1、111 第一章（绪论）作业1.1 什么是计算机控制系统？它由哪几部分组成？答：计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程控制的系统。 、计算机控制系统由工业控制机和生产过程两个大部分组成。工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关装置。计算机控制系统的组成框图见书本第 2 页（图 1.2） 。1.2 计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么优缺点？答：（1）操作指导控制系统优点：结构简单，控制灵活，安全。缺点：由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。（2）直接数字控制系统（DDS）优点：实时性好，可靠性
2、高，适应性强。（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最优工况。（4）分散控制系统（DCS）优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。（5）现场总线控制系统（FCS）优点：与 DCS 相比，降低了成本，提高了可靠性。国际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构。1.4 工业控制机由哪几部分组成？ 各部分的重要作用是什么？ 工业控制机的特点是什么？答：工业控制机主要由以下几部分组成：1、硬件组成：（1）主机板：进行必要的数值计算，逻辑判断，数据处理。（2）内部总线：内部各部分进行信息传递的公共通道，是一组信号线的集合。（3）外部总线：与其他计算机和智能设备进行信息传送的
3、公共通道。（4）人-机接口（5）系统支持功能：监控定时器、电源掉电检测、保护重要数据的后台存储器体、实时日历时钟、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。 2、软件组成：（1）系统软件：实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序。（2）支持软件：汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序。（3）应用软件：过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口出程序。工业控制机的特点如下：（1）可靠性高和克维修性好（2）环境适应性强（3）控制的实时性好（4）晚含的输入输出通道（5）丰富的软件（6）适当的计算精度和运算速度第二章（输入输出接口与过程通道）作业2.1 什么是接口、接口技术和过程
4、通道？ 答：接口是计算机与外设交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。过程通道是计算机与生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。2.2 采用 74LS244 和 74LS273 与 PC 总线工业控制机接口，设计 8 路数字量（开关量）输入接口和 8 路数字量输出接口。请画出接口电路原理图，并分别编写数字量输入与输出程序。答：电路原理图见书本第 19 页（图 2.1 和图 2.2） 。数字量输入程序（设片选端口地址为 port）：MOV DX，portIN AL , DX数字量输出程序：MOV AL , DATAMOV DX , por
5、t OUT DX，AL2.3 用 8 位 A/D 转换器 ADC0809 通过 8255A 与 PC 总线工业控制接口，实现 8 路模拟量的采集，请画出接口原理图，并设计出 8 路模拟量的数据采集程序。答：原理图见书本上第 28 页（图 2.15） 。8 路模拟量采样程序：ADC0809 PROC NEARMOV CX , 8CLDMOV BL , 00HLEA DI , DATABUFNEXT: MOV DX , 02C2HMOV AL , BLOUT DX , ALINC DXMOV AL , 00000111B / 输入启动信号OUT DX , ALDEC DXNOSC: IN AL ,
6、 DXTEST AL , 80HJNZ NOSC /NOEOC: IN AL ,DXTEST AL ,80HJZ NOEOC / EOC=0 ，等待MOV DX , 02C0H / 读转换结果IN AL , DXSTOS DATABUFINC BL / 修改模拟通道地址LOOP NEXTRETADC0809 ENDP2.5 请分别画出一个有源 I/V 变换电路和一个无源 I/V 变换电路图。并分别说明各个器件的作用。答：有源变换电路见书本上第 32 页（图 2.19）：同相放大器电路把电阻 上的输入电压变成标准的输出电压（放大倍数为 ） ；1R 431RA极性电容 C 能起到滤波作用，防止高频
7、的干扰；为平衡电容。5无源变换电路见书本上第 31 页（图 2.18）：极性电容 C 起滤波的作用；二极管 D 起限幅保护作用（当输出电压大于 5V 时，D 导通减少流过 的电流从2R而降低 上的电压，保证输出不超过 5V） ；2R2.6 什么是采样过程？量化，孔径时间？答：采样过程：按一定的时间间隔 T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号转变成在时刻 0，T，2T， 、 、 、 、 、 、kT 的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。量化：采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。孔径时间：在模拟输入通道中，A/D 转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次 A
8、/D 转换所需要的时间称为孔径时间。2.7 采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可以采用带有保持器电路的采样器。当被测信号变化很慢时，若 A/D 转换器时间足够短，可以不加采样保持器。2.8 一个 8 位 A/D 转换器，孔径时间为 100 。如果要求转换误差在 A/D 转换精度（0.4% ）s内，求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？解： 620.4.42*1Zf Hs2.9 试用 8255A、AD574 、LF398、CD4051 和 PC 总线工业控制机接口设计出 8
9、 路模拟量采集系统，请画出接口电路原理图，并编写相应 8 路模拟量数据采集程序。答：原理图见书本上第 36 页（图 2.25） 。数据采集程序如下：设 8255A 的地址为 2C0H2C3H，主过程已对 8255A 初始化，且已装填 DS、ES（两者段基值相同） ，采样值村入数据段中的采样值缓冲区 BUF。其 8 通道数据采集的程序见书本上第 37（图 2.26） 。AD574A PROC NEARCLDLEA DI , BUFMOV BL , 00000000B /MOV CX , 8ADC : MOV DX , 2C2HMOV AL , BLOUT DX , ALNOPNOPOR AL ,
10、 01000000BOUT DX , ALAND AL , 10111111BOUT DX , ALMOV DX , 2C0HPULLING: IN AL , DXTEST AL , 80HJNZ PULLINGMOV AL , BLOR AL , 00010000BMOV DX , 2C2HOUT DX , ALOR AL , 01000000BOUT DX , ALMOV DX , 2C0HIN AL , DXAND AL , 0FHMOV AH , ALINC DXIN AL , DX STOSWINC BLLOOP ADCMOV AL , 00111000BMOV DX ,2C2HOU
11、T DX , ALRETADC574A ENDP2.10 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 D/A 转换程序。答：原理图见书本上第 41 页（图 2.29） 。若 DAC0832 的片选地址为 200H,则 8 位 2 进制数 6DH 转换为模拟电压的接口程序为：MOV DX ， 200HMOV AL ， 6DHOUT DX ， ALHLT2.12 请分别画出 D/A 转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推出输出电压与输入数字两之间的关系式。解：D/A 转换器的单极性和双极性输出电路见书本上第 44 页（图 2.33） 。为单极性输出，若
12、D 为输入数字量， 为基准参考电压，且为 n 位 D/A 转换1OUTVREFV器，则有 ；1*2TREFnV为双极性输出，可以推出：2OUT332 1112(*)*()2REFOUTREFnDV2.13 采用 DAC0832、运放、CD4051 等元件与 PC 总线工业控制机接口，设计 8 路模拟量输出系统，请画出接口电路原理图，并编写 8 路模拟量输出的程序。答：原理图见书本上第 48 页（图 2.40） 。设 8 个输出数据存放在内存数据段 BUF0BUF7 这 8 个连续单元中，主过程已经填装DS，输出子程序如下：DOUT PROC NEARMOV BX , OFFSET BUFNEX
13、T: MOV AL , BXOUT DX , ALINC DXOUT DX , ALCALL DELAYINC AHDEC DXLOOP NEXTRETDOUT ENDP其中 DELAY 是一段延时程序。第四章（常规及复杂控制技术）作业4.1 数字控制器的连续化设计步骤是什么？ 答：1、设计家乡的连续控制器 D（S ）2、选择采样周期 T3、将 D（S）离散化为 D（Z）4、设计由计算机实现的控制算法5、校验4.2 某系统的连续控制器设计为 12()TsUsE试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求出数字控制器 D（Z） ，并分别给出三种方法对应的递推控制算法。答：双线形变换法：由 带入
14、 D（s ）表达式中得到：21zsT1 11222()()()TzTzDz 进一步利用 得到：()UzE1 122 1()()()(2()(zTTEzTTzE 所以： 1122 )ukekekuk前向差分法：将 代入 D（s ）中得到：zsT111222()() zDz 所以： 1122()()()(1ukTekekTuk后向差分法：将 代入 D（s ）中得到：zs1122()TzDzz所以： 2111()()()ukukTek4.3 什么是数字 PID 位置控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。答：数字 PID 位置控制算法的数学表达式为： 0()1)()()()kpDiITekuk
15、KeT数字 PID 增量型控制算法的数学表达式为： 0()(2)(1)(1)kPDiIekkeTuu这种数字 PID 算法的比较如下：（1） 增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差对控制量的计算影响较小。而位置型的算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。（2） 增量型算法得出的是控制量的增量；而位置型算法得到的控制两的全量输出，误动作影响很大。（3） 采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。4.4 已知模拟调节器的传递函数为：，试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算法，设采样()10.785UssDE周期 T=0.2S 并以 C 语
16、言实现。答：根据 ，得到().10ss()()0.850.17dutdet()()10.85().7(),.2ukekuekTsTT令：m=0.085 100()()()()5511225 01201()(1)()()()()555mmkkekuuekmkkukekek所以： 0.29821.982.89uek4.5 什么叫积分饱和？它是怎么样产生的？如何消除？答：（1）由于长时间的偏差或偏差过大，控制量超过执行机构的极限位置，导致控制量虽然在增大但是执行机构已无动作的现象称为积分饱和。（2）执行机构的非线性和偏差的长时间存在时导致积分饱和现象的原因。（3）消除方法：对控制量限幅：例如令： 1
17、10()()ukuk过限削弱积分 PID 算法：若 则只有当 时才将 计入积分项；1()uk()e()ek若 则只有当 时才将其计入积分项。0k第四章补充题 1：求 z 变换（1） 2()atfte（2） 3(1)sF解：（1）离散化： 2akTfe2221()aTaTaTezFz eez（2） 31()()ss所以： 2ttfte离散化： 121()kTkTFzezz第四章补充题 2：求 z 反变换（1） 3()0.5)(.8z（2） 2()1()zF解：（1）因为 Z 变化的特殊性，所以先要确定收敛域才能进行反变换，从而与一个特定的信号相对应起来。对于控制系统中假定信号为因果序列，用部分分
18、式展开发： 21193135() 0.80.5)(.80.9.zzFzzz（2）2211()()(Fzzz第四章补充题 3：求初值和终值。21.6()08.5zFz解：21.6(0)lim()li.zzfF121()1lili0.85z zzf第四章补充题 4：用 z 变换求差分方程(2)()3()ykyky解：第四章补充题 5：求脉冲函数的 z 变换（1） ().()TsekGab（2）解：（1） 11111().()()()()() TsTsaTbTekGabkeskbGzzezez（2） 12()z4.6 采样周期的选择需要考虑什么因素？答：（1）根据香农定律可以计算出采样周期的上限，其
19、下限为计算机执行控制程序和输入和输出及 A/D,D/A 转换时间。（2）给定值的变化频率。（3）被控对象的特性。（4）执行机构的特性。（5）控制算法的类型。（6）控制的回路数。4.7 试叙述试凑法，扩充临界比力度法，扩充响应曲线法整定 PID 参数的步骤。答：试凑法：(1) 只整定比例部分，将比例系数由小变大直至反应快，超调小的曲线；(2) 若（1）步不能满足设计要求（静差） ，加入积分环节，将积分时间 由较大值开IT始调整，并将（1）步得到的比例系数调味原来的 左右，见效 直至静差消80%I除；(3) 若动态过程性能不好，先置微分时间 为 0，然后增大至其满意的结果。DT扩充临界比力度法：（
20、1） 选择采样周期为被控对象纯滞后的 以下；10（2） 用选定的采样周期使系统工作。去掉积分和微分作用，减小比例度 直至系统发生等幅振荡。记下此时的临界比例度 与临界振荡周期 ；PkT（3） 选择控制度，以模拟调节器为基准，将 DDC 的控制效果与之比较（4） 根据选定的控制度查表求得 的值。,pIDTK扩充响应曲线法：（1） 数字控制器不接入控制系统中，手动将被调量稳定在给定值附近，突然改变给定植，给对象一个阶跃信号；（2） 用记录仪表记录被调量在节约输入下的整个变化过程的曲线（3） 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间 ，被控对象时间参数 以及它们c的比值 。查表得到 的值。c,pIDTK
21、4.8 数字控制器的离散化设计步骤是什么？答：（1）根据系统性能的指标要求和其他约束条件确定所需的闭环脉冲传递函数 ()Gz（2）根据式 求出广义对象的脉冲传递函数()1()()TSBzeGZHsGsA（3）根据式 求得数字控制器的脉冲传递函数1()()Dzz（4）根据 求取控制器算法的递推形式 0101()()()()miiniimiiiniibzUzEazbzzukeauk4.9 已知被控对象的传递函数为 ，采样周期为 ，采用零阶保持器。要10().)cGs1Ts求：（1）针对单位速度输入信号设计最小拍无纹波系统的 ，并计算输出响应 、控制信()Dz()yk号 、误差 序列，画出它们对时间的波形。()uk()e
