算術(shù)平均值濾波法：它適用于一般的具有隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波。它特別適合于信號(hào)本身在某一數(shù)值范圍附近作上下波動(dòng)的情況。 （4）加權(quán)平均值濾波：可以提高濾波效果 （5）滑動(dòng)平均值濾波法：采樣時(shí)間短，可以提高檢測(cè)速度 （6）慣性濾波法：適用于慢速隨機(jī)變量的濾波 （7）復(fù)合數(shù)字濾波：比單純的平均值濾波的效果要好 5.算術(shù)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波以及滑動(dòng)平均濾波三者的區(qū)別是什么？ 算術(shù)平均值法適用于對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)信號(hào)的平滑，這種信號(hào)的特點(diǎn)是往往在某一數(shù)值范圍附近作上、下波動(dòng)，有一個(gè)平均值。這種算法對(duì)信號(hào)的平滑程度取決于平均次數(shù)N，當(dāng)N較大時(shí)平滑度高，但靈敏度低；當(dāng)N較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高，應(yīng)該視具體情況選取N值。對(duì)于一般流量，通常取N=12；若為壓力，則取N=4。 在算術(shù)平均濾波中，N次采樣值在結(jié)果中所占的比重是均等的，即每次采樣值具有相同的加權(quán)因子1/N。但有時(shí)為了提高濾波效果，往往對(duì)不同時(shí)刻的采樣值賦以不同的加權(quán)因子。這種方法稱為加權(quán)平均濾波法，也稱滑動(dòng)平均或加權(quán)遞推平均。其算法為 其中。 加權(quán)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(tǒng)對(duì)正常變化的靈敏性也可提高，當(dāng)然對(duì)干擾的靈敏性也稍大了些。 滑動(dòng)平均值濾波法，依次存放N次采樣值，每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個(gè)數(shù)據(jù)丟掉，然后求包含新值在內(nèi)的N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。 6.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的常用接地方法是什么？ （1）一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地 （2）模擬地和數(shù)字地的連接 （3）主機(jī)外殼接地 （4）多機(jī)系統(tǒng)的接地 7.微機(jī)常用的直流穩(wěn)壓電源由哪些部分組成？各部分的作用是什么？ 微機(jī)常用的直流穩(wěn)壓電源如圖6—1所示。該電源采用了雙隔離、雙濾波和雙穩(wěn)壓措施，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可用于一般工業(yè)控制場(chǎng)合。 圖6—1 抗干擾直流穩(wěn)壓電源示意圖 （1）隔離變壓器 隔離變壓器的作用有兩個(gè)：其一是防止浪涌電壓和尖峰電壓直接竄入而損壞系統(tǒng)；其二是利用其屏蔽層阻止高頻干擾信號(hào)竄入。 （2）低通濾波器 各種干擾信號(hào)一般都有很強(qiáng)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(guò)，而濾掉高次諧波，從而改善供電質(zhì)量。 （3）交流穩(wěn)壓器 交流穩(wěn)壓器的作用是保證供電的穩(wěn)定性，防止電源電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。 （4） 電源變壓器 電源變壓器是為直流穩(wěn)壓電源提供必要的電壓而設(shè)置的。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，電源變壓器做成雙屏蔽形式。 （5）直流穩(wěn)壓系統(tǒng) 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)包括整流器、濾波器、直流穩(wěn)壓器和高頻濾波器等幾部分，常用的直流穩(wěn)壓電路如圖6—2所示。 圖6—2 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)電路圖 一般直流穩(wěn)壓電源用的整流器多為單相橋式整流，直流側(cè)常采用電容濾波。圖中C1為平滑濾波電容，常選用幾百～幾千μF的電解電容，用以減輕整流橋輸出電壓的脈動(dòng)。C2為高頻濾波電容，常選用0.01～0.1μF的瓷片電容，用于抑制浪涌的尖峰。作為直流穩(wěn)壓器件，現(xiàn)在常用的就是三端穩(wěn)壓器78XX和79XX系列芯片，這類穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，負(fù)載穩(wěn)定度為15mV，具有過(guò)電流和輸出短路保護(hù)，可用于一般微機(jī)系統(tǒng)。三端穩(wěn)壓電源的輸出端常接兩個(gè)電容C3和C4，C3主要起負(fù)載匹配作用，常選用幾十～幾百μF的電解電容；C4中抗高頻干擾電容，常選取0.01～0.1μF的瓷片電容。 第七章 總線技術(shù) 習(xí)題及參考答案 1.何謂總線？總線有什么功能？總線標(biāo)準(zhǔn)是怎樣形成的？ 總線是一組信號(hào)線的集合。這些線是系統(tǒng)的各插件間(或插件內(nèi)部芯片間)、各系統(tǒng)之間傳送規(guī)定信息的公共通道，有時(shí)也稱數(shù)據(jù)公路，通過(guò)它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳送到各自要去的地方。 在微型計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，許多廠商設(shè)計(jì)和提供了許多具有不同功能的插件(亦稱“模板”)。用戶為了構(gòu)成計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，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(shù)及類型、插針的邏輯定義、控制插件工作的時(shí)序及電氣特性等相同。也就是說(shuō)為了使插件與插件間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間能夠正確連接，就必須對(duì)連接各插件或各系統(tǒng)的基礎(chǔ)——總線，制定出嚴(yán)格的規(guī)約，即總線標(biāo)準(zhǔn)，為各廠商設(shè)計(jì)和生產(chǎn)插件模塊提供統(tǒng)一的依據(jù)。因此，采用同一總線標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家的插件模塊，就可以組成可正常工作的系統(tǒng)。  2.試述總線的分類、各類總線間的關(guān)系。 a.根據(jù)總線不同的結(jié)構(gòu)和用途，總線有如下的幾種類型： （1）專用總線 我們將只實(shí)現(xiàn)一對(duì)物理部件間連接的總線稱為專用總線。專用總線的基本優(yōu)點(diǎn)是其具有較高的流量，多個(gè)部件可以同時(shí)發(fā)送或接受信息，幾乎不會(huì)出現(xiàn)總線爭(zhēng)用的現(xiàn)象。在全互連或部分互連以及環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(gè)部件所共享，所以也稱之為共享總線。每個(gè)部件都能通過(guò)共享總線與接在總線上的其他部件相連，但在同一時(shí)刻，卻只允許2個(gè)部件共享通信，其他部件間的通信要分時(shí)進(jìn)行，因此準(zhǔn)確地應(yīng)稱之為分時(shí)共享總線。 b.根據(jù)總線的用途和應(yīng)用環(huán)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通路，如圖所示。它是構(gòu)成中央處理機(jī)或子系統(tǒng)內(nèi)所用的總線。局部總線通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三類。 （2）系統(tǒng)總線 系統(tǒng)總線又稱內(nèi)總線和板線總線，即微型計(jì)算機(jī)總線，用于各單片機(jī)微處理機(jī)之間、模塊之間的通信，可用于構(gòu)成分布式多機(jī)系統(tǒng)，如Multibus總線、STD總線、VME總線、PC總線等。一般微型機(jī)系統(tǒng)總線如圖所示。 （3）外總線 外總線又稱為通信總線，用于微處理機(jī)與其他智能儀器儀表間的通信。外總線通常通過(guò)總線控制器掛接在系統(tǒng)總線上，外總線如圖所示。 常用的外總線有：連接智能儀器儀表的IEEE-488通用接口總線；RS-232C和RS-422串行通信總線等。  3.根據(jù)總線傳送信號(hào)的形式，總線又可分為兩種。 （1）并行總線 如果用若干根信號(hào)線同時(shí)傳遞信號(hào)，就構(gòu)成了并行總線。并行總線的特點(diǎn)是能以簡(jiǎn)單的硬件來(lái)運(yùn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸和處理。 （2）串行總線 串行總線是按照信息逐位的順序傳送信號(hào)。其特點(diǎn)是可以用幾根信號(hào)線在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)或信息，主要用于數(shù)據(jù)通信。 3.簡(jiǎn)述STD總線的特點(diǎn)。 STD總線在工業(yè)控制中廣泛采用，是因?yàn)樗幸韵绿攸c(diǎn)： (1)小板結(jié)構(gòu)，高度模塊化。 (2)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化，廣泛的兼容性。 (3)面向I/O的開(kāi)放式設(shè)計(jì)，適合工業(yè)控制應(yīng)用。 (4)高可靠性。 4.簡(jiǎn)述RS—232C總線的特點(diǎn)。 微機(jī)系統(tǒng)中最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的同步或異步通訊。通訊距離可達(dá)15m，傳輸數(shù)據(jù)的速率可任意調(diào)整，最大可達(dá)20Kb/s。 5.什么是現(xiàn)場(chǎng)總線？有哪幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線？它們的特點(diǎn)是怎樣的？ 現(xiàn)場(chǎng)總線是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。所以現(xiàn)場(chǎng)總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)。 下面是幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線。 （1）CAN(Control Area Network)控制器局域網(wǎng)絡(luò) 控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN是由德國(guó)Bosch公司的為汽車(chē)的監(jiān)測(cè)和控制而設(shè)計(jì)的，逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)領(lǐng)域的控制。CAN已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)。CAN具有如下特性： (a)通信速率為5Kbps/10km,1Mbps/40m,節(jié)點(diǎn)數(shù)110個(gè)，傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖等。 (b)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據(jù)。 (c)可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)且無(wú)主、從機(jī)之分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均主動(dòng)發(fā)送報(bào)文，用此特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。 (d)采用非破壞性總線優(yōu)先級(jí)仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號(hào)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息；按節(jié)點(diǎn)類型分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。 (e)支持三類報(bào)文幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、超載幀。采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)。這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，且具有較好的檢錯(cuò)效果。 (f)采用循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC(Cyclic Redundancy Check)及其它檢錯(cuò)措施，保證了極低的信息出錯(cuò)率。 (g)節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)關(guān)閉功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤嚴(yán)重時(shí)，則自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系，這樣不影響總線正常工作。 (h)CAN單片機(jī)：Motorola公司生產(chǎn)帶CAN模塊的MC68HC05x4，Philips公司生產(chǎn)82C200，Intel公司生產(chǎn)帶CAN模塊的