微型計算機控制技術習題解析

第一章計算機捽制系統(tǒng)概述

習題及參照答案

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)日勺控制過程可歸納為如下三個環(huán)節(jié)：

⑴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。

⑵實時控制決策：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。

⑶實時控制輸出：根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完畢控制任務。

2.實時、在線方式和離線方式的含義是什么？

⑴實時：所謂“實時”，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定期間范圍內(nèi)完畢日勺，即計算機對輸入信息以足夠快

日勺速度進行處理，并在一定的時間內(nèi)作出反應并進行控制，超過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”方式：在計算機控制系統(tǒng)中，假如生產(chǎn)過程設備直接與計算機連接，生產(chǎn)過程直接受計算機日勺控制，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)絡并作對應操作的方式，則叫做“脫機”方式或“離線”方式。

3.微型計算機控制系統(tǒng)的硬件由哪幾部分構成？各部分的作用是什么？

由四部分構成。

外部設和t產(chǎn)過P，'*置

名

第

開

關

執(zhí)行機構一

反i?

方

第H

執(zhí)行機構I-?

動

開

用

關3

外

執(zhí)行機構

罐

&

法

開關I*I

—

圖1.1微機控制系統(tǒng)構成框圖

⑴主機：這是微型計算機控制系統(tǒng)的關鍵，通過接口它可以向系統(tǒng)的各個部分發(fā)出多種命令，同步對被控對象的被控

參數(shù)進行實時檢測及處理。主機的重要功能是控制整個生產(chǎn)過程，按控制規(guī)律進行多種控制運算（如調(diào)整規(guī)律運算、最

優(yōu)化計算等）和操作，根據(jù)運算成果作出控制決策；對生產(chǎn)過程進行監(jiān)督，使之處在最優(yōu)工作狀態(tài)；對事故進行預測和

報警；編制生產(chǎn)技術匯報，打印制表等等。

⑵輸入輸出通道：這是微機和生產(chǎn)對象之間進行信息互換日勺橋梁和紐帶。過程輸入通道把生產(chǎn)對象日勺被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成

微機可以接受的數(shù)字代碼。過程輸出通道把微機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成可以對生產(chǎn)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(shù)字量輸入輸出通道。

⑶外部設備：這是實現(xiàn)微機和外界進行信息互換的設備，簡稱外設，包括人機聯(lián)絡設備（操作臺）、輸入輸出設備（磁

盤驅(qū)動器、鍵盤、打印機、顯示終端等）和外存貯器（磁盤）。其中操作臺應具有顯示功能，即根據(jù)操作人員的規(guī)定，能

立即顯示所規(guī)定日勺內(nèi)容；還應有按鈕，完畢系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺還要保證雖然操作錯誤也不會導致惡劣后果，

即應有保護功能。

⑷檢測與執(zhí)行機構

a.測量變送單元：在微機控制系統(tǒng)中，為了搜集和測量多種參數(shù)，采用了多種檢測元件及變送器，其重要功能是將被

檢測參數(shù)的非電量轉(zhuǎn)換成電量，例如熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換成mV信號；壓力變送器可以把壓力轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘枺@些信號

經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的計算機原則電平信號（0-5V或4?20mA）后，再送入微機。

b.執(zhí)行機構：要控制生產(chǎn)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(jù)微機輸出的控制信

號，變化輸出的角位移或直線位移，并通過調(diào)整機構變化被調(diào)介質(zhì)的流量或能量，使生產(chǎn)過程符合預定的規(guī)定。例如，

在溫度控制系統(tǒng)中，微機根據(jù)溫度的誤差計算出對應的控制量，輸出給執(zhí)行機構（調(diào)整閥）來控制進入加熱爐的煤氣（或

油）量以實現(xiàn)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、步進電機及可控硅元

件等進行控制。

4.微型計算機控制系統(tǒng)軟件有什么作用？說出各部分軟件的作用。

軟件是指可以完畢多種功能的計算機程序的總和。整個計算機系統(tǒng)的動作，都是在軟件的指揮下協(xié)調(diào)進行的，因此說

軟件是微機系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。就功能來分，軟件可分為系統(tǒng)軟件、應用軟件及數(shù)據(jù)庫。

⑴系統(tǒng)軟件：它是由計算機設計者提供的專門用來使用和管理計算機的程序。對顧客來說，系統(tǒng)軟件只是作為開發(fā)應

用軟件的工具，是不需要自己設計日勺。

系統(tǒng)軟件包括:

a.操作系統(tǒng)：即為管理程序,磁盤操作系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序等；

b.診斷系統(tǒng)：指的是調(diào)整程序及故除診斷程序；

c.開發(fā)系統(tǒng)：包括多種程序設計語言、語言處理程序（編譯程序）、服務程序（裝配程序和編輯程序）、模擬主系統(tǒng)（系統(tǒng)

模擬、仿真、移植軟件）、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等；

d.信息處理：指文字翻譯、企業(yè)管理等。

⑵應用軟件:它是面向顧客自身的程序，即指由顧客根據(jù)要處理的實際問題而編寫的多種程序。

應用軟件包括：

a.過程監(jiān)視程序：指巡回檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報警程序、操作面板服務程序、數(shù)字濾波及標度變

換程序、判斷程序、過程分析程序等；

b.過程控制計算程序：指的是控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成調(diào)度、

文獻管理及輸出、打印、顯示程序等；

c.公共服務程序：包括基本運算程序、函數(shù)運算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序。

⑶數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)重要用于資料管理、存檔和檢索，對應軟件設計指怎樣建立數(shù)據(jù)庫以及怎樣查詢、

顯示、調(diào)用和修改數(shù)據(jù)等。

5.微型計算機控制系統(tǒng)的特點是什么？

微機控制系統(tǒng)與常規(guī)日勺自動控制系統(tǒng)相比，具有如下特點：

a.控制規(guī)律靈活多樣，改動以便

b.控制精度高，克制擾動能力強，能實現(xiàn)最優(yōu)控制

c.可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和工況顯示，控制效率高

d.控制與管理一體化，深入提高自動化程度

6.操作指導、DDC和SCC系統(tǒng)工作原理怎樣？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)絡？

⑴操作指導控制系統(tǒng)：在操作指導控制系統(tǒng)中，計算機時輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制構造。計算機根

據(jù)數(shù)學模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進行處理，計算出各控制量應有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參

照，這時計算機就起到了操作指導的作用。其原理框圖如圖1.2所示,

a.普及應用可編程序控制器

b.采用集散控制系統(tǒng)

c.研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)

本章作業(yè)

簡述幾類常見的計算機控制系統(tǒng)的特點及其應用領域。

第二章輸入輸出過程通道

習題及參照答案

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(chǎn)過程之間設置的信息傳送和轉(zhuǎn)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；按所傳遞和互換的信息來分，過程通道又可分為數(shù)字量過程通道

和模擬量過程通道。

2.數(shù)字?過程通道由哪些部分構成？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)字量輸入通道重要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定期計數(shù)電路等構成。數(shù)字量輸出通道重要由輸

出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等構成。其中：輸入調(diào)理電路未來自控制裝置或生產(chǎn)過程的多種開關量，進行電平轉(zhuǎn)換，

將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成對應的高、低電干，同生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。

3.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，首先運用積分電路將抖動的高頻部分濾出，另一方面運用施密特觸發(fā)器整形。

采用RS觸發(fā)器的硬件消抖電路，重要是運用RS觸發(fā)器的保持功能實現(xiàn)消抖。

4.筒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種管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管構成，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，完畢信號日勺光電耦合傳送，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

5.模擬■輸入通道由哪些部分構成？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構成。

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，為與原則化儀表和執(zhí)行機構匹配提供了以便。

⑵多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。

⑶采樣保持器：A/D轉(zhuǎn)換器完畢一次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)，但愿輸入信號不再變化，以免導致轉(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)A/D轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，可以完畢這一任務的器件，稱為之模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog/Digital

Converter,簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)?

6.對理想多路開關的規(guī)定是什么？

理想的多路開關其開路電阻為無窮大，其接通時的導通電阻為零。此外，還但愿切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。

7.采樣保持器有什么作用？試闡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)換器完畢一次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)，但愿輸入信號不再變化，以免導致轉(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，俁持性能好，但跟隨特

性差。

8.在數(shù)據(jù)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？為何？

不是，對于輸入信號變化很慢，如溫度信號；或者A/D轉(zhuǎn)換時間較快，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號變化很小，在容許的A/D轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，

就不必再選用采樣保持器。

9.A/D轉(zhuǎn)換器的結束信號有什么作用？根據(jù)該信號在I/O控制中的連接方式，A/D轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？它們在接口電路和程序設計上有

什么特點？

A/D轉(zhuǎn)換器的結束信號日勺作用是用以判斷本次AD轉(zhuǎn)換與否完畢。

常見的A/D轉(zhuǎn)換有如下幾種控制方式，各自特點如下

?延時等待法:E0C可不和I/O口連接，程序設計時，延時不小于ADC轉(zhuǎn)換時間后，取數(shù)據(jù)。

?保持等待法:E0C與READY相連.E0C無效時，自動插入等待狀態(tài)。直至EOC有效時，取數(shù)據(jù)。

?查詢法：E0C可以和任意I/O口連接，程序設計時，反復判斷E0C與否有效，直至E0C有效時，取數(shù)據(jù)。

?中斷響應法：E0C與外部中斷相連，AD轉(zhuǎn)換結束后，發(fā)中斷申請.在中斷服務程序中取數(shù)據(jù)。

10.設被測溫度變化范圍為0℃-1200℃,假如規(guī)定誤差不超過0.4℃,應選用辨別為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？

選擇根據(jù)：〃之logI1+—1?12

2k04)

11.設計出8路模擬量采集系統(tǒng)。清畫出接口電路原理圖，并編寫對應的8路模擬?數(shù)據(jù)采集程序。

本例給出月8031、DAC0809設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例。

把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi)RAM的30H-37H單元中。采樣完一遍后停止采集。其數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中斷服務程序如下:

初始化程序：MOVRO,#30H;設置數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針

MOVR2,#08H;設置8路采樣計數(shù)值

SETBIT0;設置外部中斷0為邊緣觸發(fā)方式

SETBEA;CPU開放中斷SETBEXO；容許外部中斷。中斷

MOVDPTR,#FEF8H;送入口地址并指向IN0

LOOP：MOVXgDPTR,A;啟動A/D轉(zhuǎn)換，A的值無意義

HERE：SJMPHERE;等待中斷

中斷服務程序:

MOVXA,&DPTR;讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量

MOV@R0,A;存入片內(nèi)RAM單元

INCDPTR;指向下一模擬通道

INCR0；指向下一種數(shù)據(jù)存儲單元

DJNZR2,INTO;8路未轉(zhuǎn)換完，則繼續(xù)

CLREA；三轉(zhuǎn)換完，則關中斷

CLREXO;嚴禁外部中斷。中斷

RETI;中斷返回

INTO：MOVXWDPTR,A;再次啟動A/D轉(zhuǎn)換

RETI：中斷訴同

12.模擬■輸出通道由哪幾部分構成？各部分的作用是什么？

模擬至輸區(qū)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)理電路構成。

(1)D/A轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的關鍵是數(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：一般狀況下，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播，減

少由于傳播帶來的干擾和衰減，需要采用電流方式輸出模擬信號。許多原則化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機構，一般是采用C?10mA或4?20mA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，轉(zhuǎn)化為電流信號。

13.采用DAC0832和PC總線工業(yè)控制機接口。請畫出接口電路原理圖，并編寫產(chǎn)生三角波、梯形波和鋸齒波的程序,

設計一八路數(shù)據(jù)采集及其回放系統(tǒng)。規(guī)定八路數(shù)據(jù)巡回檢測，存儲10組數(shù)據(jù)，輸數(shù)據(jù)為電壓信號(0-5V),檢測精度＜1%。CPU、AD、DA

可任選。

q+5V

ILEV.f.VRFF

數(shù)據(jù)總線DIf

8086CPU7

地

地址線DAC0832

址

譯CSl(XTD

M/IO碼WR：

XFER

DGN2

WRWR,AGNC

第三章微機數(shù)控系統(tǒng)

習題及參照答案

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)字電子技術和計算機技術，對生產(chǎn)機械進行自動控制的系統(tǒng)，它包括次序控制和數(shù)字程序控制兩部分。

2.什么是次序控制系統(tǒng)？它由哪幾部分構成？

微機次序控制方式是指以預先規(guī)定好的時間或條件為根據(jù)，按預先規(guī)定好的動作次序次序地進行工作。一般地，把準時序或事序規(guī)定工作

的自動控制稱為次序控制。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'檢測機構、顯示與報警電路。

3.微機數(shù)控系統(tǒng)由哪些部分構成？各部分的作用是什么？

由五部分構成。

⑴輸入裝置：一般指微機的輸入設備，如鍵盤。其作用是輸入數(shù)控系統(tǒng)對生產(chǎn)機械進行自動控制時所必需的多種外部控制信息和加工數(shù)

據(jù)信息。

⑵微機：微機是MNC系統(tǒng)運算和控制的關鍵。在系統(tǒng)軟件指揮下，微機根據(jù)輸入信息，完畢數(shù)控插補器和控制器運算，并輸出對應的控

制和進給信號。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進行處理。

⑶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、多種顯示設備等。在微機控制下，輸出裝置首先顯示加工過程

中的各有關信息，另首先向被控生產(chǎn)機械輸出多種有關的開關量控制信號（冷卻、啟、停等），還向伺服機構發(fā)出進給脈沖信號等。

⑷伺服機構：一般包括多種伺服元件和功率驅(qū)動元件。其功能是將輸出裝置發(fā)出的進給脈沖轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)機械對應部件的機械位移（線位移、

角位移）運動。

⑸加工機械：即數(shù)控系統(tǒng)的控制對象，多種機床、織機等。目前已經(jīng)有專門為數(shù)控裝置配套設計的多種機械，如多種數(shù)控機床，它們的

機械構造與一般機床有較大日勺區(qū)別。

4.什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種環(huán)節(jié)？

逐點比較法插補運算，就是在某個坐標方向上每走一步（即輸出一種進給脈沖），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，判斷具偏差狀況，根據(jù)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(zhì)是以階梯折線來迫

近給定直線或圓弧曲線，最大迫近誤差不超過數(shù)控系統(tǒng)的一種脈沖當量（每走一步的距離，即步長）。

直線插補計算過程的環(huán)節(jié)如下：

（1）偏差鑒別：即鑒別上一次進給后的偏差值;m是最不小于等于零，還是不不小于零；

⑵坐標進給：即根據(jù)偏差判斷的成果決定進給方向，并在該方向上進給一步；

⑶偏差計算：即計算進給后的新偏差值Fm+1,作為下一步偏差鑒別的根據(jù)；

⑷終點鑒別：即若已抵達終點，則停止插補；若未抵達終點，則反復上述環(huán)節(jié)。

圓弧插補計算過程的環(huán)節(jié)如下:

⑴偏差鑒別

⑵坐標進給

⑶偏差計算

⑷坐標計算

⑸終點鑒別

5.若加工第二象限直線0A,起點0(0,0),終點A(-4,6)。規(guī)定：

(1)按逐點比較法插補進行列表計算；

⑵作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù).

解：由題意可知x.=4,y.=6,Fo=0,我們設置一種總的計數(shù)器N…其初值應為心=|6-0|+|-4-0|=10,則插補計算過程如表3—1所示。根據(jù)

插補計算過程表所作出的直線插補走步軌跡圖如下圖所示。

表3—1

步數(shù)偏差鑒別坐標進給偏差計算終點鑒別

起點Fo=ON.y=10

1Fo=O-xFi=F0-ye=-6N.v=9

2F,<0+YF?=Fi+x尸一2N,尸8

3F2<0+YF3=F?+X.=2N.=7

4F3>O-XFx=F3-y.=-4N,=6

5FXO+YFs=F4+xe=ON.y=5

6F5=0-XF$二Fs-y”=-6N.=4

-

7FXO+YF7=F6+X,=2N,v=3

8F7<0+YFFF7+XNN『2

9FB>0-XF9=FB-y.=-4N.y=1

10FXO+YFio=F?+Xe=ON『0

6.設加工第一象限的圓弧AB,起點A(6,0),終點B(0,6).規(guī)定:

(1)按逐點比較法插補進行列表計算；

⑵作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù).

解：插補計算過程如表3—2所示。終點鑒別仍采用第二種措施，設一種總口勺計數(shù)器每走一步便減1操作，當N.,=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3—2

步數(shù)偏差鑒別坐標進給偏差計算坐標計算終點鑒別

起點Froxr.=6.yrFON.,-12

1FCFO-XF,=0-12+1=-11XI=5,y,=0N,=11

=

2F,<0+YF?-11+0+1=-10X3=5,y?=1N?=10

3FXO+YF3=-10+2+1=-7xj=5,yj=2N.v=9

X4=5,y=3

4FXO+YFF-7+4+1=-24N.y=8

=+=尸

5FXO+YF$~2+615X5=5,yi=4N.7

X=4,y=4

6Fs>0-XF6=5-10+1=-466N.v=6

XT=4,yF5

7FXO+YF產(chǎn)-4+8+1=5N.v=5

==

8F7>0-XFa=5-8+1=-2Xd3,ys5N.v=4

X

9Fe<0+YF^-2+10+1=99=3,y?=6N.y=3

==

10F,>0-XF,0=9-6+1=4Xio2,yto6N.=2

==

11Fw>0-XF,,=4-4+1=1Xn1,yn6N.v=1

12F?>0-XFi2=1-2+1=0Xu=0,yt2=6N.y=0

7.三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次序和電壓波形圖。

有三種工作方式：

皿，n_n_n_n_ruuuui_n_n_n_n_n_n_

（D三相單三拍工作方式?-U~U_U_U_L_

I_lLJ~~U~~LJ_LJ

各相的通電次序為ATBTC,各相通電的電壓波形如圖3.1所示。

，咐TJ-U―LJU―U~

步迸時鐘n_圖3.2雙三拍工作的電壓波形圖

（3）三相六拍工作方式

A相j?

在反應式步進電機控制中，把單三拍和雙三拍工作方式結合起

Bill----------------------------I--------

CWI-------------------1------------------L來，就產(chǎn)生了六拍工作方式，其通電次序為ATABTBTBCTCTCA。

圖3.1單三拍工作的電壓波形圖

各相通電的電壓波形如圖3.3所示。

（2）三相雙三拍工作方式--IWUUUW^JL^WmL

雙三拍工作方式各相日勺通電次序為ABTBCTCA。各相通電的電壓awIIIIL

8Ml

波形如圖3.2所示。

c柑IIII

圖3.3三相六拍工作的電壓波形圖

8.采用三相六拍方式控制X軸走向步進電機.

?主程序：?S12：MOVRO,#7FH；延時

?MOVA,#OFH；方向輸入信號?S13：DJNZRO,S13；

?MOVP1,A*CLRA;

?XMM：MOVA,P1?MOVXA,@A+DPTR；取數(shù)據(jù)

■JNBACC.7,XM；P1.7=0反轉(zhuǎn)?MOVP1,A

■LCALLSTEP1；調(diào)正轉(zhuǎn)子程序?RET

?SJMPXMM?-X走步子程序：

?XM：LCALLSTP2；調(diào)反轉(zhuǎn)子程序?STEP2：MOVDPTR,#TAB

■SJMPXMM?CLRA

?+X走步子程序：?MOVXA,?A+DPTR；

■STEP1：MOVDPTR,#TAB；指表頭.CJNZA,#01H,S21

■CLRA?MOVDPTR,#TAB

?MOVXA,@A+DPTR；取數(shù)?ADDDPTR,#00C6H

■CJNEA,#05H,S11；與否最終單元?SJMPS12

■MOVDPTR,#TAB；重置表頭?S21：CLRC

?SJMPS12?DECDPL

?S11：INCDPTR；地址加1?SJMPS12

?TAB：DB01H,03H,02H,06H,04H,05H

第四章微型計算機控制系統(tǒng)的控制算法

習題及參照答案

1.數(shù)字控制器的模擬化設計環(huán)節(jié)是什么？

模擬化設計環(huán)節(jié)：

(1)設計假想的模擬控制器D(S)

(2)對時地選擇采樣周期T

(3)將DS)離散化為D(Z)

(4)求出與D(S)對應的差分方程

(5)根據(jù)差分方程編制對應程序。

2.某持續(xù)控制器設計為

\+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)。

2z-1

雙線形變換法：把$=*?二二代入，則

Tz+1

.72z-1

I下（r+27；）z+T27；

Q（z）=Q（z）2_,

1=2-?---2-1"（T2T）ZT-2T

Tz+l1+r<￡+2+2

2Tz+1

前向差分法：把2=^!!■代入，則

17'

]+7>[++-T（z+T—l

螞=的一

5=--1+7,5.,TZ-lT、z+T-Tr

T-]+石〒一■

z—1

后向差分法：把S=——代入，則

Tz

z-1

Tz_T.z+T-T,

z-l~T2Z+T-T2

Tz

3.在PID調(diào)整器中系數(shù)4,、匕、Q各有什么作用？它們對調(diào)整品質(zhì)有什么影響？

系數(shù)即為比例系數(shù)，提高系數(shù)的可以減小偏差，但永遠不會使偏差減小到零，井且無止境地提高系數(shù)卻最終將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)

整可以保證系統(tǒng)的迅速性。

系數(shù)&為根分常數(shù)，左越大積分作用越弱，積分調(diào)整器的突出長處是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)整作用便隨時間不停加強，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答復原位，因而能保持靜差為零。但單純的積分

也有弱點，其動作過于緩慢，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同步，往往使調(diào)整的動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間加長。積分調(diào)整可以消除靜差，提

高控制精度。

系數(shù)匕為微分常數(shù)，和越大微分作用越強。微分調(diào)整重要用來加緊系統(tǒng)的對應速度，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■型控制算法？試比較它們的優(yōu)缺陷。

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遠不不小于信號變化周期時,

作如下近似(T足夠小時，如下迫近相稱精確，被控過程與持續(xù)系統(tǒng)十分靠近)：

[edlxTfe(j)

dee(k)-e(k-1)

——u-----------------------

dtT

于是有：

Tk1

〃伏)=Kp[e(k)+-?(力+咪[式6-式"1)]}

u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構的位置(如控制閥門的開度)一一對應，因此稱之為位置型PID算法。

在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量u(k)不僅與本次偏差有關，還與過去歷次采樣偏差有關，使得

u(k)產(chǎn)生K幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至導致事故。因此實際中當執(zhí)行機構需要日勺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)整閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的此類裝置時，一般均采用

增量型PID控制算法。

=Kt[[e(k)-e(k-})\+—e(k)+^-le(k)-2e(k-\)+e(k-2)]}

7]T

與位置算法相比，增量型PID算法有如下長處：

⑴位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，計算式中要用到過去偏差的累加值，輕易產(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)整器的積分飽和，在精度局限性時，計算誤差對控制量的影響較小，輕易獲得很好的控制效果。

⑵為實現(xiàn)手動一自動無擾切換，在切換瞬時，計算機日勺輸出值應設置為原始閥門開度小，若采用增量型算法，其輸出對應于閥門位置

的變化部分，即算式中不出現(xiàn)u。項，因此易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。

⑶采用增量型算法時所用的執(zhí)行器自身都具有寄存作用，因此雖然計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)導致惡劣影響。

5.已知模擬調(diào)整器的傳遞函數(shù)為

_1+0.17s

⑴一1+0.085s

試寫出對應數(shù)字控制器的位置型和增■型控制算式，設采樣周期T=0.2so

D（V）=^=17^

貝ijU（s）+0.085SU（s）=E（s）+0.17SE（s）

???〃(/)+0.085呼)=削+0.17呼

，源)+0085幽嚶9=M")+Q17強耳小

把T=0.2S代入得

1.425〃(&)-0.425必-1)=4.5★)-3.5業(yè)-1)

位置型

u(k)=3.1579e(Z:)-2.4561e(k-1)+0.2982u(k-1)

增量型

Aw(A)=u(k)-u(k-1)=3.1579^)-2.4561^-1)-0.7018次-1)

6.有哪幾種改善的數(shù)字PID控制器？

有四種：

(D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)消除積分不敏捷區(qū)日勺PID控制

7.采樣周期的選擇需要考慮那些原因？

⑴從調(diào)整品質(zhì)上看，但愿采樣周期短，以減，.'系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度。一般保證在95%的系統(tǒng)的過渡過程時間內(nèi)，采樣6次?

15次即可.

⑵從迅速性和抗擾性方面考慮，但愿采樣周期盡量短，這樣給定值的變化可以迅速地通過采樣得到反應，而不致產(chǎn)生過大的延時。

⑶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E寸，應使每個回路均有足夠的計算時間；當被控對象的純

滯后時間:較大時，常選七(1/4~1/8)To

⑷從計算精度方面考慮，采樣周期T不應過坦，當主機字長較小時，若T過短，將使前后兩次采樣值差異小，調(diào)整作用因此會減弱。此

外，若執(zhí)行機構的速度較低，會出現(xiàn)這種狀況，即新的控制量已輸出，而前一次控制卻還沒完畢，這樣采樣周期再短也將毫無意義，因此

T必須不小于執(zhí)行機構的調(diào)整時間。

8.簡述擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法整定PID參數(shù)的環(huán)節(jié)。

擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)的環(huán)節(jié)：

⑴選擇一種足夠短的采樣周期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如下，此時調(diào)整器只作純比例控制，給定值

r作階躍輸入。

⑵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對應的臨界振蕩周期Ts,并記下此時的比例系數(shù)Kp,將其記作

臨界振蕩增益Ks。此時的比例度為臨界比例度，記作6,二」一

⑶選擇控制度，所謂控制度是數(shù)字調(diào)整器和模擬調(diào)整器所對應的過渡過程的誤差平方的積分之比。

⑷根據(jù)控^度，查表求出T、KpvTi和Td值。

⑸按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行，觀測控制效果，再合適調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。

擴充響應曲線法整定PID參數(shù)的環(huán)節(jié)：

⑴斷開數(shù)字調(diào)整器，讓系統(tǒng)處在手動操作狀態(tài)。將被調(diào)量調(diào)整到給定值附近并穩(wěn)定后，然后忽然變化給定值，即給對象輸入一種階躍信

號。

⑵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。

⑶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。

(4)由T、Tc、Tc/i值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。

9.數(shù)字控制器直接設計環(huán)節(jié)是什么？

計算機控制系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。

圖4-1計算機控制系統(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)字控制器的直接設計環(huán)節(jié)如下：

⑴根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標規(guī)定和其他約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)①(z)0

⑵求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)。

⑶求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)0

(4)根據(jù)D：z)求取控制算法的遞推計算公式。

10.被控對象的傳遞函數(shù)為

G($)U

采樣周期T=1$,采用零階保持器，針對單位速度輸入函數(shù)，設計:

(1)至少拍控制器凡二)；

(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。

⑴至少拍控制器

可以寫出系統(tǒng)的廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)

萍）臼匕1?斗小3）斗用中

s）LS」2（1-z-7

將T=1S代入，有

G（力_z“（l+z」）

GX，-2（1-Z'）2

由于輸入r（t）=t,則

G,(z)=(i-z"y

1-C,(z)zT(l+zT)

D(z)=

G&)G(z)-2

⑵系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

0（z）=2z-l-z-2

則當輸入為單位速度信號時，系統(tǒng)輸出序列Z變換為

F(z)-Z?(Z)0(Z)-(22-,Z-2)/TZ-2Tz-2I3Tz-3I4Tz-4I

(")

y(0)=0,y(1)=0,y⑵=2T,y(3)=3T,-

11.被控對象的傳遞函數(shù)為

GG）小，

采樣周期T=1s,規(guī)定：

（1）采用Smith賠償控制，求取控制器的輸出“（A）;

（2）采用大林算法設計數(shù)字控制器O（Z）,并求取的遞推形式。

⑴采用Snith賠償控制

廣義對象的傳遞函數(shù)為

HG(s)=H(s)G(s)=?y-j-=；；：])?e=〃Gp(s”ef

ciyc

2Z」

0，(z)=z[0,(s)]=Z

l

其中q=m=l-e-,L=-=],T=]S

則叫二鬻二%j

1-0.3679Z-1

U(z)~0.3697z-'(/(z)=0.6321(2-1-z-2)F(z)

“(乃-().632-1)-0.632]e{k-2)十().3675〃-1)

⑵采用大林算法設計數(shù)字控制器

取T=1S,7=1,K=1,T,=1,L=r/T=1,設期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)T0=O.5S

則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為

L(Y)

G/)=Z

s"s+1l-z-'e~2

廣義被控對象日勺脈沖傳遞函數(shù)為

WGc(z)=Zh-'z-———

51+51-z-1e-I

則

D(.\=G(z)=)z-2(l—e-2)=

"WG(z)[l-G(z)]HGjz^i-z-'^-z-^l-e-2)]7^

cfl[i-z-1^-2-z-2(l-e-2)]

又螞嗡

(J二(?”一(一二片]

(1-0.3679Z1)(1-0.1353)

(1-0.3679)[1-0.1353z-'-(1-0.1353)z-2]

1.3680-0.5033ZT

1-O.1353ZT-0.8647Z-2

-,-,

貝ijU(z)-0.1353z(/(z)-0.8647Z-2(/(Z)=l.368OE(z)-O.5O33zE(z)

上式反變換屆時域，則可得到

〃卜)=1.368刎4)一0.5033(^一1)+0.1353M(左一1)+0.8647〃伙-2)

12.何為振鈴現(xiàn)象？怎樣消除振鈴現(xiàn)象？

所謂振鈴現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出u(k)以靠近二分之一的采樣頻率大幅度上下擺動。它對系統(tǒng)的輸出幾乎是沒有影響的，但會使執(zhí)行機

構因磨損而導致?lián)p壞。

消除振鈴現(xiàn)象的措施：

<1)參數(shù)選擇法

對于一階滯后對象，假如合理選擇期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)TO和果樣周期