計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課后習(xí)題答案

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的 ?計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個(gè)步驟：(1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測，并輸入給計(jì)算機(jī)。(2) 實(shí)時(shí)決策：對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)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(shí)時(shí)控制：根據(jù)決策，適時(shí)地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。實(shí)時(shí)、在線方式和離線方式的含義是什么？(1) 實(shí)時(shí)：所謂“實(shí)時(shí)” ，是指信號的輸入、計(jì)算和輸出都是在一定時(shí)間范圍內(nèi)完成的，即計(jì) 算機(jī)對輸入信息以足夠快的速度進(jìn)行處理， 并在一定的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)并進(jìn)行控制， 超出了 這個(gè)時(shí)間就會失去控制時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。(2) “在線”方式

2、：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計(jì)算機(jī)連接，生產(chǎn)過程 直接受計(jì)算機(jī)的控制，就叫做“聯(lián)機(jī)”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(jì)算機(jī)相連接，其工作不直接受計(jì)算機(jī)的控制， 而是通過中間記錄介質(zhì)， 靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式， 則叫做“脫機(jī)” 方式或 “離線” 方式。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？微機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)：a. 控制規(guī)律靈活多樣，改動(dòng)方便b. 控制精度高，抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制c. 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，控制效率高d. 控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是什么？大規(guī)模及超大規(guī)

3、模集成電路的發(fā)展， 提高了計(jì)算機(jī)的可靠性和性能價(jià)格比， 從而使計(jì)算機(jī)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(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模， 以滿足對計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求，目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有以下幾個(gè)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) 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(shí)計(jì)數(shù)電路等組成。 數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、 輸出驅(qū)動(dòng)電路、 輸出口地址譯碼電 路等組成

4、。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(jìn)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(shí)還要考慮對信號進(jìn)行濾波、保護(hù)、消除觸點(diǎn)抖 動(dòng)，以及進(jìn)行信號隔離等問題。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(dòng)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(shí)現(xiàn)消抖。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(gè)管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組成， 如圖所示。 輸入電流流過 二極管時(shí)使其發(fā)光， 照射到光敏三極管上使其導(dǎo)通， 完成信號的光電耦合傳送， 它在

5、過程通 道中實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。圖光電耦合器電路圖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(yuǎn)距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減，為與標(biāo)準(zhǔn) 化儀表和執(zhí)行機(jī)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(shí)間。在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)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。(4

6、) 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)。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(shí)間。在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)充電時(shí) 間常數(shù)小， 即保持電容充電快， 輸出對輸入信號的跟隨特性好， 但

7、在保持狀態(tài)時(shí)放電時(shí)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(shí)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。設(shè)被測溫度變化范圍為 0oC1200oC,如果要求誤差不超過 , 應(yīng)選用分辨為多少位的 A/D 轉(zhuǎn)換 器？選擇依據(jù)：n log 1212000.412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) D/A 轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù) / 模轉(zhuǎn)換

8、器 (Digital/Analog Converter, 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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)計(jì)算 機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場， 為了便于信號的遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是采用010mA 或 420mA的電流信號驅(qū)動(dòng)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。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(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾， 也

9、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， 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)步驟是什么？模擬化設(shè)計(jì)步驟：（ 1）設(shè)計(jì)假想的模擬控制器 D（S）（ 2）正確地選擇采樣周期 T（ 3）將

10、 D（S） 離散化為 D（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 某連續(xù)控制器設(shè)計(jì)為D s 1 T1s1 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)。雙線形變換法：把z1?代z12z1?Tz12?z1Tz1s1，則T11 T22 Tz-1zT-1 代入，則T 2T1 z T-2T1 T 2T2 z T 2T2D z D z| 2 z 1s?T z 1前向差分法：把T1sT2s1 T1 zT1z T T1T2z T T2后向差分法：把1代入，則TzDz D s| z1 sTzT1s1 T2 s1 T1 z 11 TzT2 z

11、1 TzT1z T T1 T2 z T T2在 PID 調(diào)節(jié)器中系數(shù) kp、 kikd 各有什么作用？它們對調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響？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) ki 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(diǎn)是，只要被調(diào)量存在偏 差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，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(diǎn)， 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(diǎn)，其動(dòng)作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，過 渡過程時(shí)間加長。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，提高控制精度。系數(shù)

12、kd 為微分常數(shù)， kd越大微分作用越強(qiáng)。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。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(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)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(yuǎn)小于信號變化周期時(shí)，作如下近似 (T 足夠小時(shí)，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確， 被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近 ) ：于是有：u(k) 是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置( 如控制閥門的開度 ) 一一對應(yīng)，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(xiàng)，因此輸出的控制

13、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(shí)際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時(shí)，可 以采用增量型 PID 算法。 當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進(jìn)電機(jī)、 電動(dòng)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(shí)，一般均采用增量型 PID 控制算法。與位置算法相比，增量型 PID 算法有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 位置型算式每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)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(jì)算誤差； 而在增量型算式中由于消去了積分項(xiàng)， 從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽 和，在精度不足時(shí)，計(jì)算

14、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(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)無擾切換， 在切換瞬時(shí)， 計(jì)算機(jī)的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度u0，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(xiàng)，所以易于 實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切換。(3) 采用增量型算法時(shí)所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計(jì)算機(jī)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。已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為Ds1 0.17 s1 0.085s試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式，設(shè)采樣周期U s 1 0.17sDsE s 1 0.085s則 U s 0.085SU s E s 0.17SE

15、su t 0.085dudtt et 0.17dedttuk0.085 u kek0.17ek把 T=代入得1.425u k 0.425u k 1 4.5e k 3.5e k-1 位置型u k 3.1579e k 2.4561e k 1 0.2982u k 1 增量型uk u k uk 1 3.1579e k 2.4561e k 1 0.7018u k 1什么叫積分飽和？ 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(dāng)累加值超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的額定范圍后， 執(zhí) 行機(jī)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

16、用積分分離式算法。數(shù)字控制器直接設(shè)計(jì)步驟是什么？計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖 41 所示。圖 41 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖 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) D(z) 。 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)步驟如下：(z) 。(1) 根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標(biāo)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(jì)算公式。410. 被控對象的傳遞函數(shù)為Gc s12s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(jì)：(1) 最少拍控制器 D

17、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)Gc z 1 se-Ts ? 12ss2Ts2 -1 1 T z 1 z1221 z 1將 T=1S 代入，有z-1 1 z 12Gc z 21 z 1由于輸入 r(t)=t，則-1 2Ge z1 z-11z1D z 1 Ge z Ge z G z(2) 系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)1 - 2 z 2z 1 z- 2 則當(dāng)輸入為單位速度信號時(shí)，系統(tǒng)輸出序列Z 變換為12Y z R z z 2z z1Tz 112z2Tz2342 3Tz 3 4Tz 4y(0)=0,y(1)=0,y(2)

18、=2T,y(3)=3T, 411. 被控對象的傳遞函數(shù)為1sGc ses1 采樣周期 T=1s，要求：(1) 采用 Smith 補(bǔ)償控制，求取控制器的輸出 u k ；(2) 采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器 D z ，并求取 u k 的遞推形式。(1) 采用 Smith 補(bǔ)償控制廣義對象的傳遞函數(shù)為HGC sH0 s GC sTs s1 e es1s1 e ? e s HGP s ? e s 1PssDzb1 z 11 a1 z 1其中a1e 1 , b1 1 e,L1,T1S則DUz10.6321 z 1UzukEz2z10.3679z 10.3697 z 1U10.6321 z 1Ez0.632

19、1e k0.6321e k0.3679uk1(2) 采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器取 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(shí)間常數(shù)則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為Ts LTs1 e e GB z ZsT0 s 122z1e1e廣義被控對象的脈沖傳遞函數(shù)為HGCsT1eZsK LTse1 T1sz-1Z 1 s1s- 21z1e111 z eDzHG C z 1GB2211 2 2z HG C z 1 z e z2z21z 1 e 1 2 2 21 1 1 z e z 1 e1 z 1e 1111211 z 12 0.1353 z 1 0.8647 z 2e

20、1 1 2 2 21 e 1 z e 1 e z11 0.3679 z 1 1 0.1353 121 0 .3679 1 0.1353z 1 1 0.1353 z 211.3680 0.5033z 1DzUzEz0.5033 z 1E z0.1353 z 1U z 0.8647 z 2U z 1.3680E上式反變換到時(shí)域，則可得到u k 1.3680e k 0.5033e k 1 0.1353u k 1 0.8647u k 2什么是逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法？直線插補(bǔ)計(jì)算過程和圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程各有哪幾個(gè)步驟？逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)運(yùn)算，就是在某個(gè)坐標(biāo)方向上每走一步(即輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖) ，就作一次 計(jì)算，將實(shí)際

21、進(jìn)給位置的坐標(biāo)與給定的軌跡進(jìn)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(jìn)給，還是沿 Y軸進(jìn)給)。逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的實(shí)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(gè)脈沖當(dāng)量(每走一步的距離， 即步長)。直線插補(bǔ)計(jì)算過程的步驟如下：(1) 偏差判別：即判別上一次進(jìn)給后的偏差值Fm是最大于等于零，還是小于零；(2) 坐標(biāo)進(jìn)給：即根據(jù)偏差判斷的結(jié)果決定進(jìn)給方向，并在該方向上進(jìn)給一步；(3) 偏差計(jì)算：即計(jì)算進(jìn)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(diǎn)判別：即若已到達(dá)終點(diǎn)，則停止插補(bǔ)；若未到達(dá)終點(diǎn)，則重復(fù)上述步驟。 圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程的

22、步驟如下：(1) 偏差判別(2) 坐標(biāo)進(jìn)給(3) 偏差計(jì)算(4) 坐標(biāo)計(jì)算(5) 終點(diǎn)判別 三相步進(jìn)電機(jī)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?yàn)?AB C,各相通電的電壓波形如圖所示。圖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?yàn)锳BBC CA。各相通電的電壓波形如圖所示。圖雙三拍工作的電壓波形圖(3) 三相六拍工作方式在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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?yàn)?A AB BBC CCA。各相通電的電壓波形如圖所示。圖三相六拍工作的電壓波形圖采用三相六拍方式控制 X 軸走向步進(jìn)電機(jī)。?MOVA，#0?MOVP1，A?XMM：MOVA ， P1?JNB?LCALL STEP1?SJMPXMM?XM：LCALLSTP2?SJMPXMM?+X走步子程序：?STEP1 ：MOVDPTR?CLRA?主程序 :XM；=0 反轉(zhuǎn)調(diào)正轉(zhuǎn)子程序調(diào)反轉(zhuǎn)子程序，#TAB；指表頭；方向輸入信號MOVX A，A+DPT；R取數(shù)CJNE A，#05H