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1、計算機控制技術(shù)習題詳解第一章計算機控制系統(tǒng)概述習題參考答案】計算機控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的？計算機控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個步驟：(1) 實時數(shù)據(jù)采集：對被控戢的瞬時值進行檢測，并輸入給計第機.(2) 實時決策：對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。(3) 實時控制：根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)岀控制信號，完成控制任務。2實時、在線方式和離找方式的含義是什么？(1) 實時：所謂實時“，圧指信號的輸入、計算和輸出郁於在一定時間范用內(nèi)完成的.即計篦機對輸入信息以足夠快的速度 進行處理.并在一定的時間內(nèi)作出反應并進行控制，超出了這個時間就會失去控

2、制時機，控制也就失去了總義。(2) “在線“方式：在計算機控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計算機連接，生產(chǎn)過程直接受計算機的控制，就叫做“聯(lián)機“ 方式或在線”方式。(3) “離線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不*(接與計算機相連接，坯工作不直後受計算機的拎制.而肚通過中間記錄介質(zhì).靠人進 行聯(lián)系并作相應操作的方式.則叫做“脫機“方式或離線“方式。S微型計算機控制系統(tǒng)的硬件由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？山四部分組成.外 乂主機/ *入鑰岀通迥j生產(chǎn)kllVIW圖11微機控制系統(tǒng)組成框圖(1) 主機：這是微型計算機控制系統(tǒng)的核心，通過接口它町以向系統(tǒng)的各個部分發(fā)出各種命令，同時對被控對象的被控參數(shù)

3、 進行實時檢測及處理主機的主要功能是控制整個生產(chǎn)過程，按控制規(guī)律進行各種控制運算(如調(diào)節(jié)規(guī)律運算、最優(yōu)化計算 等)和操作，根據(jù)運算結(jié)果作出控制決策：對生產(chǎn)過程進行監(jiān)骨，使之處于晟優(yōu)工作狀態(tài)：對那故進行預測和報警：編制生 產(chǎn)技術(shù)報皆，打印制表等等。(2) 輸入輸出通道：這是微機和生產(chǎn)對象Z間進彳亍信息交換的橋梁和紐帶。過程輸入通道把生產(chǎn)對彖的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成微機 可以接收的數(shù)寧代碼.過程輸出通逍把做機輸出的控制命令和數(shù)抓，轉(zhuǎn)換成可以對生產(chǎn)對級進行控制的信號。過程輸入輸出 通道包拾模擬雖輸入輸出通道和數(shù)字雖輸入輸出通道。（3）外部設(shè)備：這是實現(xiàn)微機和外界進行信息交換的設(shè)備，簡稱外設(shè)，包括人機聯(lián)系設(shè)備

4、（操作臺）、輸入輸出設(shè)備（磁盤驅(qū)動 器、鍵盤、打印機、顯示終端等）和外存貯器（磁盤）其中操作臺應具涪顯示功能，即根拯操作人員的要求，能立即顯示所要 求的內(nèi)容：還應冇按鈕.完成系統(tǒng)的啟、停等功能：操作臺還耍保證即使操作借誤也不會造成惡劣后果，即應冇保護功能.（4）檢測與執(zhí)行機構(gòu)a. 測雖變送單元：在微機控制系統(tǒng)中，為了收集和測命各種參數(shù)，采用了各種檢測元件及變送器，其主要功能足將被檢測參 數(shù)的非電戢轉(zhuǎn)換成電屋.例如熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換成mV信號：壓力變送器可以把壓力轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?這些信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn) 換成統(tǒng)一的計算機標準電平信號（05V或420mA）后.再送入微機。b. 執(zhí)行機構(gòu)：箜控制生產(chǎn)過程，必

5、須仃執(zhí)行機構(gòu)它兄微機控制系統(tǒng)中的重要部件，其功能足根據(jù)微機輸岀的控制店弓，改 變輸出的角位移或直線位移，井通過調(diào)節(jié)機構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流呈或能戢，使生產(chǎn)過程符A預定的要求。例如，任溫度控制 系統(tǒng)中.微機根據(jù)溫度的誤星計算出郴應的控制磧，輸出給執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）來控制進入加熱爐的煤氣（或油）試以實現(xiàn)預期 的溫度值.常用的執(zhí)行機構(gòu)冇電動、液動和氣動等控制形式，也冇的采用馬達、步進電機及可控硅元件等進行控制.4. 微型計算機控制系統(tǒng)軟件有什么作用？說出各部分軟件的作用.軟件足指能夠完成乞種功能的計算機程序的總和。整個計算機系統(tǒng)的動作，都足在軟件的指揮下協(xié)調(diào)進行的，因此說軟件址 微機系統(tǒng)的中樞神經(jīng).就功

6、能來分，軟件可分為系統(tǒng)軟件、應用軟件及數(shù)據(jù)庫.（1）系統(tǒng)軟件：它足山計算機設(shè)計者提供的專門用來使用和管理計算機的程序。對用戶來說.系統(tǒng)軟件只足作為開發(fā)應用軟 件的工具，卅不需要自己設(shè)計的。系統(tǒng)軟件包括：a操作系統(tǒng)：即為管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序等：b. 診斷系統(tǒng)：指的圧調(diào)節(jié)程序及故障診斷程序：c. 開發(fā)系統(tǒng)：包括各種程序設(shè)計語汗、語討處理程序（編譯程序）、服務程序（裝配程序和編輯程序）、模擬主系統(tǒng)（系統(tǒng)模擬、仿貞、移植軟件）、數(shù)據(jù)骨理系統(tǒng)等：d. 信息處理：指文字翻譯、企業(yè)管理等.（2）應用軟件:它出面向用戶本身的程序，即指由用戶根據(jù)要解決的實際問題而編寫的各種程序。應用軟件包拆：a

7、. 過程監(jiān)視程序：指巡回檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、卜.下限檢資及報警程序、操作面板服務程序、數(shù)字濾波及標度變換程序. 判斷程序、過程分析程序等：b. 過程控制計見程序：指的是控制算法程序、故處理程序和信息轡理程序，英中信息竹理程序包括信息生成調(diào)度、文件怯 理及輸出、打印、顯示程序等：c. 公共服務程序：包括基本運算程序、函數(shù)運算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序。（3）數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)陣及數(shù)據(jù)肅管理系統(tǒng)主要用于資料管理、存檔和檢索，郴應軟件設(shè)計指如何建立數(shù)搖庫以及如何査詢、顯 示、調(diào)用和修改數(shù)據(jù)等。5. 微型計算機控制系統(tǒng)的特點是什么？微機控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動控制系統(tǒng)相比,具有如下特點：a. 控制規(guī)律

8、靈活多樣，改動方便b. 控制梢度高，抑制擾動能力強，能實現(xiàn)城優(yōu)控制c. 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)則統(tǒng)計和工況顯示.控制效率高d. 擰制與聳理一體化，進一步提高H動化程度6. 操作捋導、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) 操作指導控制系統(tǒng)：在操作制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象.屬丁開環(huán)控制纟訂d計乳機根抑妝 學模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進行處理，計算出冷控制啟應冇的較介適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時計 算機就起到了操作指導的作用.其原理框圖如圖1.2所示。3圖1.2操作指導控制系統(tǒng)廉理框圖(2) 直接數(shù) 汕 制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng)” DDC(DirectDig

9、italContro 1)系統(tǒng)就是通過檢測元件對個或多個被控參數(shù)進行巡回檢測， 經(jīng)輸入通逍送給微機，微機將檢測結(jié)果與設(shè)定值進行比較.再進行控制運算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構(gòu)，使系統(tǒng)的被 控參數(shù)達到預宦的要求。DDC系統(tǒng)足閉環(huán)系統(tǒng)，足微機在工業(yè)生產(chǎn)過程中啟普遍的-種應用形式。其原理框圖如圖1.3所 示.帳I8Q或開)入給遜 #圖1 3DDC系統(tǒng)原理框圖(3) 計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))：SCC(Supenisory Computer Control)系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更接近工產(chǎn)變化的實際惜況，因為 在DDC系統(tǒng)中計算機只足代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，系統(tǒng)不能運行在最建狀態(tài).而SCC系統(tǒng)不僅可

10、以進行給定值控制，并 TL還可以進行顧序控制、最優(yōu)控制以及門適應控制等-SCC系統(tǒng)的原理框圖如圖1.4所示?；蜷_開關(guān)tn金入通is或DDC絨從機攏仃機構(gòu)圖1.4 SCC系統(tǒng)原理框圖SCC足操作指導控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。7. 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趙勢是什么？大規(guī)模及超大規(guī)欖集成電路的發(fā)展，捉高了計算機的可靠性和性能價格比，從而使計算機控制系統(tǒng)的應用也越來越廣泛。為 更好地適應生產(chǎn)力的發(fā)展，擴大生產(chǎn)規(guī)模.以滿足對計算機擰制系統(tǒng)提出的越來越高的要求，冃前計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨 勢有以下幾個方而。a. 普及應用可編程序控制器b. 采用集散控制系統(tǒng)c. 研宛和發(fā)展智能控制系統(tǒng)本章作業(yè)簡述幾類

11、常見的計算機控制系統(tǒng)的特點及其應用領(lǐng)域。第二章輸入輸出過程通道習題參考答案1什么是過程通道？過程通道有哪些分類？過程通道是在計算機和生產(chǎn)過程之間設(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分，過程通逍叮分為輸入過程通道和輸出過程通逍：按所傳遞和交換的信息來分，過程通道又可分為數(shù) 字最過程通道和模擬駅過程通道.2數(shù)字量過程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？數(shù)字雖過程通逍包括數(shù)字就輸入通道和數(shù)字戢輸出通道。數(shù)字邑輸入通逍主要III輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路、井行接口電路和定時計數(shù)電路等組成。數(shù)字雖輸出 通道主耍山輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：

12、輸入調(diào)理電路將來11控制裝垃或生產(chǎn)過程的各 種開關(guān)鼠.進行電平轉(zhuǎn)換，將梵通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應的高、低電平，同時還要考慮對信號進行濾波、保護、消除觸點抖動， 以及進行信號隔離等問題3.簡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，主要足利用RS觸發(fā)器的保持功能實現(xiàn)消抖。4 簡述光電耦合器的工作原理及在過程通道中的作用.光電耦合器山封裝在一個竹殼內(nèi)的發(fā)光二極仔和光敏三極仔組成，如圖2.1所示。輸入電流流過二極悖時使其發(fā)光，照射到 光敏三極管上使其導通，完成信號的光電耦合傳送，它在過程通道中實現(xiàn)

13、了輸入和輸出在電氣上的完全隔離.圖2.1光電耦合器電絡圖3模擬量輸入通道由哪蘭部分組成？各部分的作用是什么？模擬雖:輸入通逍-般山I/V變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、AD轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯電路組成。(1) LV變換：提高了信號遠距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減，為與標準化儀表和執(zhí)行機構(gòu)匹配提供了方便.(2) 多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。(3) 采樣保持器：AD轉(zhuǎn)換器完成一次AQ轉(zhuǎn)換總需要-定的時間。在進行AD轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，冷望輸入信匕不再變化，以免 造成轉(zhuǎn)換誤差.這樣，就需要在AQ轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器.(4JA/D轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的任務是將模擬呈轉(zhuǎn)換成數(shù)

14、字量，能夠完成這一任務的器件，稱尢上I J數(shù)轉(zhuǎn)換器 (Analog Digital Com erter.簡稱 A D 轉(zhuǎn)換器或 ADC) 6. 對理想多路開關(guān)的要求越什么？理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時的導通電阻為零。此外，還希果切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠.7. 采樣保持器有什么作用？試說明保持電容的大小對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響.采樣保持器的作用：AD轉(zhuǎn)換器完成一次AD轉(zhuǎn)換總需要一定的時間.在進行AD轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化， 以免造成轉(zhuǎn)換謀墊.這樣，就需要在AQ轉(zhuǎn)換器之曲加入采樣保持器.保持電容對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣保持的楮度有很大彤響.保持電容侑小，則采樣狀態(tài)時充電時

15、間常數(shù)小，即保持電容充電快， 輸出對輸入倡號的跟隨特性好，但在保持狀態(tài)時放電時間常數(shù)也小，即保持電容放電快，故保持性能基：反Z，保持電容值 大，保持性能好，但跟隨特性差.58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.對丁輸入信號變化很慢，如溫度信號：或者A，D轉(zhuǎn)換時間較快，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號變化很小，在允許的AQ轉(zhuǎn)換楮度內(nèi).就不必再選用采樣保持器.9/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號有什么作用？根據(jù)該信號在I/O控制中的連接方式，A/D轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？它們在接口電路和 程序設(shè)計上有什么特點？AD轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號的作用足用以判斷本次AD轉(zhuǎn)換址否完成。常見的AD轉(zhuǎn)換冇

16、以下幾種控制方式，各門特點如下 延時第待i/EOC可不和I/O 口連接.程序設(shè)計時.延時大于ADC轉(zhuǎn)換時間后.取數(shù)據(jù) 保持】;待沢EOC與READY相連.EOC無效時f |動插入等待狀態(tài)。/至EOC有效時，取數(shù)據(jù)。查詢法:EOC可以和任意I/O 口連接，程序設(shè)計時，反復判斷EOC是否有效,直至EOC有效時,収數(shù)據(jù)。中斷響應法:EOC與外部中斷相連，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，發(fā)中斷申請，在中斯服務程序中収數(shù)據(jù).10設(shè)被測溫度變化范圍為rc1200c如果要求誤差不超過（M log 1 +吐0.4丿設(shè)計出8路模擬采集系統(tǒng)。請畫出接口電路原理圖，并編寫相應的8路模擬量數(shù)據(jù)采集程序.本例給出用8031、DAC0S

17、09設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例。把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字雖按序存丁片內(nèi)RAM的30H-37H機元中.采咔完一遍后停止采集其數(shù)據(jù)采集的初J始化程序和中 斷服務程序如下：初始化程序：MO- R0, #30HR2 #08HSETBITOSETBEAMO-DPTR SFEF8HLOOP：MOXX DPTR ASJMP HEREHERE：中斷服務程序：MOVX A. DPTRMOV R0 AINC DPTR:設(shè)芷數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針:設(shè)置8路采樣計數(shù)值:設(shè)置外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式:CPU開放中斷SETB EXO:送入口地址并指向IN0:啟動AD轉(zhuǎn)換，A的值無意義:等待小斷:允許外部中斷0中斷INTO：INC ROD

18、JNZR2 INTOCLRCLREXORETIDPTR. AMO-X讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字雖 存入片內(nèi)RAM單元 拆向下一模擬通道 指向下一個數(shù)據(jù)存儲單元 8路未轉(zhuǎn)換完，則繼續(xù) 已轉(zhuǎn)換完，則關(guān)中斷 禁止外部中斷0中斷中斷返回再次啟動A/D轉(zhuǎn)換中斷返回RETI12模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？模擬雖輸出通道-般山接口電路、D A轉(zhuǎn)換器、功率放大和71變換等信1；調(diào)理電路組成。D/A轉(zhuǎn)換益：模擬戢輸出通道的核心圧數(shù)/模轉(zhuǎn)換(Digital Analog Comerter.簡稱DA轉(zhuǎn)換器或DAC).它足指將數(shù)字磧 轉(zhuǎn)換成模擬雖的元件或裝貿(mào)。(2)V/I變換：一般情況下，D/A轉(zhuǎn)換電路的

19、輸出足電壓信號。在計算機控制系統(tǒng)中.當計算機遠離現(xiàn)場.為了便丁倍號的遠 距離傳輸.減少由于傳輸帶來的干擾和衰減，需要采用電流方式輸出模擬信號.許多標準化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機構(gòu)，一般是 釆用010mA或420mA的電流信號驅(qū)動的。肉此，需耍將模擬電圧信號通過電壓/電流(V/I)變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號。13采用DACI832和PE總線工業(yè)控制機接口.請畫出接口電路原理圖，并編寫產(chǎn)生三角波、梯形波和鋸齒波的程序.本章作業(yè)設(shè)計一八路數(shù)據(jù)采集及其回放系統(tǒng).要求八路數(shù)據(jù)巡回檢測，存儲10組數(shù)據(jù)，輸數(shù)據(jù)為電壓信號(45V),檢測精度vl% CPU、AD、DA 可任選.7第三章微機數(shù)控系統(tǒng)習題參考答案31什么

20、是數(shù)控程序控制？數(shù)字程序控制有哪幾種方式？所謂數(shù)控程序控制是計算機根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機械(如各種加工機床)按規(guī)定的工作順序、 運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律自動地完成工作的自動控制。數(shù)字程序控制方式：點位控制、直線切削控制和輪廓的切削控制。32什么是逐點比較插補法？直線插補計算過程和圓弧插補計算過程各有哪幾個步驟？逐點比較法插補運算，就是在某個坐標方向上每走一步(即輸出一個進給脈沖)，就作一次計算，將實際 進給位置的坐標與給定的軌跡進行比較，判斷其偏差情況，根據(jù)偏差，再決定下一步的走向(沿X軸進給, 還是沿Y軸進給)。逐點比較法插補的實質(zhì)是以階梯折線來逼近給定直線或圓弧曲線，最

21、人逼近誤差不超 過數(shù)控系統(tǒng)的一個脈沖當量(每走一步的距離，即步長)。直線插補計算過程的步驟如下：(1) 偏差判別：即判別上一次進給后的偏差值Fm是最人于等于零，還是小于零：(2) 坐標進給：即根據(jù)偏差判斷的結(jié)果決定進給方向，并在該方向上進給一步：(3) 偏差計算：即計算進給后的新偏差值Fm+1,作為下一步偏差判別的依據(jù)：(4) 終點判別：即若己到達終點，則停止插補；若未到達終點，則毛復上述步驟。圓弧插補計算過程的步驟如下：(1) 偏差判別(2) 坐標進給偏差計算(4) 坐標計算(5) 終點判別5.若加工第一象限直線OA,起點O (0, 0),終點A (11, 7)。要求：(1按逐點比較法插補進

22、行列表計算：(2卅出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。解：由題意可知Xe=ll,y.=7, Fo=O,我們設(shè)置一個總的計數(shù)器Nxy,其初值應為Nxy=|7-0|+|ll-0|=18,則插補 計算過程如農(nóng)3-1所示。根據(jù)插補計算過程表所作出的直線插補走步軌跡圖如下圖所示。表31步數(shù)偏差判別坐標進給偏差計算終點判別起點Fo=ONy=181Fo=0+xFi=Fo-y=-7Ny=172Fi0+xF3=F2-yt=-3Nxy=154F3VO+YF4=F3+Xe=8Nxy=145F40+xF5=F4-ye=lNxy=136FsX)+xF6=F5-ye6Nxy=127F0+xF8=F7-y=-2Ny=109

23、Fs0+xFio=F9-ye=2Nxy=811FioX)+xFn=Fio-ye=-5Nxy=712Fn0+YFi2=Fii+x0+XF13=F12-ye=-lNxy=514Fb0+XFi5=Fi4-y=3Nxy=316F150+xFi6=Fi5-yt=-4Nxy=217F16O+xF18=F16-ye=ONO3.S設(shè)加工第一象限的圓弧AB,起點A (6, 0),終點B (0, 6)。要求：(1)按逐點比較法插補進行列表計算；(2作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)解：插補計算過程如表32所示。終點判別仍采用第二種方法，設(shè)一個總的計數(shù)器Nq每走一步便減1 操作，當Nxy=O時，加工到終點，插補運

24、算結(jié)束。下圖為插補過程中的走步軌跡。y表32步數(shù)偏差判別坐標進給偏差計算坐標計算終點判別起點Fo=0xo=6,yo=O時121F0=OXFi=0-12+l11xi=5,yi=0Nxy=ll2Fi0+YF?二 11+0+1 二 10X2=5,y2=lNxy=103F20+YF 尸-10+2+1 二 7x 尸 5 $3=2Nxy=94F?0+YFT+4+l=-2X4=5,y4=3Nxy=85F40-XF6=5-10+l 二 4X6=4,y6=4Nxy=67f60-XF8=5-8+l2xs=3,ys=5Nxy=49F80-XFio=9-6+1=4xio=2yio=6Nxy=211FioOXFn=4-

25、4+l=lxii=l,yn=6Nxy=l12Fn0-XFi2=l-2+l=0xi2=O，yi2=6Nxy=o36三相步進電機有哪幾種工作方式？分別畫出每種工作方式的各相通電順序和電壓波形圖. 解：有三種工作方式：（1）三相單三拍工作方式各相的通電順序為AtBtC,各相通電的電壓波形如圖3.1所示。步進時鐘 _n_L_n_n_n_rLAfllBHICAI I圖3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為ABtECtCA。各相通電的電壓波形如圖3.2所示。噸恂 ruuLrLfuuuui_n_njLri_n_n_U U U U L_ULJUUcwuU uU-圖3.2

26、雙三拍工作的電斥波形圖（3）三相六拍工作方式在反應式步進電機控制中，把單三拍和雙三拍工作方式結(jié)合起來，就產(chǎn)生了六拍工作方式，其通電順 序為AtABtBtBCtCtCA。各相通電的電壓波形如圖3.3所示。ruuuuwLruuuuuuuLI I I I LXX v/- J I I I I圖3.3三相六拍工作的電樂波形圖3.7.采用8255A作為*軸步進電機和y軸步進電機的控制接口，要求（1）畫出接口電路原理圖；（2）分別列出工軸和y軸步進電機在三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍工作方式下的輸出字表。電路原理圖如圖所示三相單三拍控制方式輸出字表”軸步進電機輸出字表丿軸步進電機輸出字表11ADX1000

27、00001=01HADY100000001=01HADX2OOOOOO1O=O2HADY20000001=02HADX300000100=04HADY300000100=04H三相雙三拍控制方式輸出字表乂軸步進電機輸出字表丿軸步進電機輸出字表存儲地址標號低八位輸出字存儲地址標號高八位輸出字ADX100000011=O3HADY10000001l=03HADX200000110=06HADY200000110=06HADX300000101=05HADY300000101=05H存儲地址標號低八位輸出字存儲地址標號高八位輸出字三相六拍控制方式輸出字表”軸步進電機輸出字表7軸步進電機輸出字表存儲地

28、址標號低八位輸出字存儲地址標號高八位輸出字ADXl00000001=01HADYl00000001=01HADX200000011=O3HADY200000011=03HADX300000010=02HADY30000001&=02HADX400000110=06HADY400000110=06HADX500000100=04HADY500000100=04HADX600000101=05HADY600000101=05H13第四章微型計算機控制系統(tǒng)的控制算法習題參考答案41數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計步驟是什么？模擬化設(shè)計步驟：(1) 設(shè)計假想的模擬控制器D(S)(2) 正確地選擇采樣周期T(3)

29、 將D(S)離散化為D(Z)(4) 求出與D(S)對應的差分方程(5) 根據(jù)差分方程編制相應程序。2. 某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計為冬2 = 口($)1 + 石試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器D(Z)。7-1解：雙線形變換法：把$=一代入，則T N+1 2 z-處5= 士孚卉冗化篤 專帀V+2 石)z+7-2 石-T Z+1前向差分法：把Z=y代入，則旳蟲叭廠黑K + 7仝孚+八石T后向差分法：把代入則處叫.霽+心57Tz43什么是數(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。為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變最，必須將模擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式，為

30、此，在采樣周 期T遠小于信號變化周期時，作如卜近似(T足夠小時，如卜逼近相當準確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近):胡/)尸0de-1)dtT15于是有:#u(k)是全最值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置(如控制閥門的開度)一一對應，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，因此輸岀的控制量u(k)不僅與本次偏差有關(guān)，還 與過去歷次采樣偏差育關(guān)，使得u(k)產(chǎn)生人幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以實際中 當執(zhí)行機構(gòu)需要的不足控制量的絕對值，而足其增量時，可以采用增量型PID算法。當控制系統(tǒng)中的執(zhí)行 器為步進電機、電動調(diào)節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷

31、史位冒的功能的這類裝置時，一般均釆用增量型PID 控制算法?！?幻=心久幻-1) + -+與位置算法相比，增屋型PID算法有如下優(yōu)點：(1) 位宜型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)冇關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積計 算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差 對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。(2) 為實現(xiàn)手動一自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設(shè)置為原始閥門開度14若采用堀最型 算法，其輸出對應于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)恥項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切 換。(3) 采用增量型算法時所用的執(zhí)

32、行器本身都其右寄存作用，所以即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原 位，不會對生產(chǎn)造成惡劣彫響。4.4 .已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為以$)= 1 + 0.17$s 7 1 + 0.085$試寫出相應數(shù)字控制器的位置型和増量型控制算式，設(shè)采樣周期TM).2s.則乙($)+ 0.0855Z/($)=刀$)+ 0.173ZV)/. /(/)+ 0.085= /)+ 017心)+ 0.085 心)-少T)= &幻 + 0,)_尹_1)把T=0.2S代入得1.425/U) 0.425,/(/-1) = 4.5&力一 3.5-1)位置型/)= 3.1579&斤)一 2.4561彳一1)+0.2982/(斤

33、-1)増最型(斤)=加斤)一皿斤一 1)= 3.1579)-2.4561-1)一 0.7018/(-1)(補充題己知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為0.085J試寫出相應數(shù)字控制器的位置型PID算法和増量型PID控制算式，設(shè)采樣周期T=0.2so解：因為如=1 + 017$ = 2（! +_）=心 1 + J- + 3 0.085J0.17J 卩 邛 八所以Kp=L 7； = 0.17,刀=0。故位置型PID控制器伙）=心心）+ ） +石必）一警T）=2 附）+0.2047A=0=2 心）+0,40J77=0故增量型PID控制器（幻=伙一 1） + （）=伙一 1） +- &一 1）+ KSZ 心&幻-

34、2久彳一 1）+ 久/一 2）=伙一 1） + 2仏（斤）-氏k-1）+氏心XZ 丄，* 伙一 1） +4.35貞幻一 2久斤一 1）4.5.什么叫積分飽和？它是怎么引起的？如何消除？解：（1）如果執(zhí)行機構(gòu)己經(jīng)到極限位置，仍然不能消除靜差時，由于枳分作用，盡管PID差分方 程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增人或減小，但執(zhí)行機構(gòu)己無相應的動作，這就叫枳分飽和。（2）1,肖偏差產(chǎn)生躍變時，位置型PID算式的輸出將急劇增大或減小，有可能超過執(zhí)行機構(gòu)的 上（下限，而此時執(zhí)行機構(gòu)只能工作在上限。2、系統(tǒng)輸出需要很長時間才達到給定值，在這段時間內(nèi)算式的積分項將產(chǎn)生一個很大的積累值。3、當系統(tǒng)輸出超過給定值后，偏差反

35、向，但由于人的積分枳累值，控制量需要相當一段時間脫離 飽和區(qū)。囚此引起系統(tǒng)產(chǎn)生人幅度超調(diào)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。（3）常用的改進方法：枳分分離法和抗枳分飽和46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) 的過渡過程時間內(nèi)，采樣6次15次即可。（2）從快速性和抗擾性方面考慮，希望釆樣周期盡最短，這樣給定值的改變町以迅速地通過釆樣得到反映， 而不致產(chǎn)生過大的延時。（3）從計算機的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應長些，尤其是多回路控制時，應使每個回路都有足夠 的計算時間：當被控對象的純滯后時間I較大時，常選T= （1/4

36、1/8） T。（4）從計算楕度方面考龍，釆樣周期T不應過短，當主機字長鐵小時，若T過短，將使前后兩次采樣值差別 小，調(diào)節(jié)作用因此會減弱。另外，若執(zhí)行機構(gòu)的速度較低，會出現(xiàn)這種情況，即新的控制量己輸出，而前一次控制卻還沒完成，這樣采樣周期再短也將亳無意義，因此T必須大于執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)時間。4.7.簡述擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法整定PID參數(shù)的步驟。擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：(1) 選擇一個足夠短的采樣周期T,例如被控過程有純滯后時，采樣周期T取滯后時間的1/10以下，此時 調(diào)節(jié)器只作純比例控制，給定值1作階躍輸入。逐漸加人比例系數(shù)Kp,使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩過程求得

37、相應的臨界振蕩周期Ts,并記卜此時的比例系數(shù)Kp,將其記作臨界振蕩增益Ksc此時的比例度為臨界比例度，記作6=丄。(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)器所對應的過渡過程的誤差平方的積分之比。(4) 根據(jù)控制度，査表求出T、Kp、Ti和Td值。(5) 按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行，觀察控制效果，再適當調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。 擴充響應曲線法整定PID參數(shù)的步驟：(1) 斷開數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處F于動操作狀態(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，即給對象輸入一個階躍信號。(2) 用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖所示。(3)

38、 在曲線最人斜率處作切線，求得滯后時間T、彼控對象的時間常數(shù)Tc,以及它們的比值Tc/t。(4) 由t、Tc、Tc/t值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。4.8.數(shù)字控制器的離散化設(shè)計步驟是什么？計算機控制系統(tǒng)框圖如圖41所示。圖4-1計算機控制系統(tǒng)框圖由廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)町得閉壞脈沖傳遞*1數(shù)，可求得控制器的脈沖傳遞兩數(shù)D(z)。 數(shù)字控制器的直接設(shè)計步驟如下：(1) 根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標要求和其它約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)(z)(2) 求廣義對象的脈沖傳遞函數(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求取控制算法的遞推計算公式。4$己

39、知被控對象的傳遞函數(shù)為q（$）=10S（0.15+ 1）采樣周期THU,采用寒階保持器。要求（1）針對單位速度輸入信號設(shè)計最少拍無紋波系統(tǒng)的以習，并計算輸出響應（/）、控制信號伙）和誤差久幻序列，畫出它們對時間變化的波形（2）針對單位階躍輸入信號設(shè)計最少拍有紋波系統(tǒng)的Q（z）,并計算輸出響應（幻、控制信號伙）g = Z（10$（01$+1）和誤差久Q序列，畫出它們對時間變化的波形。 解：廣義脈沖傳遞函數(shù)為?。?+10）lOTz11 , 1 ）（1 M1-z1 （l-ezY0.368z_1（l + 0.717z_1）（1一 2s ）（1 0.3682s）最少拍無紋波設(shè)計步驟：1）根據(jù)廣義對象的傳

40、遞函數(shù)確定參數(shù)N （分母多項式的幕次）M （分子多項式的幕次）d=N-M延時w在所有零點的總數(shù)（不包括無窮遠的零點）V在Z平面的單位圓上或圓外極點的個數(shù)J在Z平面的單位圓上極點的個數(shù)q舗入類型）己知 N=2, M=2所以d=0、v=l（即分子多項式中的（1 + 0.717Z-1）v=l, j=l：q=2（單位速度輸入）2）確定Fl（z）和F2的農(nóng)次m和!/= ir+ d=v- y + max（7；q）坷=1 + /刃+人2尹+ + /“ 點=+力2尹+人”Z0/Z）= l-O（Z）4）確定=尹口（1 一冶）點m- ir+ = 1=7+ max（7，q） = 2 所以：坷=1+店也=n（i-）（

41、1-刊5）坷/=1 =（1-）2（1 +厶十）= l + （/1-l）z-1-Z1z-2+Z1z-3（Z）二廠fia-Az1）點.7=1-= （1 + 0.717屮心十+厶八）=f2Xz-x +（力2 +0.717閃 宀 0.717/才5）根據(jù)關(guān)系N）= l-（z）使等式兩邊同幕次的 系數(shù)相等，解出和刀中的系數(shù)。Zi _2 = -fix 1一2兀=-(厶+0.717無) 力廠一 0.717231.84 o所以：O/z) = (1-z1)2(1-0.59z1)6）求控制SD（z）= (1+0.717z_ )(1.4 lz1 - 0.83z_ )(l_zT)(l 0.368才1)0368才1(1

42、+ 0.717才】)v (1 + 0.717)(1.4lz1 -0.83z2)(1-z_1)2(1-0.59z_1)(1 0368zT)(141 083才1)0.368(1- )(1-0.59Z1)23#最少拍無紋波設(shè)計步驟：1）根據(jù)廣義對象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)N （分母多項式的扇次）M （分子多項式的農(nóng)次）d=N-M延時w在所有零點的總數(shù)（不包括無窮遠的零點） V在Z平面的單位圓上或圓外極點的個數(shù)j在Z平面的單位圓上極點的個數(shù)q入類型） 2)確定Fl(z)和F2的皋次m和n zzz = w+ d/= v-y + max(y,q)召=i+/刃+人2尹+已知 N=2, M=2所以d=0v=l（即分

43、子多項式中的（1 + 0.717Z-1）v=l, j=l：q=l（單位階躍輸入） fn = r+ d - 1=r-y+ max(y,q) = 1 所以：幷=1+力才#F=+ 乙2尹 + + V”3)確定e(z)也= 1-0（2）八）曲心G百=仃(1E) (1-十嚴人/=1 =(1-)2(1 +人十)= l + (A1-l)z-1-Zlz-2#4)確定e(z)O(z) = z如T)爲(z)一沖均= (l + 0.717z-1)/1z-15)根據(jù)關(guān)系O#(z) = l-O(z)使等式兩邊同幕次的= /1 + 0.717/1z-確定Fl(z)和F2的幕次m和n/= + d=v- y+max(y,q)

44、珂=1 +力才+仏尹+ . +心廠耳=+厶Z- +人” z” 確定Oe(z)e,z)= I-0(z)= U(1 一忖(l-z-1)力2Q坷(z)系數(shù)相等，解出川和刀中的系數(shù)。= 解得:= 0,42 4 0.717厶 4 0.58 所以：e(z)rn（Z）= 1-（Z）=I*】）（1-尹）右才+公2 襄=n(i-z)(1-十嚴曲珂 /=1 =(1-)2(1 +厶十)= 1 + (/1-20 4-(1-2兀)尹 + 店29#4）確定=尹口（1一如為爲一少）點=(1 +刃)(厶+力2尹)#5）根據(jù)關(guān)系/z） = l-O（z）使等式兩邊同幕次的 系數(shù)相等，解出/!和皿中的系數(shù)。Xi_2 = _Zi5

45、1 - 2X1 = -(工2 +厶) Ui=-z2力1 = 3/4 解得：711 =5/4也=-3/4所以：#6）求控制器D（z）A) =1 6?)1-(z)D= (1 0)2(1 + 3/40)(z) = (1 + z_1 )(5 / 4z_1 - 3 / 4z2)(1 + z7)(5/4z7-3/4z)x (1)2(1 + 3/40)_ 10-6z_1一 4 + 3z#U.被控對象的傳遞函數(shù)為如冷采樣周期T=ls,要求：（1）采用Smith補償控制，求取控制器的輸出；（2凍用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器刀（Z）,并求取M）的遞推形式。 采用Smith補償控制 廣義對象的傳遞函數(shù)為#召G($)=禺

46、($)g($)=$+1l-eJs(s+l)#2(z)=Z($) =其中4=0% =礦】，力=1一 w-】，Z = * = l,7*=l$ 則24學-單Ez) 1-0.3679Z*1 “習一0.3697才匕*(習=0.6321(一 z2 皿) 遞)=0.6321心一 1)- 0.632 以斤一 2)+ 0.3679訛一 1)(2)采用人林算法設(shè)計數(shù)字控制器取T=is,r = 1 ,K=l,Ti=l,L=r/Z=l,i5期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)To=O.5S 則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為尹(1)1尹嚴=-S爲$+1廣義被控對象的脈沖傳遞皈數(shù)為6(z)=Z-ze召G(z)=ZS 1+G_1

47、_ s 1 + $冋1-G)1-Z-滬31#(z)以=巳3 =z L滬張-廠怙- (1-尸片打(1-0.3679 八)0 0 1353)如(瑋-詢HG-e_ (1M).3679)ZO. 1353/-(1- O.1353)z-2_1.3680 0.50332s l-0.1353z_1-0.8647z2比)則鞏習 一 0.1353刃“力一0.8647嚴/(習=1.3680&習一 0.5033“&習上式反變換到時域，則可得到/(&)= 13680如0- 0.5033心一 1)+ 0.1353訛一 1)+ 0.8647訛一 2)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

48、)以接近二分之一的采樣頻率人幅度上下擺動。它對系統(tǒng)的輸出幾 乎是沒有影響的，但會使執(zhí)行機構(gòu)因磨損而造成損壞。消除振鈴現(xiàn)象的方法：(1)參數(shù)選擇法對于一階滯后對象，如果合理選擇期型閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)TO利采樣周期T,使RAS0,就 沒刈振鈴現(xiàn)象。即使不能使RAS0,也可以把RA減到敲小，瑕人程度地抑制振鈴。（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)彖的因子（GP z=-l附近的極點），然后人為地令其中的z=l,就消除 了這個極點。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)字控制器的動態(tài)特性，從而將影 響閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應。13. 前饋控制完全補償?shù)臈l件是什么？前饋和

49、反饋相結(jié)合有什么好處？前饋控制完全補償?shù)臈l件是Gn（s）+ Do（s）G（S）=0。如果能將擾動I月素測呈出來，預先將其變化量送到系統(tǒng)中進疔調(diào)整，這樣在被調(diào)呈改變之前就能克服這些 擾動的影響。這種擾動的預先調(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. 但實際上，前饋控制環(huán)節(jié)的參數(shù)不易選得那么準確，而J1 一個實際系統(tǒng)的擾動也不只一個，因此反饋控制 還足不可少的。主要擾動引起的誤差，由前饋控制進行補償；次要擾動引起的誤差，由反饋控制了以抑制. 這樣在不提高開環(huán)增益的情況下，各種擾動引起的誤差均可得到補償，從而冇利丁同時兼顧提高系統(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？與PID控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制的優(yōu)點：（1）模糊控制可以應用于具有非線性動力學待征的復雜系統(tǒng)。（2）模糊控制不用建立對象精確的數(shù)學模型。（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)驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語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？多變吊控制系統(tǒng)解耦條件是系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣（$）為對角線矩陣.33