zhongdian于海生微型计算机控制技术课后习题答案.docx
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zhongdian于海生微型计算机控制技术课后习题答案
第一章计算机控制系统概述
习题及参考答案
1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?
计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：
（1）实时数据采集：
对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
（2）实时决策：
对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
（3）实时控制：
根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？
各部分的作用是什么？
由四部分组成。
图1.1微机控制系统组成框图
（1）主机：
这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算（如调节规律运算、最优化计算等）和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
（2）输入输出通道：
这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
（3）外部设备：
这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等）和外存贮器（磁盘）。
其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
（4）检测与执行机构
a.测量变送单元：
在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号（0～5V或4～20mA）后，再送入微机。
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。
5.微型计算机控制系统的特点是什么？
微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：
a.控制规律灵活多样，改动方便
b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制
c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高
d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度
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1.2所示。
图1.2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。
其原理框图如图1.3所示。
图1.3DDC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1.4所示。
图1.4SCC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。
第二章输入输出过程通道
习题及参考答案
1.什么是过程通道？
过程通道有哪些分类？
过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。
按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。
2.数字量过程通道由哪些部分组成？
各部分的作用是什么？
数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。
数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。
数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。
其中：
输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量，进行电平转换，将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题。
5.模拟量输入通道由哪些部分组成？
各部分的作用是什么？
模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。
（1）I/V变换：
提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。
（2）多路转换器：
用来切换模拟电压信号的关键元件。
（3）采样保持器：
A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。
在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。
这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。
（4）A/D转换器：
模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模/数转换器（Analog/DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC）。
9.A/D转换器的结束信号有什么作用？
根据该信号在I/O控制中的连接方式，A/D转换有几种控制方式？
它们在接口电路和程序设计上有什么特点？
A/D转换器的结束信号的作用是用以判断本次AD转换是否完成。
常见的A/D转换有以下几种控制方式，各自特点如下
•延时等待法:
EOC可不和I/O口连接，程序设计时，延时大于ADC转换时间后，取数据。
•保持等待法:
EOC与READY相连,EOC无效时,自动插入等待状态。
直至EOC有效时，取数据。
•查询法:
EOC可以和任意I/O口连接，程序设计时，反复判断EOC是否有效，直至EOC有效时，取数据。
•中断响应法:
EOC与外部中断相连，AD转换结束后,发中断申请,在中断服务程序中取数据。
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：
MOVX@DPTR，A；再次启动A/D转换
RETI；中断返回
12.模拟量输出通道由哪几部分组成？
各部分的作用是什么？
模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、功率放大和V/I变换等信号调理电路组成。
（1）D/A转换器：
模拟量输出通道的核心是数/模转换器（Digital/AnalogConverter,简称D/A转换器或DAC）。
它是指将数字量转换成模拟量的元件或装置。
（2）V/I变换：
一般情况下，D/A转换电路的输出是电压信号。
在计算机控制系统中，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减少由于传输带来的干扰和衰减，需要采用电流方式输出模拟信号。
许多标准化的工业仪表或执行机构，一般是采用0～10mA或4～20mA的电流信号驱动的。
因此，需要将模拟电压信号通过电压/电流（V/I）变换技术，转化为电流信号。
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。
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。
第四章微型计算机控制系统的控制算法
习题及参考答案
1.数字控制器的模拟化设计步骤是什么？
模拟化设计步骤：
（1）设计假想的模拟控制器D（S）
（2）正确地选择采样周期T
（3）将D（S）离散化为D（Z）
（4）求出与D（S）对应的差分方程
（5）根据差分方程编制相应程序。
2.某连续控制器设计为
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：
把
代入，则
后向差分法：
把
代入，则
3.在PID调节器中系数
、
、
各有什么作用？
它们对调节品质有什么影响？
系数
为比例系数，提高系数
可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境地提高系数
最终将导致系统不稳定。
比例调节可以保证系统的快速性。
系数
为积分常数，
越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。
在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。
但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间加长。
积分调节可以消除静差，提高控制精度。
系数
为微分常数，
越大微分作用越强。
微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响。
4.什么是数字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。
5.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=0.2s。
则
把T=0.2S代入得
位置型
增量型
6.有哪几种改进的数字PID控制器？
有四种：
（1）积分分离PID控制算法
（2）不完全微分PID控制算法
（3）带死区的PID控制算法
（4）消除积分不灵敏区的PID控制
9.数字控制器直接设计步骤是什么？
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。
10.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，设计：
（1）最少拍控制器
；
（2）画出采样瞬间数字控制器的输出和系统的输出曲线。
（1）最少拍控制器
可以写出系统的广义对象的脉冲传递函数
将T=1S代入，有
由于输入r（t）=t，则
（2）系统闭环脉冲传递函数
则当输入为单位速度信号时，系统输出序列Z变换为
y（0）=0,y
（1）=0,y
（2）=2T,y（3）=3T,…
14.与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？
与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制的优点：
（1）模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统。
（2）模糊控制不用建立对象精确的数学模型。
（3）模糊控制系统的鲁棒性好。
（4）模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。
第五章微型计算机控制系统的应用软件设计
习题及参考答案
1.简述应用软件的设计步骤。
图5—1给出了应用软件设计的流程图，它描述了应用软件设计的基本任务和设计过程。
图5—1应用软件设计流程图
N
采样时刻到？
A/D采样
前台算法
D/A输出
Y
后台算法
（1）问题定义
（2）程序设计
（3）手编程序
（4）差错
（5）测试
（6）文件编制
（7）维护和再设计
第六章微型计算机控制系统的抗干扰技术
习题及参考答案
1.干扰的作用途径是什么？
无论是内部干扰还是外部干扰，都是从以下几个途径作用于系统的。
（1）传导耦合
（2）静电耦合
（3）电磁耦合
（4）公共阻抗耦合
3.数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？
数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点：
（1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好；
（2）数字滤波可以对频率很低（如0.01Hz）的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷；
（3）数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。
4.常用的数字滤波方法有几种？
它们各自有什么特点？
常用的数字滤波方法有7种。
（1）程序判断滤波法：
是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现得最大偏差。
（2）中值滤波法：
它对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。
（3）算术平均值滤波法：
它适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。
它特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。
（4）加权平均值滤波：
可以提高滤波效果
（5）滑动平均值滤波法：
采样时间短，可以提高检测速度
（6）惯性滤波法：
适用于慢速随机变量的滤波
（7）复合数字滤波：
比单纯的平均值滤波的效果要好
5.算术平均值滤波、加权平均值滤波以及滑动平均滤波三者的区别是什么？
算术平均值法适用于对压力、流量等周期脉动信号的平滑，这种信号的特点是往往在某一数值范围附近作上、下波动，有一个平均值。
这种算法对信号的平滑程度取决于平均次数N，当N较大时平滑度高，但灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高，应该视具体情况选取N值。
对于一般流量，通常取N=12；若为压力，则取N=4。
在算术平均滤波中，N次采样值在结果中所占的比重是均等的，即每次采样值具有相同的加权因子1/N。
但有时为了提高滤波效果，往往对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子。
这种方法称为加权平均滤波法，也称滑动平均或加权递推平均。
其算法为
其中。
加权因子选取可视具体情况决定，一般采样值愈靠后，赋予的比重越大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例，系统对正常变化的灵敏性也可提高，当然对干扰的灵敏性也稍大了些。
滑动平均值滤波法，依次存放N次采样值，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，然后求包含新值在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。
7.微机常用的直流稳压电源由哪些部分组成？
各部分的作用是什么？
微机常用的直流稳压电源如图6—1所示。
该电源采用了双隔离、双滤波和双稳压措施，具有较强的抗干扰能力，可用于一般工业控制场合。
图6—1抗干扰直流稳压电源示意图
（1）隔离变压器
隔离变压器的作用有两个：
其一是防止浪涌电压和尖峰电压直接窜入而损坏系统；其二是利用其屏蔽层阻止高频干扰信号窜入。
（2）低通滤波器
各种干扰信号一般都有很强的高频分量，低通滤波器是有效的抗干扰器件，它允许工频50Hz电源通过，而滤掉高次谐波，从而改善供电质量。
（3）交流稳压器
交流稳压器的作用是保证供电的稳定性，防止电源电压波动对系统的影响。
（4）电源变压器
电源变压器是为直流稳压电源提供必要的电压而设置的。
为了增加系统的抗干扰能力，电源变压器做成双屏蔽形式。
（5）直流稳压系统
直流稳压系统包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波器等几部分，常用的直流稳压电路如图6—2所示。
图6—2直流稳压系统电路图
一般直流稳压电源用的整流器多为单相桥式整流，直流侧常采用电容滤波。
图中C1为平滑滤波电容，常选用几百～几千μF的电解电容，用以减轻整流桥输出电压的脉动。
C2为高频滤波电容，常选用0.01～0.1μF的瓷片电容，用于抑制浪涌的尖峰。
作为直流稳压器件，现在常用的就是三端稳压器78XX和79XX系列芯片，这类稳压器结构简单，使用方便，负载稳定度为15mV，具有过电流和输出短路保护，可用于一般微机系统。
三端稳压电源的输出端常接两个电容C3和C4，C3主要起负载匹配作用，常选用几十～几百μF的电解电容；C4中抗高频干扰电容，常选取0.01～0.1μF的瓷片电容。
14、所谓硬件看门狗（即Watchdog），就是一个能发出“”信号的计数器或电路。
15、提高系统可靠性的方法有排错设计和容错设计。
排错设计并不能将干扰完全解决。
而容错就是允许系统发生故障，借助冗余技术使其自动抵消，在故障存在的情况下也能使系统正常运行。
16、容错主要依靠冗余设计来实现，它以增加资源的办法换取可靠性。
由于资源的不同，冗余技术分为硬件冗余、软件冗余、时间冗余和信息冗余。
13、对于不同的控制对象，系统设计方案和具体的技术指标有所不同，但系统设计的原则是一致的，这就是：
系统的可靠性高、操作性能好、实时性强、通用性好、经济效益高。
14、第四代DCS的体系结构主要分为4层结构：
现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。
18、第四代DCS的最主要标志是两个“I”开头的单词：
Information（信息）和Integration（集成）。
19、DCS的设计思想是：
集中管理、分散控制；组成特点是：
纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。
20、DCS中通常采用总线型、环型、星型三种网络结构。
21、常用的DCS的通讯控制方式分为令牌广播式、问询式和存储转发式3种。
1、画出常规控制系统和微机控制系统的结构图，并简述两者之间的区别。
（8分）
2、简述数据采集系统、直接数字控制系统、监督控制系统、分散型控制系统的区别，并给出各系统的结构图。
（10分）
3、画出模拟量输入/输出通道的结构图，并简述其作用。
（8分）
模拟量输入通道将反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温度、压力、流量、速度、液位等）转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制。
4、数字控制器的连续化设计方法的步骤。
利用连续化设计方法设计数字控制器的过程如下：
（1）求出模拟控制器的传递函数D（s）。
（2）选择合适的采样周期。
（3）将D（s）离散化，求出数字控制器的脉冲传递函数D（z）。
（4）检验系统的闭环特性是否满足系统设计要求。
求出广义被控对象的脉冲传递函数G（z），把D（z）连入系统，对系统进行仿真实验，检查系统设计是否满足要求。
如果不满足要求，就修改参数或重新设计。
（5）将D（z）变为差分方程或状态空间表达式形式，并编制计算机程序实现。
（6）用混合仿真的方法检查系统的设计与程序编制是否正确。
（7）用计算机对系统进行控制，将硬件和软件结合起来，进行现场调试。
5、数字控制器的离散化设计方法的步骤。
利用离散化设计方法设计数字控制器一般可按以下步骤进行：
1）已知被控对象的传递函数Gc（s），可以求出广义对象的脉冲传递函数G（z）。
2）根据系统的性能指标要求和其它约束条件，确定系统的闭环脉冲传递函数Φ（z）。
3）根据式（3-34）解析求出数字控制器的脉冲传递函数D（z）。
4）验证D（z）能否满足系统的性能指标要求，如果不满足，进行修正。
5）根据验证合格的D（z），求出对应的差分方程，编写程序实现。
6）与硬件连接，进行系统调试。
6、写出位置式PID控制算法和增量式PID控制算法的算式，比较两者的区别。
7、对于三种典型的输入信号，确定最少拍数字控制器设计的闭环脉冲传递函数及误差序列。
8、简述硬件看门狗电路的工作过程和工作原理。
如图4-19所示。
其工作过程是：
P1作为看门狗的“喂狗”信号定时给出一脉冲，设其脉冲间隔为△t＜tw＜2△t，当程序正常运行时，每隔△t输出一脉冲触发，使P2为低电平，若程序一旦出现异常，不能在tw时间内送出一“喂狗”脉冲，则产生一正脉冲，使微型微机控制系统复位，使其能重新正常运行。
9、完成一个智能式脱水控制系统设计（系统基本组成为样品袋、支架和多个脱水缸等。
其中样品袋专门用于装入待脱水样品；支架具有上升、下降及旋转功能，主要用于支撑样品袋使其能达到处于不同位置的脱水缸处进行脱水；脱水缸中装有不同的脱水剂，用于实现对待脱水样品进行脱水的某个工艺。
设计内容包括系统方案确定、系统的构成、系统的硬件设计、控
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