微机计算机控制技术课后于海生第版习题详解答案Word文件下载.docx

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b.执行机构：

要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。

例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构（调节阀）来控制进入加热炉的煤气（或油）量以实现预期的温度值。

常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。

6.操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何它们之间有何区别和联系

（1）操作指导控制系统：

在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。

计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。

其原理框图如图所示。

图操作指导控制系统原理框图

（2）直接数字控制系统（DDC系统）：

DDC（DirectDigitalControl）系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。

DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。

图DDC系统原理框图

（3）计算机监督控制系统（SCC系统）：

SCC（SupervisoryComputerControl）系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。

SCC系统的原理框图如图所示。

图SCC系统原理框图

SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。

4.简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。

光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图所示。

输入电流流过二极管时使其发光，照射到光敏三极管上使其导通，完成信号的光电耦合传送，它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离。

图光电耦合器电路图

10.设被测温度变化范围为0oC~1200oC,如果要求误差不超过,应选用分辨为多少位的A/D转换器

选择依据：

11.设计出8路模拟量采集系统。

请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模拟量数据采集程序。

本例给出用8031、DAC0809设计的数据采集系统实例。

把采样转换所得的数字量按序存于片内RAM的30H~37H单元中。

采样完一遍后停止采集。

其数据采集的初始化程序和中断服务程序如下：

初始化程序：

MOVR0，#30H；

设立数据存储区指针

MOVR2，#08H；

设置8路采样计数值

SETBIT0；

设置外部中断0为边沿触发方式

SETBEA；

CPU开放中断

SETBEX0；

允许外部中断0中断

MOVDPTR，#FEF8H；

送入口地址并指向IN0

LOOP：

MOVX@DPTR，A；

启动A/D转换，A的值无意义

HERE：

SJMPHERE；

等待中断

中断服务程序：

MOVXA，@DPTR；

读取转换后的数字量

MOV@R0，A；

存入片内RAM单元

INCDPTR；

指向下一模拟通道

INCR0；

指向下一个数据存储单元

DJNZR2，INT0；

8路未转换完，则继续

CLREA；

已转换完，则关中断

CLREX0；

禁止外部中断0中断

RETI；

中断返回

INT0：

再次启动A/D转换

13.采用DAC0832和PC总线工业控制机接口。

请画出接口电路原理图，并编写产生三角波、梯形波和锯齿波的程序。

本章作业

设计一八路数据采集及其回放系统。

要求八路数据巡回检测，存储10组数据，输数据为电压信号（0-5V），检测精度<

1%。

CPU、AD、DA可任选。

5.若加工第一象限直线OA，起点O（0，0），终点A（11，7）。

要求：

（1）按逐点比较法插补进行列表计算；

（2）作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

解：

由题意可知xe=11,ye=7，F0=0，我们设置一个总的计数器Nxy,其初值应为Nxy=|7-0|+|11-0|=18，则插补计算过程如表3—1所示。

根据插补计算过程表所作出的直线插补走步轨迹图如下图所示。

表3—1

步数

偏差判别

坐标进给

偏差计算

终点判别

起点

F0=0

Nxy=18

F1=F0-ye=-7

Nxy=17

F1<

F2=F1+xe=4

Nxy=16

F2>

F3=F2-ye=-3

Nxy=15

F3<

F4=F3+xe=8

Nxy=14

F4>

F5=F4-ye=1

Nxy=13

F5>

F6=F5-ye=-6

Nxy=12

F6<

F7=F6+xe=5

Nxy=11

F7>

F8=F7-ye=-2

Nxy=10

F8<

F9=F8+xe=9

Nxy=9

F9>

F10=F9-ye=2

Nxy=8

F10>

F11=F10-ye=-5

Nxy=7

F11<

F12=F11+xe=6

Nxy=6

F12>

F13=F12-ye=-1

Nxy=5

F13<

F14=F13+xe=10

Nxy=4

F14>

F15=F14-ye=3

Nxy=3

F15>

F16=F15-ye=-4

Nxy=2

F16<

F17=F16+xe=7

Nxy=1

F17>

F18=F16-ye=0

Nxy=0

.设加工第一象限的圆弧

AB，起点A（6，0），终点B（0，6）。

插补计算过程如表3—2所示。

终点判别仍采用第二种方法，设一个总的计数器Nxy，每走一步便减1操作，当Nxy=0时，加工到终点，插补运算结束。

下图为插补过程中的走步轨迹。

表3—2

坐标计算

x0=6,y0=0

-X

F1=0-12+1=-11

x1=5,y1=0

F2=-11+0+1=-10

x2=5,y2=1

F2<

F3=-10+2+1=-7

x3=5,y3=2

F4=-7+4+1=-2

x4=5,y4=3

F4<

F5=-2+6+1=5

x5=5,y5=4

F6=5-10+1=-4

x6=4,y6=4

F7=-4+8+1=5

x7=4,y7=5

F8=5-8+1=-2

x8=3,y8=5

F9=-2+10+1=9

x9=3,y9=6

F10=9-6+1=4

x10=2,y10=6

F11=4-4+1=1

x11=1,y11=6

F11>

F12=1-2+1=0

x12=0,y12=6

.三相步进电机有哪几种工作方式分别画出每种工作方式的各相通电顺序和电压波形图。

有三种工作方式：

（1）三相单三拍工作方式

各相的通电顺序为A→B→C,各相通电的电压波形如图所示。

图单三拍工作的电压波形图

（2）三相双三拍工作方式

双三拍工作方式各相的通电顺序为AB→BC→CA。

各相通电的电压波形如图所示。

图双三拍工作的电压波形图

（3）三相六拍工作方式

在反应式步进电机控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生了六拍工作方式，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA。

图三相六拍工作的电压波形图

.采用8255A作为x轴步进电机和y轴步进电机的控制接口，要求

（1）画出接口电路原理图；

（2）分别列出x轴和y轴步进电机在三相单三拍、三相双三拍和三相六拍工作方式下的输出字表。

电路原理图如图所示

三相单三拍控制方式输出字表

x轴步进电机输出字表

y轴步进电机输出字表

存储地址标号

低八位输出字

高八位输出字

ADX1

00000001=01H

ADY1

ADX2

00000010=02H

ADY2

ADX3

00000100=04H

ADY3

三相双三拍控制方式输出字表

00000011=03H

00000110=06H

00000101=05H

三相六拍控制方式输出字表

ADX4

ADY4

ADX5

ADY5

ADX6

ADY6

2.某系统的连续控制器设计为

试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D（Z）。

双线形变换法：

把

代入，则

前向差分法：

后向差分法：

什么是数字PID位置型控制算法和增量型控制算法试比较它们的优缺点。

为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式，为此，在采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似（T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近）：

于是有：

u（k）是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置（如控制阀门的开度）一一对应，所以称之为位置型PID算法。

在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u（k）不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u（k）产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。

所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID算法。

当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。

与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：

（1）位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；

而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。

（2）为实现手动——自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度u0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现u0项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。

（3）采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。

.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式，设采样周期T=。

则

把T=代入得

位置型

增量型

（补充题）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PID算法和增量型PID控制算式，设采样周期T=。

因为

所以

。

故位置型PID控制器

故增量型PID控制器

.简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。

扩充临界比例度法整定PID参数的步骤：

（1）选择一个足够短的采样周期T，例如被控过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。

（2）逐渐加大比例系数Kp，使控制系统出现临界振荡。

由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts，并记下此时的比例系数Kp，将其记作临界振荡增益Ks。

此时的比例度为临界比例度，记作

（3）选择控制度，所谓控制度是数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比。

（4）根据控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。

（5）按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。

扩充响应曲线法整定PID参数的步骤：

（1）断开数字调节器，让系统处于手动操作状态。

将被调量调节到给定值附近并稳定后，然后突然改变给定值，即给对象输入一个阶跃信号。

（2）用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图所示。

（3）在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ、被控对象的时间常数Tc，以及它们的比值Tc/τ。

（4）由τ、Tc、Tc/τ值，查表，求出数字控制器的T、Kp、Ti和Td。

4..8.数字控制器的离散化设计步骤是什么

计算机控制系统框图如图4—1所示。

图4—1计算机控制系统框图

由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数D（z）。

数字控制器的直接设计步骤如下：

（1）根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数Φ（z）。

（2）求广义对象的脉冲传递函数G（z）。

（3）求取数字控制器的脉冲传递函数D（z）。

（4）根据D（z）求取控制算法的递推计算公式。

已知被控对象的传递函数为

采样周期T=，采用零阶保持器。

要求

（1）针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波系统的

，并计算输出响应

、控制信号

和误差

序列，画出它们对时间变化的波形。

（2）针对单位阶跃输入信号设计最少拍有纹波系统的

广义脉冲传递函数为

最少拍无纹波设计步骤：

1）根据广义对象的传递函数确定参数

N（分母多项式的幂次）

M（分子多项式的幂次）

d=N-M延时

w在所有零点的总数（不包括无穷远的零点）

v在z平面的单位圆上或圆外极点的个数

j在z平面的单位圆上极点的个数

q（输入类型）

已知N=2，M=2

所以d=0

w=1（即分子多项式中的

）

v=1，j=1；

q=2（单位速度输入）

2）确定F1（z）和F2（z）的幂次m和n

所以：

3）确定Фe（z）

4）确定Ф（z）

5）根据关系

使等式两边同幂次的系数相等，解出F1和F2中的系数。

解得：

6）求控制器D（z）

q=1（单位阶跃输入）

最少拍有纹波设计步骤：

u在z平面的单位圆上或圆外零点的个数

u=0（即分子多项式中的

q=1（单位速度输入）

被控对象的传递函数为

采样周期T=1s，采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，按以下要求设计：

（1）最少拍无纹波系统的设计方法，设计

和

；

（2）求出数字控制器输出序列

的递推形式。

广义对象的脉冲传递函数

将T=1S代入，有

w=1

v=2，j=2；

q=2（单位阶跃输入）

11.被控对象的传递函数为

采样周期T=1s，要求：

（1）采用Smith补偿控制，求取控制器的输出

（2）采用大林算法设计数字控制器

，并求取

（1）采用Smith补偿控制

广义对象的传递函数为

其中

取T=1S,

K=1,T1=1,L=

=1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数T0=

则期望的闭环系统的脉冲传递函数为

广义被控对象的脉冲传递函数为

又

上式反变换到时域，则可得到

1、一台三相步进电机，设计由单片微机输出口控制步进电机的接口原理框图，并说明控制步进电机正反转工作原理。

2设A/D转换电路如图1所示，

（1）说明图中A/D转换方式。

（3分）

（2）写出图中8255A的地址。

（4分）

（3）画出实现该A/D转换的流程图。

（5分）

（4）编写完成A/D转换的程序。

（8分）

答：

（1）图中A/D转换为查询方式（3分）

G1G2AG2BCBA

1110110XX

所以,8255A的地址是:

F800H—FB00H（或:

F8FFH—6BFFH）

（3）画出实现该A/D转换的流程图如下（5分）

A/D转换程序（8分）

START：

MOVA，#82H；

8255初始化2分

MOVDPTR，#0FB00H

MOVX@DPTR.，A

MOVA，#09H；

启动A/D2分

MOVDPTR，#0F900H

MOVDPTR，#0FA00H

MOVXA，@DPTR；

判断转换是否结束2分

ANLA，#01H

JZ，LOOP

DECDPH

MOVXA，@DPTR；

读A/D转换结果2分

ENDSTART

已知电机

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