計算機控制技術課后習題詳解答案

期末復習必備

計算機控制技術課后習題答案

第一章計算機控制系統(tǒng)概述

習題參考答案

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：

⑴實時數(shù)據(jù)采集：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。

(2)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。

⑶實時控制：根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。

2.實時、在線方式和離線方式的含義是什么？

(1)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

完成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理，并在一定的時間內作

出反應并進行控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。

⑵“在線”方式：在計算機控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設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”方式或者“在線”方式。

(3)“離線”方式：若生產(chǎn)過程設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，靠人進行聯(lián)系并作相應操作的方式，則

叫做“脫機”方式或者“離線”方式。

3.微型計算機控制系統(tǒng)的硬件由哪幾部份組成？各部份的作用是什么?

由四部份組成。

1

生產(chǎn)過IV長克

人

七

機

路

聯(lián)

開測網(wǎng)交送

系

關

設

備

窩la交送卜—

反捻h機構卜一

Z

執(zhí)行機構|—?

路

通

開

用

關

外執(zhí)打機構卜一

部

設

笛

圖1.1微機控制系統(tǒng)組成框圖

⑴主機：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)的各個部份

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（如調節(jié)規(guī)律運算、最

優(yōu)化計算等）和操作，根據(jù)運算結果作出控制決策；對生產(chǎn)過程進行監(jiān)督，使之

處于最優(yōu)工作狀態(tài)；對事故進行預測和報警；編制生產(chǎn)技術報告，打印制表等

等。

⑵輸入輸出通道：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摹擬量輸入輸出通道和數(shù)字量輸入輸出通道。

⑶外部設備：這是實現(xiàn)微機和外界進行信息交換的設備，簡稱外設，包括人機

聯(lián)系設備（操作臺）、輸入輸出設備（磁盤驅動器、鍵盤、打印機、顯示終端等）

和外存貯器（磁盤）。其中操作臺應具備顯示功能，即根據(jù)操作人員的要求，能

即將顯示所要求的內容；還應有按鈕，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，即應有保護功能。

（4）檢測與執(zhí)行機構

a.測量變送單元：在微機控制系統(tǒng)中，為了采集和測量各種參數(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)的非電量轉換成電量，例如熱

電偶把溫度轉換成mV信號；壓力變送器可以把壓力轉換變?yōu)殡娦盘枺@些信號

經(jīng)變送器轉換成統(tǒng)一的計算機標準電平信號（0?5V或者4?20mA）后，再送入微機。

b.執(zhí)行機構：要控制生產(chǎn)過程，必須有執(zhí)行機構，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者直線位移，

并通過調節(jié)機構改變被調介質的流量或者能量，使生產(chǎn)過程符合預定的要求。

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的控制量，輸出給

執(zhí)行機構（調節(jié)閥）來控制進入加熱爐的煤氣（或者油）量以實現(xiàn)預期的溫度值。

常用的執(zhí)

2

行機構有電動、液動溫和動等控制形式，也有的采用馬達、步進機電及可控硅

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？說出各部份軟件的作用。

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、應用軟件及數(shù)據(jù)庫。

（1）系統(tǒng)軟件：它是由計算機設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)軟件只是作為開辟應用軟件的工具，是不需要自己設計的。

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；

b.診斷系統(tǒng)：指的是調節(jié)程序及故障診斷程序；

c.開辟系統(tǒng)：包括各種程序設計語言、語言處理程序（編譯程序）、服務程序（裝

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

⑵應用軟件: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；

b.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度、文件管理及輸出、打印、顯示程序等；

c.公共服務程序：包括基本運算程序、函數(shù)運算程序、數(shù)碼轉換程序、格式編

碼程序。

⑶數(shù)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，相應軟

件設計指如何建立數(shù)據(jù)庫以及如何查詢、顯示、調用和修改數(shù)據(jù)等。

3

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)律靈便多樣，改動方便

b.控制精度高，抑制擾動能力強，能實現(xiàn)最優(yōu)控制

c.能夠實現(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

6.操作指導、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)操作指導控制系統(tǒng)：在操作指導控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接作用于生

產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結構。計算機根據(jù)數(shù)學模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)

過程參數(shù)進行處理，計算出各控制量應有的較合適或者最優(yōu)的數(shù)值，供操作員

參考，這時計算機就起到了操作指導的作用。其原理框圖如圖1.2所示。

圖1.2操作指導控制系統(tǒng)原理框圖

(2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))：DDC(DirectDigitalControl)系統(tǒng)就是通過

檢測元件對一個或者多個被控參數(shù)進行巡回檢測，經(jīng)輸入通道送給微機，微機

將檢測結果與設定值進行比較，再進行控制運算，然后通過輸出通道控制執(zhí)

行機構，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達到預定的要求。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用形式。其原理框圖如圖1.3所示。

4

名依

路M

快擬修或開美■?人通城開元

X件

4:

產(chǎn)

道

W

圖1.3DDC系統(tǒng)原理框圖

(3)計算機監(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)變化的實際情況，因為在DDC系統(tǒng)中計算機只是代替模

擬調節(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)控制以及自適應控制等。SCC系統(tǒng)的原

理框圖如圖L4所示。

依

多

測

路

元

開

模擬量或開關1ft輸入通道

件

關

生

產(chǎn)

過

程

模擬R或開_常規(guī)調"器__

關量輸出通道或DDC級微機一風”磯網(wǎng)

圖1.4SCC系統(tǒng)原理框圖

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

7.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)的應用也越來越廣泛。為更好地適應生產(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.普及應用可編程序控制器

b.采用集散控制系統(tǒng)

C.研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)

5

第二章輸入輸出過程通道

習題參考答案

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)過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。

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)字量過程通道和摹擬量過程通道。

2.數(shù)字量過程通道由哪些部份組成？各部份的作用是什么？

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

動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：輸入調理電路將來自控制裝置或

者生產(chǎn)過程的各種開關量，進行電平轉換，將其通斷狀態(tài)轉換成相應的高、

低電平，同時還要考慮對信號進行濾波、保護、消除觸點顫動，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顫動的高頻部份濾出，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。

6

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使其發(fā)光，照射到光敏三極管上使其導通，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徹底隔離。

X1

圖2.1光電耦合器電路圖

5.摹擬量輸入通道由哪些部份組成？各部份的作用是什么？

摹擬量輸入通道普通由I/V變換、多路轉換器、采樣保持器、A/D轉換器、接口

及控制邏輯電路組成。

⑴I/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)行機構匹配提供了方便。

⑵多路轉換器：用來切換摹擬電壓信號的關鍵元件。

⑶采樣保持器：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D

轉換時間內，希翼輸入信號再也不變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在

A/D轉換器之前加入采樣保持器。

(4)A/D轉換器：摹擬量輸入通道的任務是將摹擬量轉換成數(shù)字量，能夠完成這

一任務的器件，稱為之模/數(shù)轉換器(Analog/DigitalConverter,簡稱A/D轉

換器或者ADC)o

6.對理想多路開關的要求是什么？

理想的多路開關其開路電阻為無窮大，其接通時的導通電阻為零。止匕外，還希

望切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。

7

7.采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轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行

A/D轉換時間內，希翼輸入信號再也不變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要

在A/D轉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，輸出對輸入信號的尾隨特性好，

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，但尾隨特性差。

8.在數(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轉換時間較快，使得在

A/D轉換期間輸入信號變化很小，在允許的A/D轉換精度內，就不必再選用采樣

保持器。

9.A/D轉換器的結束信號有什么作用？根據(jù)該信號在I/O控制中的連接方式，

A/D轉換有幾種控制方式？它們在接口電路和程序設計上有什么特點？

A/D轉換器的結束信號的作用是用以判斷本次AD轉換是否完成。

常見的A/D轉換有以下幾種控制方式，各自特點如下

?延時等待法:EOC可不和I/O口連接，程序設計時，延時大于ADC轉換時間后，

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

時一，取數(shù)據(jù)。

?查詢法：EOC可以和任意I/O口連接，程序設計時，反復判斷EOC是否有效，

直至EOC有效時，取數(shù)據(jù)。

8

?中斷響應法：EOC與外部中斷相連，AD轉換結束后，發(fā)中斷申請，在中斷服務程

序中取數(shù)據(jù)。

10.設被測溫度變化范圍為0￡~1200￡,如果要求誤差不超過0.4￡,應選用分辨

為多少位的A/D轉換器？

(17()0A

選擇依據(jù)：n>logII+____I~12

210.4)

11.設計出8路摹擬量采集系統(tǒng)。請畫出接口電路原理圖，并編寫相應的8路模

擬量數(shù)據(jù)采集程序。

本例給出用8031、DAC0809設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例。

把采樣轉換所得的數(shù)字量按序存于片內RAM的301r37H單元中。采樣完一遍后

住手采集。其數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中斷服務程序如下：

初始化程序：MOVRO,#30H;設立數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針

MOVR2,#08H;設置8路采樣計數(shù)值

SETBITO;設置外部中斷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,#FEF8H；送入口地址并指向IN0

LOOP：MOVX@DPTR,A;啟動A/D轉換，A的值無意義

HERE：SJMPHERE;等待中斷

中斷服務程序:

MOVXA,@DPTR;讀取轉換后的數(shù)字量

MOV@R0,A；存入片內RAM單兀

INCDPTR；指向下一摹擬通道

INCRO;指向下一個數(shù)據(jù)存儲單元

DJNZR2,INTO;8路未轉換完，則繼續(xù)

CLREA;已轉換完，則關中斷

CLREXO；禁止外部中斷0中斷

RETI;中斷返回

INTO：MOVX@DPTR,A;再次啟動A/D轉換

RETI;中斷返回

12.摹擬量輸出通道由哪幾部份組成？各部份的作用是什么？

摹擬量輸出通道普通由接口電路、D/A轉換器、功率放大和V/I變換等信號調理

電路組成。

(DD/A轉換器：摹擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉換器(Digital/Analog

10

Converter,簡稱D/A轉換器或者DAC)。它是指將數(shù)字量轉換成摹擬量的元件或

者裝置。

(2)V/I變換：普通情況下，D/A轉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摹擬信號。許多標準化的工業(yè)儀表或者執(zhí)

行機構，普通是采用O^lOmA或者4?20mA的電流信號驅動的。因此，需要

將摹擬電壓信號通過電壓/電流(V/I)變換技術，轉化為電流信號。

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

+5V

ILEVV

ccREF

/數(shù)據(jù)總線AD1.R

8086CPUlb

DII

地卅繡-地0OUTl

DAC0832

址Y

譯o

CS-ew2

M/IO電

WR2

XFER

DGND

前-WR4-AGND

產(chǎn)生三角波、梯形波和鋸齒波的程序。

本章作業(yè)

設計一八路數(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(0-5V),檢測精度＜1%。CPU、AD、DA可任選。

11

第三章微機數(shù)控系統(tǒng)

習題參考答案

3.1.什么是數(shù)控程序控制？數(shù)字程序控制有哪幾種方式？

所謂數(shù)控程序控制是計算機根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機械（如各種加

工機床）按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律自動地完

成工作的自動控制。

數(shù)字程序控制方式：點位控制、直線切削控制和輪廓的切削控制。

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

較法插補的實質是以階梯折線來逼近給定直線或者圓弧曲線，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：

（1）偏差判別：即判別上一次進給后的偏差值Fm是最大于等于零，還是小于零；

⑵坐標進給：即根據(jù)偏差判斷的結果決定進給方向，并在該方向上進給一步；

⑶偏差計算：即計算進給后的新偏差值Fm+1,作為下一步偏差判別的依據(jù)；

⑷終點判別：即若已到達終點，則住手插補；若未到達終點，則重復上述步驟。

圓弧插補計算過程的步驟如下：

⑴偏差判別

⑵坐標進給

⑶偏差計算

⑷坐標計算

⑸終點判別

5.若加工第一象限直線0A,起點0（0,0）,終點A（11,7）o要求：

12

(1)按逐點比較法插補進行列表計算；

⑵作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。

解：由題意可知X=11,y=7,F=0,我們設置一個總的計數(shù)器N，其初值應為

ee0xy

N二|7-0|+|ll-0hl8,則插補計算過程如表3-1所示。根據(jù)插補計算過程表所

xy

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F=0N=18

0xy

1F=0+XF=F-y=~7N=17

010exy

2F<0+YF=F+x=4N=16

121exy

3F>0+XF=F-y=-3N=15

232exy

4F<0+YF=F+x=8N=14

343exy

5F>0+XF=F-y-1N=13

454exy

6F>0+XF寸-y=-6N=12

565exy

7F<0+YF=F+x=5N=11

676exy

8F>0+XF=F-y=-2N=10

787exy

9F<0+YF=F+x=9N=9

898exy

10F>0+XF=F-y=2N=8

9109exy

11+Xb=E-yN=7

101110exy

12卜'<0+Y卜+x=bN=6

111211exy

13F>0+Xh-y=TN=5

121312exy

14F<0+YF=b+x=10N=4

131413exy

15F>0+X卜'=b-y=3N=3

141514exy

16F>0+X卜=b-y=-4N=2

151615exy

17F<0+Y卜=卜+x-IN=1

161716exy

18F>0+X卜'=F-y=UN=0

171816exy

13

3.5.設加工第一象限的圓弧AB,起點A(6,0),終點B(0,6)。要求：

⑴按逐點比較法插補進行列表計算；

⑵作出走步軌跡圖，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，設一個總的計

數(shù)器N,每走一步便減1操作，當N=0時，加工到終點，插補運算結束。下圖

xyxy

為插補過程中的走步軌跡。

表3—2

步偏差判坐標計算

坐標進給偏差計算終點判別

數(shù)別

起x=6,y=0

F=000N=12

點0xy

1F=0F=0-12+1=-11x=5,y=0N=11

0-X111xy

F=-11+0+1=-1x=5,y=1

2F<0+Y222N=10

10xy

3F<0+YF=-10+2+1=-7x=5,y=2N=9

2333xy

4F<0+YF=-7+4+1=—2x=5,y=3N=8

3444xy

5E<0+YF=-2+6+l=bxy=4N=7

4555xy

6F>0F=5T0+l=-4x=4,y=4N=6

5-X666xy

7F<0+YF=-4+8+1=5X=4,y=5N=5

6777xy

8F>0F=5-8+1=-2x=3,y=5N=4

7-X888xy

9E<0+YF=-2+10+1=9x=3,y=6N=3

8999xy

14

10F>0-XF=9-6+1=4x=2,y=6N=2

9101010xy

11F>0-XF=4-4+1=1x=1,y=6N=1

10111111xy

12F>0-XF=1-2+1=0x=0,y=6N=0

11121212xy

3.6.三相步進機電有哪幾種工作方式？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AfBfC,各相通電的電壓波形如圖3.1所示。

步進時鐘JUUMUUL

A相J__________

B相-------------------------

C相--------------------------1I—

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AB-BC-CA。各相通電的電壓波形如圖3.2

所示。

rUUUUUUUULTULnJULTL

-u—U~~UU1_

B*_1―U-LJ―U―U

c*TJ—U-UU~~U~

圖3.2雙三拍工作的電壓波形圖

(3)三相六拍工作方式

在反應式步進機電控制中，把單三拍和雙三拍工作方式結合起來，就產(chǎn)生

了六拍工作方式，其通電順序為A->AB-B-*BC-*C-*CAo各相通電的電壓波形如

圖3.3所示。

15

如"rLrLn_n_rui_n_n_n_n_n_rLrLn_n_

Bfll

圖3.3三相六拍工作的電壓波形圖

3.7.采用8255A作為x軸步進機電和y軸步進機電的控制接口，要求

(1)畫出接口電路原理圖；

(2)分別列出x軸和y軸步進機電在三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍工作

方式下的輸出字表。

電路原理圖如圖所示

三相單三拍控制方式輸出字表

ADX300000100=04HADY300000100=04H

三相雙三拍控制方式輸出字表

x軸步進機電輸出字表y軸步進機電輸出字表

存儲地址標號低八位輸出字存儲地址標號高八位輸出字

ADX10000001l=03HADY10000001l=03H

ADX200000110=06HADY200000110=06H

16

ADX300000101=05HADY300000101=05H

三相六拍控制方式輸出字表

x軸步進機電輸出字表y軸步進機電輸出字表

存儲地址標號低八位輸出字存儲地址標號高八位輸出字

ADX100000001=01HADY100000001=01H

ADX20000001l=03HADY20000001l=03H

ADX300000010=02HADY300000010=02H

ADX400000110=06HADY400000110=06H

ADX500000100=04HADY500000100=04H

ADX600000101=05HADY600000101=05H

17

第四章微型計算機控制系統(tǒng)的控制算法

習題參考答案

4..1.數(shù)字控制器的摹擬化設計步驟是什么？

摹擬化設計步驟：

(1)設計假想的摹擬控制器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)對應的差分方程

(5)根據(jù)差分方程編制相應程序。

2.某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設計為

D(s)=U(s)=UTs

E(s)1+Ts

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)O

解：雙線形變換法：把s=2.±l代入，則

Tz+1

2

D(z)=D(z)|上L&=6+個+?

s=U1+T2.z-1(r+2T2)z+T_2T2

2T-.(

前向差分法：把2=匕代入，則

T

D(z)=D(s)|=上艮上魚JJ+7T；

z-i1+Ts,z-1Tz+T-

"T21+T?丁2

2T

后向差分法：把$=7-1代入，則

Tz

D(Z)=D(s)|工

<1+T2s1+T；-1TZ+T-T

2Tz

4.3什么是數(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。

18

為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變量，必須將摹擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字

PID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)：

(p'edt^TDeG)

°j=o

dee(k)-e(k-1)

—=------------------

dtT

于是有：

u(k)=K{e(k)+[/e(j)+L[e(k)-e(k-1)])

pTT

u(k)是全量值輸出，每次的輸山看都與執(zhí)行機構的位置(如控制閥門的開度)

一一對應，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(k)

不僅與本次偏差有關，還與過去歷次采樣偏差有關，使得u(k)產(chǎn)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PID算法。當控制系統(tǒng)中的執(zhí)行

器為步進機電、電動調節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這種裝

置時，普通均采用增量型PID控制算法。

Au(k)=K{[e(k)-e(k-1)]+*(k)+L-{e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}

與位置算法相比，增量型PID算法有加下優(yōu)點：

(1)位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，計算式中要用到過去偏差的累加

值，容易產(chǎn)生較大的積累計算誤差；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。

⑵為實現(xiàn)手動一一自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設置為原始

閥門開度u,若采用增量型算法，其輸出對應于閥門位置的變化部份，即算式

0

中不浮現(xiàn)U項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。

0

⑶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。

4.4.已知摹擬調節(jié)器的傳遞函數(shù)為

19

DQ=1+0.17s

2一1+0.085s

試寫出相應數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式，設采樣周期T=0.2s。

D(s)陷J+?！?s

1+0.()85s

則U(s)+0.085SU(s)=E(s)+0.17SE(s)

:u(t)+0.085d")=e(t)+0.17上^

dtdt

:u(k)+0.0阪城^=e(k)+盧

把T=0.2S代入得

1.425u(k)-0.425u(k-1)=4.5e(k)-3.5e(k-1)

位置型u(k)=3.1579e(k)-2.4561e(k-1)+O.2982u(k-1)

增量型Au(k)=u(k)-U(k-1)=3.1579e(k)-2.4561e(k-l)-0.7018u(k-1)

(補充題)已知摹擬調節(jié)器的傳遞函數(shù)為

D(S)J+0」7S

0.085s

試寫出相應數(shù)字控制器的位置型PID算法和增量型PID控制算式，設采樣周

期T=0.2so

解：因為D(s)=1+°”S=2(1+1)=K(1+J_+Ts)

0.085s0.17sPTsd

所以K=2,T=0.17,T=0o

pid

故位置型PID控制器

u(k)=K1e(k)+7*e(i)+T線.-6(火一1)”

P丁…。“T

北+券》］

=2e(k)+04X7(i)

0.17

i=0

故增量型PID控制器

20

u(k)-u(k-1)+Au(k)

=u(k-1)+K[e(k)-e(k-1)]+Ke(k)+Kte(k)-2e(k-1)+e(k-

2)]p..1。

=u(k-1)+21e(k)_e(k-1)]+券e(k)

?u(k-1)+4.35e(k)-2e(k-1)

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果繼續(xù)增大或者減小，但執(zhí)行機構已

無相應的動作，這就叫積分飽和。

(2)1、當偏差產(chǎn)生躍變時，位置型PID算式的輸出將急劇增大或者減小，

有可能超過執(zhí)行機構的上(下)限，而此時執(zhí)行機構只能工作在上限。

2、系統(tǒng)輸出需要很長期才達到給定值，在這段時間內算式的積分項將產(chǎn)

生一個很大的積累值。

3、當系統(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，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

(3)常用的改進方法：積分分離法和抗積分飽和

4.6.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？

(1)從調節(jié)品質上看，希翼采樣周期短，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)的過渡過程時間內，采樣6次~15次即可。

⑵從快速性和抗擾性方面考慮，希翼采樣周期盡量短，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。

⑶從計算機的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應長些，特別是多回路控制

時，應使每一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=(l/ri/8)T0

⑷從計算精度方面考慮，采樣周期T不應過短，當主機字長較小時，若T過短，

將使先后兩次采樣值差別小，調節(jié)作用因此會減弱。此外，若執(zhí)行機構的速度

較低，會浮現(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)行機構的調節(jié)時間。

21

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

擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：

⑴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，此時調節(jié)器只作純比例控制，給定值r作階躍輸入。

⑵逐漸加大比例系數(shù)Kp,使控制系統(tǒng)浮現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩過程求得相應

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6=1o

sK

⑶選擇控制度，所謂控制度是數(shù)字調S節(jié)器和摹擬調節(jié)器所對應的過渡過程的誤

差平方的積分之比。

⑷根據(jù)控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。

⑸按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行，觀察控制效果，再適當調整參數(shù)，直

到獲得滿意的控制效果為止。

擴充響應曲線法整定PID參數(shù)的步驟：

⑴斷開數(shù)字調節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)。將被調量調節(jié)到給定值附近并

穩(wěn)定后，然后驀地改變給定值，即給對象輸入一個階躍信號。

⑵用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖所示。

⑶在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間T、被控對象的時間常數(shù)Tc,以

及它們的比值TC/To

⑷由T、Tc、TC/T值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。

4..8.數(shù)字控制器的離散化設計步驟是什么？

計算機控制系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。

22

圖4-1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)o

數(shù)字控制器的直接設計步驟如下：

⑴根據(jù)控制系統(tǒng)的性質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)①(z)o

(2)求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)o

⑶求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)o

⑷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

G(s)=10

cs(0.1s+1)

采樣周期T=0.Is,采用零階保持器。要求

(1)針對單位速度輸入信號設計至少拍無紋波系統(tǒng)的D(z),并計算輸出響

應y(k)、控制信號u(k)和誤差e(k)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計至少拍有紋波系統(tǒng)的D(z),并計算輸出響

應y(k)、控制信號u(k)和誤差e(k)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

G(z)=Z(1-e-Ts.10)=(1-z-i)Z(100)

ss(0.1s+1)s2(s+10)

10Tz-i__1+1)

(1—z-i)21—z-i(1—e-wTz-i)

0.368z-i(1+0.717Z-1)

(1_Z-1)(1-O.368Z-0

至少拍無紋波設計步驟：

1)根據(jù)廣義對象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)已知N=2,M=2

N(分母多項式的塞次)所以d=0

M(份子多項式的幕次)w=l(即份子多項式中的(1+0.717Z」))

d=N44延時v=l,j=l；

23

W在所有零點的總數(shù)（不包括無窮遠的q=2（單位速度輸入）

零點）

V在Z平面的單位圓上或者圓外極點的

個數(shù)

j在Z平面的單位圓上極點的個數(shù)

q（輸入類型）

2）確定Fl（z）和F2（z）的塞次m和nm=w+d=1

n=v-j+max(j,q)=2

m=w+d

n=v-j+max(j,q)所以：

F(z)=1+fZ-i+fZ-2+...+fZ-mF(z)=1+fz-1

111121m111

F(z)=fZ-1+fZ-2+...+fz-nF(z)=fz-1+fz-2

221222n22122

3)確定①e(z)rv-i]

中(z)=In(1-az-1)1(1-Z-1)max(jfl)F(z)

1

中(Z)=1-中(Z)=1(1-aZ-1)(1-Z-1)max(j.q)F(Z)eLii」'

=(1-Z-1)2(1+fZ-1)

6111

|Li=1'」I

=1+(f-1)z-1-fZ-2+fz-3

111111

4)確定力(z)

中(z)=z?(nw(1-bz-i)^|F2(z)

中(z)=z[nw(i一￥-1),尸2⑵