研究生微機控制及接口技術(shù)試題

1、山東科技大學(xué)20132014學(xué)年第二學(xué)期研究生課程微機控制與接口技術(shù)考試試卷班級姓名學(xué)號題號一二三四五總得分評卷人審核人得分、問答題：（共35分）1、何謂計算機控制系統(tǒng)？簡單介紹其基本構(gòu)成。利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成，其控制部分包括硬件部分、軟件部分。硬件部分包括主機、接口電路、過程輸入/輸出通道、外部設(shè)備、操作臺、執(zhí)行機構(gòu)；軟件部分包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。此外還包括通信網(wǎng)絡(luò)，主要包括現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)和主干控制網(wǎng)絡(luò)。2、比較說明經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的特點。經(jīng)典控制理論以單輸入單輸出系統(tǒng)為研究對象，所用數(shù)學(xué)模型為高階微分方程，采用傳遞函數(shù)法（

2、外部描述法）和拉普拉斯變換，來作為研究方法和研究工具。分析方法和設(shè)計方法主要運用頻域（復(fù)域）、頻率響應(yīng)、根軌跡法和PID控制及校正網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)代控制論理論以多輸入多輸出系統(tǒng)為研究對象，采用一階微分方程作為數(shù)學(xué)模型。研究問題時，以狀態(tài)空間法（內(nèi)部描述）為研究方法，以線性代數(shù)矩陣為研究工具。同時，分析方法采用了復(fù)域、實域，可控和可觀測，設(shè)計方法采用了狀態(tài)反饋和輸出反饋。另外，經(jīng)典控制理論中，頻率法的物理意義直觀、實用，難于實現(xiàn)最優(yōu)控制，現(xiàn)代控制理論則易于實現(xiàn)最優(yōu)控制和實時控制。3、簡述信號采樣和采樣定理，采樣周期的選擇需要考慮哪些因素？信號采樣：采樣也稱抽樣，是信號在時間上的離散化，即按照一定時間間隔

3、at在模擬信號x（t）上逐點采取其瞬時值。它是通過采樣脈沖和模擬信號相乘來實現(xiàn)的。采樣定理：在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時（fs.max>2fmax）,采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的510倍。采樣周期的選擇應(yīng)考慮的因素：采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對象的擾動信號周期、采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對象時間常數(shù)、考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度、考慮對象所要求的調(diào)節(jié)品質(zhì)、考慮控制系統(tǒng)的性能價格比、考慮計算機所承擔(dān)的工作量。4、實時、在線方式、離線方式各自的含義是什么？實時：是指信號的輸入、計算和輸出都要在一

4、定的時間范圍內(nèi)完成。在線方式：生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式。離線方式：生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式。5、何謂量化誤差？試分析其來源。量化誤差：由采樣信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的過程中（量化過程）引起的誤差稱為量化誤差來源：第 9 頁/共 9頁數(shù)字運算過程中的有效字長效應(yīng)數(shù)字運算過程中為限制位數(shù)而進(jìn)行尾數(shù)處理,防止溢出而產(chǎn)生的有效字長效應(yīng).輸入信號經(jīng)A/D變換產(chǎn)生的量化誤差即A/D變換器將模擬輸入信號變?yōu)橐唤M離散電平時產(chǎn)生的量化誤差.濾波器的系數(shù)量化誤差即把系統(tǒng)系系用有限二進(jìn)制制表示時產(chǎn)生的量化誤差,6、何謂總線？工業(yè)控制中常用的系統(tǒng)總線

5、和外部總線主要有哪些？十笄機,小我至司耳機等詹"牛W間迸彳亍彳言,&傳泰的合共通三章.通俗上也說，就是連接計算機多導(dǎo)產(chǎn)件臺句一組公共信號刀系統(tǒng)總線力與總線擴(kuò)展槽連接的總線，如ISA和EISA總線力外部總線才主機匕外設(shè)之間的總線，如USB和IEEE1394部總線有IEEE-488并行總線、RS-232c串行總線和RS485通信總線。系統(tǒng)總線：PCI總線、AT總線、PC總線7、什么是接口、接口技術(shù)和過程通道？接口：完成計算機和外設(shè)之間的信息變換和緩沖功能的部件。是計算機和外設(shè)之間聯(lián)系的橋梁，每個外設(shè)都要通過接口和主機系統(tǒng)相連接。接口技術(shù)：專門研究CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式、接

6、口電路的工作原理和使用方法的一項技術(shù)。過程通道：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，它包括AI、AO、DI、DO。、設(shè)計計算題：(共25分)1 .有一個伺服執(zhí)行機構(gòu)，需要的控制輸入信號為05V模擬電壓，采用計算機對其進(jìn)行控制，需要設(shè)計一套D/A轉(zhuǎn)換接口，要求D/A轉(zhuǎn)換器的輸出分辨率為2.5mV電壓，試確定所需D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，給出相應(yīng)的計算過程和必要的說明。解：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出分辨率為2.5mV電壓，且用來控制輸入信號為05V模擬電壓，則其所需D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為:5VN2-12.5mV推導(dǎo)出x=11,則d/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為11位。2 .計算機控制系統(tǒng)需要對一個傳感器信號

7、進(jìn)行采樣，該信號經(jīng)過信號調(diào)理后輸出變化范圍為0+10V的模擬電壓，試設(shè)計一個接口電路對此信號進(jìn)行采樣:(1)采樣分辨率00.05%,確定所采用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。解：其采樣分辨率w0.05%,則100.05%2x則所采用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為15位。(2)假設(shè)該接口的孔徑時間為100us,為了保證0.1%的量化精度，問被采樣信號的頻率最大為多少？根據(jù)公式得：,00.1f=&-1.59Hz2二tA/D1002二10010010即采樣信號的頻率最大為1.59Hz。3 .對某軋鋼加熱爐的爐溫進(jìn)行檢測，采用紅外溫度傳感器，已知傳感器的溫度檢測范圍是6001500C,采用420mA電流輸出；監(jiān)控計

8、算機采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入為03.3V電壓信號(1)針對上述要求，畫出從傳感器到 A/D轉(zhuǎn)換器的信號傳輸和變換 框圖，說明如何將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為與 A/D轉(zhuǎn)換器輸入所匹 配的電壓信號，給出具體的參數(shù)以及必要的計算；傳感器將加熱爐內(nèi)的溫度轉(zhuǎn)變成4-20mA的電流信號，經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換(采樣電阻和減法電路)，將電流信號轉(zhuǎn)變成A/D轉(zhuǎn)換器所需的電壓信號，再由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。其中采樣電阻的大小為3.3V206c(20-4)mA傳感器將加熱爐內(nèi)的溫度轉(zhuǎn)變成4-20mA的電流信號，經(jīng)采樣電阻，轉(zhuǎn)變?yōu)?(4-20mA)206-(0.824-4.12)V轉(zhuǎn)變后

9、的電壓信號不滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓的要求，此時需要添加一個減法電路來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓的要求。如下圖所示：+5VR要滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓的要求，則在反相端的輸入電壓達(dá)到0.82V,計算得：5V:R4=0.82V1000R4得至UR4=196.17,經(jīng)減法電路得到輸出電壓為(0.8244.12)V-0.82V=(0.0043.3)V：(03.3V)滿足條件。(2)為了實現(xiàn)溫度的顯示，如何從A/D轉(zhuǎn)換器的采樣數(shù)據(jù)得到實際的溫度數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并給出必要的說明。由于監(jiān)控計算機采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，假設(shè)實際的溫度數(shù)據(jù)為T,A/D轉(zhuǎn)換器的采樣數(shù)據(jù)為D,則數(shù)學(xué)表達(dá)式為：150

10、0 -600212D 600 = T由此數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過在監(jiān)控計算機上獲得的采樣數(shù)據(jù)D,就可以得到加熱爐中的實際溫度。三、綜合設(shè)計：(共30分)1 .某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計為D(s)=U(s) 1 T1s E(s) -1 T2s分別使用雙線性變換法、前向差分法求取數(shù)字控制器D(z),分別求出兩種方法對應(yīng)的遞推控制算法。2 .為了得到盡可能準(zhǔn)確的采樣數(shù)據(jù)，往往需要采用數(shù)字濾波對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理:(1)請以MCS-51匯編語言子程序或C語言函數(shù)的形式編寫針對3個采樣數(shù)據(jù)的中值濾波程序，要求程序簡潔運算量盡可能的少；PUSHPSWPUSHASORT:MOVR0,DATA;數(shù)據(jù)存儲區(qū)單元首址MOVR7

11、,TIME;讀比較次數(shù)CLRFLAG;清交換標(biāo)志位LOOP:MOVA,R0;取第一個數(shù)MOVFIRST,A;保存第一個數(shù)INCR0MOVSECOND,R0;保存第二個數(shù)CLRCSUBBA,R0;兩數(shù)比較JCNEXT;第一數(shù)小于第二數(shù)，不交換MOVR0,FIRSTDECR0MOVR0,SECOND;交換兩數(shù)INCR0SETBFLAG;置交換標(biāo)志位NEXT:DJNZR7,LOOP;進(jìn)行下一次比較JBFLAG,SORT;進(jìn)行下一輪比較DECR0CLRCMOVA,TIMERRCAMOVR7,ACONT:DECR0DJNZR7,CONTMOVSAMP,R0;取中值POPAPOPPSWRET#define

12、N3charfilter。charvalue_bufN;Icharcount,i,j,temp;for(count=0;count<N;count+)value_bufcount=get_ad();delay()；for(j=0;j<N-1;j+)|for(i=0;i<N-j;i+)if(value_bufi>value_bufi+1)temp=value_bufi;value_bufi=value_bufi+1;value_bufi+1=temp;returnvalue_buf(N-1)/2;(2)為了解決平滑性和靈敏度之間的矛盾，且減少采樣頻率，可以采用滑動加權(quán)平均

13、值濾波法，請以MCS-51匯編語言子程序或C語言函數(shù)的形式編寫一個滑動加權(quán)平均值濾波程序，對最近4個周期的采樣值進(jìn)行加權(quán)平均，設(shè)當(dāng)前周期為i,其采樣值的權(quán)值為0.5,第i-1周期的采樣值權(quán)值為0.25,第i-2和i-3周期的采樣值權(quán)值均為0.125,要求程序簡潔運算量盡可能的少。#defineN12charcodecoeN=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12;charcodesum_coe=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;charfilter()|charcount;charvalue_bufN;intsum=0;for(count=0,count<N;count+)value_bufcount=get_ad();delay();for(count=0,count<N;count+)sum+=value_bufcount*coecount;return(char)(sum/sum_coe);3. PID控制是應(yīng)用最為廣泛的一種控制律，計算機數(shù)字