1、13.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
2、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
3、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(05V 或 420mA)后，再送入微机。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
4、行控制。第二章 输入输出过程通道习题及参考答案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。23.简述两种硬件消抖电路的工作原理。采用积分电路的硬件消抖电路，首先利用积分电路将抖动的高频部分滤出
5、，其次利用施密特触发器整形。采用 RS 触发器的硬件消抖电路，主要是利用 RS 触发器的保持功能实现消抖。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
6、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)。7.采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。采样保持器的作用：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。保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的跟随特
7、性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差。8.在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什么？不是，对于输入信号变化很慢，如温度信号；或者 A/D 转换时间较快，使得在 A/D 转换期间输入信号变化很小，在允许的 A/D 转换精度内，就不必再选用采样保持器。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？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
8、，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。10.设被测温度变化范围为 0oC1200oC,如果要求误差不超过 0.4oC,应选用分辨为多少位的 A/D 转换器？选择依据： 124.2lgn11.设计出 8 路模拟量采集系
9、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。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 IN0LOOP： MOVX DPTR，A ；启动
10、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3RETI ；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
11、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。许多标准化的工业仪表或执行机构，一般是采用 010mA 或 420mA的电流信号驱动的。因此，需要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
12、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0 -X F4=F3-ye=-4 Nxy=65 F40 -X F9=F8-ye=-4 Nxy=110 F90 -X F6=5-10+1=-4 x6=4,y6=4 Nxy=67 F60 -X F8=5-8+1=-2 x8=3,y8=5 Nxy=49 F80 -X F10=9-6+1=4 x10=2,y10=6 Nxy=211 F100 -X F11=4-4+1=1 x11=1,y11=6 Nxy=112 F110
13、 -X F12=1-2+1=0 x12=0,y12=6 Nxy=0第四章 微型计算机控制系统的控制算法习题及参考答案2.某连续控制器设计为 sTD21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 代入，则1z 2211212 TzT-zT|zDTs 前向差分法：把 代入，则-z 221121211 TzTs|sDzTz 后向差分法：把 代入，则z 221121211 TzTs|sDzTz 3.在 PID 调节器中系数 、 、 各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？pkid系数 为比例系数，提高系数 可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境地
14、提高系数 最终将导致系统不稳定。比例pk pk调节可以保证系统的快速性。系数 为积分常数， 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，其输出的调节作用便随时间不断加强，直i i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。系数 为微分常数， 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。dkdk4.什么是数字 PID 位置型
15、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 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)：6Tkedtjtkj)1(00于是有： )()()()(0jkeKudipu(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
16、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)()1()( kekeTkeKkudip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，
17、在切换瞬时，计算机的输出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.sD08517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。.EU则 sSE.sS.s170085dtetdutTke.kTk.k 1把 T=0.2S 代入得 534142501 -.u. 位置型 1298.06.79.3kukekeku增量型 7
18、.7.采样周期的选择需要考虑那些因素？(1)从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在 95%的系统的过渡过程时间内，采样 6次15 次即可。(2)从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。(3)从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期 T 应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间；当被控对象的纯滞后时间 较大时，常选 T=（1/41/8）。(4)从计算精度方面考虑，采样周期 T 不应过短，当主机字长较小时，若 T 过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。另
19、外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因此 T 必须大于执行机构的调节时间。10.被控对象的传递函数为721sGc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函数 21-232 zT11sesezGT-Tc Z将 T=1S 代入，有21-zc由于输入 r(t)=t，则21-eG1zzzDe(2)系统闭环脉冲传递函数 21-则当输入为单位速度信号时，系统输出序列 Z 变换为
20、 4322121 TzTzzzzRYy(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,11.被控对象的传递函数为 scesG1采样周期 T=1s，要求：(1)采用 Smith 补偿控制，求取控制器的输出 ；ku(2)采用大林算法设计数字控制器 ，并求取 的递推形式。zD(1)采用 Smith 补偿控制广义对象的传递函数为 sPssTsCC eHGeesGHs 1105432102 T 3 T 4 T 6 T5 TT8111zabessDz LsZ其中 STtLbeaT ,11则 123679.0zzEUzEz 213697.013679.0.2kukekeku(2)采用大林算法设计数
21、字控制器取 T=1S, ,K=1,T1=1,L= =1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数 T0=0.5ST/则期望的闭环系统的脉冲传递函数为 210ezsezGLTBZ广义被控对象的脉冲传递函数为 12111 ezszsTKsezH -LC Z则又2112221 221122218647.035. 35.03.9. zzzzee ezezezezHGzGzDCBC zEUD则 zEzEzUU 12503.68.1. 上式反变换到时域，则可得到 247.35.03. kukukekeku12.何为振铃现象？如何消除振铃现象？所谓振铃现象是指数字控制器的输出 u(k)以接近二分之一的采样频率大幅度
22、上下摆动。它对系统的输出几乎是没有影响的，但会使执行机构因磨损而造成损坏。消除振铃现象的方法：（1）参数选择法对于一阶滞后对象，如果合理选择期望闭环传递函数的惯性时间常数 T0 和采样周期 T，使 RA0，就没有振铃现象。即使不能使RA0，也可以把 RA 减到最小，最大程度地抑制振铃。（2）消除振铃因子法找出数字控制器 D(z)中引起振铃现象的因子(即 z=-1 附近的极点)，然后人为地令其中的 z=1，就消除了这个极点。根据终值定理，这样做不影响输出的稳态值，但却改变了数字控制器的动态特性，从而将影响闭环系统的动态响应。13.前馈控制完全补偿的条件是什么？前馈和反馈相结合有什么好处？前馈控制
23、完全补偿的条件是 。0SGsDn如果能将扰动因素测量出来，预先将其变化量送到系统中进行调整，这样在被调量改变之前就能克服这些扰动的影响。这种扰动的预先调整作用就称为前馈。若参数选择得合适，前馈控制可取得良好的控制效果。但实际上，前馈控制环节的参数不易选得那么准确，而且一个实际系统的扰动也不只一个，因此反馈控制还是不可少的。主要扰动引起的误差，由前馈控制进行补偿；次要扰动引起的误差，由反馈控制予以抑制，这样在不提高开环增益的情况下，各种扰动引起的误差均可得到补偿，从而有利于同时兼顾提高系统稳定性和减小系统稳态误差的要求。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：9（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。15.多变量控制系统解耦条件是什么？多变量控制系统解耦条件是系统的闭环传递函数矩阵 为对角线矩阵。s
