計算機控制技術(shù)課后習(xí)題答案2

計算機控制系統(tǒng)自測題目及答案

第一章計算機控制系統(tǒng)概述

習(xí)題及參考答案

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)的控制過程可歸納為以下三個步驟：

修時數(shù)據(jù)采集：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。

。實時決策: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。

6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)。

2實時、在線方式和離線方式的含義是什么？

。實時：所謂“實時”，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內(nèi)完

成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理，并在一定的時間內(nèi)作出反

應(yīng)并進行控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。

0“在線”方式：在計算機控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計算機連接,

生產(chǎn)過程直接受計算機的控制，就叫做“聯(lián)機”方式或“在線”方式。

6)“離線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)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)系并作相應(yīng)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)的硬件由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？

由四部分組成。

外部設(shè)備主機輸入輸出通道生產(chǎn)過程裝置

人測取變送

機

路

聯(lián)

開測盤變送

系

關(guān)

設(shè)

省生

俄一|T泅做變jTk-

產(chǎn)

反對

多

路

象

通

機開

用

關(guān)

外

部

設(shè)

各

圖L1微機控制系統(tǒng)組成框圖

Q注機：這是微型計算機控制系統(tǒng)的核心，通過接口它可以向系統(tǒng)的各個部分發(fā)

出各種命令，同時對被控對象的被控參數(shù)進行實時檢測及處理。主機的主要功能

是控制整個生產(chǎn)過程，按控制規(guī)律進行各種控制運算如調(diào)節(jié)規(guī)律運算、最優(yōu)化

計算等而操作，根據(jù)運算結(jié)果作出控制決策；對生產(chǎn)過程進行監(jiān)督，使之處于

最優(yōu)工作狀態(tài)；對事故進行預(yù)測和報警；編制生產(chǎn)技術(shù)報告，打印制表等等。

諭入輸出通道：這是微機和生產(chǎn)對象之間進行信息交換的橋梁和紐帶。過程輸

入通道把生產(chǎn)對象的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成微機可以接收的數(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。

防卜部設(shè)備：這是實現(xiàn)微機和外界進行信息交換的設(shè)備，簡稱外設(shè)，包括人機聯(lián)

系設(shè)備操作臺X輸入輸出設(shè)備磁盤驅(qū)動器、鍵盤、打印機、顯示終端等閑I外

存貯器磁盤）。其中操作臺應(yīng)具備顯示功能，即根據(jù)操作人員的要求，能立即顯

示所要求的內(nèi)容；還應(yīng)有按鈕，完成系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺還要保證即使

操作錯誤也不會造成惡劣后果，即應(yīng)有保護功能。

臉測與執(zhí)行機構(gòu)

a測量變送單元：在微機控制系統(tǒng)中，為了收集和測量各種參數(shù)，采用了各種檢

測元件及變送器，其主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?，這些信號經(jīng)變

送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的計算機標準電平信號卜5V或—2QnA脂，再送入微機。

h執(zhí)行機構(gòu)：要控制生產(chǎn)過程，必須有執(zhí)行機構(gòu)，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，改變輸出的角位移或直線位移，并通過

調(diào)節(jié)機構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流量或能量，使生產(chǎn)過程符合預(yù)定的要求。例如，在溫

度控制系統(tǒng)中，微機根據(jù)溫度的誤差計算出相應(yīng)的控制量，輸出給執(zhí)行機構(gòu)調(diào)

節(jié)閥球控制進入加熱爐的煤氣或油漫以實現(xiàn)預(yù)期的溫度值。常用的執(zhí)行機構(gòu)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。

軟件是指能夠完成各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(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫。

（1）系統(tǒng)軟件：它是由計算機設(shè)計者提供的專門用來使用和管理計算機的程序。對

用戶來說，系統(tǒng)軟件只是作為開發(fā)應(yīng)用軟件的工具，是不需要自己設(shè)計的。

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；

h診斷系統(tǒng)：指的是調(diào)節(jié)程序及故障診斷程序；

c開發(fā)系統(tǒng)：包括各種程序設(shè)計語言、語言處理程序編譯程序X服務(wù)程序裝配

程序和編輯程序X模擬主系統(tǒng)系統(tǒng)模擬、仿真、移植軟件X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。

端用軟件:它是面向用戶本身的程序，即指由用戶根據(jù)要解決的實際問題而編

寫的各種程序。

應(yīng)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(wù)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；

h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、文件管理及輸出、打印、顯示程序等；

c公共服務(wù)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。

6激據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要用于資料管理、存檔和檢索，相應(yīng)軟件

設(shè)計指如何建立數(shù)據(jù)庫以及如何查詢、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)的自動控制系統(tǒng)相比，具有如下特點：

a控制規(guī)律靈活多樣，改動方便

h控制精度高，抑制擾動能力強，能實現(xiàn)最優(yōu)控制

c能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，控制效率高

d控制與管理一體化，進一步提高自動化程度

僦作指導(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？

嫌作指導(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

0直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC系統(tǒng)）：DDCDirectDgitalContra臻統(tǒng)就是通過檢測

元件對一個或多個被控參數(shù)進行巡回檢測，經(jīng)輸入通道送給微機，微機將檢測結(jié)

果與設(shè)定值進行比較，再進行控制運算，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。其原理框圖如圖L3所示。

--

多

檢

淵

路

元

?；突蜷_關(guān)成輸入開

件

關(guān)

微一

一

生

產(chǎn)

機

過

程

校si優(yōu)或開關(guān)屈軸蝕通道執(zhí)行機構(gòu)

控制臺

圖L3DDC系統(tǒng)原理框圖

6）計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC系統(tǒng)）：SCCSupervisoryCemputerControl）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)不僅可以進行給定值

控制，并且還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。9CC系統(tǒng)的原理

框圖如圖L4所示。

檢

多

測

路

元

模擬量或開關(guān)斌輸入通道開

件

生

關(guān)

-產(chǎn)

過

程

楂執(zhí)時或開常規(guī)調(diào)節(jié)器

執(zhí)行機構(gòu)

關(guān)地輸出通道或DDC級微機

圖L4SCC系統(tǒng)原理框圖

SCC是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。

Z計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是什么?

大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,提高了計算機的可靠性和性能價格比,從而

使計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。為更好地適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展,擴大生產(chǎn)

規(guī)模,以滿足對計算機控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求,目前計算機控制系統(tǒng)的

發(fā)展趨勢有以下幾個方面。

a普及應(yīng)用可編程序控制器

h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(yīng)用領(lǐng)域。

第二章輸入輸出過程通道

習(xí)題及參考答案

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(shè)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

遞和交換的信息來分，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)理電路將來自控制裝置或生產(chǎn)過

程的各種開關(guān)量，進行電平轉(zhuǎn)換，將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高、低電平，同時

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，首先利用積分電路將抖動的高頻部分濾出，其次

利用施密特觸發(fā)器整形。

采用RS觸發(fā)器的硬件消抖電路，主要是利用RS觸發(fā)器的保持功能實現(xiàn)消抖。

4簡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個管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組成，如圖21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(dǎo)通，完成信號的光

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21光電耦合器電路圖

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。

（DI/V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，

為與標準化儀表和執(zhí)行機構(gòu)匹配提供了方便。

彼路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。

6）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。

④A/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，稱為之模微轉(zhuǎn)換器Anabg/DgitalConverter簡稱A/D轉(zhuǎn)換器

或ADC）o

6對理想多路開關(guān)的要求是什么？

理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望

切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。

裸樣保持器有什么作用？試說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)換器完成一次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)，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。

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，保持性能好，但跟隨特性差。

曬數(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？為什么？

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，在允許的A/D轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，就不必再選用采

樣保持器。

9A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)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(shè)計上有什么特點？

A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號的作用是用以判斷本次AD轉(zhuǎn)換是否完成。

常見的A/D轉(zhuǎn)換有以下兒種控制方式，各自特點如下

?延時等待法:EOC可不和I/O口連接，程序設(shè)計時，延時大于ADC轉(zhuǎn)換時間后，

取數(shù)據(jù)。

?保持等待法:EOC與READY相連,EOC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：EOC可以和任意I/O口連接，程序設(shè)計時，反復(fù)判斷EOC是否有效，

直至EOC有效時，取數(shù)據(jù)。

?中斷響應(yīng)法：EOC與外部中斷相連，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，發(fā)中斷申請在中斷服務(wù)程

序中取數(shù)據(jù)。

1Q設(shè)被測溫度變化范圍為如果要求誤差不超過Q4G應(yīng)選用分辨為

多少位的A/D轉(zhuǎn)換器?

選擇依據(jù)：n/eg(1+翳卜12

1L設(shè)計出8路模擬量采集系統(tǒng)。請畫出接口電路原理圖，并編寫相應(yīng)的8路模擬

量數(shù)據(jù)采集程序。

本例給出用8031、DAC0809設(shè)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(wù)程序如下：

初始化程序：MOVRd#30H;設(shè)立數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針

MOVR2#0陽;設(shè)置8路采樣計數(shù)值

SETBrro;設(shè)置外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式

SETBEA；CPU開放中斷SETBEXO

;允許外部中斷0中斷

MOVDPTR#FEF陽；送入口地址并指向N0

LOORMOVX@DPTRA;啟動A/D轉(zhuǎn)換，A的值無意義

HERE：SLMPHERE;等待中斷

中斷服務(wù)程序:

MOVXA,@DPTR;讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量

MOV@R(JA；存入片內(nèi)RAM單元

INCDPTR;指向下一模擬通道

NCR0;指向下一個數(shù)據(jù)存儲單元

DJNZR2INTO;8路未轉(zhuǎn)換完，則繼續(xù)

CLREA;已轉(zhuǎn)換完，則關(guān)中斷

CLREXO；禁止外部中斷0中斷

RETI;中斷返回

INTQMOVX@DPTRA；再次啟動A/D轉(zhuǎn)換

12模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？

模擬量輸出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)

理電路組成。

(DD/A轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)及莫轉(zhuǎn)換器Dgital/AnabgConverter

簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAOo它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置。

0V/I變換：一般情況下，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輸，減少由于傳輸帶來的干擾

和衰減，需要采用電流方式輸出模擬信號。許多標準化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機構(gòu)，

一-般是采用A1MA或纖20nA的電流信號驅(qū)動的。因此，需要將模擬電壓信

號通過電壓值流V/或換技術(shù)，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(shè)計一八路數(shù)據(jù)采集及其回放系統(tǒng)。要求八路數(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（O^V）,檢測精度VI%。CPU、AD、DA可任選。

ILEVccVREF

D17Kb

8O86CPU

地

DACO832

址

譯CS【OUT2

M/K)碼

WR2

XFER

DGND

WRWR!AGND

第三章微機數(shù)控系統(tǒng)

習(xí)題及參考答案

L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(shù)和計算機技術(shù)，對生產(chǎn)機械進行自動控制的系統(tǒng)，

它包括順序控制和數(shù)字程序控制兩部分。

2什么是順序控制系統(tǒng)？它由哪幾部分組成？

微機順序控制方式是指以預(yù)先規(guī)定好的時間或條件為依據(jù)，按預(yù)先規(guī)定好的動作

次序順序地進行工作。一般地，把按時序或事序規(guī)定工作的自動控制稱為順序控

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(gòu)、

顯示與報警電路。

3微機數(shù)控系統(tǒng)由哪些部分組成？各部分的作用是什么？

由五部分組成。

Q渝入裝置：一般指微機的輸入設(shè)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各種外部控制信息和加工數(shù)據(jù)信息。

C微機：微機是MNC系統(tǒng)運算和控制的核心。在系統(tǒng)軟件指揮下，微機根據(jù)輸

入信息，完成數(shù)控插補器和控制器運算，并輸出相應(yīng)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。

8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、各種顯

示設(shè)備等。在微機控制下，輸出裝置一方面顯示加工過程中的各有關(guān)信息，另一

方面向被控生產(chǎn)機械輸出各種有關(guān)的開關(guān)量控制信號冷卻、啟、停等）還向伺

服機構(gòu)發(fā)出進給脈沖信號等。

鼾司服機構(gòu)：一般包括各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)機械相應(yīng)部件的機械位移線位移、角位移運動。

創(chuàng)n工機械：即數(shù)控系統(tǒng)的控制對象，各種機床、織機等。目前已有專門為數(shù)控

裝置配套設(shè)計的各種機械，如各種數(shù)控機床，它們的機械結(jié)構(gòu)與普通機床有較大

的區(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個

步驟？

逐點比較法插補運算，就是在某個坐標方向上每走一步（即輸出一個進給脈沖）,

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,判斷其偏差情況,

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)的一個脈沖當量（每走一步的距離，即步長）。

直線插補計算過程的步驟如下：

皿差判別：即判別上一次進給后的偏差值Hn是最大于等于零，還是小于零；

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

8）偏差計算：即計算進給后的新偏差值Rn+1,作為下一步偏差判別的依據(jù)；

聯(lián)點判別：即若已到達終點，則停止插補；若未到達終點，則重復(fù)上述步驟。

圓弧插補計算過程的步驟如下：

。偏差判別

峨標進給

6偏差計算

卷坐標計算

6終點判別

5若加工第二象限直線0A,起點0（。0）,終點A（Y6。要求：

峨逐點比較法插補進行列表計算；

。作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。

解：由題意可知毛=4%=6Fo=O,我們設(shè)置一個總的計數(shù)器N&,其初值應(yīng)為

^=16-01+1^61=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)偏差判別坐標進給偏差計算終點判別

起點

耳=0Nxy=10

1F0=0耳=耳1=6N19

2F,<0+YF2=F,+^=-2N*=8

3+Y=F2

^2+\=

4F4=F3-%=^Nx=6

5與<0+YR=E+線=0N15

6R=F5r=■€Nx=4

『計繪a『

7F6<O+YN3

8目V0+YR=B+*=2N『2

9F；0斤FE=T5

10FO+YF風(fēng)廣。

9<F1O=9+\=O

6設(shè)加工第一象限的圓弧AR起點A(60),終點B(。6)o要求：

磁逐點比較法插補進行列表計算；

嘛出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。

解：插補計算過程如表3-2所示。終點判別仍采用第二種方法，設(shè)一個總的計

數(shù)器N、,，每走一步便減1操作，當Ny。時，加工到終點，插補運算結(jié)束。下

圖為插補過程中的走步軌跡。

表3—2

偏差判坐標進坐標計算終點判

步數(shù)偏差計算

別給別

『

起點Fo=O%=6%=0N12

1耳=0F1=(H汁1=T1%=5y=0^=11

F?=T1+葉1=T%=5%=1

2F,<0+YNx=10

0

3F2<0+YF3E葉汁1=T%=5%=2NW=9

4F3Vo+Y天=5%=3Ng

5F4Vo+YF5r?計1=5%=5%=4

69F6=5-l(H-l=-4%=4%=4Ny6

7RVO+YF7=-^8^1=5占=4%=5

8F^O8F=5-8^1=-2%=3%=5Nxy=4

9耳<0+Y鳥=用~1葉1=94=3%=6

9=2y°=

10F>0F1O=9-6H-1=4N.=2

6

幣=L%=

11耳0>08F產(chǎn)擊m=iN=l

6xy

\2=dyl2=

12Fu>0F12=1-24-1=0Nxy=0

6

Z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順序和

電壓波形圖。

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Af卜C各相通電的電壓波形如圖31所示。

步進時鐘TLTUULTLJL

圖31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A卜BC-CA,各相通電的電壓波形如圖32

所示。

iOJUUUUUUULJOJULJL

，-UU—UUL

BWJ~~U~~U~~U~~LJ

n_juuuu-

圖32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A-AB-B-BC-C-CAc各相通電的電壓波形如

圖33所示。

.wlUUUUimULfLJWUULJL

圖33三相六拍工作的電壓波形圖

?MOVA,#0HI；方向輸入信號

?MOVPLA

?XMM：MOVA,Pl

?JNBACC.7；XM；PLMO反轉(zhuǎn)

?LCALLSTEP1；調(diào)正轉(zhuǎn)子程序

?SJMPXMM

?XM：LCALLSTP2調(diào)反轉(zhuǎn)子程序

*SLMPXMM

?+X走步子程序：

?STEP1：MOVDPTR#TA艮指表頭

CLRA

MOVXA,@A+DPTR取數(shù)

CJMEA,#0陽，Sil；是否最后單元

MOVDPTR,#TAR重置表頭

SLMPS12

?SUINCDPTR；地址加1

S12MOVRQ#7FH；延時

S13DJNZRdS13

CLRA

MOVXA,@A+DPTR取數(shù)據(jù)

MOVPLA

RET

曉走步子程序：

STEPSMOVDPTR#TAB

CLRA

MOVXA,@A+DPTR

CJNZA,#01H,S21

MOVDPTR#TAB

ADDDPTR#0006H

SMPS12

S2LCLRC

DECDPL

SMPS12

?TABDB01H,O3H,O2H,O0H,O4H,034

本章作業(yè)

若加工第二象限直線OA和圓弧AB已知直線起點0(。0),終點A(F6)0

圓弧起點A(T玲，終點A(-610)要求：

抽逐點比較法插補進行列表計算；

嘛出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。

第四章微型計算機控制系統(tǒng)的控制算法

習(xí)題及參考答案

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：

（D設(shè)計假想的模擬控制器DS）

（2）正確地選擇采樣周期T

（3）將DS離散化為D2）

（4）求出與D期寸應(yīng)的差分方程

（5）根據(jù)差分方程編制相應(yīng)程序。

2某連續(xù)控制器設(shè)計為

咐=1+7>

1+T,s

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以

雙線形變換法:把七?E\代入,則

2z-1

（T+27；）z+：r-27；

以Z）=D（Z）2

s=-?----1+兀2.3-{T+2T2）Z+T-2T2

T2+1

TZ+1

前向差分法:把z=￥代入,則

lT-

_l+7>_-+IT_」z+T_J

D（z）=O（s）

s=----1+T2sZ

T1+rT2+T-T2

2T

z—1

后向差分法:fEs=——代入,則,

Tz

z—\

J+4_]+/'云=

O（z）=D（s）-

s=---14-S[+丁Z-1Z

TzT2T2+T-T2

2、

3在P1D調(diào)節(jié)器中系數(shù)施、&、口各有什么作用？它們對調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響？

系數(shù)的為比例系數(shù)，提高系數(shù)卻可以減小偏差，但永遠不會使偏差減小到零,

而且無止境地提高系數(shù)的最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速

性。

系數(shù)尤為積分常數(shù)，匕越大積分作用越弱，積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點是，只要被調(diào)

量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強，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回復(fù)原位，因而

能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點，其動作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)品

質(zhì)的同時，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間加長。積分調(diào)節(jié)可以消除

靜差，提高控制精度。

系數(shù)幻為微分常數(shù)，幻越大微分作用越強。微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的相應(yīng)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量型控制算法？試比較它們的優(yōu)缺點。

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PD

算式，為此，在采樣周期T遠小于信號變化周期時，作如下近似T足夠小時，

如下逼近相當準確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近1

j=o

dee(k)-e(k-1)

~dt'T

于是有：

Tk1

"(竹=Kp{e(Z)+彳Xe(/)+-e/-1)1}

7=01

U褪全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置如控制閥門的開度)一一對

應(yīng)，所以稱之為位置型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鎮(zhèn)不僅

與本次偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得生大幅度變化，這樣

會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以實際中當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕

對值，而是其增量時，可以采用增量型PD算法。當控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步

進電機、電動調(diào)節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一

般均采用增量型PID控制算法。

=K,{[e/)-e(k-\)\+^e(k)+務(wù)[e⑹-2e(k-1)+e(k-2)J}

與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點：

4)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。

型實現(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u。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)uO項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。

6）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。

5已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

⑻-1+O.O85s

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=Q2s

'E（s）1+0.085s

則U（s）+0.085SU（s）=E（s）+0.17SE（s）

"（/）+0.085誓=叱）+0.17*

”伏）+0.085〃（.）-；（?T）=e（?）+0J7e（女）一/7）

把T=Q2S代入得

1.425〃（勸一0.425〃（4-1）=4.5e（）3.5e（kl）

位置型

u[k}=3.1579e（A:）-2.456\e{k-1）+0.2982w（A:-1）

增量型

&/（%）="（k）一“（4-1）=3.1579e（k）-2.456\e（k-1）-0.7018”伏-1）

6有哪幾種改進的數(shù)字PID控制器？

有四種：

（1）積分分離PD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）消除積分不靈敏區(qū)的PID控制

碌樣周期的選擇需要考慮那些因素？

。從調(diào)節(jié)品質(zhì)上看，希望采樣周期短，以減小系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度。

通常保證在9%的系統(tǒng)的過渡過程時間內(nèi)，采樣6次?15次即可。

0從快速性和抗擾性方面考慮，希望采樣周期盡量短，這樣給定值的改變可以迅

速地通過采樣得到反映，而不致產(chǎn)生過大的延時。

6從計算機的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應(yīng)長些，尤其是多回路控制

時，應(yīng)使每個回路都有足夠的計算時間；當被控對象的純滯后時間T較大時，常

選T=(1/41/8)%

④從計算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過短，當主機字長較小口寸，若T過短,

將使前后兩次采樣值差別小，調(diào)節(jié)作用因此會減弱。另外，若執(zhí)行機構(gòu)的速度較

低，會出現(xiàn)這種情況，即新的控制量已輸出，而前一次控制卻還沒完成，這樣采

樣周期再短也將毫無意義，因此T必須大于執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)時間。

8簡述擴充臨界比例度法、擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。

擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：

(L選擇一個足夠短的采樣周期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以下，此時調(diào)節(jié)器只作純比例控制，給定值I作階躍輸入。

C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相應(yīng)

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

￡

B)選擇控制度，所謂控制度是數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器所對應(yīng)的過渡過程的誤差

平方的積分之比。

給根據(jù)控制度，查表求出T、Kp,T訊1Td值。

6胺照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行，觀察控制效果，再適當調(diào)整參數(shù)，直到

獲得滿意的控制效果為止。

擴充響應(yīng)曲線法整定PQ參數(shù)的步驟：

Q斷開數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)。將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近并穩(wěn)

定后，然后突然改變給定值，即給對象輸入一個階躍信號。

昕儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖所示。

6在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間工被控對象的時間常數(shù)TG以及它

們的比值Tc的

0由工TGTC/T值，查表，求出數(shù)字控制器的T、KRT而Td,

啜字控制器直接設(shè)計步驟是什么?

計算機控制系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。

圖計算機控制系統(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)D9

數(shù)字控制器的直接設(shè)計步驟如下：

（1）根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標要求和其它約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

00O

怵廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)Ga

6球取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D0o

碗據(jù)D俅取控制算法的遞推計算公式。

1Q被控對象的傳遞函數(shù)為

G,（s）=2

采樣周期T=ls采用零階保持器，針對單位速度輸入函數(shù)，設(shè)計:

C最少拍控制器0（z）；

C畫出采樣瞬間數(shù)字控制器的輸出和系統(tǒng)的輸出曲線。

Q釐少拍控制器

可以寫出系統(tǒng)的廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)

1

.Ts\11TVp+z-)

s'J2(l-z-1)2

將T=is代入，有

由于輸入r0=t則

2

Gt,(z)=(l-z-')

1-Ge(z)_z-'(l+z-')

D(z)=

G,函(z)2

C）系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

⑦（z）=2z~-z”

則當輸入為單位速度信號時，系統(tǒng)輸出序列Z變換為

y(z)=/?(zXz)=(2z-'-z-2)Tz=2Tz-2+3Tz-3+4Tz-4+.??

II_F

IL被控對象的傳遞函數(shù)為

G（s）="，

采樣周期T=ls要求：

怵用Snitti補償控制，求取控制器的輸出〃（左）；

踝用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器D（z）,并求取代）的遞推形式o

。采用Snith補償控制

廣義對象的傳遞函數(shù)為

gs

HGc(s)=H?(s)Gc(s)=——?=*'?e"=HGP(s)?e'

S5+1S(S+1)

a(z)=Z[&(s)]=z[?(1-e-)1=(1-Z-L產(chǎn)二

s(s+ljJ\-axz

其中q=e-\b,=\-e-',L=y=\,T=IS

則2(z)=里J6321(z-'T)

E(z)l-0.3679z-1

J7(z)-0.3697z-'[7(z)=0.6321(z-1-z-2)￡(z)

?(*)=0.632le(*-l)-0.632k(i-2)+0.3679“他-1)

c采用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器

取T=1ST=1,K=LTJ=H/T=L設(shè)期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)T0=Q5S

則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為

G/)=Z

廣義被控對象的脈沖傳遞函數(shù)為

1z[-eT)

HGc(z)=Z?上e"=l-z-，'Z——

s1+T、s1+sl1-z-1e-1

則

Z-2_________________Z-2

陽=G/)

^-1-2-2

ze—z刁=z-2(leT)[-i-2

ze"-z"

l-z-'e-'Xl-e-2)

e-'jl-z-]e-2-{l-e-2)z

(l-0.3679z-')(l-0.1353)

-(l-0.3679)[l-0.1353z-(l-0.1353)z-2]

1.3680-0.5033z-,

l-0.1353z-1-0.8647z-2

又。(z)=策

貝Ut/(z)-0.1353z-lt/(z)-0.8647z_2t/(z)=1.3680￡(z)-O.5O33z''￡(z)

上式反變換到時域，則可得到

u(k)=1.3680e(A:)-0.5033e(左-l)+0.1353u(/c-1)+0.8647〃(左-2)

12何為振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？

所謂振鈴現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出U2以接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(gòu)因磨損而造成損壞。

消除振鈴現(xiàn)象的方法：

(D參數(shù)選擇法

對于一?階滯后對象，如果合理選擇期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)TO和

采樣周期T,使RAWQ就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使RAWQ也可以把RA減

到最小，最大程度地抑制振鈴。

(2)消除振鈴因子法

找出數(shù)字控制器D沖引起振鈴現(xiàn)象的因子即一T附近的極點)，然后人為

地令其中的KL就消除了這個極點。根據(jù)終值定理，這樣做不影響輸出的穩(wěn)態(tài)

值，但卻改變了數(shù)字控制器的動態(tài)特性，從而將影響閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。

13前饋控制完全補償?shù)臈l件是什么？前饋和反饋相結(jié)合有什么好處？

前饋控制完全補償?shù)臈l件是Gn(s)+Dn(s)G(S)=0o

如果能將擾動因素測量出來，預(yù)先將其變化量送到系統(tǒng)中進行調(diào)整，這樣在被調(diào)

量改變之前就能克服這些擾動的影響。這種擾動的預(yù)先調(diào)整作用就稱為前饋。若

參數(shù)選擇得合適，前饋控制可取得良好的控制效果。但實際上，前饋控制環(huán)節(jié)的

參數(shù)不易選得那么準確，而且一個實際系統(tǒng)的擾動也不只一個，因此反饋控制還

是不可少的。主要擾動引起的誤差，由前饋控制進行補償；次要擾動引起的誤差,

由反饋控制予以抑制，這樣在不提高開環(huán)增益的情況下，各種擾動引起的誤差均

可得到補償，從而有利于同時兼顧提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的要求。

14與PE)控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制具有哪些優(yōu)點？

與PID控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制的優(yōu)點：

(1)模糊控制可以應(yīng)用于具有非線性動力學(xué)特征的復(fù)雜系統(tǒng)。

(2)模糊控制不用建立對象精確的數(shù)學(xué)模型。

(3)模糊控制系統(tǒng)的魯棒性好。

(4)模糊控制是以人的控制經(jīng)驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言

變量以及模糊邏輯推理作為控制算法。

15多變量控制系統(tǒng)解耦條件是什么？

多變量控制系統(tǒng)解耦條件是系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣①(s)為對角線矩陣。

本章作業(yè)

用C語言編寫數(shù)字PID算法、大林算法、施密斯算法通用子程序。

第五章微型計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計

習(xí)題及參考答案

I簡述應(yīng)用軟件的設(shè)計步驟。

圖5-1給出了應(yīng)用軟件設(shè)計的流程圖，它描述了應(yīng)用軟件設(shè)計的基本任務(wù)和設(shè)

計過程。

圖5-1應(yīng)用軟件設(shè)計流程圖

(1)問題定義

(2)程序設(shè)計

(3)手編程序

(4)差錯

(5)測試

(6)文件編制

(7)維護和再設(shè)計

2什么是計算延時？

當采樣信號送入CPU,按控制算法要求進行數(shù)據(jù)處理時，由于計算機執(zhí)行每條

指令均需要一定時間，這樣，從數(shù)據(jù)采樣到結(jié)果輸出之間就要產(chǎn)生一定的時間延

遲，稱為計算延時。

3如何在應(yīng)用軟件設(shè)計中減少計算延時？

在應(yīng)用軟件設(shè)計過程中，為減少計算延時，通常將運算分為前臺運算和后臺運算。

前臺運算：為得到當前輸出值U（K）,而必須進行的運算。

后臺運算：為得到下一時刻輸出值。笈+1以及與當前輸出無關(guān)的其他計算和管

理算法

4標度變換在工程上有什么意義？在什么情況下使用標度變換程序？

微機控制系統(tǒng)在讀入被測模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，往往還要轉(zhuǎn)換成操作人員

所熟悉的工程值。這是因為生產(chǎn)現(xiàn)場的各種工藝參數(shù)量綱不同。例如，壓力的單

位為Pa流量的單位為m3/h溫度的單位為。C。這些參數(shù)A/D轉(zhuǎn)換后得到一

系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼的值并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它僅代表參數(shù)

值的大小，故必須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能運算、顯示或打印輸出。這

種轉(zhuǎn)換稱為工程量轉(zhuǎn)換，也稱為標度變換。標度變換有各種不同類型，它取決于

被測參數(shù)測量傳感器的類型，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況選擇適當?shù)臉硕茸儞Q方法，

常用線性參數(shù)標度變換。

第六章微型計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

習(xí)題及參考答案

1■干擾的作用途徑是什么？

無論是內(nèi)部干擾還是外部干擾，都是從以下兒個途徑作用于系統(tǒng)的。

。傳導(dǎo)耦合

2)靜電耦合

6)電磁耦合

④公共阻抗耦合

2什么是共模干擾和串模干擾？如何抑制？

共模干擾是在電路輸入端相對公共接地點同時出現(xiàn)的干擾，也稱為共態(tài)干擾、對

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