計(jì)算機(jī)控制答案

1、第三章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)習(xí)題及參考答案1. 什么是數(shù)控系統(tǒng)？數(shù)控系統(tǒng)包括哪些？ 數(shù)控系統(tǒng)是采用數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行自動控制的系統(tǒng)，它包括順序控制和數(shù)字程 序控制兩部分。2. 什么是順序控制系統(tǒng)？它由哪幾部分組成？ 微機(jī)順序控制方式是指以預(yù)先規(guī)定好的時間或條件為依據(jù)，按預(yù)先規(guī)定好的動作次序順序地進(jìn)行工作。一 般地，把按時序或事序規(guī)定工作的自動控制稱為順序控制。它包括系統(tǒng)控制器、輸入電路、輸入接口、輸 出電路、輸出接口、檢測機(jī)構(gòu)、顯示與報(bào)警電路。3. 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由哪些部分組成？各部分的作用是什么？由五部分組成。(1) 輸入裝置：一般指微機(jī)的輸入設(shè)備，如鍵盤。其作用是輸入數(shù)控系統(tǒng)對

2、生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行自動控制時所必需 的各種外部控制信息和加工數(shù)據(jù)信息。(2) 微機(jī)：微機(jī)是MNC系統(tǒng)運(yùn)算和控制的核心。在系統(tǒng)軟件指揮下，微機(jī)根據(jù)輸入信息，完成數(shù)控插補(bǔ)器和 控制器運(yùn)算，并輸出相應(yīng)的控制和進(jìn)給信號。若為閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，則由位置檢測裝置輸出的反饋信息也送 入微機(jī)進(jìn)行處理。(3) 輸出裝置： 一般包括輸出緩沖電路、 隔離電路、 輸出信號功率放大器、 各種顯示設(shè)備等。 在微機(jī)控制下， 輸出裝置一方面顯示加工過程中的各有關(guān)信息，另一方面向被控生產(chǎn)機(jī)械輸出各種有關(guān)的開關(guān)量控制信號( 冷卻、啟、停等 ) ，還向伺服機(jī)構(gòu)發(fā)出進(jìn)給脈沖信號等。(4) 伺服機(jī)構(gòu)： 一般包括各種伺服元件和功率驅(qū)動元件。 其功

3、能是將輸出裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)機(jī) 械相應(yīng)部件的機(jī)械位移 (線位移、角位移 )運(yùn)動。(5) 加工機(jī)械： 即數(shù)控系統(tǒng)的控制對象， 各種機(jī)床、 織機(jī)等。 目前已有專門為數(shù)控裝置配套設(shè)計(jì)的各種機(jī)械， 如各種數(shù)控機(jī)床，它們的機(jī)械結(jié)構(gòu)與普通機(jī)床有較大的區(qū)別。4. 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)算過程各有哪幾個步驟？逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)運(yùn)算，就是在某個坐標(biāo)方向上每走一步(即輸出一個進(jìn)給脈沖) ，就作一次計(jì)算，將實(shí)際進(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

4、線，最大逼近誤差不超過數(shù)控系統(tǒng)的一個脈沖當(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5. 若加工第二象限直線 OA起點(diǎn)0( 0， 0),終點(diǎn)A( -4，6)要求：(1) 按

5、逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行列表計(jì)算；(2) 作出走步軌跡圖，并標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù)。19解：由題意可知Xe=4,ye=6, Fo=O,我們設(shè)置一個總的計(jì)數(shù)器My,其初值應(yīng)為Ny=|6-0|+|-4-0|=10，則插補(bǔ)計(jì)算過程如表31所示。根據(jù)插補(bǔ)計(jì)算過程表所作岀的直線插補(bǔ)走步軌跡圖如下圖所示。543216表3 1步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別起點(diǎn)F0=0Ny=101F0=0-XF 1=F0-y e =-6Nxy=92F1<0+YF 2=F 1+Xe =-2Nxy=83F2<0+YF3=F2+Xe=2Nxy = 74F3>0-XF4=F3-y e=-4Nxy=65F4<0+Y

6、F5=F4+Xe=0Nxy=56F5=0-XF6=F5-y e=-6Nxy=47F6<0+YF7=Fs+Xe=-2Nxy=38F7<0+YFa=F7+Xe=2Nxy=29F8>0-XF9=Fa-y e=-4Nxy = 110F產(chǎn)0+YF10 = Fg+Xe=0Nxy=06. 設(shè)加工第一象限的圓弧 AB,起點(diǎn)A ( 6, 0),終點(diǎn)B (0, 6)。要求：(1) 按逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行列表計(jì)算；(2) 作出走步軌跡圖，并標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù)。解：插補(bǔ)計(jì)算過程如表3 2所示。終點(diǎn)判別仍采用第二種方法，設(shè)一個總的計(jì)數(shù)器Ny，每走一步便減1操作，當(dāng)N<y=0時，加工到終點(diǎn)，插補(bǔ)運(yùn)算

7、結(jié)束。下圖為插補(bǔ)過程中的走步軌跡。表32步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判別起點(diǎn)F0=0X0=6,y 0=0Ny = 121F0=0-XF1=0-12+1=-11X1=5,y 1=0Ny = 112F1<0+YF2=-11+0+1=-10X2=5,y 2=1Ny = 103F2<0+YF3=-10+2+1=-7X3=5,y 3=2Ny=94F3VO+YF4=-7+4+仁-2X4=5,y 4=3NXy=85FEO+YF5=-2+6+1=5X5=5,y 5=4Ny=76F5>0-XF6=5-10+1=-4X6=4,y 6=4NXy=67F6<0+YF7=-4+8+1

8、=5X7=4,y 7=5Ny=58F7>0-XFa=5-8+1=-2Xa=3,y 8=5Ny=49F8<0+YF9=-2+10+1=9X9=3,y 9=6Ny=310F9>0-XF10=9-6+1=4X10=2,y 10=6Ny=211F10>0-XF11=4-4+仁1X11=1,y 11 =6Ny=112F11>0-XF12=1-2+1=0X12=0,y 12=6NXy=07. 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)?AtBtC,各相通電的電壓波形如圖 3.1所示。

9、步詵時外 JTLTUUULfLC 村 1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?yàn)?ABBCTCA。各相通電的電壓波形如圖 3.2所示。刑柯 ruuuuuuuuLJLJUuuurL-U LI U LI _SUU U LT-'U UU LJ圖3.2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)锳tABBtCtCA各相通電的電壓波形如圖 3.3所示。詛冊 ruLrLrLnjuuLrLrLrLrLrLrLrL圖3.3三相六拍工作的電壓波形圖8. 采用三相六

10、拍方式控制X軸走向步進(jìn)電機(jī)?主程序：?MOVA,#OFH;方向輸入信號?MOVP1,A?XMMMOVA , P1?JNBACC.7,XM P1.7=0 反轉(zhuǎn)?LCALL STEP1;調(diào)正轉(zhuǎn)子程序?SJMPXMM?XMLCALLSTP2 ;調(diào)反轉(zhuǎn)子程序?SJMPXMM?+X走步子程序:?STEP1:MOVDPTR , #TAB;指表頭?CLRA?MOVXA,A+DPTR取數(shù)?CJNEA，#05H, S11;是否最后單兀?MOVDPTR，#TAB重置表頭?SJMPS12?S11:INCDPTR;地址加1?S12:MOVR0, #7FH;延時?S13:DJNZR0, S13;?CLRA?MOVXA,

11、A+DPTR取數(shù)據(jù)?MOVP1,A?RET?-X走步子程序：?STEP2MOV DPTR , #TAB?CLRA?MOVXA,A+DPTR?CJNZA,#01H, S21?MOVDPTR,#TAB?ADDDPTR,#0006H?SJMP S12?S21：?CLR CDEC DPLSJMP S12?TAB：DB 01H, 03H, 02H, 06H, 04H, 05H本章作業(yè)若加工第二象限直線 0A和圓弧AB,已知直線起點(diǎn) 0(0, 0),終點(diǎn)A (-4 , 6)。圓弧起點(diǎn) A (-4 , 6),終 點(diǎn) A( -6 ， 10)要求：(1) 按逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行列表計(jì)算；(2) 作出走步軌跡圖,并

12、標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù)。第四章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法習(xí)題及參考答案1. 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。2. 某連續(xù)控制器設(shè)計(jì)為1 亠 T2sD(Z)。試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器雙線形變換法：把s2 z _1代入，則D(z)=D(zR二 zA1T,AT z 1T 2Ti z T-2Ti2 q T 2T2 z T -2T2z-1前向差分法：把Z =代入，則D(z)=D(sQ 上二

13、1 Tis1 Ti1T2ST2Z T -T2后向差分法：把 sz 1代入，則TzD z 二D s| za3-s _?Tz1T1S1 G1T1Z T -T11 T2s 1 t2 TzT2z T -T23. 在pid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(yuǎn)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)ki為積分常數(shù)，ki越大積分作用越弱，積分調(diào)節(jié)器的突岀優(yōu)點(diǎn)是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸岀的調(diào) 節(jié)作用便隨時間不斷加強(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

14、的特點(diǎn)，輸岀將停留在 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。系數(shù)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。4. 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，作如下近似 仃足夠小時，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）:tk

15、0edt : T、e(j)j zPde e(k) _e(k -1)&dtT于是有：T丄Tdu(k)二Kpe(k)匸' e(j) £e(k) _e(k_1)Ti j 2Tu(k)是全量值輸岀，每次的輸岀值都與執(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，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)、

16、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。TTd.u(k)二Kpe(k) -e(k _1)e(k) e(k) 2e(k 1) e(k 2)TiT與位置算法相比，增量型 PID算法有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 位置型算式每次輸岀與整個過去狀態(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，計(jì)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(shí)現(xiàn)手動一一自動無擾切換，在切換瞬時，計(jì)算機(jī)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，其輸岀對應(yīng)于閥門位置

17、的變化部分，即算式中不岀現(xiàn)uo項(xiàng)，所以易于實(shí)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(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。5. 已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為1 0.17sT=0.2s1 0.085s試寫岀相應(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1 0.17s1 0.085s則 U s 0.085SU s = E s 0.17SEsu t 0.085二et 017detdt.uk 0085uk f1 二ek 017 ek f 心 把T=0.2S代入得1.425u k -0.425u k -1 = 4.5e k -

18、 3.5e k-1位置型u ki； = 3.1579ek -2.4561ek -10.2982uk-1增量型u k 二u k -u k -1 =3.1579ek -2.4561ek -1 -0.7018uk-16. 有哪幾種改進(jìn)的數(shù)字 PID控制器？有四種：(1 )積分分離PID控制算法(2) 不完全微分PID控制算法(3) 帶死區(qū)的PID控制算法(4) 消除積分不靈敏區(qū)的PID控制7. 采樣周期的選擇需要考慮那些因素？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，希望采樣

19、周期盡量短，這樣給定值的改變可以迅速地通過采樣得到反映， 而不致產(chǎn)生過大的延時。(3) 從計(jì)算機(jī)的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應(yīng)長些，尤其是多回路控制時，應(yīng)使每個回路都有足夠的計(jì)算時間；當(dāng)被控對象的純滯后時間t較大時，常選T= (1/41/8 ) to(4) 從計(jì)算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過短，當(dāng)主機(jī)字長較小時，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(jī)構(gòu)的速度較低，會岀現(xiàn)這種情況，即新的控制量已輸岀，而前 一次控制卻還沒完成，這樣采樣周期再短也將毫無意義，因此T必須大于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)時間。8. 簡述擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。擴(kuò)充

20、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 r作階躍輸入。逐漸加大比例系數(shù) Kp,使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩過程求得相應(yīng)的臨界振蕩周期Ts,并記Ks下此時的比例系數(shù) Kp,將其記作臨界振蕩增益 Kso此時的比例度為臨界比例度，記作、飛(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(yīng)的過渡過程的誤差平方的積分之比。根據(jù)控制度，查表求出 T、Kp、Ti和Td值。(5) 按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運(yùn)行，觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止

21、。 擴(kuò)充響應(yīng)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)處于手動操作狀態(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。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。 在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間t、被控對象的時間常數(shù) Tc,以及它們的比值 Tc/ t 由t、Tc、Tc/ t值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。9. 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。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(jì)步驟如下：D。(1) 根據(jù)控制系統(tǒng)的

22、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) 求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)。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。10. 被控對象的傳遞函數(shù)為Gc s = 12s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 z ；(2) 畫岀采樣瞬間數(shù)字控制器的輸岀和系統(tǒng)的輸岀曲線。(1) 最少拍控制器可以寫岀系統(tǒng)的廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)Gc z 二 Z-Ts1 -eTs-e _T2z-1 1 z將T=1S代入，有Gc zz-1 1 z丄2 1-z 12由于輸入r(t)=t ，則Ge Z = 1 Z-1 2

23、Dz J -Ge z M1 JGe(zG(z)2系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) z =2z_z-2則當(dāng)輸入為單位速度信號時，系統(tǒng)輸岀序列Z變換為Y z =Rz z = 2z丄= 2Tz 2 3Tz ' 4Tz °y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y (3)=3T,11. 被控對象的傳遞函數(shù)為Gc s1 es 1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s -1 霊宀HGp2Tss1 _e e_HGc s =H 0 sGc

24、 s - sD z：=Z b si-Z 1 e 1_es =1_zb1z：Jj |ss 11 aj其中 a1 =e " =e',b1 =1 -e丄丄 1,T =1St1 _0.3679z 1則d z告一沁士U z -0.3697zU z =0.6321 z1 -z E zu k =0.6321e k _1 i0.6321e k20.3679u k -1(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)的慣性時間常數(shù)Tc=0.5S則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為工S丄TS1 -e ezSe，IL sT0S 1

25、1 -z =e /Gb I.Z = Z廣義被控對象的脈沖傳遞函數(shù)為1eTHGCz 則K丄Tse1 sGb zz，1 d丄2dz)_hGc (z 1_Gb(z9 _HGc(z)1_z 屯丄 _z(1 _ez(1-e)1 z，1d1 -ze(1 z丄e*e，)1 _eT _z丄e_1_ez 1 -0.3679 1-0.1353Z 丄- 1 -0.1353 z丄 1 1.36800.5033z =1 0.3679Z 丄(10.1353)421 - 0.1353Z-0.8647Z則 U z -0.1353zU z -0.8647z°U z =1.3680E z -0.5033z°E

26、z上式反變換到時域，則可得到u k =1.3680e k j；-0.5033e k -10.1353u k -10.8647u k-212. 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)字控制器的輸岀u(k)以接近二分之一的采樣頻率大幅度上下擺動。它對系統(tǒng)的輸岀幾 乎是沒有影響的，但會使執(zhí)行機(jī)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，如果合理選擇期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)TO和采樣周期T,使RAC 0，就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使 RAC 0，也可以把RA減到最小，最大程度地抑制振鈴。(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)象的因子(即

27、z=-1附近的極點(diǎn))，然后人為地令其中的z=1，就消除 了這個極點(diǎn)。根據(jù)終值定理，這樣做不影響輸岀的穩(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(yīng)。13. 前饋控制完全補(bǔ)償?shù)臈l件是什么？前饋和反饋相結(jié)合有什么好處？前饋控制完全補(bǔ)償?shù)臈l件是 Gn S - Dn S G S；=0。如果能將擾動因素測量岀來，預(yù)先將其變化量送到系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整，這樣在被調(diào)量改變之前就能克服這些 擾動的影響。這種擾動的預(yù)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(shí)際上，前饋控制環(huán)節(jié)的參數(shù)不易選得那么準(zhǔn)確，而且一個實(shí)際系統(tǒng)的擾動也不只一個，因此反饋控制 還是不可少的。

28、主要擾動引起的誤差，由前饋控制進(jìn)行補(bǔ)償；次要擾動引起的誤差，由反饋控制予以抑制， 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(bǔ)償，從而有利于同時兼顧提高系統(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(diǎn)？ 與PID控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制的優(yōu)點(diǎn)：(1 )模糊控制可以應(yīng)用于具有非線性動力學(xué)特征的復(fù)雜系統(tǒng)。(2) 模糊控制不用建立對象精確的數(shù)學(xué)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(yàn)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

29、量控制系統(tǒng)解耦條件是系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣S為對角線矩陣。本章作業(yè) 用C語言編寫數(shù)字PID算法、大林算法、施密斯算法通用子程序。第五章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)習(xí)題及參考答案1. 簡述應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)步驟。圖51給岀了應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的流程圖，它描述了應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和設(shè)計(jì)過程。(1 )問題定義(2 )程序設(shè)計(jì)(3 )手編程序(4) 差錯(5) 測試(6 )文件編制(7)維護(hù)和再設(shè)計(jì)2. 什么是計(jì)算延時？當(dāng)采樣信號送入CPU按控制算法要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行每條指令均需要一定時間，這樣, 從數(shù)據(jù)采樣到結(jié)果輸岀之間就要產(chǎn)生一定的時間延遲，稱為計(jì)算延時。3. 如何在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)中減

30、少計(jì)算延時？在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)過程中，為減少計(jì)算延時，通常將運(yùn)算分為前臺運(yùn)算和后臺運(yùn)算。前臺運(yùn)算：為得到當(dāng)前輸岀值 U(k)，而必須進(jìn)行的運(yùn)算。后臺運(yùn)算：為得到下一時刻輸岀值U(k +1)以及與當(dāng)前輸岀無關(guān)的其他計(jì)算和管理算法。4. 標(biāo)度變換在工程上有什么意義？在什么情況下使用標(biāo)度變換程序？微機(jī)控制系統(tǒng)在讀入被測模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，往往還要轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的工程值。這是因?yàn)樯a(chǎn)現(xiàn)場的各種工藝參數(shù)量綱不同。例如，壓力的單位為Pa，流量的單位為 m3/h,溫度的單位為'C。這些參數(shù)A/D轉(zhuǎn)換后得到一系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼的值并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它僅代表參數(shù) 值的大小，故必

31、須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能運(yùn)算、顯示或打印輸岀。這種轉(zhuǎn)換稱為工程量轉(zhuǎn)換，也稱為標(biāo)度變換。標(biāo)度變換有各種不同類型，它取決于被測參數(shù)測量傳感器的類型，設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)實(shí)際情 況選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)度變換方法，常用線性參數(shù)標(biāo)度變換。第六章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)習(xí)題及參考答案1. 干擾的作用途徑是什么？無論是內(nèi)部干擾還是外部干擾，都是從以下幾個途徑作用于系統(tǒng)的。(1) 傳導(dǎo)耦合(2) 靜電耦合(3) 電磁耦合(4) 公共阻抗耦合2. 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)同時岀現(xiàn)的干擾，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

32、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，3. 數(shù)字濾波與模擬濾波相比有什么特點(diǎn)？數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比，有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：(1) 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好；(2) 數(shù)字濾波可以對頻率很低(如0.01Hz)的信號實(shí)

33、現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷；(3) 數(shù)字濾波器可根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。4. 常用的數(shù)字濾波方法有幾種？它們各自有什么特點(diǎn)？常用的數(shù)字濾波方法有 7種。(1) 程序判斷濾波法：是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定岀相鄰兩次采樣信號之間可能岀現(xiàn)得最大偏差。(2) 中值濾波法：它對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有 效。(3) 算術(shù)平均值濾波法：它適用于一般的具有隨機(jī)干擾信號的濾波。它特別適合于信號本身在某一數(shù)值范 圍附近作上下波動的情況。(4 )加權(quán)平均值濾波：可以提高濾波效果(5) 滑動平均值濾波法：采樣時間短，可以

34、提高檢測速度(6) 慣性濾波法：適用于慢速隨機(jī)變量的濾波(7) 復(fù)合數(shù)字濾波：比單純的平均值濾波的效果要好5. 算術(shù)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波以及滑動平均濾波三者的區(qū)別是什么？算術(shù)平均值法適用于對壓力、流量等周期脈動信號的平滑，這種信號的特點(diǎn)是往往在某一數(shù)值范圍附近作上、下波動，有一個平均值。這種算法對信號的平滑程度取決于平均次數(shù)N,當(dāng)N較大時平滑度高，但靈敏度低；當(dāng)N較小時，平滑度低，但靈敏度高，應(yīng)該視具體情況選取N值。對于一般流量，通常取 N=12;若為壓力，則取N=4o在算術(shù)平均濾波中，N次采樣值在結(jié)果中所占的比重是均等的，即每次采樣值具有相同的加權(quán)因子1/2但有時為了提高濾波效果，往往

35、對不同時刻的采樣值賦以不同的加權(quán)因子。這種方法稱為加權(quán)平均濾波法，也稱滑動平均或加權(quán)遞推平均。其算法為其中。n 1Yn 7 ajXn 丄if n丄0 _a _1'二 a =1i £加權(quán)因子選取可視具體情況決定，一般采樣值愈靠后，賦予的比重越大，這樣可增加新的采樣值在平均值中的比例，系統(tǒng)對正常變化的靈敏性也可提高，當(dāng)然對干擾的靈敏性也稍大了些。滑動平均值濾波法，依次存放N次采樣值，每采進(jìn)一個新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個數(shù)據(jù)丟掉，然后求包含新值在內(nèi)的N個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。6. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的常用接地方法是什么？(1) 一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地(2 )模擬地和數(shù)字地的連接(3

36、) 主機(jī)外殼接地(4 )多機(jī)系統(tǒng)的接地7. 微機(jī)常用的直流穩(wěn)壓電源由哪些部分組成？各部分的作用是什么？微機(jī)常用的直流穩(wěn)壓電源如圖 61所示。該電源采用了雙隔離、雙濾波和雙穩(wěn)壓措施，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可用于一般工業(yè)控制場合。圖61抗干擾直流穩(wěn)壓電源示意圖（1）隔離變壓器隔離變壓器的作用有兩個：其一是防止浪涌電壓和尖峰電壓直接竄入而損壞系統(tǒng)；其二是利用其屏蔽層阻 止高頻干擾信號竄入。（2）低通濾波器各種干擾信號一般都有很強(qiáng)的高頻分量，低通濾波器是有效的抗干擾器件，它允許工頻50Hz電源通過，而濾掉高次諧波，從而改善供電質(zhì)量。（3）交流穩(wěn)壓器交流穩(wěn)壓器的作用是保證供電的穩(wěn)定性，防止電源電壓波動對

37、系統(tǒng)的影響。（4）電源變壓器電源變壓器是為直流穩(wěn)壓電源提供必要的電壓而設(shè)置的。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，電源變壓器做成雙 屏蔽形式。（5）直流穩(wěn)壓系統(tǒng)直流穩(wěn)壓系統(tǒng)包括整流器、濾波器、直流穩(wěn)壓器和高頻濾波器等幾部分，常用的直流穩(wěn)壓電路如圖62所示。圖6 2直流穩(wěn)壓系統(tǒng)電路圖一般直流穩(wěn)壓電源用的整流器多為單相橋式整流，直流側(cè)常采用電容濾波。圖中C1為平滑濾波電容，常選用幾百幾千 卩F的電解電容，用以減輕整流橋輸出電壓的脈動。C2為高頻濾波電容，常選用 0.010.1卩F的瓷片電容，用于抑制浪涌的尖峰。作為直流穩(wěn)壓器件，現(xiàn)在常用的就是三端穩(wěn)壓器78XX和79XX系列芯片，這類穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便

38、，負(fù)載穩(wěn)定度為15mV具有過電流和輸出短路保護(hù)，可用于一般微機(jī)系統(tǒng)。三端穩(wěn)壓電源的輸出端常接兩個電容C3和C4, C3主要起負(fù)載匹配作用，常選用幾十幾百卩F的電解電容；C4中抗高頻干擾電容，常選取 0.010.1卩F的瓷片電容。第七章總線技術(shù)習(xí)題及參考答案1. 何謂總線？總線有什么功能？總線標(biāo)準(zhǔn)是怎樣形成的？總線是一組信號線的集合。這些線是系統(tǒng)的各插件間(或插件內(nèi)部芯片間)、各系統(tǒng)之間傳送規(guī)定信息的公共通道，有時也稱數(shù)據(jù)公路，通過它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳送到各自要去的地方。在微型計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，許多廠商設(shè)計(jì)和提供了許多具有不同功能的插件(亦稱“模板”)。用戶為了構(gòu)成計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，希望這

39、些模板能互相兼容。這種兼容是指插件的尺寸、插座的針數(shù)及類型、插針的 邏輯定義、控制插件工作的時序及電氣特性等相同。也就是說為了使插件與插件間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間能夠正 確連接，就必須對連接各插件或各系統(tǒng)的基礎(chǔ)一一總線，制定岀嚴(yán)格的規(guī)約，即總線標(biāo)準(zhǔn)，為各廠商設(shè)計(jì) 和生產(chǎn)插件模塊提供統(tǒng)一的依據(jù)。因此，采用同一總線標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家的插件模塊，就可以組成可正常工 作的系統(tǒng)。2. 試述總線的分類、各類總線間的關(guān)系。a. 根據(jù)總線不同的結(jié)構(gòu)和用途，總線有如下的幾種類型：(1 )專用總線我們將只實(shí)現(xiàn)一對物理部件間連接的總線稱為專用總線。專用總線的基本優(yōu)點(diǎn)是其具有較高的流量， 多個部件可以同時發(fā)送或接受信息，幾乎不會

40、岀現(xiàn)總線爭用的現(xiàn)象。在全互連或部分互連以及環(huán)形拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)中使用的總線就是專用總線。(2) 非專用總線非專用總線可以被多種功能或多個部件所共享，所以也稱之為共享總線。每個部件都能通過共享總線 與接在總線上的其他部件相連，但在同一時刻，卻只允許2個部件共享通信，其他部件間的通信要分時進(jìn)行，因此準(zhǔn)確地應(yīng)稱之為分時共享總線。b. 根據(jù)總線的用途和應(yīng)用環(huán)境，總線可以有如下幾種類型：(1 )局部總線局部總線又稱為芯片總線。它是微處理器總線的延伸，是微處理器與外部硬件接口的通路，如圖所示。 它是構(gòu)成中央處理機(jī)或子系統(tǒng)內(nèi)所用的總線。局部總線通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三類。(2 )系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線又稱

41、內(nèi)總線和板線總線，即微型計(jì)算機(jī)總線，用于各單片機(jī)微處理機(jī)之間、模塊之間的通信，可用于構(gòu)成分布式多機(jī)系統(tǒng)，如Multibus總線、STD總線、VME總線、PC總線等。一般微型機(jī)系統(tǒng)總線如圖所示。(3) 外總線外總線又稱為通信總線，用于微處理機(jī)與其他智能儀器儀表間的通信。外總線通常通過總線控制器掛 接在系統(tǒng)總線上，外總線如圖所示。常用的外總線有：連接智能儀器儀表的IEEE-488通用接口總線；RS-232C和RS-422串行通信總線等。3. 根據(jù)總線傳送信號的形式，總線又可分為兩種。(1 )并行總線女口果用若干根信號線同時傳遞信號，就構(gòu)成了并行總線。并行總線的特點(diǎn)是能以簡單的硬件來運(yùn)行高 速的數(shù)據(jù)

42、傳輸和處理。(2 )串行總線串行總線是按照信息逐位的順序傳送信號。其特點(diǎn)是可以用幾根信號線在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)或信 息，主要用于數(shù)據(jù)通信。3. 簡述STD總線的特點(diǎn)。STD總線在工業(yè)控制中廣泛采用，是因?yàn)樗幸韵绿攸c(diǎn)：(1) 小板結(jié)構(gòu)，高度模塊化。(2) 嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化，廣泛的兼容性。(3) 面向I/O的開放式設(shè)計(jì)，適合工業(yè)控制應(yīng)用。(4) 高可靠性。4. 簡述RS- 232C總線的特點(diǎn)。微機(jī)系統(tǒng)中最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的同步或異步通訊。通訊距離可達(dá)15m傳輸數(shù)據(jù)的速率可任意調(diào)整，最大可達(dá)20Kb/s。5. 什么是現(xiàn)場總線？有哪幾種典型的現(xiàn)場總線？它

43、們的特點(diǎn)是怎樣的？現(xiàn)場總線是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。所以現(xiàn)場 總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)。下面是幾種典型的現(xiàn)場總線。(1) CAN(Control Area Network)控制器局域網(wǎng)絡(luò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN是由德國Bosch公司的為汽車的監(jiān)測和控制而設(shè)計(jì)的，逐步發(fā)展到用于其它工業(yè) 領(lǐng)域的控制。CAN已成為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)。CANM有如下特性：(a) 通信速率為5Kbps/10km,1Mbps/40m,節(jié)點(diǎn)數(shù)110個，傳輸介質(zhì)為

44、雙絞線或光纖等。(b) 采用點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據(jù)。(c) 可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)且無主、從機(jī)之分，每個節(jié)點(diǎn)均主動發(fā)送報(bào)文，用此特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多 機(jī)備份系統(tǒng)。(d) 采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息；按節(jié)點(diǎn)類型分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實(shí)時要求。(e) 支持三類報(bào)文幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、超載幀。采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個。這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，且具有較好的檢錯效果。(f) 采用循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC(Cyclic Redundancy Check

45、)及其它檢錯措施，保證了極低的信息出錯率。(g) 節(jié)點(diǎn)具有自動關(guān)閉功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)錯誤嚴(yán)重時，則自動切斷與總線的聯(lián)系，這樣不影響總線正常工作。(h) CAN單片機(jī)：Motorola 公司生產(chǎn)帶 CAN模塊的 MC68HC05x4 Philips 公司生產(chǎn)82C200, Intel 公司 生產(chǎn)帶CAN模塊的P8XC592(j)CAN控制器：Philips 公司生產(chǎn)的82C200, Intel 公司生產(chǎn)的82527。(k)CAN I/O 器件：Philips 公司生產(chǎn)的 82C150,具有數(shù)字和模擬 I/O 接口( 2兒ONWORKS(LocaOperating Network)局部操作網(wǎng)絡(luò)LONOR

46、K是美國Echelon公司研制，主要有如下特性：(a) 通信速率為78Kbps/2700m、1.5Mbps/130m,節(jié)點(diǎn)數(shù)32000個，傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、光纖、電源線等。(b) 采用Lon Talk通儲備協(xié)議，該協(xié)議遵循國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO定義的開放系統(tǒng)互連 OSI(Open SystemInterconnection) 全部 7 層模型。(c) 其核心是Neuron(神經(jīng)元)芯片，內(nèi)含了 3個8位的CPU第1個CPU為介質(zhì)訪問控制處理器，實(shí)現(xiàn) Lon Talk協(xié)議的第1層和第2層；第2個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，實(shí)現(xiàn) Lon Talk協(xié)議的第3層至第6層；第3 個CPU為應(yīng)用處理器，實(shí)

47、現(xiàn) Lon Talk協(xié)議的第7層，執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。(d) Neuron芯片的編程語言為 Neuron C，它是從ANSI C派生出來的。LONWORKS供了一套開發(fā)工具 LonBuilder 與 NodeBuilder 。(e) Lon Talk 協(xié)議提供了 5種基本類型的報(bào)文服務(wù)：確認(rèn) (Acknowledged)、非確認(rèn)(Unacknowledged)、 請求 / 響應(yīng)(Request/Response)、重復(fù)(Repeated)、非確認(rèn)重復(fù)(Unacknowledge Repeated)。(f) Lon Talk協(xié)議的介質(zhì)訪問控制子層(MAC)對CSMA作了改進(jìn)，采用一種新的稱作PredictiveP-Persistent CSMA，根據(jù)總線負(fù)載隨機(jī)調(diào)整時間槽n(163)，從而在負(fù)載較輕時使介質(zhì)訪問延遲最小化，而在負(fù)載較重時使沖突的可能最小化。(3) PROFIBUS(Process Field Bus) 過程現(xiàn)場總線PROFIBUS是德國標(biāo)準(zhǔn)，1991年在DIN 19245中分布了標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS有幾種改進(jìn)型，分別用于不同 的場合，例如：(a) PROFIBUS-PA(Process Automation) 用于過