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微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課后題答案 第一章 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概述 1.Computer在微型控制中的作用？他的信息從何處來(lái)？其輸入信息有用于何處？ 答：1）完成數(shù)據(jù)的采集把生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)采集，供人為控制和其他控制系統(tǒng)作用 2） 將生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，引進(jìn)控制程序進(jìn)行計(jì)算把控制經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)。 I從生產(chǎn)過(guò)程中來(lái)，O都作為控制命令。 2.什么是微機(jī)控制的實(shí)時(shí)性？為什么要強(qiáng)調(diào)微機(jī)控制的實(shí)時(shí)性？怎樣才能保證微機(jī)實(shí)時(shí)控制作用？ 答：1）時(shí)間越短越好，不影響控制 2）因?yàn)橐笥梦C(jī)能夠在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)完成規(guī)定操作要使微機(jī)控制具有實(shí)時(shí)性 3）在微機(jī)方面還是配備具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和優(yōu)先級(jí)中斷信息處理電路，在軟件方面應(yīng)具備有完善的時(shí)鐘管理，中斷處理的程序，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和優(yōu)先級(jí)中斷系統(tǒng)這保證微機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的必要性， 3.微機(jī)在控制系統(tǒng)中的在線操作和離線操作的區(qū)別是什么? 答：在線是直接交換信息離線是不直接對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行控制。 4.微機(jī)控制系統(tǒng)的硬件一般有哪幾個(gè)主要部分組成？各部分是怎樣互相聯(lián)系的？其中過(guò)程通道和系統(tǒng)中起什么作用？他有那幾種類型？ 答：1）生產(chǎn)過(guò)程，過(guò)程通道，微型計(jì)算機(jī)，人機(jī)聯(lián)系設(shè)備，控制操作臺(tái)。 2）各部分通道和計(jì)算機(jī)相連 3）過(guò)程通道將生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中去，將計(jì)算機(jī)的控制傳輸?shù)奖豢貙?duì)象中。 4）過(guò)程輸入(模擬量，開(kāi)關(guān)量)過(guò)程輸出（模擬量，開(kāi)關(guān)量） 5..直接控制數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件由哪幾部分組成？他們的基本功能是什么？直接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督控制系統(tǒng)的區(qū)別在哪里？ 答：1）生產(chǎn)過(guò)程，過(guò)程通道，計(jì)算機(jī)接口。 2）過(guò)程通道：將生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)取進(jìn)來(lái)，控制程序計(jì)算，結(jié)果送給控制對(duì)象。 計(jì)算機(jī)：信息優(yōu)化將模擬控制器的給定值。 借口：連接輸入端與計(jì)算機(jī) 3）一個(gè)直接參與控制，一個(gè)不直接參與控制。 6.微機(jī)控制系統(tǒng)按功能分類主要有哪幾種？按使用的控制規(guī)律分類有主要有哪幾種？ 答：1）按功能：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 監(jiān)督控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 2）按控制規(guī)律：程序和順序控制 PID控制 復(fù)雜規(guī)律控制 智能控制 第二章 過(guò)程輸入輸出通道 1.微型計(jì)算機(jī)的對(duì)存儲(chǔ)器和I/O接口是如何尋址的？它們各用哪些控制信號(hào)線和地址信號(hào)線？ 答：1）用mov X訪問(wèn)外部接口和RAM 用,mov指令取RAM信號(hào) 2）讀、寫(xiě)信號(hào)線 2.試用兩個(gè)CD4051擴(kuò)展成16路的多路開(kāi)關(guān)，并說(shuō)明其工作原理。 答： 3.在微機(jī)控制系統(tǒng)中，保持電路有何意義？是否在任何模擬輸入通道中都要添加保持電路？為什么？ 答：1）待轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)保持住供A/D轉(zhuǎn)換用,模擬輸入輸入通道 輸出保持將D/A轉(zhuǎn)換的模擬量保持在電容上替換D/A去做其他工作，模擬輸出通道。 4.試說(shuō)明采樣保持電路中的保持電容大小對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響？ 答：偌大充電時(shí)間慢跟隨性能不好，保持良好若小跟隨好保持不好。 5.從逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器AD574的引腳功能，說(shuō)明他與微型計(jì)算機(jī)的接口主要要解決一些什么信號(hào)接口問(wèn)題，怎樣用程序控制它進(jìn)行模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換？如何讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)？ 6.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。說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換中有幾種控制，他們個(gè)在接口電路和程序設(shè)計(jì)上有什么特點(diǎn)。 答：1）做聯(lián)絡(luò)信號(hào)cpu單片機(jī)的信號(hào)通知A/D轉(zhuǎn)換器做結(jié)束信號(hào) 2）查詢、中斷 7.為什么高于8位的D/A轉(zhuǎn)換器在與有8位I/O借口的微機(jī)連接時(shí)要采用雙緩沖工作方式？ 這種雙緩沖工作方式與DAC0832的雙緩沖工作方式在接口連接上有什么不同？ 答：1）一次傳送8位二次分時(shí)傳送一起轉(zhuǎn)換 2）雙緩沖工作方式為保證D/A轉(zhuǎn)換器的高位數(shù)據(jù)與低位數(shù)據(jù)同時(shí)送入,將高位與低位的數(shù)據(jù)分別送入各自的輸入寄存器,然后再將它們同時(shí)送入 DAC寄存器中，使輸出發(fā)生變化。 8.根據(jù)T形R—2R電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換原理，試用兩片8位D/A芯片組成16位D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方案，畫(huà)出其MCS-51系列單片機(jī)的接口電路工作原理圖。 9.鍵盤或撥碼開(kāi)關(guān)為什么要防止抖動(dòng)？在微機(jī)控制系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)防抖？ 答：防抖動(dòng)主要目的是為了提高按鍵輸入可靠性，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性振動(dòng)， 按鍵在按下時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通而在彈起時(shí)也不能一下子 完全地?cái)嚅_(kāi)， 因而在按鍵閉合和斷開(kāi)的瞬間均會(huì)出現(xiàn)一連串的抖動(dòng)， 這稱為按鍵的抖動(dòng)干擾。 按鍵的抖動(dòng)會(huì)造成按一次鍵產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)狀態(tài)被 CPU 誤讀幾次。 為了使 CPU 能正確地讀取按鍵 狀態(tài)，必須在按鍵閉合或斷開(kāi)時(shí)，消除產(chǎn)生的前沿或后沿抖動(dòng)。 去抖動(dòng)的方法有硬件方法和軟件方法兩種。 硬件方法是設(shè)計(jì)一個(gè)濾波延時(shí)電路或單穩(wěn)態(tài)電路 等硬件電路來(lái)避開(kāi)按鍵的抖動(dòng)時(shí)間。 軟件方法是指編制一段時(shí)間大于 100ms 的延時(shí)程序， 在 第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)， 執(zhí)行這段延時(shí)子程序使鍵的前沿抖動(dòng)消失后再檢測(cè)該鍵狀態(tài)， 如 果該鍵仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)為該鍵已穩(wěn)定按下，否則無(wú)鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的 影響。 第三章 采集、處理和傳送 1.計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般應(yīng)具有那些方面的功能？ 答：這種系統(tǒng)可以取代大量的常規(guī)顯示和記錄儀表，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中式的實(shí)時(shí)監(jiān)視。各種數(shù)據(jù)的積累和實(shí)時(shí)分析，不但可作為指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程的人工操作信息，還能用與生產(chǎn)過(guò)程的趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè)。 2.為什么要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波？數(shù)據(jù)濾波和RC濾波能否互相代替？ 答：1）有干擾 2）不能RC只能濾波比有用信號(hào)高的高頻信號(hào)低頻信號(hào)不能濾波而數(shù)字濾波都能濾 3.從現(xiàn)場(chǎng)采集到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，為什么要經(jīng)過(guò)處理？一般要做哪些處理？ 答：1）采集的數(shù)據(jù)有干擾當(dāng)干擾濾掉非有效數(shù)據(jù) 2）①進(jìn)行有效性檢查②對(duì)干擾處理濾波③工程量的轉(zhuǎn)換 4.限幅濾波是建立在什基礎(chǔ)上的？ 答：以采集的信號(hào)在系統(tǒng)對(duì)控制范圍內(nèi)，不能超過(guò)控制范圍 5.限幅和限速濾波的兩種方法，有哪些共同點(diǎn)？又有那些區(qū)別？ 6.起止式通信協(xié)議的特點(diǎn)及幀數(shù)據(jù)格式如何？ 7.面向字符和面向比特通信協(xié)議有什么不同？各自幀數(shù)據(jù)格式怎樣的？ 8.有一定溫度系統(tǒng)，溫度的最大測(cè)量范圍是—20~+60℃?，F(xiàn)采用線性的鉑熱電阻測(cè)量溫度經(jīng)變送器輸出響應(yīng)的模擬量電壓信號(hào)為1～5V。A/D轉(zhuǎn)換器允許輸入模擬電壓范圍0～5V輸出的是000H～0FFFH的12位數(shù)字量，試列出其工程量轉(zhuǎn)換式。設(shè)某時(shí)刻計(jì)算機(jī)在這通道中采集到的溫度數(shù)字量為0E8EH，試計(jì)算其溫度值。 答：OFFFH=4096D 0E8EH=3726D x=51℃ 第四章 數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì) 1、 PI控制器有什么特點(diǎn)？ 為什么加入積分作用可以消除靜差？ 答：比例利用偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，速度快 積分對(duì)偏差的累積進(jìn)行控制較比例慢但可以做到無(wú)靜差 2.PID控制器有什么特點(diǎn)？為什么加入微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性？ 答。1）PID控制器綜合了比例、積分、微分三種控制作用，即能加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少振蕩，克服超調(diào)，又能有效消除靜差，使系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)得到很大改善。 2）加入微分控制作用后，在偏差剛出現(xiàn)或變化的瞬間，不僅可以根據(jù)偏差量做出及時(shí)反應(yīng)（即比例控制作用），使偏差得到較好的抑制或消除，這樣可以大大減小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差和調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)得以改善。 3.為什么說(shuō)增量式PID控制比位置式PID控制更好？?jī)烧哂惺裁磪^(qū)別？ 答：1）由于計(jì)算機(jī)每次只輸出控制增量，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量故機(jī)器發(fā)生故障時(shí)影響范圍小。從而不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程。 2)手動(dòng)-自動(dòng)切換時(shí)沖擊小 3）算式中不需要累加 4.PID控制器的參數(shù)Kp、Ti、Td 對(duì)控制質(zhì)量各有什么影響？ 答：（1）比例系數(shù)Kp對(duì)系統(tǒng)性能的影響：1）對(duì)靜態(tài)性能的影響，比例系數(shù)Kp增大使系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，加快調(diào)節(jié)速度，但Kp偏大，容易引起系統(tǒng)振蕩，反而使調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；2）對(duì)靜態(tài)性能的影響,在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大比例系數(shù)Kp可以減小靜差。 （2）積分時(shí)間常數(shù)Ti對(duì)系統(tǒng)性能的影響 Ui(t)=Kp/Ti;由式可知：Ti增加，Ui(t)減小；所以U（t）減小有利于減小超調(diào).尤其是在T0處，Ti增加，Ui(t)對(duì)U（t）的貢獻(xiàn)下降，不由于Ui(t)的加入而產(chǎn)生超調(diào)，從而抑制振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但靜差的消除隨之變慢。 （3）微分時(shí)間常數(shù)Td對(duì)系統(tǒng)性能的影響 Ud(t)=Td KP de(t)/dt 在t0處，U（t0）=Kpe(t0)+Td Kp de(t)/dt 所以Td越大對(duì)U（t0）的貢獻(xiàn)越大，有利于加速系統(tǒng)的響應(yīng)，但由于微分作用時(shí)間短，基本不會(huì)加大超調(diào)量和影響穩(wěn)定性，對(duì)y(t)噪音具有較好抑制能力，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定.但Td 過(guò)大對(duì)通道干擾信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，因?yàn)榻档土讼到y(tǒng)干擾能力。 5.在模擬PID控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)中，對(duì)采樣周期的選擇從理論上和算法的具體實(shí)現(xiàn)上各應(yīng)考慮哪些因素？ 答：1）采樣周期應(yīng)比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小很多，否則采樣信號(hào)無(wú)法反應(yīng)瞬變的過(guò)程 2）采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象擾動(dòng)信號(hào)的周期 3）考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度 4)當(dāng)系統(tǒng)純滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，應(yīng)按純滯后大小選取并盡可能使純滯后時(shí)間接近或等于采樣周期的整倍數(shù)。 5)對(duì)象所要求的控制任務(wù) 6.串級(jí)控制系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定方式有哪幾種？ 答：先副回路后主回路先內(nèi)層后外層 7.前饋控制與反饋控制各有什么特點(diǎn)？ 在前饋控制中，怎樣才能達(dá)到全補(bǔ)償？ 答：1）反饋控制的被控量在干擾作用下必須先偏離設(shè)定值，然后通過(guò)對(duì)偏差的控制，測(cè)量產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，去抵消干擾的影響。顯然控制作用往往落后于干擾作用。 前饋控制：實(shí)質(zhì)上是一種直接按照擾動(dòng)量而不是按照偏差進(jìn)行矯正的控制方式，即當(dāng)影響被控參數(shù)的干擾一出現(xiàn)，控制器就直接根據(jù)所測(cè)量的大小和方向按一定的規(guī)律去控制，以抵消擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。 2）有精確地?cái)?shù)學(xué)模型 滯后時(shí)間與干擾通道的滯后時(shí)間一樣長(zhǎng)，采用前饋——反饋控制系統(tǒng)。