《计算机控制技术》习题参考答案完整版

《计算机控制技术》

（机械工业出版社范立南、李雪飞）

习题参考答案

第1章

1．填空题

(1) 闭环控制系统，开环控制系统

(2) 实时数据采集，实时决策控制，实时控制输出

(3) 计算机，生产过程

(4) 模拟量输入通道，数字量输入通道，模拟量输出通道，数字量输出通道

(5) 系统软件，应用软件

2．选择题

(1) A (2) B (3) C (4) A (5) B

3．简答题

(1) 将闭环自动控制系统中的模拟控制器和和比较环节用计算机来代替，再加上A/D转换器、D/A转换器等器件，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图所示。

计算机控制系统由计算机（通常称为工业控制机）和生产过程两大部分组成。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、电气开关等装置。

(2)

操作指导控制系统：其优点是控制过程简单，且安全可靠。适用于控制规律不是很清楚的系统，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。其缺点是它是开环控制结构，需要人工操作，速度不能太快，控制的回路也不能太多，不能充分发挥计算机的作用。

直接数字控制系统：设计灵活方便，经济可靠。能有效地实现较复杂的控制，如串级控制、自适应控制等。

监督计算机控制系统：它不仅可以进行给定值的控制，还可以进行顺序控制、最优控制、自适应控制等。其中SCC+模拟调节器的控制系统，特别适合老企业的技术改造，既用上了原有的模拟调节器，又可以实现最佳给定值控制。SCC+DDC的控制系统，更接近于生产实际，系统简单，使用灵活，但是其缺点是数学模型的建立比较困难。

集散控制系统：又称分布式控制系统，具有通用性强、系统组态灵活，控制功能完善、数据处理方便，显示操作集中，调试方便，运行安全可靠，提高生产自动化水平和管理水平，提高劳动生产率等优点。缺点是系统比较复杂。

计算机集成制造系统：既能完成直接面向过程的控制和优化任务，还能完成整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理的任务。但是计算机集成制造系统所要解决的不仅是局部最优问题，而是一个工厂、一个企业乃至一个区域的总目标或总任务的全局多目标最优，即企业综合自动化问题。

现场总线控制系统：成本低、可靠性高，而且在同一的国际标准下可以实现真正的开放式互联系统结构。

嵌入式控制系统：嵌入式控制系统是面向特定应用而设计的、对功能、

可靠性、成本、体积、功耗等进行严格要求的专用计算机控制系统，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，制作成本高，但系统开发投入低，应用灵活。

(3) 操作台是一个实时的人机对话的联系纽带。通过它人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作命令等。它主要包括以下4个部分：作用开关、一组功能键、屏幕或显示器、一组数字键。

(4) 可靠性高和可维修性好、控制的实时性好、环境适应性强、输入和输出通道配套好、系统的扩充性好、控制软件包功能强、系统通信功能强

(5) 具有实现全数字化、开放性、智能化、互操作性、风险分散性、适应性强等优点。

(6) 嵌入式控制系统具有以下几个特点：

①嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。

②嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。

③嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。

④为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。

⑤嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一套开发工具和环境。

⑥要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。

第2章

1．填空题

(1) max 2ω≥ωs

(2) 信号调理电路，多路开关，前置放大器，采样保持器，A ／D 转换器 (3) 用来切换模拟电压信号的关键元件 (4) 脉冲启动，电平控制 (5) 中断，查询，延时 (6) 查询，延时，中断

(7) 双缓冲，单缓冲，直通，单极性，双极性 2．选择题

(1) A (2) C (3) B (4) D (5) A (6) C (7) B (8) D 3．简答题

(1) 在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型，即模拟信号、离散模拟信号和数字信号。

(2) 如果连续信号)(t x 具有有限频谱，其最高频率为max ω，则对)(t x 进行周期采样且采样角频率max 2ω≥ωs 时，连续信号)(t x 可以由采样信号)(*t x 惟一确定，亦即可以从)(*t x 不失真地恢复)(t x 。

(3) 不是。如果输入信号变化很慢（如温度信号）或者A/D 转换时间较快，使得在A/D 转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D 转换精度内，不必再选用采样/保持器。

(4) 信号调理电路是把传感器输出的信号或变送器输出的信号中，较小的电压信号经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再经滤波后才能送入A/D转换器。而对于电流信号应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。

当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A／D转换器上，实现对各个输入通道的分时控制。多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。

前置放大器的任务是将模拟小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如0~5V）。

A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D 转换器之前加入采样/保持器S/H。

A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，以便于计算机进行处理。

(5) 模拟量输入通道，数字量输入通道，模拟量输出通道，数字量输出通道。

(6) 当转换结束时，A／D转换器芯片内部的转换结束触发器置位，并输出转换结束标志电平，以通知主机读取转换结果的数字量。

根据该信号在I/O控制中的连接方式，A／D转换器有查询、延时和中断控制方式。

采用查询方式时，转换结束引脚通常连接到数据线或I/O口线上。这种方法程序设计比较简单，且可靠性高，但实时性差。但由于大多数控制系统

对于这点时间都是允许的，所以，这种方法用得最多。

采用延时方式时，转换结束引脚悬空。在这种方式中，为了确保转换完成，必须把时间适当延长，因此，其速度比查询方式还慢，故应用较少。 采用中断方式时，转换结束信号通常与计算机的外部中断引脚连接（如80C51的0INT 或1INT ）。在中断方式中，CPU 与A/D 转换器是并行工作的，因此，其工作效率高。在多回路数据采集系统中一般采用中断方式。

(7) 数字量输入通道中常用的信号调理电路有：在小功率输入调理电路如采用RC 滤波电路消除开关抖动的方法。采用RS 触发器消除开关两次反跳的方法。大功率调理电路如高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。交流输入信号检测电路如电感、压敏电阻和光耦合器配合使用的电路。

(8) 在数字量输出通道中的驱动电路，对于低电压情况下开关量控制输出，可采用晶体管、OC 门或运放等方式输出。在驱动大型设备时，往往利用继电器作为控制系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可以完成从低压直流到高压交流的过渡。固态继电器是计算机测控系统中作为输出通道的控制元件的新型的电子继电器。 4．设计题

（1）产生三角波的程序

MOV A ，#00H DA1： MOV DPTR ，#0DFFFH MOVX @DPTR ，A DA2： INC A JNZ DA1

DEC A

DA3： DEC A

MOV DPTR，#0DFFFH MOVX @DPTR，A

JNZ DA3

AJMP DA2

产生梯形波

DA0： MOV A，#00H

DA1： MOV DPTR，#FF7CH MOVX @DPTR，A

INC A

JNZ DA1

DEC A

ACALL DL6ms

DA2： MOV DPTR，#FF7CH MOVX @DPTR，A

DEC A

JNZ DA2

MOV DPTR，#FF7CH MOVX @DPTR，A

ACALL DL6ms

AJMP DA0

DL6ms：MOV R1，#0CH

DL1 MOV R2，#0FFH

DL2 DJNZ R2，DL2

DJNZ R1，DL1

RET

(2)

1) 采用直通工作方式

2）单极性输出方式

3）MOV DPTR，#0FF7FH

MOV A，#80H

MOVX @DPTR，A

DA0： MOV A，#0FFH

DA1： MOV DPTR，#0FF7CH

MOVX @DPTR，A

DEC A

JNZ DA1

MOVX @DPTR，A

AJMP DA0

(3) 计算如下：△U=10/256=0.039V/步

下限对应的数值：1.5V/ △U=38.4步，取38步上限对应的数值：8.5V/ △U=217.9步，取218步程序清单如下：

MOV DPTR，#0FF7FH

MOV A，#80H

MOVX @DPTR，A

DA0： MOV R0，#26H ；(38)D=(26) H

MOV DPTR，#0FF7CH

MOV A，R0

MOVX @DPTR，A

DA1：INC R0

MOV DPTR，#0FF7CH

MOV A，R0

MOVX @DPTR，A

CJNE R0，#0DAH，DA1 ；(218) D=(0DA) H

AJMP DA0

RET

(4)

1) 控制口地址为FF7FH，C口地址为FF7EH，B口地址为FF7DH，A口地址为FF7CH

2) 采用查询方式

3) MOV DPTR，#0FF7FH ；8255A初始化

MOV A，#83H

MOVX @DPTR，A

MOV R0，#60H

AD0： MOV DPTR，#0FF7EH ；选择IN0，且启动转换

MOV A，#80H

MOVX @DPTR，A

AD1： MOVX A，@DPTR ；从C口读取数据

ANL A，#04H ；屏蔽PC7~3，PC1~0位

JNZ AD1 ；A=0说明PC2=0，开始转换

AD2： MOVX A，@DPTR ；A=1，再读C口数据

ANL A，#04H

JZ AD2 ；若A=1表示转换结束

MOV DPTR，#0FF7DH ；读A/D转换结果

MOVX A，@DPTR

MOV @R0，A

RET

4) 0~5V

5) CBA=111

(5) 将ADC0809的EOC引脚通过反相器连接到80C51的

INT，并设置为

边沿触发

ORG 0000H

LJMP INTADC

ORG 0003H

LJMP ADINT0

ORG 0300H

INTADC： MOV DPTR，#0FF7FH ；8255A初始化

MOV A，#83H

MOVX @DPTR，A

MOV R0，#60H ;设置存储单元

SETB IT0 ；选择

INT为边沿触发方式

SETB EA ；开中断

INT

SETB EX0 ；

AD0：MOV DPTR，#0FF7EH ；选择IN0，且启动转换MOV A，#80H

MOVX @DPTR，A

…

ADINT0：…

MOV DPTR，#0FF7DH ；读A/D转换结果

MOVX A，@DPTR

MOV @R0，A

MOV DPTR，#0FF7EH ；再次选择IN0，且启动转换MOV A，#80H

MOVX @DPTR，A

RETI

(6)

MOV P1,#0FFH ；P1为准输入口

LOOP：MOV A,P1 ；读入开关状态

MOV DPTR , #7FFFH ；输出灯亮的模型

MOVX @DPTR , A

第3章

1．填空题

(1) 1

(2) 中间值

(3) 软件报警，直接报警

(4) 扫描法，线反转法

(5) 编程扫描，定时扫描，中断扫描

(6) 静态显示，动态显示

(7) 静态，时分割

2．选择题

(1) B (2) B (3) C (4) C (5) B (6) B (7) D (8) D (9) B

3．简答题

(1) 常用的数字滤波方法有程序判断滤波、算术平均值滤波、加权平均

值滤波、中值滤波、去极值平均滤波、滑动平均滤波、低通数字滤波。

程序判断滤波适合于对随机干扰进行滤波，算术平均值滤波、加权平均

值滤波、去极值平均滤波、滑动平均滤波主要适合于对压力、流量等周期脉

动的干扰进行滤波，中值滤波对应去掉由于偶然因素引起的波动或采样器不

稳当而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，低通数字滤波适用于对高频

和低频的干扰信号进行滤波。

(2) 在程序判断滤波方法中，Y 通常根据经验数据得到，必要时，可由实验得出。其值不是越大越好。

(3) 传感器或变送器检测的参数都需要换成A/D转换器所能接收的0～5V统一电压信号，又由A／D转换成00～FFH（8位）的数字量。为进一步显示、记录、打印以及报警等，必须把这些数字量转换成不同的单位，以便操作人员对生产过程进行监视和管理，必须进行标度变换。

(4) 报警程序的设计方法主要有两种。一种是软件报警。这种方法的基本作法是把被测参数如温度、压力、流量、速度、成分等参数，经传感器、变送器、A／D转换送入计算机后，再与规定的上、下限值进行比较，根据比较的结果进行报警或处理，整个过程都由软件实现。另一种是直接报警。基本作法是被测参数与给定值的比较在传感器中进行，如果被测参数超过给定值，就会通过硬件向CPU提出中断请求，CPU响应中断后，会产生报警信号。

(5) 键盘实际上是一组按键开关的集合，其中一个按键就是一个开关量输入装置。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合或断开时不会马上稳定下来，会有瞬间的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5~10ms。为了能使键盘给系统提供准确的数据和命令，必须设法消除抖动。

消除按键抖动的措施有两种：硬件方法和软件方法。硬件方法可以采用RC滤波消抖电路或RS双稳态消抖电路。软件方法是在第一次检测到有按键闭合时，首先执行一段延时10ms的子程序，然后再确认该按键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有按键按下，从而消除了抖动的影响。

(6) LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。

所谓静态显示方式，是由单片机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示字型码为止。LED工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或接+5V）；每位的段选线分别与一个8位的锁存输出相连。静态显示方式中，由于显示器中的各位相互独立，故在同一时间里，每一位显示的字符可以各不相同。这种显示方式的优点是显示器的亮度都较高，占用机时少，显示可靠，编程容易，管理也简单，因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。这种显示方式的缺点是使用元件多，且线路比较复杂，因而成本比较高。

所谓动态显示，就是单片机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示，而其他各位熄灭，但由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，则可造成多位同时亮的假象，达到显示的目的。

动态显示方式的优点是使用硬件少，因而价格低。但它占用机时长，只要单片机不执行显示程序，就立刻停止显示。由此可见，这种显示方式将使计算机的开销增大。故在以工程控制为主的控制系统中应用较少。

(7) LED数码显示器是由发光二极管组成的，根据其内部发光二极管的连接方法不同，分为共阳极和共阴极两种。共阴极LED数码显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED数码显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压。当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。

LCD是一种借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件。液晶显示器是在平整度很好的玻璃面上喷上二氧化锡透明导电层形成电极，在上、下导电层之间注入液晶材料密封而成的。若在液晶屏正面电极的某点和背电极间加上适当大小的电压，则该点所夹持的液晶便产生“散射效应”，并显示出点阵。根据需要，可将电极做成各种文字、数字或点阵，就可以获得所需的各种显示。

LCD显示器不能采用直流驱动，否则，会使液晶产生电解和电极老化，从而大大降低液晶显示器的使用寿命。

4．设计题

(1)

解：电路原理图如下图所示：

程序清单如下：

MOV DPTR，#7FFFH ；8255A初始化，方式0

MOV A，#98H ；PC3~PC0输出方式，PC7~PC4输入方式

MOVX @DPTR，A

KEY1：ACALL KS1

JNZ LK1

NI： ACALL DL6ms ；调用延时子程序，延时6ms

AJMP KEY1

LK1： ACALL DL6ms ；延时12ms

ACALL DL6ms

ACALL KS1

JNZ LK2

ACALL DL6ms

AJMP KEY1

LK2：MOV R2，#FEH ；扫描模式→R2（按列逐列扫描）MOV R4，#00H ；R4为列计数器

LK4： MOV DPTR，#7FFEH ；扫描模式→8255A的PC口

MOV A，R2

MOVX @DPTR，A

MOVX A，@DPTR ；读8255A的PC口

JB ACC.7，LONE ；转判1行，ACC.7=1，说明0行无键闭合MOV A，#00H ；0行有键闭合，首键号0→A

AJMP LKP

LONE：JB ACC.6，LTWO ；转判2行

MOV A，#04H ；1行有键闭合，首键号4→A

AJMP LKP

LTWO：JB ACC.5，LTHR ；转判3行

MOV A，#08H ；2行有键闭合，首键号8→A

AJMP LKP

LTHR：JB ACC.4，NEXT ；转判下一列，

MOV A，#0CH ；3行有键闭合，首键号12→A

LKP：ADD A，R4 ；求键号=列号+行首键号

PUSH ACC ；键号进栈保护

LK3： ACALL DL6ms ；判断键释放否

ACALL KS1

JNZ LK3 ；A=0，说明键释放

POP ACC ；键号→A

CJNE A，#09H，COM ；

AJMP DIGPRO ；等于9，转数字键处理

COM： JNC FUNPRO ；大于9，转功能键处理

AJMP DIGPRO ；小于9，转数字键处理

RET

NEXT：INC R4 ；列计数器加1

MOV A，R2 ；判断是否扫描到最后一列

JNB ACC.3，KND ；若ACC.3=0，说明已经到最后一列

RL A ；扫描模式左移一位，准备扫描下一列MOV R2，A

AJMP LK4

KND： AJMP KEY1

KS1： MOV DPTR，##7FFEH ；全“0”→扫描口PC口

MOV A，#00H

MOVX @DPTR，A

MOVX A，@DPTR ；读PC7~PC4状态

CPL A

ANL A，#0F0H

RET

DL6ms：MOV R5，#0CH

DL1： MOV R6，#0FFH

DL2： DJNZ R6，DL2

DJNZ R5，DL1

RET

(2)

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 0003H

LJMP LK1

ORG 0300H

MAIN: MOV DPTR，#7FFFH ；8255A初始化，方式0

MOV A，#98H ；PC3~PC0输出方式，PC7~PC4输入方式

MOVX @DPTR，A

…

LK1： ACALL DL6ms ；延时12ms

ACALL DL6ms

ACALL KS1

JNZ LK2

AJMP KND

LK2：MOV R2，#FEH ；扫描模式→R2（按列逐列扫描）MOV R4，#00H ；R4为列计数器

LK4： MOV DPTR，#7FFEH ；扫描模式→8255A的PC口

MOV A，R2

MOVX @DPTR，A

MOVX A，@DPTR ；读8255A的PC口

JB ACC.7，LONE ；转判1行，ACC.7=1，说明0行无键闭合MOV A，#00H ；0行有键闭合，首键号0→A

AJMP LKP

LONE：JB ACC.6，LTWO ；转判2行

MOV A，#04H ；1行有键闭合，首键号4→A

AJMP LKP

LTWO：JB ACC.5，LTHR ；转判3行

MOV A，#08H ；2行有键闭合，首键号8→A

AJMP LKP

LTHR：JB ACC.4，NEXT ；转判下一列，

MOV A，#0CH ；3行有键闭合，首键号12→A

LKP：ADD A，R4 ；求键号=列号+行首键号

PUSH ACC ；键号进栈保护

LK3： ACALL DL6ms ；判断键释放否

ACALL KS1

JNZ LK3 ；A=0，说明键释放

POP ACC ；键号→A

CJNE A，#09H，COM ；

AJMP DIGPRO ；等于9，转数字键处理

COM： JNC FUNPRO ；大于9，转功能键处理

AJMP DIGPRO ；小于9，转数字键处理

RET

NEXT：INC R4 ；列计数器加1

MOV A，R2 ；判断是否扫描到最后一列

JNB ACC.3，KND ；若ACC.3=0，说明已经到最后一列

RL A ；扫描模式左移一位，准备扫描下一列MOV R2，A

AJMP LK4

KND： RETI

KS1： MOV DPTR，##7FFEH ；全“0”→扫描口PC口

MOV A，#00H

MOVX @DPTR，A

MOVX A，@DPTR ；读PC7~PC4状态

CPL A

ANL A，#0F0H

RET

DL6ms：MOV R5，#0CH