微型计算机控制专业技术课程答案

《微型计算机控制技术》复习题纲

1.1 计算机控制系统的结构。

1.2 计算机控制系统的典型形式有哪些? 各有什么优缺点? （P5）

1.3 实时、在线方式和离线方式的含义是什么?

2.1 采用74LS244和74LS273，设计与PC总线等工业控制机的数字量(开关量) 输入输出接口，要求:

画出接口电路原理图，并采用8086汇编语言编写数字量输入输出程序。

2.2 用8位A／D转换器ADC0809与PC总线等工业控制机接口，设计模拟输入通道以及数据采集程序流程图。

2.3 采样信号有何特点? 采样保持器的作用是什么?是否所有的模拟量输入通道中都需采样保持器? 为什么?

2.4 什么是串模干扰和共模干扰? 如何抑制?

2.5 计算机控制系统中地线有哪几种?

2.6 什么是波反射? 如何消除波反射?

3.1 插补计算程序流程：

(1) 直线插补程序；

(2) 圆弧插补程序。

3.2 给出一段直线或圆弧。要求：

(1) 按逐点比较法插补进行列表计算；

(2) 作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

3.3 三相步进电机的工作方式。

3.4 利用8255A设计x轴步进电机和y轴步进电机的控制电路，要求：

(1) 画出接口电路原理图；

(2) 分别列出x轴和y轴步进电机在三相单三拍、三相双三拍或三相六拍工作方式下的输出字表。

4.1 数字控制器的连续化设计步骤。（P103）

4.2 PID控制器的三个参数对系统性能的影响。

4.3 数字控制器的离散化设计步骤是什么?

4.4 最少拍无纹波控制器的设计。

4.5 模糊推理的计算。

6.1 测量数据预处理技术包括哪些？(185~190)

7.1 什么是现场总线?有哪几种典型的现场总线?

7.2 分布式控制系统的设计原则是什么？DCS系统分为哪几层？各层实现哪些功能？

第一章（绪论）作业

1.1 什么是计算机控制系统？它由哪几部分组成？

答：计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程控制的系统。、

计算机控制系统由工业控制机和生产过程两个大部分组成。工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关装置。计算机控制系统的组成框图见书本第2页（图1.2）。

1.2 计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么优缺点？

答：

（1）操作指导控制系统

优点：结构简单，控制灵活，安全。

缺点：由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。

（2）直接数字控制系统（DDS）

优点：实时性好，可靠性高，适应性强。

（3）监督控制系统（SCC）

优点：生产过程始终处于最优工况。

（4）分散控制系统（DCS）

优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。

（5）现场总线控制系统（FCS）

优点：与DCS相比，降低了成本，提高了可靠性。国际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构。

1.4 工业控制机由哪几部分组成？各部分的重要作用是什么？工业控制机的特点是什么？

答：工业控制机主要由以下几部分组成：

1、硬件组成：

（1）主机板：进行必要的数值计算，逻辑判断，数据处理。

（2）内部总线：内部各部分进行信息传递的公共通道，是一组信号线的集合。

（3）外部总线：与其他计算机和智能设备进行信息传送的公共通道。

（4）人--机接口

（5）系统支持功能：监控定时器、电源掉电检测、保护重要数据的后台存储器体、实时日历时钟、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。

2、软件组成：

（1）系统软件：实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序。

（2）支持软件：汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序。

（3）应用软件：过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人—机接口出程序。

工业控制机的特点如下：

（1）可靠性高和克维修性好

（2）环境适应性强

（3）控制的实时性好

（4）晚含的输入输出通道

（5）丰富的软件

（6）适当的计算精度和运算速度

第二章（输入输出接口与过程通道）作业

2.1 什么是接口、接口技术和过程通道？

答：接口是计算机与外设交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。

接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。

过程通道是计算机与生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。

2.2 采用74LS244和74LS273与PC总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量）输

入接口和8路数字量输出接口。请画出接口电路原理图，并分别编写数字量输入与输出程序。

答：电路原理图见书本第19页（图2.1和图2.2）。

数字量输入程序（设片选端口地址为port ）：

MOV DX ，port

IN AL , DX

数字量输出程序：

MOV AL , DATA

MOV DX , port

OUT DX ，AL

2.5 请分别画出一个有源I/V 变换电路和一个无源I/V 变换电路图。并分别说明各个器件的作用。

答：有源变换电路见书本上第32页（图2.19）：

同相放大器电路把电阻1R 上的输入电压变成标准的输出电压（放大倍数为43

1R A R =+

）； 极性电容C 能起到滤波作用，防止高频的干扰； 5R 为平衡电容。

无源变换电路见书本上第31页（图2.18）：

极性电容C 起滤波的作用；

二极管D 起限幅保护作用（当输出电压大于5V 时

，D 导通减少流过2R 的电流从而降低2R 上的电压，保证输出不超过5V ）；

2.6 什么是采样过程？量化，孔径时间？

答：采样过程：按一定的时间间隔T ，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号转变成在时刻0，T ，2T ，、、、、、、kT 的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。

量化：采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。

孔径时间：在模拟输入通道中，A/D 转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D 转换所需要的时间称为孔径时间。

2.7 采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？

答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可以采用带有保持器电路的采样器。当被测信号变化很慢时，若A/D 转换器时间足够短，可以不加采样保持器。

2.8 一个8位A/D 转换器，孔径时间为100s μ。如果要求转换误差在A/D 转换精度（0.4%）内，求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？

解：

620.4 6.42*100*10*10Z f H s

π-=

=

2.9 试用8255A 、AD574、LF398、CD4051和PC 总线工业控制机接口设计出8路模拟量采集系统，请画出接口电路原理图，并编写相应8路模拟量数据采集程序。

答：原理图见书本上第36页（图2.25）。

数据采集程序如下：设8255A 的地址为2C0H —2C3H ，主过程已对8255A 初始化，且已装填DS 、ES （两者段基值相同），采样值村入数据段中的采样值缓冲区BUF 。其8通道数据采集的程序见书本上第37（图2.26）。

AD574A PROC NEAR CLD LEA DI , BUF MOV BL , 00000000B // MOV CX , 8 ADC : MOV DX , 2C2H MOV AL , BL OUT DX , AL NOP NOP OR AL , 01000000B OUT DX , AL AND AL , 10111111B OUT DX , AL MOV DX , 2C0H PULLING: IN AL , DX TEST AL , 80H JNZ PULLING MOV AL , BL OR AL , 00010000B MOV DX , 2C2H

OUT DX , AL

OR AL , 01000000B OUT DX , AL

MOV DX , 2C0H

IN AL , DX

AND AL , 0FH

MOV AH , AL

INC DX

IN AL , DX

STOSW

INC BL

LOOP ADC

MOV AL , 00111000B MOV DX ,2C2H

OUT DX , AL

RET

ADC574A ENDP

2.10 采用DAC0832和PC 总线工业控制机接口，请画出接口电路原理图，并编写D/A 转换程序。（ppt ）

2.12 请分别画出D/A 转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推出输出电压与输入数字两之间的关系式。

解：D/A 转换器的单极性和双极性输出电路见书本上第44页（图2.33）。

1OUT V 为单极性输出，若D 为输入数字量，REF V 为基准参考电压，且为n 位D/A 转换器，则有1*2OUT REF n

D V V =-； 2OUT V 为双极性输出，可以推出：

3321112(**)*(1)2

OUT REF OUT REF n R R D V V V V R R -=-+=- 2.13 采用DAC0832、运放、CD4051等元件与PC 总线工业控制机接口，设计8路模拟量输出系统，请画出接口电路原理图，并编写8路模拟量输出的程序。

答：原理图见书本上第48页（图2.40）。

设8个输出数据存放在内存数据段BUF0—BUF7这8个连续单元中，主过程已经填装DS ，输出子程序如下：

DOUT PROC NEAR

MOV BX , OFFSET BUF

NEXT: MOV AL , [BX]

OUT DX , AL

INC DX

OUT DX , AL

CALL DELAY

INC AH

DEC DX

LOOP NEXT

RET

DOUT ENDP

其中DELAY 是一段延时程序。

第四章（常规及复杂控制技术）作业

4.1 数字控制器的连续化设计步骤是什么？

答：1、设计家乡的连续控制器D （S ）

2、选择采样周期T

3、将D （S ）离散化为D （Z ）

4、设计由计算机实现的控制算法

5、校验

4.2 某系统的连续控制器设计为 121()()()1T s U s D s E s T s

+==+ 试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求出数字控制器D （Z ），并分别给出三种方法对应的递推控制算法。 答：双线形变换法：由211

z s T z -=+带入D （s ）表达式中得到： 1

1111

2

22112(2)(2)1()1(2)(2)121

T z T T T T z T z D z T z T T T T z T z ---+++-+==-++-++ 进一步利用()()()U z D z E z =

得到： 112211()(2)(2)()()(2)(2)()U z T T T T z U z E z T T T T z E z --++-=++- 所以：1122

1()[(2)()(2)(1)(2)(1)]2u k T T e k T T e k T T u k T T =++-----+

前向差分法：将1z s T

-=代入D （s ）中得到： 1

111112222()()()T z T T T T T z D z T z T T T T T z

--+-+-==+-+- 所以：1122

1()[()()(1)()(1)]u k T e k T T e k T T u k T =+----- 后向差分法：将1z s Tz -=

代入D （s ）中得到： 111112221

1()11T z T T T z T z D z T z T T T z T z ---+

+-==-+-+ 所以：2112

1()[(1)()()(1)]u k T u k T T e k T e k T T =-++--+ 4.3 什么是数字PID 位置控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。

答：数字PID 位置控制算法的数学表达式为：

()(1)()[()()]k p D i I T e k e k u k K e k e k T T T =--=++∑ 数字PID 增量型控制算法的数学表达式为： 0(1)(2)(1)[(1)()]()()(1)k P D i I

T e k e k u k K e k e i T T T

u k u k u k =----=-++?=--∑ 这种数字PID 算法的比较如下：

（1） 增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算

误差对控制量的计算影响较小。而位置型的算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。

（2） 增量型算法得出的是控制量的增量；而位置型算法得到的控制两的全量输出，误动

作影响很大。

（3） 采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。

第四章补充题1：求z 变换

（1）2()at f t e

-= （2）3()(1)(2)

s F s s s +=++ 解：（1）离散化：2()akT f k e -=

222121

()11aT aT aT aT e z F z z e e z e z ---==>--

（2）321()(1)(2)12

s F s s s s s +==-++++ 所以：2()2t t f t e e --=- 离散化：2121

()221()11kT kT

T T f k e e F z e z e z ------=-=--- 第四章补充题2：求z 反变换

（1）233()(0.5)(0.8)

z z F z z z -+=-- （2）2()(1)(2)

z F z z z =-- 解：（1）因为Z 变化的特殊性，所以先要确定收敛域才能进行反变换，从而与一个特定的信号相对应起来。对于控制系统中假定信号为因果序列，用部分分式展开发：

2111119131

33315()0.8(0.5)(0.8)0.50.8

19131131510.510.8z z z F z z z z z z z z z z ----+-+==->----+=---

（2）22211

121212()(1)(2)(1)2

22(1)12z z F z z z z z z z z z z ------+=

=+-----=+--

第四章补充题3：求初值和终值。221.6()0.80.5

z z F z z z -=-+ 解：2

21.6(0)lim ()lim 1.6z z z f F z z

→∞→∞=== 1211(1.61)(1)()lim(1)()lim 00.80.5

z z z z f z F z z z -→→--∞=-==-+ 第四章补充题4：用z 变换求差分方程

(2)4(1)3()2(0)(1)0y k y k y k k y y ++++===

解：

4.6 采样周期的选择需要考虑什么因素？

答：（1）根据香农定律可以计算出采样周期的上限，其下限为计算机执行控制程序和输入和输出及A/D,D/A 转换时间。

（2）给定值的变化频率。

（3）被控对象的特性。

（4）执行机构的特性。

（5）控制算法的类型。

（6）控制的回路数。

4.7 试叙述试凑法，扩充临界比力度法，扩充响应曲线法整定PID 参数的步骤。 答：

试凑法：

(1) 只整定比例部分，将比例系数由小变大直至反应快，超调小的曲线；

(2) 若（1）步不能满足设计要求（静差），加入积分环节，将积分时间I T 由较大值开始

调整，并将（1）步得到的比例系数调味原来的80%左右，见效I T 直至静差消除；

(3) 若动态过程性能不好，先置微分时间D T 为0，然后增大至其满意的结果。

扩充临界比力度法：

（1） 选择采样周期为被控对象纯滞后的110

以下； （2） 用选定的采样周期使系统工作。去掉积分和微分作用，减小比例度δ直至系统

发生等幅振荡。记下此时的临界比例度P δ与临界振荡周期k T ；

（3） 选择控制度，以模拟调节器为基准，将DDC 的控制效果与之比较

（4） 根据选定的控制度查表求得,,,p I D T K T T 的值。

扩充响应曲线法：

（1） 数字控制器不接入控制系统中，手动将被调量稳定在给定值附近，突然改变给

定植，给对象一个阶跃信号；

（2） 用记录仪表记录被调量在节约输入下的整个变化过程的曲线

（3） 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ，被控对象时间参数c τ以及它们的比值c ττ。查表得到,,,p I D T K T T 的值。

4.8 数字控制器的离散化设计步骤是什么？

答：（1）根据系统性能的指标要求和其他约束条件确定所需的闭环脉冲传递函数()G z

（2）根据式()1()[()()][()]()TS

B z e G z Z H s G s Z G s A z s

--===求出广义对象的脉冲传递函数

（3）根据式1()()()1()

z D z G z z Φ=-Φ求得数字控制器的脉冲传递函数 （4）根据()D z 求取控制器算法的递推形式

010

1

01()()()

1()()()()()()

m i i i n i i i m n

i i i i i i m n

i i i i b z U z D z E z a z U z b z E z a z U z u k be k i a u k i -=-=--======+=-=---∑∑∑∑∑∑

4.9 已知被控对象的传递函数为10()(0.11)

c G s s s =

+，采样周期为1T s =，采用零阶保持器。要求： （1）针对单位速度输入信号设计最小拍无纹波系统的()D z ，并计算输出响应()y k 、控制信号()u k 、误差()e k 序列，画出它们对时间的波形。

（2）针对单位阶跃输入信号设计最小拍有纹波系统的()D z ，并计算输出响应()y k 、控制信号()u k 、误差()e k 序列，画出它们对时间的波形。

解:

(1) 广义对象传递函数：

1212111111010()[](1)[](0.11)(0.11)

9(9)11s e G z Z z Z s s s s s z z z z z z --------==-++++==--

0,0,1,1,1

1d u v j q j q m u d u v j q =====≤?=+==-+= 对于单位速度输入信号11

1212()()(1)(1)

Tz z r t t R z z z ----=?==-- 选择：1111

()1()[1](1)()

1v j q e i i i z z a z z F z z ---=-Φ=-Φ=--=-∏

11

211

2111111

1

()1()1,()1()1()()1()(9)119e z z z f z f z z z z z D z G z z z z z z ---------Φ=-Φ==∴=Φ=Φ-∴==-Φ+-=+ 111()()()(1)1110

()01,2,.....

e E z z R z z z

k e k k --=Φ=-=?-=?=?=?

1

1

()()()100()11,2,...

z Y z R z z z k y k k --=Φ=-=?∴=?=?

1

1

()()()911

()()0,1,2,...

99k U z E z D z z u k k -==+∴=-=

对时间的波形见下图：

（2）111

(9)()1z z G z z ---+=- 0,1,0,2,1d v w q j j q =====< 12m w d n v j q =+=??=-+=?

对于单位阶跃信号11()()()1r t t R z z

-=↑?=- 选择：12

12

2122212212()(1)()()1() 2.1()2e e z z z f z f z z z f f z z z -----Φ=-Φ=+Φ=-Φ?==-?Φ=-

1121112

1111()12()()1()(9)(1)2(1)(9)

z z z z D z G z z z z z z

z z ---------Φ--==-Φ+--=-+ 1

121

12()()()(1)(1)

()(1)

e z E z z R z z z z e k k δ----=Φ=-=-=- 234()()()234...

00,1()2,3,...Y z R z z z z z k y k k k ---=Φ=+++=?=?=?

1111(2)()()()(1)(9)

1

()0.1*(1) 1.1*()9k

z z U z E z D z z z u k k -----==-+=↑---

对时间的波形见下图：