微機計算機控制技術(shù)課后于海生第2版習(xí)題詳解答案

1、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(shù)據(jù)采集：對被控量的瞬時值進(jìn)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(shù)的狀態(tài)量進(jìn)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(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。6.操作指導(dǎo)、DDC和SCC系統(tǒng)工作原理如何？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？(1)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計算機根據(jù)數(shù)學(xué)模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行處理，計算出各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時

2、計算機就起到了操作指導(dǎo)的作用。其原理框圖如圖1.2所示。(2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))：DDC系統(tǒng)就是通過檢測元件對一個或多個被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，經(jīng)輸入通道送給微機，微機將檢測結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再進(jìn)行控制運算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構(gòu)，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達(dá)到預(yù)定的要求。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用形式。(3)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))：SCC系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實際情況，因為在DDC系統(tǒng)中計算機只是代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，系統(tǒng)不能運行在最佳狀態(tài)，而SCC系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行給定值控制，并且還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。

3、SCC系統(tǒng)的原理框圖如圖1.4所示。SCC是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。2.數(shù)字量過程通道由哪些部分組成？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)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定時計數(shù)電路等組成。數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：輸入調(diào)理電路 轉(zhuǎn)換 濾波、保護、消除觸點抖動，以及進(jìn)行信號隔離等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(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯電路組成。(1)I/V變換：提高

4、了信號遠(yuǎn)距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減，為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機構(gòu)匹配提供了方便。(2)多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。(3)采樣保持器：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉(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(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這一任務(wù)的器件，稱為之模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)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(biāo)方向上每走一步（即輸出一個進(jìn)給脈

5、沖），就作一次計算，將實際進(jìn)給位置的坐標(biāo)與給定的軌跡進(jìn)行比較，判斷其偏差情況，根據(jù)偏差，再決定下一步的走向（沿X軸進(jìn)給，還是沿Y軸進(jìn)給）。逐點比較法插補的實質(zhì)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(shù)控系統(tǒng)的一個脈沖當(dāng)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(jìn)給后的偏差值Fm是最大于等于零，還是小于零；(2)坐標(biāo)進(jìn)給：即根據(jù)偏差判斷的結(jié)果決定進(jìn)給方向，并在該方向上進(jìn)給一步； (3)偏差計算：即計算進(jìn)給后的新偏差值Fm+1，作為下一步偏差判別的依據(jù)；(4)終點判別：即若已到達(dá)終點，則停止插補；若未到達(dá)終點，則重復(fù)上述步驟。圓弧插補計

6、算過程的步驟如下：(1)偏差判別(2)坐標(biāo)進(jìn)給(3)偏差計算(4)坐標(biāo)計算(5)終點判別3.6 .三相步進(jìn)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順序和電壓波形圖。解：有三種工作方式：（1）三相單三拍工作方式各相的通電順序為ABC,各相通電的電壓波形如圖3.1所示。圖3.1單三拍工作的電壓波形圖（2）三相雙三拍工作方式雙三拍工作方式各相的通電順序為ABBCCA。各相通電的電壓波形如圖3.2所示。圖3.2雙三拍工作的電壓波形圖（3）三相六拍工作方式在反應(yīng)式步進(jìn)電機控制中，把單三拍和雙三拍工作方式結(jié)合起來，就產(chǎn)生了六拍工作方式，其通電順序為AABBBCCCA。各相通電的電壓波形如圖3.

7、3所示。圖3.3三相六拍工作的電壓波形圖3.7. 采用8255A作為x軸步進(jìn)電機和y軸步進(jìn)電機的控制接口，要求（1）畫出接口電路原理圖；（2）分別列出x軸和y軸步進(jìn)電機在三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍工作方式下的輸出字表。解：（1）電路原理圖如圖所示（2）三相單三拍控制方式輸出字表x軸步進(jìn)電機輸出字表y軸步進(jìn)電機輸出字表存儲地址標(biāo)號低八位輸出字存儲地址標(biāo)號高八位輸出字ADX100000001=01HADY100000001=01HADX200000010=02HADY200000010=02HADX300000100=04HADY300000100=04H三相雙三拍控制方式輸出字表x軸步進(jìn)電

8、機輸出字表y軸步進(jìn)電機輸出字表存儲地址標(biāo)號低八位輸出字存儲地址標(biāo)號高八位輸出字ADX100000011=03HADY100000011=03HADX200000110=06HADY200000110=06HADX300000101=05HADY300000101=05H三相六拍控制方式輸出字表x軸步進(jìn)電機輸出字表y軸步進(jìn)電機輸出字表存儲地址標(biāo)號低八位輸出字存儲地址標(biāo)號高八位輸出字ADX100000001=01HADY100000001=01HADX200000011=03HADY200000011=03HADX300000010=02HADY300000010=02HADX400000110=

9、06HADY400000110=06HADX500000100=04HADY500000100=04HADX600000101=05HADY600000101=05H4.1. 數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計步驟是什么？模擬化設(shè)計步驟：（1）設(shè)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(yīng)的差分方程（5）根據(jù)差分方程編制相應(yīng)程序。2.某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計為試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器D(Z)。解： 雙線形變換法：把代入，則前向差分法：把代入，則 后向差分法：把代入，則4.3 什么是數(shù)字PID位置型控制算法和增量

10、型控制算法？試比較它們的優(yōu)缺點。位置型PID算法。增量型PID控制算法。與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點：(1)位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(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)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。(2)為實現(xiàn)手動自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度u0，若采用增量型算法，其輸出對應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)u0項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。(3)采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即

11、使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。4.4 .已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式，設(shè)采樣周期T=0.2s。則 把T=0.2S代入得位置型增量型（補充題）已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型PID算法和增量型PID控制算式，設(shè)采樣周期T=0.2s。解：因為所以。故位置型PID控制器故增量型PID控制器4.5. 什么叫積分飽和？它是怎么引起的？如何消除？解：（1）如果執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)到極限位置，仍然不能消除靜差時，由于積分作用，盡管PID差分方程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機構(gòu)已無相應(yīng)的動作，這就叫積分飽和。（

12、2）1、當(dāng)偏差產(chǎn)生躍變時，位置型PID算式的輸出將急劇增大或減小，有可能超過執(zhí)行機構(gòu)的上（下）限，而此時執(zhí)行機構(gòu)只能工作在上限。2、系統(tǒng)輸出需要很長時間才達(dá)到給定值，在這段時間內(nèi)算式的積分項將產(chǎn)生一個很大的積累值。3、當(dāng)系統(tǒng)輸出超過給定值后，偏差反向，但由于大的積分積累值，控制量需要相當(dāng)一段時間脫離飽和區(qū)。因此引起系統(tǒng)產(chǎn)生大幅度超調(diào)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。（3）常用的改進(jìn)方法：積分分離法和抗積分飽和4.8. 數(shù)字控制器的離散化設(shè)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(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(shè)計步驟如

13、下：(1)根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標(biāo)要求和其它約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)(z)。(2)求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)。(3)求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。(4)根據(jù)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(shù)為采樣周期T=0.1s，采用零階保持器。要求（1）針對單位速度輸入信號設(shè)計最少拍無紋波系統(tǒng)的，并計算輸出響應(yīng)、控制信號和誤差序列，畫出它們對時間變化的波形。（2）針對單位階躍輸入信號設(shè)計最少拍有紋波系統(tǒng)的，并計算輸出響應(yīng)、控制信號和誤差序列，畫出它們對時間變化的波形。解：廣義脈沖傳遞函數(shù)為最少拍無紋波設(shè)計步驟：1）根據(jù)廣義對象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)N（分母

14、多項式的冪次）M （分子多項式的冪次）d=N-M延時w在所有零點的總數(shù)（不包括無窮遠(yuǎn)的零點）v在z平面的單位圓上或圓外極點的個數(shù)j在z平面的單位圓上極點的個數(shù)q(輸入類型)已知N=2，M=2所以d=0w=1(即分子多項式中的)v=1，j=1；q=2(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(jù)關(guān)系使等式兩邊同冪次的系數(shù)相等，解出F1和F2中的系數(shù)。解得：所以：6）求控制器D(z)最少拍無紋波設(shè)計步驟：1）根據(jù)廣義對象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)N（分母多項式的冪次）M （分子多項式的冪次）d=N-M延時w在所有零點的總數(shù)（不包括無窮遠(yuǎn)的零點）v在z

15、平面的單位圓上或圓外極點的個數(shù)j在z平面的單位圓上極點的個數(shù)q(輸入類型)已知N=2，M=2所以d=0w=1(即分子多項式中的)v=1，j=1；q=1(單位階躍輸入)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(jù)關(guān)系使等式兩邊同冪次的系數(shù)相等，解出F1和F2中的系數(shù)。解得：所以：6）求控制器D(z)最少拍有紋波設(shè)計步驟：1）根據(jù)廣義對象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)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(shù)v在z平面的單位圓上或圓外極點的個數(shù)j在z平面的單位圓上極點的個數(shù)q(輸入類型)已知N=2，M=2所以d=0

16、u=0(即分子多項式中的)v=1，j=1；q=1(單位速度輸入)2）有紋波確定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(jù)關(guān)系使等式兩邊同冪次的系數(shù)相等，解出F1和F2中的系數(shù)。解得：所以：6）求控制器D(z)4.10 被控對象的傳遞函數(shù)為 采樣周期T=1s，采用零階保持器，針對單位速度輸入函數(shù)，按以下要求設(shè)計： (1)最少拍無紋波系統(tǒng)的設(shè)計方法，設(shè)計和； (2)求出數(shù)字控制器輸出序列的遞推形式。解：廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)將T=1S代入，有最少拍無紋波設(shè)計步驟：1）根據(jù)廣義對象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)N（分母多項式的冪次）M （分子多項式的冪次）d=N-M延時w在所有零點的