計算機控制技術(shù)課后習題答案資料講解

1、精品文檔1.1 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：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。(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)出控制信號，完成控制任務(wù)。1.2 實時、在線方式和離線方式的含義是什么？(1) 實時：所謂“實時” ，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內(nèi)完成的，即計 算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(yīng)并進行控制， 超出了 這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意

2、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)備不直接與計算機相連接，其工作不直接受計算機的控制， 而是通過中間記錄介質(zhì)， 靠人進行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式， 則叫做“脫機” 方式或 “離線” 方式。1.5 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)律靈活多樣，改動方便b. 控制精度高，抑制擾動能力強，能實現(xiàn)最優(yōu)控制c. 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，控制效率高d. 控制與管理一體化，進一步提高自動化程度1.6 計算

3、機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是什么？ 大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展， 提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(yīng)用也越來越廣泛。 為更好地適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展， 擴大生產(chǎn)規(guī)模， 以滿足對計算機 控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求，目前計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有以下幾個方面。a. 普及應(yīng)用可編程序控制器b. 采用集散控制系統(tǒng)c. 研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)2.4 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)字量過程通道包括數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、 輸入調(diào)理電路、 輸入地址譯碼電路、 并行接口電路和定 時計數(shù)電路等組成。 數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖

4、存器、 輸出驅(qū)動電路、 輸出口地址譯碼電 路等組成。其中：輸入調(diào)理電路將來自控制裝置或生產(chǎn)過程的各種開關(guān)量，進行電平轉(zhuǎn)換，將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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。2.5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，主要是利用RS觸發(fā)器的保持功能實現(xiàn)消抖。2.6簡述光電耦合器的工作原理及在過程通道中的作用。光電耦合器由封裝在一個管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組成，如圖2.1所示。輸入電流流過二極管時使其發(fā)光， 照射到光敏

5、三極管上使其導(dǎo)通， 完成信號的光電耦合傳送， 它在過 程通道中實現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。圖2.1光電耦合器電路圖2.7模擬量輸入通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？模擬量輸入通道一般由I/V變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯電路組成。(1) I/V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：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次 A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在進行 A/D轉(zhuǎn)換時間內(nèi)， 希望輸入信號不再變化， 以免造成轉(zhuǎn)換誤差。 這樣，就需要在A

6、/D轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持 器。(4) A/D轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這一任務(wù)的器件，稱為之模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog/Digital Converter，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)。2.9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：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次 A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在進行A/D轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在A/D轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。保持電容對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣保持的精度有很大影響。保持電容值小，則采樣狀態(tài)時充電時間常數(shù)小，即保持電容充電快， 輸出對輸入信號的跟隨特

7、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，故保持性能差；反之，保持電容值大，保持性能好，但跟隨特2.10對理想多路開關(guān)的要求是什么？理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。2.13設(shè)被測溫度變化范圍為0°C1200°C,如果要求誤差不超過 0.4 °C,應(yīng)選用分辨為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？選擇依據(jù)：n log 1 1200120.42.14模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大和 V/I變換等信號調(diào)理電路組成。(1)

8、D/A轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(Digital/AnalogConverter,簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC),它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置。(2) V/I變換：一般情況下，D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓信號。在計算機控制系統(tǒng)中，當計算機遠離現(xiàn)場，為了便于信號的遠距離傳輸，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)，一般是采用010mA或420mA的電流信號驅(qū)動的。因此，需要將模擬電壓信號通過電壓/電流(V/I)變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號。2.16什么是共模干擾和串模干擾？如何抑制？共模干擾是在電路輸入端相對公共接地點同時出現(xiàn)的

9、干擾，也稱為共態(tài)干擾、 對地干擾、縱向干擾、同向干擾等。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號源的地之間的傳輸線上電壓降造成得。消除共模干擾的方法有以下幾種：變壓器隔離；光電隔離；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的儀表放大器作為輸入放大器。串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號上的干擾，也稱之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等。消除串模干擾的方法有以下幾種： 在輸入回路中接入模擬濾波器； 使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器； 采用雙絞線作為信號線；電流傳送，4.1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) 將D(S)離散化為D

10、(Z)(4) 求出與D(S)對應(yīng)的差分方程(5) 根據(jù)差分方程編制相應(yīng)程序。4.2某連續(xù)控制器設(shè)計為1s1 T2S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)。2 z 1雙線形變換法：把s上？代入，則T z 12 z 1 Ti?T z 12 z 1 1 T2?T 2T1 z T-2T1T 2T2 z T 2T2前向差分法：把zz-1y代入，則D s| z 1sT1 T1S1 T2ST1T2T1Z TT1T2Z TT2T z 1精品文檔后向差分法：把s J代入，則TzD s| z 1S -Tz1 T1S1 T2ST1TzT2T1Z T T1T2Z T T2Tz4.4在PID

11、調(diào)節(jié)器中系數(shù)kp、ki、kd各有什么作用？它們對調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響？系數(shù)kp為比例系數(shù)，提高系數(shù) kp可以減小偏差，但永遠不會使偏差減小到零，而且無止境地提高系數(shù)kp最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速性。系數(shù)k為積分常數(shù)，ki越大積分作用越弱，積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點是，只要被調(diào)量存在偏 差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積 分規(guī)律的特點，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)原位，因而能保持靜差為零。 但單純的積分也有弱點，其動作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過 渡過程時間加長。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，提高控制精度。系

12、數(shù)kd為微分常數(shù)，kd越大微分作用越強。微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的相應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩，消除系統(tǒng)慣性的影響。4.5什么是數(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)過程變量，必須將模擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式，為此，在采樣周期 T遠小于信號變化周期時，作如下近似(T足夠小時，如下逼近相當準確,被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近)：tkedt T e(j)0j 0de e(k) e(k 1)dtT于是有：u(k)Kpe(k)e(k 1)(如控制閥門的開度) 對應(yīng),u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置 所以稱之為位置型 PID算法。

13、在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量u(k)不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得u(k)產(chǎn)生大幅度變化，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)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，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史位置的功能的這類裝置時，一般均采用增量型PID控制算法。TTdu(k) Kpe(k) e(k 1) e(k) -e(k) 2e(k 1) e(k 2)I iI與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點：(1) 位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去

14、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)手動一一自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度U。,若采用增量型算法，其輸出對應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)U0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)行器本身都具有寄存作用，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)造成惡劣影響。4.6已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為10.17s10.085sT=0.2s。試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型和增

15、量型控制算式，設(shè)采樣周期U s 10.17sD sE s 10.085s則Us0.085SU sE s 0.17SE su tdu t0085etdtde t017 dtu ku k u k0085 一1 ek 017ek ek 1TT把T=0.2S代入得1.425u k 0.425u k 14.5e k3.5e k-1位置型u k 3.1579ek2.4561e k 10.2982u k 1增量型u k u k u k 13.1579e k 2.4561e k 10.7018u k 14.7什么叫積分飽和？它是怎樣引起的？如何消除？在PID位置式算法中需要偏差信號的累加值， 當累加值超出執(zhí)行

16、機構(gòu)的額定范圍后， 執(zhí) 行機構(gòu)的輸出值不再隨控制信號的增加而增加， 于是就出現(xiàn)了積分飽和現(xiàn)象。消除方法：1 采 用增量式算法；2 .采用積分分離式算法。4.9數(shù)字控制器直接設(shè)計步驟是什么?計算機控制系統(tǒng)框圖如圖 4 1所示。圖41計算機控制系統(tǒng)框圖D。由廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)可得閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，可求得控制器的脈沖傳遞函數(shù) 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)(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(z)求取控制算法的遞推計算公式。410. 被控對象的傳遞函數(shù)為G

17、c s2s采樣周期T=1s，采用零階保持器，針對單位速度輸入函數(shù)，設(shè)計:(1) 最少拍控制器D z ；(2) 畫出采樣瞬間數(shù)字控制器的輸出和系統(tǒng)的輸出曲線。(1) 最少拍控制器可以寫出系統(tǒng)的廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)1e-Ts1Gc z Zs sTs e1""3s_ 2 -1 1T z 1 z21 z 1將T=1S代入，有-1 1 z 1 z2Gcz 21 z1由于輸入r(t)=t1 2Ge z 1 z-1，則Dz Ge z G z系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)工小1-2 z 2z z則當輸入為單位速度信號時，系統(tǒng)輸出序列12 Tz 1Y z R z z 2z z2 2Tz1 z 1Z變

18、換為343Tz 4Tzy(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,411. 被控對象的傳遞函數(shù)為Gc s1s七es 1采樣周期T=1s，要求:(1)采用Smith補償控制，求取控制器的輸出u k ；(2) 采用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器D z，并求取u k的遞推形式。(1) 采用Smith補償控制廣義對象的傳遞函數(shù)為HGc s H o s Gc s1 e ?e s HGp s ?e s1D z ZDslb1Z 11 aiz 1其中a1eU1 1e ,b 1 e , L1,T1S1 20.6321 zzi-1 0.3679z. 10.3697 z U z 0.6321 z0.6321

19、e k 10.6321e k0.3679u k(2) 采用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器T0=0.5S取T=1S,1,K=1,T 1=1,L= /T =1,設(shè)期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為2 2z 1 e1eTsLTs1 e eGb z Z?-sT0S 11廣義被控對象的脈沖傳遞函數(shù)為HGc zKLTses 1 sz-1Z -sGb zHGC z 1 GB z2 2z 1 e1 2 2HGc z 1 z e z 12 2 z 1 ez1e121 - 1 z e 1z e1 1 21 z e 1 e- 1 2 2 21 e 1 z e 1 e z110.3679Z10.1

20、3531 210.3679 10.1353Z10.1353 z11.36800.5033z110.1353Z0.8647Z 2貝y U z 0.1353 Z1U z 0.8647Z 2U z 1.3680E z1 l0.5033Z E z上式反變換到時域，則可得到u k 1.3680e k 0.5033e k 10.1353U k 10.8647u k 25.2什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

21、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，最大逼近誤差不超過數(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是最大于等于零，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； 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)； 終點判別：即若已到達終點，則停止插補；若未到達終點，則重復(fù)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(3) 偏差計算(4) 坐標計算(5) 終點判別5

22、.4三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。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 At Bt C,各相通電的電壓波形如圖3.1所示。JUUUUULA«l J |I IBM1 IC*! 圖3.1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 ABHBSCA。各相通電的電壓波形如圖 3.2所示。UULfUUUUUULTLrLnJULrU LIU U1_訃 _1UUUU“U ULJ l_n圖3.2雙三拍工作的電壓波形圖(3) 三相六拍工作方式就產(chǎn)生了六拍工作方3.3所示。在反應(yīng)式步進電機控制中， 把

23、單三拍和雙三拍工作方式結(jié)合起來， 式，其通電順序為 Ah ABh BhBCh Chca。各相通電的電壓波形如圖E rUUUUUULnJUUUUUUL圖3.3三相六拍工作的電壓波形圖5.5采用三相六拍方式控制X軸走向步進電機。?主程序 :?MOVA,#OFH;方向輸入信號?MOVP1，A?XMM:MOVA ， P1?JNBACC.7， XM; P1.7=0 反轉(zhuǎn)?LCALL STEP1;調(diào)正轉(zhuǎn)子程序?SJMPXMM?XM:LCALLSTP2 ;調(diào)反轉(zhuǎn)子程序?SJMPXMM?+X走步子程序:? STEP1 :MOVDPTR , #TAB;指表頭? CLRA?MOVXAA+DPTR取數(shù)? CJNEA,#05H, S11;是否最后單