計算機控制技術基礎知識測試

1、 計算機控制技術復習資料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)實時數據采集：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：根據決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。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圍完成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理，并在一定的時間作出反應并進行控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。(2)“在線”方

2、式：在計算機控制系統(tǒng)中，如果生產過程設備直接與計算機連接，生產過程直接受計算機的控制，就叫做“聯機”方式或“在線”方式。(3)“離線”方式：若生產過程設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，靠人進行聯系并作相應操作的方式，則叫做“脫機”方式或“離線”方式。3.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？由四部分組成。圖1.1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，通過接口它可以向系統(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進行實時檢測與處理。主機的主要功能是控制整個生產過程，按控制規(guī)律進行各種控制運算(如調節(jié)規(guī)律

3、運算、最優(yōu)化計算等)和操作，根據運算結果作出控制決策；對生產過程進行監(jiān)督，使之處于最優(yōu)工作狀態(tài)；對事故進行預測和報警；編制生產技術報告，打印制表等等。(2)輸入輸出通道：這是微機和生產對象之間進行信息交換的橋梁和紐帶。過程輸入通道把生產對象的被控參數轉換成微機可以接收的數字代碼。過程輸出通道把微機輸出的控制命令和數據，轉換成可以對生產對象進行控制的信號。過程輸入輸出通道包括模擬量輸入輸出通道和數字量輸入輸出通道。(3)外部設備：這是實現微機和外界進行信息交換的設備，簡稱外設，包括人機聯系設備(操作臺)、輸入輸出設備(磁盤驅動器、鍵盤、打印機、顯示終端等)和外存貯器(磁盤)。其中操作臺應具備顯示

4、功能，即根據操作人員的要求，能立即顯示所要求的容；還應有按鈕，完成系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺還要保證即使操作錯誤也不會造成惡劣后果，即應有保護功能。(4)檢測與執(zhí)行機構a.測量變送單元：在微機控制系統(tǒng)中，為了收集和測量各種參數，采用了各種檢測元件與變送器，其主要功能是將被檢測參數的非電量轉換成電量，例如熱電偶把溫度轉換成mV信號；壓力變送器可以把壓力轉換變?yōu)殡娦盘?，這些信號經變送器轉換成統(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：要控制生產過程，必須有執(zhí)行機構，它是微機控制系統(tǒng)中的重要部件，其功能是根據微機輸出的控制信號，改變輸出的角位移或直線位移，并通過調節(jié)機

5、構改變被調介質的流量或能量，使生產過程符合預定的要求。例如，在溫度控制系統(tǒng)中，微機根據溫度的誤差計算出相應的控制量，輸出給執(zhí)行機構(調節(jié)閥)來控制進入加熱爐的煤氣(或油)量以實現預期的溫度值。常用的執(zhí)行機構有電動、液動和氣動等控制形式，也有的采用馬達、步進電機與可控硅元件等進行控制。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過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。按信息傳遞的方向來分，過程通道可分為輸入過程通道和輸出過程通道；按所傳遞和交換的信息來分，過程通道又可分為數字量過程通道和模擬量過程通道。2.數字量過程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？數字量過程通道包括數

6、字量輸入通道和數字量輸出通道。數字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定時計數電路等組成。數字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：輸入調理電路將來自控制裝置或生產過程的各種開關量，進行電平轉換，將其通斷狀態(tài)轉換成相應的高、低電平，同時還要考慮對信號進行濾波、保護、消除觸點抖動，以與進行信號隔離等問題。4.簡述光電耦合器的工作原理與在過程通道中的作用。光電耦合器由封裝在一個管殼的發(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

7、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5.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、多路轉換器、采樣保持器、A/D轉換器、接口與控制邏輯電路組成。(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)行機構匹配提供了方便。(2)多路轉換器：用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。(3)采樣保持器：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉換器之前加入采樣保持器。(4)A/D轉換器：模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉換成

8、數字量，能夠完成這一任務的器件，稱為之模/數轉換器(Analog/Digital Converter，簡稱A/D轉換器或ADC)。7.采樣保持器有什么作用？試說明保持電容的大小對數據采集系統(tǒng)的影響。采樣保持器的作用：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉換器之前加入采樣保持器。保持電容對數據采集系統(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)時充電時間常數小，即保持電容充電快，輸出對輸入信號的跟隨特性好，但在保持狀態(tài)時放電時間常數也小，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

9、好，但跟隨特性差。8.在數據采樣系統(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，對于輸入信號變化很慢，如溫度信號；或者A/D轉換時間較快，使得在A/D轉換期間輸入信號變化很小，在允許的A/D轉換精度，就不必再選用采樣保持器。11.設計出8路模擬量采集系統(tǒng)。請畫出接口電路原理圖，并編寫相應的8路模擬量數據采集程序。本例給出用8031、DAC0809設計的數據采集系統(tǒng)實例。把采樣轉換所得的數字量按序存于片RAM的30H37H單元中。采樣完一遍后停止采集。其數據采集的初始化程序和中斷服務程序如下：初始化程序：MOV R0，#30H ；設立數據存儲區(qū)指針 MOV R2，#08H ；設置8

10、路采樣計數值 SETB IT0 ；設置外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式 SETB EA ；CPU開放中斷SETB EX0 ；允許外部中斷0中斷 MOV DPTR，#FEF8H ；送入口地址并指向IN0LOOP： MOVX DPTR，A ；啟動A/D轉換，A的值無意義HERE： SJMP HERE ；等待中斷中斷服務程序： MOVX A，DPTR ；讀取轉換后的數字量 MOV R0，A ；存入片RAM單元 INC DPTR ；指向下一模擬通道 INC R0 ；指向下一個數據存儲單元 DJNZ R2，INT0 ；8路未轉換完，則繼續(xù) CLR EA ；已轉換完，則關中斷 CLR EX0 ；禁止外部中斷0中斷

11、 RETI ；中斷返回 INT0： MOVX DPTR，A ；再次啟動A/D轉換 RETI ；中斷返回3.2.什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

12、零，還是小于零；(2)坐標進給：即根據偏差判斷的結果決定進給方向，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；(4)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3.5.設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。解：插補計算過程如表32所示。終點判別仍采用第二種方法，設一個總的計數器Nxy，每走一步便減1操作，當Nxy

13、=0時，加工到終點，插補運算結束。下圖為插補過程中的走步軌跡。表32步數偏差判別坐標進給偏差計算坐標計算終點判別起點F0=0x0=6,y0=0Nxy=121F0=0-XF1=0-12+1=-11x1=5,y1=0Nxy=112F1<0+YF2=-11+0+1=-10x2=5,y2=1Nxy=103F2<0+YF3=-10+2+1=-7x3=5,y3=2Nxy=94F3<0+YF4=-7+4+1=-2x4=5,y4=3Nxy=85F4<0+YF5=-2+6+1=5x5=5,y5=4Nxy=76F5>0-XF6=5-10+1=-4x6=4,y6=4Nxy=67F6&l

14、t;0+YF7=-4+8+1=5x7=4,y7=5Nxy=58F7>0-XF8=5-8+1=-2x8=3,y8=5Nxy=49F8<0+YF9=-2+10+1=9x9=3,y9=6Nxy=310F9>0-XF10=9-6+1=4x10=2,y10=6Nxy=211F10>0-XF11=4-4+1=1x11=1,y11=6Nxy=112F11>0-XF12=1-2+1=0x12=0,y12=6Nxy=01、加工第一象限直線OA，起點為O(0，0)，終點坐標為A(6，4)，試進行插補計算并作出走步軌跡圖。（10分）要求：（1）按逐點比較插補法進行列表計算； （2）做出

15、走步軌跡圖，并標明進給方向和步數。解坐標進給的總步數Nxy=|6-0|+|4-0|=10, xe=6,ye=4, F0=0, xoy=1. （5分）步數偏差判別坐標進給偏差計算終點判斷起點F0=0Nxy=101F0=0+xF1=F0-ye=-4Nxy=92F1<0+yF2=F1+xe=2Nxy=83F2>0+xF3=F2-ye=-2Nxy=74F3<0+yF4=F3+xe=4Nxy=65F4>0+xF5=F4-ye=0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=-4Nxy=47F6<0+yF7=F6+xe=2Nxy=38F7>0+xF8=F7-ye=-2Nxy

16、=29F8<0+yF9=F8+xe=4Nxy=110F9>0+xF10=F9-ye=0Nxy=0根軌跡圖： （5分）2、加工第一象限直線OA，起點O（0，0），終點A（4，3）。解：4.1.數字控制器的模擬化設計步驟是什么？模擬化設計步驟：（1）設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(Z)（4）求出與D(S)對應的差分方程（5）根據差分方程編制相應程序。4.4 .已知模擬調節(jié)器的傳遞函數為試寫出相應數字控制器的位置型和增量型控制算式，設采樣周期T=0.2s。則把T=0.2S代入得位置型增量型4.6.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？(1)從調

17、節(jié)品質上看，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，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較大時，常選T=（1/41/8）。(4)從計算精度方面考慮，采樣周期T不應過短，當主機字長較小時，若T過短，將使前后兩次采樣值差別小，調節(jié)作用因此會減弱。另外，若執(zhí)行機構的速度較低，會出現這種情況，即新的控制量已輸出，而前一次控

18、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)行機構的調節(jié)時間。4.8.數字控制器的離散化設計步驟是什么？計算機控制系統(tǒng)框圖如圖41所示。圖41計算機控制系統(tǒng)框圖由廣義對象的脈沖傳遞函數可得閉環(huán)脈沖傳遞函數，可求得控制器的脈沖傳遞函數D(z)。數字控制器的直接設計步驟如下：(1)根據控制系統(tǒng)的性質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(z)。(2)求廣義對象的脈沖傳遞函數G(z)。(3)求取數字控制器的脈沖傳遞函數D(z)。(4)根據D(z)求取控制算法的遞推計算公式。4.9 已知被控對象的傳遞函數為采樣周期T=0.1s，采用零階保持器。要求針對單位階躍輸入信號設計最

19、少拍有紋波系統(tǒng)的。解：廣義脈沖傳遞函數為最少拍有紋波設計步驟：1）根據廣義對象的傳遞函數確定參數N（分母多項式的冪次）M （分子多項式的冪次）d=N-M延時u在z平面的單位圓上或圓外零點的個數v在z平面的單位圓上或圓外極點的個數j在z平面的單位圓上極點的個數q(輸入類型)已知N=2，M=2所以d=0u=0(即分子多項式中的)v=1，j=1；q=1(單位速度輸入)2）確定F1(z)和F2(z)的冪次m和n所以：3）確定e(z)4）確定(z)5）根據關系使等式兩邊同冪次的系數相等，解出F1和F2中的系數。解得：所以：6）求控制器D(z)14.與PID控制和直接數字控制相比，模糊控制具有哪些優(yōu)點？與

20、PID控制和直接數字控制相比，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特征的復雜系統(tǒng)。（2）模糊控制不用建立對象精確的數學模型。（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驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量以與模糊邏輯推理作為控制算法。3.數字PID位置式和增量式算法的各自特點是什么？增量算法不需要做累加,位置算法要用到過去的誤差的累加值,容易產生大的累加誤差 增量算法得出的是控制量的增量,而位置算法的輸出是控制量的全量輸出,誤動作影響大. 采用增量算法,易于實現手動到自動的無沖擊切換.4.數字PID控制算法中，Kp、Ti、Td的物理調節(jié)作用分別是什么

21、？ Kp為比例增益,能減小誤差,但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差,但Kp加大會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定. Ti為積分時間常數 只要有足夠的時間,積分控制將能完全消除誤差 但積分作用太強會使系統(tǒng)超調加大,甚至使系統(tǒng)出現振蕩.Td為微分時間常數 可以減小調整時間, 從而改變系統(tǒng)的動態(tài)性能. 5、計算機控制系統(tǒng)的工作步驟分為哪幾步？答:計算機的工作步驟分為3步:實時數據采集,實時數據決策和實時數據處理.1.什么是計算機的總線？答:所謂總線,就是計算機各模塊之間互聯和傳送信息(指令,地址和數據)的一組信號線.分為部總線和外部總線.2.計算機的外部總線有哪幾種？答:計算機的外部總線有RS-232C,RS-485,IEEE-48

22、8,USB等等.3.RS-232C串行通信總線采用什么傳輸方式？為什么RS-232C的傳輸距離不遠？答:RS-232C串行通信總線采用的是不平衡傳輸方式.由于發(fā)送器和接收器之間有公共的信號地線,共模信號不可避免地要進入信號傳送系統(tǒng)中.當傳輸距離過遠時,發(fā)送器與接收器各自會形成不同的對地電位.4.RS-485串行通信總線采用什么傳輸方式？它與RS-422A串行通信總線的區(qū)別是什么？答:RS-485串行通信總線采用的是不平衡傳輸方式.區(qū)別在于RS-485為半雙工工作方式,而RS-422A為全雙工工作方式.且RS-422A適用于兩點之間進行高速,遠距離通信,而RS-485適用于多點之間進行高速,遠距

23、離通信.8.什么是香農采樣定理？ 香農采樣定理:如果模擬信號(包括噪聲干擾在)頻譜的最高頻率為fmax,只要按照采樣頻率f>=2fmax進行采樣,那么采樣信號就能惟一地復觀.9.什么是量化誤差？ 量化過程實際上是一個用q去度量采樣值幅值高低的小數歸整過程,由于量化過程是一個小數歸整過程,因而存在量化誤差,量化誤差為(+_1/2)q.10.什么是孔徑時間和孔徑誤差？完成一次A/D轉換所需的時間稱為孔徑時間.孔徑時間決定了每一個采樣時刻的最大轉換誤差,即為孔徑誤差.6.最少拍控制算法本質上是什么算法，為什么？ 最少拍控制算法本質上是時間最優(yōu)控制算法,因為最少拍控制算法是以系統(tǒng)的快速性為主要性

24、能指標.7.最少拍控制算法的三種典型輸入信號分別是什么？ 三種典型輸入信號分別是單位階躍信號,單位速度信號,單位加速度信號8.最少拍控制算法的局限性是什么？最少拍控制器對典型輸入信號的適應性較差1、計算機控制控制系統(tǒng)：由計算機完成部分或全部功能的控制系統(tǒng)，稱為計算機控制系統(tǒng)（要求畫出圖）2、一般的計算機控制系統(tǒng)由計算機、I/O接口電路、通用外部設備和工業(yè)生產對象等部分組成。1、 計算機控制系統(tǒng)分為：DDC（直接數字控制）、DPS（操作指導控制系統(tǒng)）、SCC（計算機監(jiān)督控制）、DCS（分布式控制系統(tǒng)）、CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）。2、 DCS（分布式控制系統(tǒng)）：DCS由DDC、SCC、和MI

25、C（綜合信息管理）組成，它的下一代技術是集計算機、通信、控制三種技術為一體的現場總線控制系統(tǒng)（FCS）。1、 階躍響應階躍響應是指將一個階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出2、 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應進入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差3、 PID控制在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)，其數學表達式為4、 數字PID控制數字PID有二種形式，分別是位置式和增量式（1）位置式：其表達式為位置式控制算法提供執(zhí)行機構的位置Uk，需要用到過去的累計誤差，一般用于以可控硅或伺服電機作執(zhí)行器件的控制系統(tǒng)中（

26、2）增量式：其表達式為增量式控制算法提供執(zhí)行機構的增量uk，只需要保持現時以前3個時刻的偏差值即可，一般用在步進電機或多圈電位器作執(zhí)行器件的控制系統(tǒng)中5、 香農采樣定理：系統(tǒng)采樣頻率的下限為fs=2fmax，此時系統(tǒng)可真實地恢復到原來的連續(xù)信號。6、PID算法數字控制器的參數整定的方法（1）擴充臨界比例度法(弄懂KK和TK的概念)(2) 擴充響應曲線法適用對象：對象具有滯后自平衡特性（即滯后環(huán)節(jié)加一階慣性環(huán)節(jié)），傳遞函數形式：(3) PID參數歸一法(4) PID參數試湊法(適用對象：對象特性參數完全不知或已知對象傳遞函數做仿真)1、設采樣控制系統(tǒng)的特征方程為：A(z)=45z3-117z2+

27、119z-39=0試用雙線性變換判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性？（書P39）2、討論該系統(tǒng)，試求為保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，放大倍數K的取值圍。（書P40）3、數字PID增量式控制算法與位置式算法比較，其優(yōu)點是什么？答：1）增量式算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關，計算誤差或計算精度問題，對控制量的計算影響較小。而位置式算法要用到過去的誤差的累加值，容易產生大的累加誤差。2）增量式算法得出的是控制量的增量，誤動作影響小。而位置式算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大。3）采用增量式算法，易于實現手動到自動的無沖擊切換。4）采用增量式算法不需要累加，只需要記住4個歷史數據，占用存小，計算方

28、便。4、設計算機控制系統(tǒng)結構圖如圖示其中已知：采樣周期T=0.025s，輸入為斜坡信號。試設計最少拍控制系統(tǒng)D(Z)。（書P61）5、CPU對數據通道的常用控制方式有 程序控制方式、中斷控制方式、直接存儲器存?。―MA）方式。6、根據下圖編寫的ADC0809轉換程序。ADC0809的地址是8000H8007H，通道號在R2中，采樣后的結果存放在30H37H中。在程序中啟動ADC0809的同時將通道號寫到ADC0809中。ORG 00H AJMP MAIN ORG 03H AJMP ADC0809 ORG 1000HMAIN: SETB EASETB EX0 SETB IT0 MOV R2，#0

29、 MOV R0，#30H MOV DPTR，#8000H MOVX DPTR，AAJMP $ADC0809: MOVX A，DPTR MOV R0，A INC R0 INC R2 MOV A，R2ORL A，DPL MOV DPL，A MOVX DPTR，A CJNE R2，#07H，ADC0809RETMOV R2，#0 MOV R0，#30H RETIADC0809RET： RETI7、設部RAM的20H和21H單元存放一個12位數字量（20H單元中為低4位，21H單元中為高8位），試根據下圖編寫出將它們進行D/A轉換的程序。解：D/A轉換的程序為：ORG0000HMOVR0，#0FFH；8位輸入寄存器地址MOVR1，#21H MOVA，R1；高8位數字量送AMOVXR0，A；高8位數字量送8位輸入寄存器DECR0DECR1MOVA，R1；低4位數