机电系统计算机控制
华东《机电系统计算机控制》2020年春季学期在线作业(二)答卷【标准答案】
试卷总分:100 得分:100
一、单选题 (共 15 道试题,共 75 分)
1.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:A
2.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:C
3.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:D
4.线性离散系统的数学模型描述不包括：
A.脉冲传递函数
D.A
答案:B
11.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:D
12.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:B
13.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:C
14.与位置式PID相比，增量式PID的优点不包括：
A.误差动作影响小
B.易于实现手动自动的无扰动切换，且切换平滑过渡
C.整定方便
D.不易产生累积误差
答案:C
C.无关、有关
D.无关、无关
答案:C
8.设计线性离散控制系统时，选择极点的位置在Z平面上必须避免： （ ）
A.尽量靠近原点
B.单位圆的右半圆内
C.单位圆外
D.与实轴的夹角要适中
答案:C
9.下列不属于PLC的工作阶段的是：
A.输出刷新
B.输入采样
C.程序执行
D.扫描
答案:D10.{图} NhomakorabeaA.DB.C
C.B
B.离散状态空间方程
C.微分方程
D.差分方程
答案:C
5.机电系统的控制机构不包括
机电系统中的数字控制技术
861 全方位数字闭环的伺服控制技术以物体的方位、位置、姿式等作为被控量，是数字控制系统中的伺服系统。
这种控制系统的根本目的就是按照系统给予的速度以及运动轨迹，任意变化跟踪目标，来实现准确的跟踪与定位的一种技术。
它需要保障系统中有充足的能量，才能推动负载输入指令，在规律的运作下，输入与输出的偏差，不得超出规定的范围。
伺服系统作为一个高性能、高技术的产品，在一些定位精度与动态响应下，可以提供灵活、准确、快速、方便的驱动，这使得它在较高的机电一体化产品中，得到广泛的应用。
其中符合数字化控制模式的数字式伺服系统，非常跟得上数字控制技术的潮流，它在调试方面广受好评，使用起来也非常简单。
最近一段时间，工控机控制技术在大部分的交流伺服系统中都广泛被采用。
为了使操作简单易学，提供友好的人机界面给操作员，因而采用工控机与下位机的通信。
同时，还采用DSP（专用数字信号处理器）与新型高速微处理器的伺服控制技术，将全方位替代以模拟为电子器件为主的伺服控制技术。
使DSP的高速运算能力得到充分发挥，增强调节功能，自动完成整个伺服系统，甚至还可以实时调节系统增益，负载跟踪其中的变化。
为了将原来的硬件伺服控制转变为软件伺服控制，实现全方位数字化的闭环伺服控制，提高系统的定位精准度与动态响应的速度，有部分驱动器具备快速傅立叶变换的功能，将设备的机械共振点测算出来，再通过陷波滤波的方式，消除机械共振。
以下就是PC 运动控制卡的闭环伺服控制系统图。
图1 全数字闭环伺服控制系统组成结构图2 先进的现代化数字伺服驱动技术传统的工业控制单元需要向信息化、数字化转变，是因为信息技术的发展。
正是由于信息技术与传统驱动技术相结合，才会出现代表它们的数字驱动技术，这将是21世纪伺服驱动领域里的关键技术之一。
同时，伺服系统中数字化的交流应用也日趋广泛，客户对伺服驱动技术的要求也越来越高，引起了试析机电系统中的数字控制技术刘军高（广州数控设备有限公司，广东 广州 510165）摘要：在这个以“科技”为主题的现代化机电控制系统中，关键领域的科学技术就取决于数控技术，它集多种高新技术为一体，其中包括了微电子与计算机技术，信息处理与自动检测、控制技术等。
【DOC】第3章机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接
第3章：机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计 3.1 控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1. 专用与通用的抉择 专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。
通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。
2. 硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。
例：分立元件组成硬件------软件 利用LSI 芯片组成电路-----软件3.1.2 控制系统的一般设计思路 设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。
1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案。
（2）考虑执行元件采用何种方式。
（3）要考虑是否有特殊控制要求。
（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。
（5）应初步估算其成本。
2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。
数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。
它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。
控制算法：所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。
例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：a a xy yx F -= 或K x y T T ee Y X==∆∆ 圆弧算法：222R Y X F i i i -+= 或yxT T Y X =∆∆ 直接数字控制系统中常用的PID 调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。
3、选择微型计算机 （1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。
计算机在机电一体化中的应用
计算机在机电一体化中的应用
计算机在机电一体化中有广泛的应用，可以涉及到以下几个方面：
1. 控制系统：计算机可以作为机电控制系统的核心，通过搭载控制算法和传感器，实
现对机械设备、工业自动化系统等的精确控制。
例如，工业机械自动化生产线、机器
人控制系统、汽车车身焊接系统等都离不开计算机的控制。
2. 数据采集与处理：计算机可以通过连接传感器和执行器，实时采集和处理机电系统
中的各种数据，例如温度、压力、位置等，用于系统的监控、分析和优化控制。
3. 仿真模拟与优化设计：计算机可以进行机电系统的仿真模拟，通过建立系统的数学
模型，并基于该模型进行系统的仿真分析和性能优化设计。
这样可以节省成本和时间，提高系统设计的效率和优化程度。
4. 人机界面：计算机可以通过触摸屏、图形界面等方式实现与机电设备的人机交互，
方便操作者对设备进行监控和控制，提高操作的便捷性和智能化程度。
5. 数据存储与管理：计算机可以对机电系统中的数据进行存储和管理，方便后续的数
据分析与决策支持。
例如，在工业自动化生产线中，可以通过计算机对生产数据进行
实时存储，以便进行质量分析和生产效率评估。
总之，计算机在机电一体化中的应用可以大大提升机械设备的智能化程度和自动化水平，优化系统的性能和效率，提高生产的质量和安全性。
3.2机电一体化中的微型计算机系统
第三章 微机控制系统及接口技术
8位机有单片和多片之分，主要用于控 制和计算。 16位机功能更强、性能更好，用于比较 复杂的控制系统,可以使小型机微型化。
32位和64位机是比小型机更有竞争力的 产品。人们把这些产品称为超级微机。它具大 提高了软件的生产效率。
第三章 微机控制系统及接口技术
第三章 微机控制系统及接口技术
在单板机的印制电路板上装有一个 十六进制的小键盘和数字显示器,可完 成一些简单的数据处理和编辑功能。 用单板机实现机电产品的机电一体 化成本低，在机械设备的简易数控、检 测设备、工业机器人的控制等领域中得 到广泛应用。
第三章 微机控制系统及接口技术
3) 微型计算机系统
根据需要，将微型计算机、ROM、RAM、 I/O接口电路、电源等组装在不同的印制电路 板上， 然后组装在一个机箱内，再配上键盘、 CRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多 种外围设备和足够的系统软件,就构成了一个 完整的微机系统。
第三章 微机控制系统及接口技术
(2)按微处理机位数分类
按微处理机位数可将微型计算机分为 位片、4位、8位、16位、32位和64位等机 种。所谓位数是指微处理机并行处理的数 据位数，即可同时传送数据的总线宽度。 4位机目前多做成单片机。即把微处理 机、1~2KB的ROM、64~128KB的RAM、I/O接 口做在一个芯片上，主要用于单机控制、 仪器仪表、家用电器、游戏机等中。
第三章 微机控制系统及接口技术
2)操作系统 所谓操作系统(OS-Operating System)，就 是计算机系统的管理程序库。它是用于提高计 算机利用率、方便用户使用计算机及提高计算 机响应速度而配备的一种软件 。操作系统可以 看成是用户与计算机的接口，用户通过它而使 用计算机。它属于在数据处理监控程序控制之 下工作的一组基本程序，或者是用于计算机管 理程序操作及处理操作的一组服务程序集合。
机电系统计算机控制技术_实验指导书2017
机电系统计算机控制课程实验指导书电子科技大学机械电子工程学院目录实验一、采样控制实验 (3)实验二二阶PID控制 (10)实验三最少拍控制系统 (17)1.自控/计控原理实验机介绍信号源模块如图1所示，斜坡、阶跃、正弦和矩形波由插孔OUT1输出，非线性、微分脉冲和正弦波由插孔OUT2输出，该模块可同时发生两种不同类型信号，信号源参数（如幅度、频率、宽度、斜率、扰动等）在电脑上模拟示波器软件界面上由用户设置（每个实验范例都有其默认值），如图6中红框所示。
图1 信号源模块图2 基准电源模块和数据采集模块图2中是实验箱的基准电源模块和数据采集模块。
数据采集模块为虚拟示波器采集信号，虚拟示波器有四个信号输入通道，可将需要观察的波形接入任意一个输入口，就可通过软件观察到波形。
需要特别注意的地方是：虚拟示波器会限幅，只能显示+5V～-5V之间的波形，超出该范围的信号则对应输出为+5V或-5V。
图3 频率特性测试模块图4 控制器模块图5 运算放大器模块图3中式频率特性测试模块，插孔ADIN为测试信号输入，将系统的输出信号接入该插孔。
图4中是控制器模块，插孔AOUT1和AOUT2为信号输出孔，输出的是采样控制或PID控制信号。
图5是运算放大器模块，该模块有多个电阻可选。
插孔H1、H2和IN为运放的输入端。
插孔IN直接接入运放反相输入端，未接任何电阻；插孔H2通过固定电阻后接入运放反相输入端；插孔H1有多个电阻可选，白色的连线相当于电路线，两个连在一起的黑色排针是断开的；确定使用哪一个阻值的电阻后，用短解套连接该电阻左边的排针即可。
通过短解套可选用不同阻值的电阻，不同电容值的电容，就可控制增益和时间常数。
双击桌面图标打开软件，出现实验机实验项目选择界面如图6所示，点击蓝色框中串口右边的下拉按钮，如右图所示，若出现其他串口，则选择其中的任一串口（如果没有其他串口，则不用修改），则会出现通讯成功的界面，如图7所示。
图6实验机实验项目选择界面图7通讯成功界面②打开系统颜色设置按钮，如图6中红色框中的按钮，将坐标轴、背景色、测量文字和测量线改成下图中的颜色，如图8所示，然后点击确定键。
计算机控制系统及发展趋势概述
计算机控制系统及发展趋势概述
计算机控制系统是指利用计算机技术实现对机电设备、工业生产过程、交通运输等系统进行控制的一种自动化系统。
它的出现极大地提高了工业生产效率和产品质量，并且从根本上改变了人们的生产方式和生活方式。
计算机控制系统的发展可以分为五个阶段：机械控制阶段、电气控制阶段、逻辑控制阶段、数字控制阶段和智能控制阶段。
其中，数字控制阶段和智能控制阶段是目前计算机控制系统发展的主要方向。
数字控制系统是指利用数字电路实现对机电设备、工业生产过程等系统进行控制的一种自动化系统。
它具有精度高、稳定性好、误差小、适应性强等优点，能够实现高度自动化的生产控制。
智能控制系统是指利用人工智能技术实现对机电设备、工业生产过程等系统进行控制的一种自动化系统。
它具有自学习、自适应、自优化、自重构等优点，能够实现高度智能化的生产控制。
未来计算机控制系统的发展趋势是融合化和智能化。
融合化是指将各种控制技术、传感技术、网络技术等有机地融合在一起，形成一个统一、高效、可靠的控制系统；智能化是指利用人工智能技术实现对控制系统的自主学习、自适应、自优化、自重构等功能，从而实现高度智能化的生产控制。
未来计算机控制系统的发展将不仅仅是技术的革新，更是对生产方式和生活方式的变革。
- 1 -。
计算机控制技术---课件
（4）计算机控制系统的监控过程步骤
a.实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的
瞬时值进行采集和输入 ；
b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、
比较和处理，按一定的控制规 律运算，进行控制决策；
c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行
器发出控制信号，完成监控任 务；
1.1.2
（2）开环控制系统
r
给定值 控制器
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
(b) 开环控制系统
开环控制系统--不同于闭环系统，它不需要被
控对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动 执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方 向的。环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间 的偏差，其控制性能不如闭环系统。
Y（nT）
t : 时间 T : 控制周期 n : 整数 U（t） 、 Y（t） : 连续信号 U（nT） 、 Y（nT） : 离散信号
3
1.2 自动控制系统
基本概念 基本部件 组成结构 分类
1.2.1 自动控制系统的构成
（通过 2 个例子来了解自动控制系统）
例1：电机调速系统
设定值
C
R
比较
X
放大
H
用水
水槽
控制目标：水位 H 比较算法： X = R – C 运动及控制过程：用水量增加 ===> 水位下降 ===> 测量值 C 减小 ===> 给定值 R 不变时则 X 增加 ===> X 经放大驱动阀门开度增加 ===> 给水增加 ===> 水位回升 ===> ……
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第一章 概述
1.3.4 分级计算机控制系统
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第一章 概述
1.3.5 计算机控制系统的其他分类形式 1) 程序和顺序控制：程序控制是指根据输入的指令和数据，控制生产
机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而 自动完成工作的数字式自动控制。主要用于机床的自动控制。 2) 比例积分微分控制(PID控制)：目前应用最为广泛、也是广大工程 技术人员所熟悉的控制规律。 3) 最少拍控制：调节时间最短为技术指标。 4) 复杂规律的控制：充分利用计算机的强大计算、逻辑判断、中断以 及学习功能。如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、多变量解耦控 制以及最优、自适应、自学习控制等。 5) 智能控制。 6) 模糊控制。
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第二章 信号采样与Z变换理论基
2的信号，需要经A/D转换进行 编码，才能用计算机进行处理。
量化单位为：
q
fmax fmin 2n 1
fmax N
f min
f Lq
其中L为整数。对于余数 ( q)有两种处理方法。
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第一章 概述
控制系统按信号形式分类： 1) 连续控制系统：所有信号
均为连续信号。 2) 离散控制系统：各处均为
离散信号。 3) 采用控制系统：既有连续
信号，又有离散信号。 4) 数字控制系统：含有数字
信号——计算机控制系统
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第一章 概述
1.2.2 计算机控制系统的组成 硬件组成：控制对象、检测环节、计算机、输入输出通道、外设等 软件组成：系统软件、应用软件
具体实例：计算机外设、办公自动化设备、微细加工设备、数控机床、数控 加工中心、机器人、射压成型设备、武器系统、航空航天、航海设备、家用电子 机械、电动玩具等。
目前这些系统的共性就是：绝大多数产品含有电子计算机或微处理器。
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第一章 概述
几种典型的机电一体化系统 1) 伺服传动系统：其为一种最基本的机电控制系统。其输入为模拟或
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第一章 概述
1.3.1 计算机控制系统的分类 1) 数据采集和数据处理系统 注意：可以用于辅助建模。也就是所有计算机控制系统均有数据采集和 数据处理的功能。
1.3.2 直接数字控制系统-DDC(direct digital control)
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第一章 概述
1.3.3 监督控制系统-SCC(supervisory computer control) SCC+模拟调节系统 SCC+DDC系统
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第一章 概述
1.2 计算机控制系统
1.2.1 控制系统按信号形式的分类 计算机控制系统：含有计算机并且由计算机完成部分或全部控制功 能的控制系统。
计算机在控制系统中的应用分两个方面： 1) 离线应用：对控制系统进行分析、设计、仿真以及建模——控制系
统CAD 2) 在线应用：用计算机代替模拟控制器，使其成为控制系统的一部分。
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第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2.2 信号采样与保持 2.2.1 采样定理
对于一个具有有限频谱的连续信号f (t)进行采样，若采样频率满足
s 2max
再通过一个理想的低通滤波器，则采样信号f *(t)能够不失真地复现
原来的连续信号f (t)。其中max为原信号f (t)有效频谱中的最高频率， s为采样频率。 在实际系统中，一般总是将采样频率s选得比2max 大得多。
数字电信号，输出或受控物理变量为机械位置或速度以及力或力矩 等。 2) 数字控制系统：根据零件编程或路径规划，由计算机生成数字形式 的指令，驱动机械运动的一种控制系统，简记为NC。当控制器由 计算机实现时，又称为计算机数控系统，简记为CNC。 3) 顺序控制系统：按照规定次序执行一组操作的控制系统。每一步动 作都是一个简单的二进制动作。 4) 过程控制系统：在机械、冶金、化工、电力以及建材等生产过程中 所采用的工业控制系统统称为过程控制系统。
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第一章 概述
1.4 计算机控制系统的一般要求 1) 稳定性 2) 精确性 3) 快速性
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第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2.1 计算机控制系统的信号形式 1) 多数受控物理参数的连续模拟信号 2) 计算机所能处理的离散数字量 在许多实际系统中，采样器即为A/D转换器 全部工作由计算机时钟同步
F *(s)中的eTs换成z而得到F (z)，我们称之为f *(t)的z变换。 f (t)的采样信号是一个脉冲序列，表示为
f *(t) f (kT) (t kT) k 0
其中，T表示采样周期，对上式进行拉氏变换，得
F *(s) f (kT)ekTs k 0
由于eTs是s的超越函数而不是有理函数，对数学分析很不方便，因
如果要求转换误差在转换精度之内，则允许转换的正弦模拟信号的
最大频率为
0.1
f 2 10106 100 16Hz
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第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2) 采样保持 3) 模拟量输出保持器
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第二章 信号采样与Z变换理论基
础
2.3 Z变换
2.3.1 Z变换的定义 z变换是把f (t)的采样信号f *(t)的拉氏变换F *(s)进行演变，将
截尾
舍入
0 q
0 q/2
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第二章 信号采样与Z变换理论基 础
2.2.3 孔径时间及采样保持
1) 孔径时间
令
在过零点处
U Um sin t
dU dt
Um cost
2fUm cost
U 2fUmtA/ D 例如：一个10为的A / D转换器，量化精度为0.1%，孔径时间为10s，
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第一章 概述
1.1 机电一体化系统 机电一体化系统是指在系统主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了
电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机、检测与传感装置等电子设备以及 软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、检测与传感、信息处理、接口和 软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行结合而形成的一种新型机械 系统。