計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第二版于海生課后習(xí)題答案

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)(第2版)課后習(xí)題答案

第一章習(xí)題答案

1、什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)？它的工作原理是怎樣的？

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的系統(tǒng).

原理圖

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個(gè)步驟：

(D實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并輸入給計(jì)算機(jī)。

(2)實(shí)時(shí)決策：對(duì)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(shí)時(shí)控制：根據(jù)決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。

2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？請(qǐng)畫出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過程兩個(gè)大部分組成.工業(yè)控制機(jī)是指按生產(chǎn)

過程控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，它包括硬件和軟件兩部分.生產(chǎn)過程包括被控

對(duì)象、測(cè)量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)裝置.

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖

3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型型式有哪些?各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

答：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)

總線控制系統(tǒng)、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

(1)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出不直接作用于生產(chǎn)

對(duì)象，屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型、控制算法對(duì)檢測(cè)到的生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)

行處理，計(jì)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(shí)計(jì)算機(jī)就起

到了操作指導(dǎo)的作用。(2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))：DDC(DirectDigitalControl)

系統(tǒng)就是通過檢測(cè)元件對(duì)一個(gè)或多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，經(jīng)輸入通道送給微機(jī)，微

機(jī)將檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再進(jìn)行控制運(yùn)算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機(jī)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(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中

最普遍的一種應(yīng)用形式。

(3)計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng)):SCC(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)比DDC

系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實(shí)際情況，因?yàn)樵贒DC系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)只是代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行

控制，系統(tǒng)不能運(yùn)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。

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

(4)分散控制系統(tǒng)(DCS)優(yōu)點(diǎn)：分敢控制、集中操作、分級(jí)管理、分而自治和綜

合協(xié)調(diào).

(5)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)優(yōu)點(diǎn)：與DCS相比，降低了成本，提高了可靠性，國(guó)

際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，可實(shí)現(xiàn)真正的開放式互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4、實(shí)時(shí)、在線方式和離線方式的含義是什么？

(1)實(shí)時(shí)：所謂“實(shí)時(shí)”，是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都是在一定時(shí)間范圍內(nèi)完成的，

即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)并進(jìn)行控

制，超出了這個(gè)時(shí)間就會(huì)失去控制時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。

(2)“在線”方式：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計(jì)算機(jī)連接，生產(chǎn)

過程直接受計(jì)算機(jī)的控制，就叫做“聯(lián)機(jī)”方式或"在線”方式。

(3)“離線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計(jì)算機(jī)相連接，其工作不直接受計(jì)算機(jī)的

控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式，則叫做“脫機(jī)”方式

或''離線”方式。

5、簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了從大型機(jī)到小型機(jī)，再到微型機(jī)的發(fā)展過程,

使計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用不斷普及，進(jìn)入到了真正的實(shí)用階段。特別是進(jìn)入新世紀(jì)以來，計(jì)算

機(jī)技術(shù)的日新月異以及與先進(jìn)控制技術(shù)相結(jié)合使計(jì)算機(jī)控制技術(shù)深入到了人類社會(huì)的

各個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)入了一個(gè)全新的高速發(fā)展時(shí)期。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的集散控制系統(tǒng)(DCS)

和可編程序控制器(PLC),是計(jì)算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)走向柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、集散化和遞階

化的開端。20世紀(jì)90年代興起的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)開創(chuàng)了“現(xiàn)場(chǎng)總線儀表一工作

站”的控制結(jié)構(gòu)模式，使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)做到了徹底分散，更加提高了系統(tǒng)的可靠性。

另一方面，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的發(fā)展，基于PC機(jī)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)也得到

了廣泛的應(yīng)用。

上世紀(jì)末期發(fā)展起來的單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)等以其價(jià)格低和體積小的優(yōu)勢(shì)，使智能

儀器和智能儀表在控制場(chǎng)合中的應(yīng)用也越來越廣?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的日益復(fù)雜化和大

型化趨勢(shì)，對(duì)控制計(jì)算機(jī)提出了更高的要求。計(jì)算機(jī)不僅要完成面向過程的控制和優(yōu)化

任務(wù)，還要在獲取生產(chǎn)過程各種信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行這個(gè)過程的信息綜合和優(yōu)化調(diào)度，完

成生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理和其它綜合管理工作。這種集企業(yè)的管理、監(jiān)督與控制為一體的計(jì)算

機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)被稱為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)或計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)(CIPS)。此

外，監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)、可編程自動(dòng)化控制器(PAC)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

(WSN)等各種控制系統(tǒng)也為計(jì)算機(jī)控制方法提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理和控制決策運(yùn)算工作都是由軟件完成的，因此也就為

各種復(fù)雜的、先進(jìn)的和智能的算法的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)提供了可能。預(yù)測(cè)控制、模糊控制、魯

棒控制、智能控制、自適應(yīng)控制、軟測(cè)量等等應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)

效益和社會(huì)效益。計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)的進(jìn)步也使作為現(xiàn)代控制系統(tǒng)人機(jī)接口(HMI)的監(jiān)控

畫面及其操作非常方便直觀。由于其實(shí)時(shí)性和可靠性的特殊要求，控制計(jì)算機(jī)軟件的編

程也有著自己的特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序的編程，根據(jù)不同情況可以使用匯編語言或者高

級(jí)語言實(shí)現(xiàn)。專門為現(xiàn)代控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的各種組態(tài)軟件為監(jiān)控程序提供了非常方便的

生成工具，是目前現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員最常用的編程方法之一。

6、討論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

(1)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化

(2)控制系統(tǒng)的扁平化

(3)控制系統(tǒng)的智能化

(4)控制系統(tǒng)的綜合化

第二章習(xí)題答案

1.何謂總線？總線有什么功能？總線標(biāo)準(zhǔn)是怎樣形成的？

總線是一組信號(hào)線的集合。這些線是系統(tǒng)的各插件間(或插件內(nèi)部芯片間)、各系統(tǒng)

之間傳送規(guī)定信息的公共通道，有時(shí)也稱數(shù)據(jù)公路，通過它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳

送到各自要去的地方.

在微型計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，許多廠商設(shè)計(jì)和提供了許多具有不同功能的插件(亦

稱“模板”)。用戶為了構(gòu)成計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，希望這些模板能互相兼容。這種兼容是指

插件的尺寸、插座的針數(shù)及類型、插針的邏輯定義、控制插件工作的時(shí)序及電氣特性等

相同。也就是說為了使插件與插件間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間能夠正確連接，就必須對(duì)連接各插

件或各系統(tǒng)的基礎(chǔ)——總線，制定出嚴(yán)格的規(guī)約，即總線標(biāo)準(zhǔn)，為各廠商設(shè)計(jì)和生產(chǎn)插

件模塊提供統(tǒng)一的依據(jù)。因此，采用同一總線標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家的插件模塊，就可以組成

可正常工作的系統(tǒng)。

1.什么是接口、接口技術(shù)和過程通道？

接口是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備交換信息的橋梁，它包括輸入接口和輸出接口。接口技術(shù)

是研究計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間如何交換信息的技術(shù)。外部設(shè)備的各種信息通過輸入接口

送到計(jì)算機(jī)，而計(jì)算機(jī)的各種信息通過輸出接口送到外部設(shè)備。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，信息

的交換是頻繁發(fā)生的。

過程通道是在計(jì)算機(jī)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，它包括模

擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量(開關(guān)量)輸入通道、數(shù)字量(開關(guān)量)輸出通道。

生產(chǎn)過程的各種參數(shù)通過模擬量輸入通道或數(shù)字量輸入通道送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)

算和處理后的結(jié)果通過模擬量輸出通道或數(shù)字量輸出通道送到生產(chǎn)過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生

產(chǎn)過程的控制。

2.采用74LS244和74LS273與PC/ISA總線工業(yè)控制機(jī)接口，設(shè)計(jì)8路數(shù)字量(開

關(guān)量)輸入接口和8路數(shù)字量(開關(guān)量)輸出接口，請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并分別編寫數(shù)

字量輸入和數(shù)字量輸出程序。

參考課本，答案略。

3.用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809與PC/ISA總線工業(yè)控制機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)8路模擬量

采集。請(qǐng)畫出接口原理圖，并設(shè)計(jì)出8路模擬量的數(shù)據(jù)采集程序。

參考課本，答案略。

4.用12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574與PC/ISA總線工業(yè)控制機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)模擬量采集。

請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并設(shè)計(jì)出A/D轉(zhuǎn)換程序。

參考課本，答案略。

5、請(qǐng)分別畫出一路有源1N變換電路和一路無源I/V變換電路圖，并分別說明各元

器件的作用？

變送器輸出的信號(hào)為0~10mA或4?20mA的統(tǒng)一信號(hào)，需要經(jīng)過I/V變換變成電

壓信號(hào)后才能處理。對(duì)于電動(dòng)單元組合儀表，DDZ-H型的輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為0?10mA,

而DDZ-HI型和DDZ-S系列的輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為4?20mA,因此，針對(duì)以上情況我們來

討論I/V變換的實(shí)現(xiàn)方法。

①無源I/V變換

無源1/V變換主要是利用無源器件電阻來實(shí)現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護(hù)措施，

IO-----------1----1-------'-------------------------OV

R2nVc

x

無源I/V變換電路

對(duì)于0?10mA輸入信號(hào)，可取Rl=100C,R2=500Q,且R2為精密電阻，這樣當(dāng)

輸入的I為0?10mA電流時(shí)，輸出的V為0?5V.對(duì)于4?20mA輸入信號(hào)，可取R1

=100。，R2=250C,且R2為精密電阻，這樣當(dāng)輸入的I為4?20mA時(shí)，輸出的V為

1?5V。

②有源1N變換

有源I/V變換主要是利用有源器件運(yùn)算放大器、電阻組成，如圖所示。

R2為精密電阻，阻值為250。，通過取樣電阻R2,將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

取R3=1KC,R4設(shè)定為4.7KC電位器，通過調(diào)整Rf的值，可使0?10mA輸入對(duì)應(yīng)

于。?5V的電壓輸出，4?20mA輸入對(duì)應(yīng)于1?5V的電壓輸出。

6、什么是采樣過程、量化、孔徑時(shí)間?

按一定的時(shí)間間隔T,把時(shí)間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)變成在時(shí)刻0、

T、2T.........kT的一連串脈沖輸出信號(hào)的過程稱為采樣過程。

所謂量化，就是采用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換

為數(shù)字信號(hào)。將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程稱為量化過程，執(zhí)行量化動(dòng)作的裝置是

A/D轉(zhuǎn)換器。

在模擬量輸入通道中，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量總需要一定的時(shí)間，完

成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱之為孔徑時(shí)間。對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)來說，孔徑

時(shí)間決定了每一個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)換誤差，即為孔徑誤差。

7、采樣保持器的作用是什么?是否所有的模擬量輸入通道中都需要采樣保持器?為

什么？

（1）A/D轉(zhuǎn)換過程（即采樣信號(hào)的量化過程）需要時(shí)間，這個(gè)時(shí)間稱為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)

間。在A/D轉(zhuǎn)換期間，如果輸入信號(hào)變化較大，就會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差。所以，一般情況

下采樣信號(hào)都不直接送至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，還需加保持器作信號(hào)保持。保持器把t=kT

時(shí)刻的采樣值保持到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。

（2）當(dāng)被測(cè)信號(hào)變化緩慢時(shí)，若A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間足夠短，可以不加采樣保持

器。

7（附加）：采樣保持器中保持電容的大小對(duì)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(shí)間。在進(jìn)行A/D

轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，希望輸入信號(hào)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(duì)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(shí)充電時(shí)間常數(shù)小，即保持電容充電快，輸出對(duì)輸入信號(hào)的跟隨特性好，但在保持狀態(tài)

時(shí)放電時(shí)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。

不是，對(duì)于輸入信號(hào)變化很慢，如溫度信號(hào)；或者A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較快，使得在A/D

轉(zhuǎn)換期間輸入信號(hào)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

8.一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器，孔徑時(shí)間為100MS,如果要求轉(zhuǎn)換誤差在A/D轉(zhuǎn)換器的

轉(zhuǎn)換精度（0.4%）內(nèi)，求允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率是多少？

0.4

a6〃z

2^x100x100x10^

9.試AD1674、LF398,CD4051和PC/ISA總線工業(yè)控制機(jī)接口，設(shè)計(jì)出8路模

擬量采集系統(tǒng)，請(qǐng)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。

單路模擬量電路原理圖如下圖所示。

T

T

J

10.采用DAC0832和PC/ISA總線工業(yè)控制機(jī)接口，請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編

寫D/A轉(zhuǎn)換程序。

8086CPU

地

址Uo

譯

M/1O碼

WR

11.采用DAC1210和PC/ISA總線工業(yè)控制機(jī)接口，請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編

寫D/A轉(zhuǎn)換程序。

答案：略。

12.請(qǐng)分別畫出D/A轉(zhuǎn)換器的單極性和雙極性電壓輸出電路，并分別推導(dǎo)出輸出電

壓與輸入數(shù)字量之間的關(guān)系式。

/?12R/?3=2K

VREF

RFB

ISA總線

<DACloiJTI

loUTl

AGND

▽

%⑺為單極性輸出，若D為輸入數(shù)字量，VREF為基準(zhǔn)參考電壓，且為n位D/A

K)UTI=-VREF*T7

轉(zhuǎn)換器，則有2.

勿"2為雙極性輸出，可以推出

13.采用DAC0832、運(yùn)算放大器、CD4051等元器件與PC/ISA總線工業(yè)控制機(jī)接

口，設(shè)計(jì)8路模擬量輸出系統(tǒng)，請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編寫8路模擬量輸出程序。

答案：略。

14.基于RS-485串行總線的主從分布式測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式是怎樣的？

基于RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換模塊的硬件設(shè)計(jì)方案

基于RS-485總線擴(kuò)展卡的硬件設(shè)計(jì)方案

15、什么是串模干擾和共模干擾?如何抑制？

答：所謂串模干擾是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲。這里的被測(cè)信號(hào)是指有用的

直流信號(hào)或緩慢變化的交變信號(hào)，而干擾噪聲是指無用的變化較快的雜亂交變信號(hào)。其

抑制方法有：

①如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率高，則采用輸入低通濾波器來抑制高頻率串模

干擾；如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率低，則采用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；

如果串模干擾頻率落在被測(cè)信號(hào)頻譜的兩側(cè)，則應(yīng)用帶通濾波器。

②當(dāng)尖峰型串模干擾成為主要干擾源時(shí)，用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以削弱串模干

擾的影響。

③對(duì)于串模干擾主要來自電磁感應(yīng)的情況下，對(duì)被測(cè)信號(hào)應(yīng)盡可能早地進(jìn)行前置放

大，從而達(dá)到提高回路中的信號(hào)噪聲比的目的；或者盡可能早地完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換或采取

隔離和屏蔽等措施。

④從選擇邏輯器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。

⑤采用雙絞線作信號(hào)引線的目的是減少電磁感應(yīng)，并且使各個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電勢(shì)互

相呈反向抵消。選用帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號(hào)線，且有良好接地，并對(duì)測(cè)量

儀表進(jìn)行電磁屏蔽。

16、MAX1232有哪些主要功能？

MAX1232的主要功能有：電源監(jiān)控、按鈕復(fù)位輸入、監(jiān)控定時(shí)器（Watchdog）。

17、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中一般有哪幾種地線?請(qǐng)畫出回流法接地和一點(diǎn)接地示意圖。

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般有以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、安全地、系統(tǒng)地和

交流地。

模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。

數(shù)字地作為計(jì)算機(jī)中各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開，避免模擬信號(hào)受

數(shù)字脈沖的干擾。

安全地的目的是使設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電而影響人身及設(shè)備安

全。通常安全地又稱為保護(hù)地或機(jī)殼地，機(jī)殼包括機(jī)架、外殼、屏蔽罩等。

系統(tǒng)地就是上述幾種地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連。

交流地是計(jì)算機(jī)交流供電電源地，即動(dòng)力線地，它的地電位很不穩(wěn)定。

18、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(shí)計(jì)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(dòng)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(jìn)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(shí)還要考慮對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、

保護(hù)、消除觸點(diǎn)抖動(dòng)，以及進(jìn)行信號(hào)隔離等問題。

19、簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)消抖。

20、簡(jiǎn)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(gè)管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組成，如圖2.1所示。

輸入電流流過二極管時(shí)使其發(fā)光，照射到光敏三極管上使其導(dǎo)通，完成信號(hào)的光電耦合

傳送，它在過程通道中實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。

+E

光電耦合器電路圖

21、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(hào)遠(yuǎn)距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號(hào)的衰減，為

與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機(jī)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(hào)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(shí)間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)

換時(shí)間內(nèi)，希望輸入信號(hào)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(Analog/DigitalConverter,簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)。

22、對(duì)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(shí)的導(dǎo)通電阻為零。止匕外，還希望切

換速度快、噪音小、壽命長(zhǎng)、工作可靠。

23、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的常用接地方法是什么？

(I)一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地

(2)模擬地和數(shù)字地的連接

(3)主機(jī)外殼接地

(4)多機(jī)系統(tǒng)的接地

24、微機(jī)常用的直流穩(wěn)壓電源由哪些部分組成？各部分的作用是什么？

微機(jī)常用的直流穩(wěn)壓電源如圖所示。該電源采用了雙隔離、雙濾波和雙穩(wěn)壓措施，

具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可用于一般工業(yè)控制場(chǎng)合。

#穩(wěn)九巾流電源

一

而

整

II頻

流

低通交流流

穩(wěn)

波濾

器

濾波器穩(wěn)壓器住

波

高

nr頻

微機(jī)系統(tǒng)地(浮地)流

供電系統(tǒng)地專用系統(tǒng)線穩(wěn)/

壓

波

一

抗干擾直流穩(wěn)壓電源示意圖

(1)隔離變壓器

隔離變壓器的作用有兩個(gè)：其一是防止浪涌電壓和尖峰電壓直接竄入而損壞系統(tǒng);

其二是利用其屏蔽層阻止高頻干擾信號(hào)竄入。

(2)低通濾波器

各種干擾信號(hào)一般都有很強(qiáng)的高頻分量，低通濾波器是有效的抗干擾器件，它允許

工頻50Hz電源通過，而濾掉高次諧波，從而改善供電質(zhì)量。

(3)交流穩(wěn)壓器

交流穩(wěn)壓器的作用是保證供電的穩(wěn)定性，防止電源電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。

(4)電源變壓器

電源變壓器是為直流穩(wěn)壓電源提供必要的電壓而設(shè)置的。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能

力，電源變壓器做成雙屏蔽形式。

(5)直流穩(wěn)壓系統(tǒng)

直流穩(wěn)壓系統(tǒng)包括整流器、濾波器、直流穩(wěn)壓器和高頻濾波器等幾部分，常用的直

流穩(wěn)壓電路如圖所示。

直流穩(wěn)壓系統(tǒng)電路圖

一般直流穩(wěn)壓電源用的整流器多為單相橋式整流，直流側(cè)常采用電容濾波。圖中

C1為平滑濾波電容，常選用幾百?幾千pF的電解電容，用以減輕整流橋輸出電壓的脈

動(dòng)。C2為高頻濾波電容，常選用0.01?O.IRF的瓷片電容，用于抑制浪涌的尖峰。作為

直流穩(wěn)壓器件，現(xiàn)在常用的就是三端穩(wěn)壓器78XX和79XX系列芯片，這類穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)單，使用方便，負(fù)載穩(wěn)定度為15mV,具有過電流和輸出短路保護(hù)，可用于一般微機(jī)

系統(tǒng)。三端穩(wěn)壓電源的輸出端常接兩個(gè)電容C3和C4,C3主要起負(fù)載匹配作用，常選

用幾十?幾百RF的電解電容；C4中抗高頻干擾電容，常選取0.01?O.IRF的瓷片電容。

第三章習(xí)題答案

1、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(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)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、什么是數(shù)字程序控制？數(shù)字程序控制有哪幾種方式？

數(shù)字程序控制，就是生產(chǎn)機(jī)械(如各種加工機(jī)床)根據(jù)數(shù)字計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，

按規(guī)定的工作程序。運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)速度等規(guī)律自動(dòng)地完成工作的控制方式。

數(shù)字程序控制方式：點(diǎn)位控制、直線控制和輪廓控制。

3、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。

(1)輸入裝置：一般指微機(jī)的輸入設(shè)備，如鍵盤。其作用是輸入數(shù)控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械

進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)所必需的各種外部控制信息和加工數(shù)據(jù)信息。

(2)微機(jī)：微機(jī)是MNC系統(tǒng)運(yùn)算和控制的核心。在系統(tǒng)軟件指揮下，微機(jī)根據(jù)輸入

信息，完成數(shù)控插補(bǔ)器和控制器運(yùn)算，并輸出相應(yīng)的控制和進(jìn)給信號(hào)。若為閉環(huán)數(shù)控系

統(tǒng)，則由位置檢測(cè)裝置輸出的反饋信息也送入微機(jī)進(jìn)行處理。

(3)輸出裝置：一般包括輸出緩沖電路、隔離電路、輸出信號(hào)功率放大器、各種顯示

設(shè)備等。在微機(jī)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(jī)械輸出各種有關(guān)的開關(guān)量控制信號(hào)(冷卻、啟、停等)，還向伺服機(jī)構(gòu)發(fā)出進(jìn)給

脈沖信號(hào)等。

(4)伺服機(jī)構(gòu)：一般包括各種伺服元件和功率驅(qū)動(dòng)元件。其功能是將輸出裝置發(fā)出的

進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)機(jī)械相應(yīng)部件的機(jī)械位移(線位移、角位移)運(yùn)動(dòng)。

(5)加工機(jī)械：即數(shù)控系統(tǒng)的控制對(duì)象，各種機(jī)床、織機(jī)等。目前已有專門為數(shù)控裝

置配套設(shè)計(jì)的各種機(jī)械，如各種數(shù)控機(jī)床，它們的機(jī)械結(jié)構(gòu)與普通機(jī)床有較大的區(qū)別。

4、什么是逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法？直線插補(bǔ)計(jì)算過程和圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程各有哪幾個(gè)步

逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)運(yùn)算，就是在某個(gè)坐標(biāo)方向上每走一步(即輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖)，

就作一次計(jì)算，將實(shí)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?zèng)Q定下一步的走向(沿X軸進(jìn)給，還是沿Y軸進(jìn)給)。逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的實(shí)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(gè)脈沖當(dāng)

量(每走一步的距離，即步長(zhǎng))。

直線插補(bǔ)計(jì)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(jì)算：即計(jì)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(diǎn)判別：即若已到達(dá)終點(diǎn)，則停止插補(bǔ)；若未到達(dá)終點(diǎn)，則重復(fù)上述步驟。

圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程的步驟如下：

(1)偏差判別

(2)坐標(biāo)進(jìn)給

(3)偏差計(jì)算

(4)坐標(biāo)計(jì)算

(5)終點(diǎn)判別

5、若加工第二象限直線OA,起點(diǎn)0(0,0),終點(diǎn)A(-4,6)o要求：

(1)按逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行列表計(jì)算；

(2)作出走步軌跡圖，并標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù)。

解：由題意可知xe=4,ye=6,F0=0,我們?cè)O(shè)置一個(gè)總的計(jì)數(shù)器Nxy,其初值應(yīng)為

Nxy-|6-0|+|-4-0|=10,則插補(bǔ)計(jì)算過程如表所示。根據(jù)插補(bǔ)計(jì)算過程表所作出的直線插補(bǔ)

走步軌跡圖如下圖所示。

步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別

起點(diǎn)F0=0Nxy=10

1F0=0-XFl=F0-ye=-6Nxy=9

2Fl<0+YF2=Fl+xe=-2Nxy=8

3F2<0+YF3=F2+xe=2Nxy=7

4F3>0-XF4=F3-ye=-4Nxy=6

5F4<0+YF5=F4+xe=0Nxy=5

6F5=0-XF6=F5-ye=-6Nxy=4

7F6<0+YF7=F6+xe=-2Nxy=3

8F7<0+YF8=F7+xe=2Nxy=2

9F8>0-XF9=F8-ye=-4Nxy=l

10F9<0+YF10=F9+xe=0Nxy=0

6、設(shè)加工第一象限的圓弧AB,起點(diǎn)A(6,0),終點(diǎn)B(0,6)。要求：

(1)按逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)進(jìn)行列表計(jì)算；

(2)作出走步軌跡圖，并標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù)。

解：插補(bǔ)計(jì)算過程如表所示。終點(diǎn)判別仍采用一個(gè)總的計(jì)數(shù)器Nxy,每走一步便減

1操作，當(dāng)Nxy=0時(shí)，加工到終點(diǎn)，插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束。下圖為插補(bǔ)過程中的走步軌跡。

步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判別

起點(diǎn)F0=0x0=6,y0=0Nxy=12

1F0=0-XFl=0-12+]=-llxl=5,yl=0Nxy=l1

2Fl<0+YF2=-ll+0+l=-10x2=5,y2=lNxy=10

3F2<0+YF3=-10+2+l=-7x3=5,y3=2Nxy=9

4F3<0+YF4=-7+4+l=-2x4=5,y4=3Nxy=8

5F4<0+YF5=-2+6+l=5x5=5,y5=4Nxy=7

6F5>0-XF6=5-10+l=-4x6=4,y6=4Nxy=6

7F6<0+YF7=-4+8+l=5x7=4,y7=5Nxy=5

8F7>0-XF8=5-8+l=-2x8=3,y8=5Nxy=4

9F8<0+YF9=-2+10+l=9X9=3,y9=6Nxy=3

10F9>0-XF10=9-6+l=4xl0=2,yl0=6Nxy=2

11F10>0-XFl1=44+1=1xll=l,yll=6Nxy=l

12Fll>0-XF12=l-2+l=0xl2=0,yl2=6Nxy=0

7、三相步進(jìn)電機(jī)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?yàn)锳-BTC,各相通電的電壓波形如圖所示。

步進(jìn)時(shí)鐘

A相」

B相

C相------------------------I—

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?yàn)锳B-BCTCA。各相通電的電壓波形如圖所示。

步進(jìn)時(shí)鐘iiJiAJi_JiJLJUiJi_jLJLrui_n_rL

A相

B相

，相I—U―U—U—

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(jī)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?yàn)锳—AB—B—BC—C—CA。各相通電的電壓波形如圖所示。

步進(jìn)時(shí)鐘rLn_n_rLfuuuL_rui_n_n_rLJL_n_

A相

B相

C相

三相六拍工作的電壓波形圖

8、位置伺服系統(tǒng)分為哪幾種類型？

根據(jù)位置環(huán)比較的方式不同，可將位置伺服系統(tǒng)分為數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位

比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)。

相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與安裝都比較復(fù)雜，因此一般情況下

選用脈沖比較伺服系統(tǒng)，同時(shí)相位比較伺服系統(tǒng)較幅值比較伺服系統(tǒng)應(yīng)用得廣泛一些.

9、討論多軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)和多軸伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)各有何特點(diǎn)？并分別列舉

設(shè)計(jì)或應(yīng)用實(shí)例。

答案略。

第四章習(xí)題答案

4.已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

U(s)1+0.17.?

D(s)=----=------

E(s)1+0.0855

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。

6.選擇采樣周期需要考慮哪些因素？

7.試敘述試湊法、擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。

1、數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)步驟是什么？

模擬化設(shè)計(jì)步驟：

(1)設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)為

\'1+

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)。

?7-1

雙線形變換法：把s='?一代入，則

Tz+1

2z-l

刀亍.六一（T+21）Z+T-27；

D（Z）=D（Z）2ZT

s=一?——1+T2.”（T+270Z+T-2北

Tz+1

2TZ+1

前向差分法：把z：”代入，則

i+7\s_率+7—1

D（z）=D（s）z-i

s=---

1+1心T2Z+T-T2

z-l,

后向差分法：把s=——代入，則

Tz

z-1

1+7

l+7；5_*Tz^z+T-T,

O（z）=。⑷

5=----

]+T>s,Tz-lT^Z+T-T2

Tzl+l2

Tz

3.在PID調(diào)節(jié)器中系數(shù)心、%、心各有什么作用？它們對(duì)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)即可以減小偏差，但永遠(yuǎn)不會(huì)使偏差減小到零，而且無

止境地提高系數(shù)即最終將導(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)%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(diǎn)是，只要被調(diào)量存在

偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，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(diǎn)，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(diǎn)，其動(dòng)作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)的動(dòng)

態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時(shí)間加長(zhǎng)。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，提高控制精度。

系數(shù)M為微分常數(shù)，M越大微分作用越強(qiáng)。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(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)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PID算

式，為此，在采樣周期T遠(yuǎn)小于信號(hào)變化周期時(shí)，作如下近似(T足夠小時(shí)，如下逼近

相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近)：

j=0

dee(k)-e(k-1)

—?-------------

dtT

于是有：

〃(左)=K,{e(k)+J￡e(j)+g[e(k)-e(k-1)]}

h>0/

u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如控制閥門的開度)一一對(duì)

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(xiàng)，因此輸出的控制量u(k)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u(k)產(chǎn)生大幅度變化，這樣會(huì)引起系

統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以實(shí)際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增

量時(shí)，可以采用增量型P1D算法。當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進(jìn)電機(jī)、電動(dòng)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(shí)，一般均采用增量型PID控制算法。

△〃伏)=Kp{[e(k)-e(k-V)]+—e(k)+皂[e⑻-2e(k-V)+e(k-2)]}

7]T

與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)位置型算式每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)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(jì)算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項(xiàng)，從而可消除調(diào)節(jié)器的

積分飽和，在精度不足時(shí)，計(jì)算誤差對(duì)控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。

(2)為實(shí)現(xiàn)手動(dòng)——自動(dòng)無擾切換，在切換瞬時(shí)，計(jì)算機(jī)的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度

uo,若采用增量型算法，其輸出對(duì)應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)uo項(xiàng)，所

以易于實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切換。

(3)采用增量型算法時(shí)所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)

行器仍能保持在原位，不會(huì)對(duì)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

n(A-1+0"s

01+0.0855

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。

蹙上次

E(s)1+0.0855

貝ijU(s)+0.085SU(s)=E(.v)+0.17SE(s)

w(0+O.O85-~^=e(f)+0.17^^

u(k)-u(k-1)-1)

“(上)+0.085=e(%)+0.17

TT

把T=0.2S代入得

1.425u(k)~0.425u(k-1)=4.5e(&)-35e(hl)

位置型“(%)=3.1579e(左)-2.4561e(k-1)+0.2982u(k-1)

增量型AMQ)="(A)-“僅一1)=3.1579e(A)-2.4561e仕-1)-0.7018w(Z:-1)

6.有哪幾種改進(jìn)的數(shù)字PID控制器？

有四種：

(1)積分分離PID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

5.什么叫積分飽和？它是怎樣引起的?如何消除？

(1)由于長(zhǎng)時(shí)間的偏差或偏差過大，控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限位置，導(dǎo)致控制量雖然在

增大但是執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無動(dòng)作的現(xiàn)象稱為積分飽和.

(2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性和偏差的長(zhǎng)時(shí)間存在時(shí)導(dǎo)致積分飽和現(xiàn)象的原因.

⑶消除方法：

對(duì)控制量限幅：例如令：u(k)={0u(Iulu(k)<ul

過限削弱積分PID算法：

若u(k-1)>ul則只有當(dāng)e(k)<0時(shí)才將e(k)計(jì)入積分項(xiàng)：

若u(k-1)<-uI則只有當(dāng)e(k)>0時(shí)才將其計(jì)入積分項(xiàng)

6.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？

(1)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95%的系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間內(nèi)，采樣6次?15次即可。

(2)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(shí)。

(3)從計(jì)算機(jī)的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應(yīng)長(zhǎng)些，尤其是多回路控制時(shí)，應(yīng)

使每個(gè)回路都有足夠的計(jì)算時(shí)間；當(dāng)被控對(duì)象的純滯后時(shí)間T較大時(shí)，常選T=(l/4~l/8)

To

(4)從計(jì)算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過短，當(dāng)主機(jī)字長(zhǎng)較小時(shí)，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(huì)減弱。另外，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度較低，會(huì)出現(xiàn)

這種情況，即新的控制量己輸出，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(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)時(shí)間。

7.簡(jiǎn)述擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。

擴(kuò)充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：

(1)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期T,例如被控過程有純滯后時(shí)，采樣周期T取滯后時(shí)間的

1/10以下，此時(shí)調(diào)節(jié)器只作純比例控制，給定值r作階躍輸入。

(2)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(shí)的比例系數(shù)Kp,將其記作臨界振蕩增益Ks。此時(shí)的比例度為

臨界比例度，記作瓦

K.

(3)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(duì)應(yīng)的過渡過程的誤差平方的

積分之比。

(4)根據(jù)控制度,查表求出T、Kp、Ti和Td值。

(5)按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運(yùn)行，觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿

意的控制效果為止。

擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟：

(1)斷開數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動(dòng)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(duì)象輸入一個(gè)階躍信號(hào)。

(2)用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個(gè)變化過程曲線，如圖所示。

(3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間工、被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)Tc,以及它們的比

值TC/TO

(4)由T、Tc、TC/T值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。

8.數(shù)字控制器直接離散設(shè)計(jì)步驟是什么？

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖所示。

由廣義對(duì)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(jì)步驟如下：

(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)中(z)。

(2)求廣義對(duì)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(jì)算公式。

.已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為

s(0.1s+1)

采樣周期T=ls,采用零階保持器。要求：

(1)針對(duì)單位速度輸入信號(hào)設(shè)計(jì)最少拍無紋波系統(tǒng)的D(z),并計(jì)算輸出響應(yīng)y(k)、

控制信號(hào)u(k)和誤差e(k)序列，畫出它們對(duì)時(shí)間變化的波形。

(2)針對(duì)單位階躍輸入信號(hào)設(shè)計(jì)最少拍有紋波系統(tǒng)D(z),并計(jì)算y(k)、u(k)、e(k)

序列，畫出它們對(duì)時(shí)間變化的波形。

10.被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為

G0(s)=.

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

(1)最少拍控制器Z)(z)；

(2)畫出采樣瞬間數(shù)字控制器的輸出和系統(tǒng)的輸出曲線。

(1)最少拍控制器

可以寫出系統(tǒng)的廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)

l-eTs1)T2Z-I(1+ZT)

G,(z)=Z=Z(l-e』)4

s21-z-1

將T=1S代入,有

Z<l+zT)

G(z)

2(1-z-邛

由于輸入r(t)=t,則

12

Ge(z)=(l-z)

。公_1—G，(Z)Z[1+ZT)

(2)系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

0(z)=2z-l-z-2

則當(dāng)輸入為單位速度信號(hào)時(shí),，系統(tǒng)輸出序列Z變換為

K(z)=R(z)0(z)=(2z-1-z-2)Tz-'=2Tz-2+3Tz-3+4Tz-4+???

(i--7

y(O)=O,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,...

11.被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為

G(s)=占1

采樣周期T=ls,要求：

(1)采用Smith補(bǔ)償控制，求取控制器的輸出”(A)；

(2)采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z),并求取1%的遞推形式。

⑴采用Smith補(bǔ)償控制

廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為

ss

HGC(S)=H°(.v)GC(.v)=——?=1,晨?e=HGP(s)?e

S5+1+1)

Q(z)=Z?(s)卜zf?？?(1-「)]=(1-Z”產(chǎn)。

+1)]—Q]Z

其中弓=e4=e」,Z?il

=1-e~,L=—=19T=IS

t

則26器0.6321QTZ-2)

1-0.3679z-1

U(z)—0.3697z-'tZ(z)=0.6321(z-1-z-2)￡(z)

M(Z)=0.6321e(k-1)-0.6321e{k-2)+0.3679u(k-1)

(2)采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器

取T=lS,r=1,K=1,1=1,L=7/T=l,設(shè)期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時(shí)間常數(shù)To=O.5S

則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為

i—7s—LTs2

1—ee-2\-e-

GB(Z)=Zz

s"s+1

廣義被控對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為

z?(l-eT)

1—Ke5-11

HGc(z)=Z=(l-z)z-'Z--

1+Tj.y1+sl1-z^-1e-1

則

⑨=GB(Z)=z-2(l—e-2)

-f/Gc(zXl-GB(z)]HG/j—z-H—zK

(1-e-1Jl-z-le^-(1-e-2)z-2]

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

2

(1-0.3679)[l-0.1353r'-(1-0.1353)Z-]

1.3680-0.5033Z-1

l-0.1353z-'-0.8647z-2

又咐嚼

則U(z)—0.1353z_1t/(z)-0.8647z-2C/(z)=1.3680E(z)-0.5033z-lE(z)

上式反變換到時(shí)域，則可得到

u(k)=1.3680業(yè))—0.5033e(k-1)+0.1353-1)+0.8647u(k-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u(k)以接近二分之一的采樣頻率大幅度上下擺動(dòng)。

它對(duì)系統(tǒng)的輸出幾乎是沒有影響的，但會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)因磨損而造成損壞。

消除振鈴現(xiàn)象的方法：

(1)參數(shù)選擇法

對(duì)于一階滯后對(duì)象，如果合理選擇期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時(shí)間常數(shù)T0和采樣周

期T,使RAWO,就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使RAW0,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(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(即z=-l附近的極點(diǎn))，然后人為地令其

中的z=l,就消除了這個(gè)極點(diǎn)。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(dòng)態(tài)特性，從而將影響閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

13.前饋控制完全補(bǔ)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(bǔ)償?shù)臈l件是Gn(s)+Dn(s)