1、 1 第一章 计算机控制系统概述 习题 及 参考答案 1.计算机控制系统的控制过程是怎样的 ? 计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤： (1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 由四部分组成。 图 1.1 微机控制系统组成框图 (1)主机： 这是微型计算机控制 系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象
2、的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算 (如调节规律运算、最优化计算等 )和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道： 这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对 象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。 (3)外部设备： 这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括
3、人机联系设备 (操作台 )、输入输出设备 (磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等 )和外存贮器 (磁盘 )。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。 (4)检测与执行机构 a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测 元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成 mV 信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号 (0 5V 或 4 20mA)后，再送2 入
4、微机。 b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构 (调节阀 )来控制进 入加热炉的煤气 (或油 )量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。 5.微型计算机控制系统的特点是什么？ 微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点： a.控制规律灵活多样，改动方便 b.控制精度高，抑制扰动
5、能力强，能实现最优控制 c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高 d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度 6.操作指导、 DDC 和 SCC 系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？ (1)操作指导控制系统：在操作指导控 制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。其原理框图如图 1.2 所示。 图 1.2 操作指导控制系统原理框图 (2)直接数字控制系统 (DDC 系统 )： DDC(Direct Digital Con
6、trol)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执 行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。 DDC 系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。其原理框图如图 1.3 所示。 图 1.3 DDC 系统原理框图 (3)计算机监督控制系统 (SCC 系统 )： SCC(Supervisory Computer Control)系统比 DDC 系统更接近生产变化的实际情况，因为在 DDC 系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，3 而 SCC 系统不仅可以
7、进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。 SCC 系统的原理框图如图 1.4 所示 。 图 1.4 SCC 系统原理框图 SCC 是操作指导控制系统和 DDC 系统的综合与发展。 4 第二章 输入输出过程通道 习题 及 参考答案 1.什么是过程通道？过程通道有哪些分类？ 过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。 按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。 2.数字量过程通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量
8、输出通道。 数字量输入通道主 要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。其中：输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量，进行 电平转换 ，将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行 滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离 等问题。 5.模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 模拟量输入通道一般由 I/V 变换、多路转换器、采样保持器、 A/D 转换器、接口及控制逻辑电路组成。 (1)I/V 变换：提 高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了
9、信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。 (2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。 (3)采样保持器： A/D 转换器完成一次 A/D 转换总需要一定的时间。在进行 A/D 转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在 A/D 转换器之前加入采样保持器。 (4)A/D 转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模/数转换器 (Analog/Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC)。 9.A/D转换器的结束信号有什么作用？根据该信号在 I/O控制中的连接方式， A/D转换有几种控制方式
10、？它们在接口电路和程序设计上有什么特点？ A/D 转换器的结束信号的作用是用以判断本次 AD转换是否完成。 常见的 A/D 转换有以下几种控制方式，各自特点如下 延时等待法 :EOC 可不和 I/O 口连接，程序设计时，延时大于 ADC 转换时间后，取数据。 保持等待法 :EOC 与 READY 相连 ,EOC 无效时 ,自动插入等待状态。直至 EOC 有效时，取数据。 查询法 : EOC 可以和任意 I/O 口连接，程序设计时，反复判断 EOC 是否有效，直至 EOC 有效时，取数据。 中断响应法 : EOC 与外部中断相连， AD 转换结束后 ,发中断申请 ,在中断服务程序中取数据。 11
11、.设计出 8 路模拟量采集系统。请画出接口电路原理图，并编写相应的 8 路模拟量数据采集程序。 本例给出用 8031、 DAC0809 设计的数据采集系统实例。 5 把采样转换所得的数字量按序存于片内 RAM 的 30H37H 单元中。采样完一遍后停止采集。其数据采集的初始化程序和中断服务程序如下： 初始化程序： MOV R0， #30H ；设立数据存储区指针 MOV R2， #08H ；设置 8 路采样计数值 SETB IT0 ；设置外部中断 0为边沿触发方式 SETB EA ； CPU 开放中断 SETB EX0 ；允许外部中断 0中断 MOV DPTR， #FEF8H ；送入口地址并指向
12、 IN0 LOOP： MOVX DPTR， A ；启动 A/D 转换， A的值无意义 HERE： SJMP HERE ；等待中断 中断服务程序： MOVX A， DPTR ；读取转换后的数字量 MOV R0， A ；存入片内 RAM 单元 INC DPTR ；指向下一模拟通道 INC R0 ；指向下一个数据存储单元 DJNZ R2， INT0 ； 8路未转换完，则继续 CLR EA ；已转换完，则关中断 CLR EX0 ；禁止外部中断 0中断 RETI ；中断返回 INT0： MOVX DPTR， A ；再次启动 A/D 转换 RETI ；中断返回 12.模拟量输出通道由哪几部分组成？各部分的
13、作用是什么？ 模拟量输出 通道一般由接口电路、 D/A 转换器、功率放大和 V/I 变换等信号调理电路组成。 (1)D/A 转换器：模拟量输出通道的核心是数 /模转换器 (Digital/Analog Converter,简称 D/A 转换器或DAC)。它是指将数字量转换成模拟量的元件或装置。 (2)V/I 变换： 一般情况下， D/A 转换电路的输出是电压信号。在计算机控制系统中，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减少由于传输带来的干扰和衰减，需要采用电流方式输出模拟信号。许多6 标准化的工业仪表或执行机构，一般是采用 0 10mA 或 4 20mA 的电流 信号驱动的。因此，需要
14、将模拟电压信号通过电压 /电流 (V/I)变换技术，转化为电流信号。 13.采用 DAC0832 和 PC 总线工业控制机接口。请画出接口电路原理图，并编写产生三角波、梯形波和锯齿波的程序。 设计一八路数据采集及其回放系统。要求八路数据巡回检测，存储 10 组数据，输数据为电压信号（ 0-5V），检测精度 1%。 CPU、 AD、 DA 可任选。 ILE VCCVR E FDI7CSDI0D A C 0 8 3 2IO U T 22WRX F E RD G N DA G N DD7 D0地址译码0Y地址线1WRIO / MWR8 0 8 6 C P URfbIO U T 1UoA 5V数据总线
15、7 第四章 微型计算机控制系统的控制算法 习题 及 参考答案 1.数字控制器的模拟化设计步骤是什么？ 模拟化设计步骤： （ 1）设计假想的模拟控制器 D(S) （ 2） 正确地选择采样周期 T （ 3）将 D(S)离散化为 D(Z) （ 4）求出与 D(S)对应的差分方程 （ 5）根据差分方程编制相应程序 。 2.某连续控制器设计为 sT sTsD 2111 试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器 D(Z)。 双线形变换法：把 112 zzTs 代入，则 221121112 22221121 1121TTzTTTT-zTTzzTTzzTT|zDzDzzTs 前向差分法：把
16、Tz-z 1 代入，则 221121211 111111TTzTTTzTTzT TzTsTsT|sDzDTzs 后向差分法：把Tzzs 1代入，则 221121211 111111TTzTTTzTTzzT TzzTsTsT|sDzDTzzs 3.在 PID 调节器中系数 pk 、 ik 、 dk 各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？ 系数 pk 为比例系数，提高系数 pk 可以减小偏差，但永远不 会使偏差减小到零，而且无止境地提高系数 pk最终将导致系统不稳定。比例调节可以保证系统的快速性。 系数 ik 为积分常数， ik 越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输
17、出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同 时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间加长。积分调节可以消除静差，提高控制精度。 8 系数 dk 为微分常数， dk 越大微分作用越强。微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响。 4.什么是数字 PID 位置型控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。 为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟 PID 算式离散化，变为数字 PID 算式，为此，在采样周期
18、 T远小于信号变化周期时，作如下近似 (T 足够小时，如下 逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近 )： TkekedtdejeTedt kjt)1()()(00 于是有： )1()()()()( 0 kekeTTjeTTkeKku kj dip u(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置 (如控制阀门的开度 )一一对应，所以称之为位置型 PID 算法。 在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量 u(k)不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得 u(k)产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而
19、是其增量时，可以采用增量型 PID 算法。当控制系统中的执行器 为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型 PID 控制算法。 )2()1(2)()()1()()( kekekeTTkeTTkekeKku dip 与位置算法相比，增量型 PID 算法有如下优点： (1)位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。 (2)为实现手动 自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出
20、值应设置为原始阀门开度 u0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位 置的变化部分，即算式中不出现 u0项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。 (3)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。 5.已知模拟调节器的传递函数为 s. s.sD 08501 1701 试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式，设采样周期 T=0.2s。 s. s.sE sUsD 08501 1701 则 sSE.sEsSU.sU 1700850 9 dt tde.tedt tdu.tu 17008 50 T keke.keT kuku
21、.ku 1170108 50 把 T=0.2S 代入得 15354142504251 k-e.ke.ku.ku. 位置型 12 9 8 2.014 5 6 1.21 5 7 9.3 kukekeku 增量型 17 0 1 8.014 5 6 1.21 5 7 9.31 kukekekukuku 6.有哪几种改进的数字 PID 控制器？ 有四种： （ 1）积分分离 PID 控制算法 （ 2）不完全微分 PID 控制算法 （ 3）带死区的 PID 控制算法 （ 4）消除积分不灵敏区的 PID 控制 9.数字控制器直接设计步骤是什么？ 计算机控制系统框图如图 4 1 所示。 图 4 1 计算机控制系
22、统框图 由广义 对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数 D(z)。 数字控制器的直接设计步骤如下： (1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数 (z)。 (2)求广义对象的脉冲传递函数 G(z)。 (3)求取数字控制器的脉冲传递函数 D(z)。 (4)根据 D(z)求取控制算法的递推计算公式。 10.被控对象的传递函数为 21ssGc 采样周期 T=1s，采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，设计： (1)最少拍控制器 zD ； (2)画出采样瞬间数字控制器的输出和系统的输出曲线。 (1)最少拍控制器 可以写出系统的广义对象的脉冲传递
23、函数 21 1-1232 z12 z1zT1111 sessezG Ts- T sc Z 10 将 T=1S 代入，有 21 1-1 z12 z1z zGc 由于输入 r(t)=t，则 211 -e zzG 211 11 zzzGzG zGzD e e (2)系统闭环脉冲传递函数 212 -zzz 则当输入为单位速度信号时，系统输出序列 Z 变换为 43221121 4 T z3 T z2 T z12 zTzzzzzRzY y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T, 14.与 PID 控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？ 与 PID 控制和直接数字控制相比，模糊控制的优点： （ 1）模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统。 （ 2）模糊控制不用建立对象精确的数学模型。 （ 3）模糊控制系统的鲁棒性好。 （ 4）模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。 第 五章 微型计算机控制系统的 应用软件设计 习题 及 参考答案 1.简述应用软件的设计步骤。 图 5 1 给出了应用软件设计的流程图，它描述了应用软件设计的基本任务和设计过程。 5432102 T 3 T 4 T 6 T5 TT
