微型计算机控制技术全套复习考试资料-潘新民-第二版

1、(5)微型计算机控制技术课后习题答案及相关复习题(潘新民第二版)1. PLC的特点可靠性高( (2)编程容易( (3)组合灵活输入/输出功能模块齐全安装方便(6)运行速度快2.按键防抖动技术对于采用机械弹性开关的键盘：(1)由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合及断开的瞬间必然伴随有一连串的抖 动。(2)其波形如 图3-1所示。抖动过程的长短由按键的机械特性决定，一般为1020ms。可以从硬件及软件两方面排除抖动的影响解决。(1)硬件防抖技术1滤波防抖电路利用RC积分电路对于干扰脉冲的吸收作用。 只要选择好时间常数，就能在按键抖动信号 通过此滤波电路时，消除抖动的影响。滤波防抖电路图，如图

2、3 - 2所示。Q + 15VKi5.1 k2OUT2双稳态防抖电路用两个与非门构成一个RS触发器即形成双稳态防抖电路。741.S06（2）软件防抖方法当第一次检测到有键按下时，先用软件延时（10ms20ms）,而后再确认该键电平是否仍维持 闭合状态电平。若保持闭合状态电平；则确认此 键确已按下,从而消除了抖动的影响。（3）两种方法的比较采用硬件防抖：N个键就必须配有N个防抖电路。 采用硬件防抖:费机时。3.LED数码管的显示方法 在微型机控制系统中, 常用的两种显示方法：动态显示 静态显示。（1）动态显示1作法微型机定时地对显示器件扫描。 显示器件分时工作,每次只能有一个器件显示。2特点使用

3、硬件少,因而价格低。占用机时长,只要扫描程序停止,显示即刻停止。3应用在以工业控制为主的微型机控制系统中应用较少。（2）静态显示 作法 由微型机一次输出显示模型后,就能保持该显示结果, 直到下次送新的显示模型为止。 特点 占用机时少,显示可靠,3应用 广泛应用在工业过程控制中。使用元件多,且线路比较复杂。 随着集成电路的发展,多种功能的显示器件出世,（锁存器、译码器、驱动器、显示器四位一体）静态显示得到广泛应用。1试简述什么是最少拍系统？所谓最少拍系统是指对典型输入如单位阶跃、单位速度或单位加速度输入具有最快响应, 且系统的稳态误差为0.在采样控制系统中,通常把一个采样周期称为一拍。（6分）2

4、试简述位置式PID和增量式PID适用对象.若执行结构不带积分部件, 其位置和计算机输出的数字量一一对应时, 则要采用位置式 控制算法（3分） ；若执行结构带积分部件,则可选用增量式PID控制算法（3分）。3试简述如何防止积分整量化误差。1）扩大计算机运算的字长,提高计算精度。 （3分）PID竿屮）a2）当积分项T时，积分项单独累加，直到产生溢出。将溢出值作为积分项的偏差值去进行运算，余数仍保留下来，作为下一步累加的基数值。（3分）4下图所示为采样保持电路，试简述其工作原理。图1采样保持电路模拟开关AS闭合时，进入采样状态（跟踪），由于A1输出阻抗小，A1输出端快速给电容CH充电，输出跟随输入变

5、化。（4分）模拟开关AS断开时，进入保持状态，由于A2输入阻抗大，输入电流几乎为0，保证输出端的电压值不变。（5分）三、计算分析题1某温度测量仪表的量程为0100C,利用51系列单片机和ADC0809进行AD转换。在某一时刻计算机采样并经过数字滤波后的数字量为24H，求此时对应的温度值是多少？（设仪表的量程是线性的）已知A0=0C,Am=100C, Nx=24H=（36）D,（4分）Nm=0FFH=（255）D，所以此时温度为：s2U(s) sU(s) =E(s)(3分) 化成微分方程形式得u（t） u（t）二e（t）进一步可得u(k) _2u(k _1) +u(k _2) +u(k)_u(k

6、_1)=T2T-e(k)可得差分方程为:NxNm(100 _0)36255=14.11(4分)2用差分变换法求模拟调节器D(Sf1的差分方程。D(z)二U(s)E(s)1s(T1S 1)T1(3分)T+2=T2u(k)X(k1)1u(k2)- e(k)T +T,T+可T+可1 2T1T11(k1)一厂二u(k2)e(k)1 T11 T11 T-i(2分)1110.25(1 0.78z )(1 0.2z )(1 0.5z )D(z)二3试判断控制器1 1z (1 _0.6z )的物理可实现性。1 2z、z+1.48 +0.646Z+0.078ZD(z)1 -0.6zA，分子中包含正次幕，物理上不

7、可实现.(5分)四、设计题1已知某连续控制器的传递函数为:1十0.15sD(s)=0.05s，现用数字PID算法来实现它，试分别写出其相应的位置型和增量型PID算法输出表达式,T=1s。解：E(s) 0.05s(2分)0.05sU(s)=E(s) 0.15sE(s)两边进行拉氏逆变换:0.05u(t)二e(t) 0.15e(t)0.05 u(k)二e(k) 0.15e(k)(3分)u(k)k)(k7址厂屮)-1)u(k) -u(k-1) =23e(k) -3e(k -1)(2分)u(k) =u(k -1)23e(k) -3e(k -1)(2分)2已知某系统广义被控对象0.76zl(1+0.04

8、5z)(1+1.14Z)G(z) - J/(1-z )(1-0.135z )(1-0.0183z)，试针对单位阶跃输入，设计最少拍有波纹的脉冲传递函数为数字控制器D(z)，并写出系统的输出响应丫(z)并绘制输出响应曲线。解：根据稳态误差为零的条件：1-(z) =(1-zjF3(z)(2分)根据稳定条件：1- 门二(1 -z)F2(z)：(z)二z1 1.14z)F1(z)(4分)综合得:J(z)=(1Z)F2(Z)(Z)=Z+Z)F4(Z)1设F29+az,R(z)=b，则:1 1：(z) =bz (1 1.14z ) 1 - (z) =(1 _z)(1 az1)也就是1 -bzJ-1.14b

9、z2=1 -(1 -a”比较等式两边的系数，得:b=1 -a1.14b = a1111234Y(z)=(z).R(z) =0.47z (11.14z )0.47z z - z z_.1 -z(3分)Y(n)I 1jp*iHf*94” 1_ 1_ 1_ 1_ 1_ 12345n（2分）五、利用ADC0809和AT89S52单片机设计一个A/D转换电路，使他能对8个通道的模拟 量（05V）进行采集，采用查询方式读取转换结果。解得:3 =0.53b =0.47得:z) =0.47zJ(1 1.14z)(4分)故:D(z)xm_1_40.62(1 -0.135z )(1-0.183z )1 1(1 0

10、.045z )(10.53z )6、 采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。采样保持器的作用：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。保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。保持电容值小，则采样状态时充电 时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的跟随特性好，但在保持状态时放电时 间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但 跟随特性差。7、 在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什

11、么？ 不是，对于输入信号变化很慢，如温度信号；或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期 间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，就不必再选用采样保持器。三章1、键盘为什么防止抖动?在计算机控制系统中如何实现防抖？ 为了使CPU对一次按键动作只确认一次，从而保证系统正常工作，所以必须防止抖动？硬 件防抖有滤波防抖电路和双稳态防抖电路，还可以采用软件防抖法，即软件延迟。4、编码键盘和非编码键盘有什么区别？在接口电路和软件设计的区别？ 编码键盘能自动识别按下的键并产生相应的代码，以并行或串行方式发送给CPU。它使用方便，接口简单，响应速度快，但需要专门的硬件电路。非编码键盘通过软件来确定按键

12、 并计算键值。5、 在计算机控制系统中，为什么有时采用复用键？复用键是如何实现的？ 为了节省按键的数量，所以采用复用键。可以采用设置上下档开关的措施来构成复用键。6、 什么叫重建？计算机如何处理重键？ 一次按键产生多次击键的效果，这叫做重键。为排除重键的影响，编制程序时，可以将键 的释放作为按键的结束，等键释放电平后再转去执行相应的功能。8、 多位LED显示器显示方法有几种？它们各有什么特点？ 常用的显示方法有两种：一种为动态显示，一种为静态显示。动态显示利用人的视觉暂留 产生，优点是使用硬件少，因而价格低，线路简单。但占用的机时长。静态显示占用机时 少，显示可靠，但是使用元件多，线路复杂。9

13、、 硬件译码和软件译码各有何优缺点？ 软件译码优点是电路简单，但显示速度有所下降。硬件译码既能节省计算机的时间，而且 程序设计简单。12、薄膜式开关的优点？ 色彩亮丽；文字说明一目了然；形意图案使用方便；键体美观；透明视窗。四章1、 工业控制系统中常用的报警方式有几种？举例说明各自的应用场合？ 有声、光、语言报警方式。例子自己想2、 说明硬件报警和软件报警的实现方法，并比较其优缺点？ 硬件报警：报警要求不通过程序比较得到，直接由传感器产生。软件报警：将参数经传感器、变送器、模/数转换器送到计算机，再与规定的上下限比较， 根据比较结果进行处理。 实际上硬件报警是在软件报警基础上的简化，即将警报信

14、号提 前至传感器那一步骤，而不是需要送到计算机比较后才得出。3、光电隔离器有什么作用？ 将被控系统与微型计算机控制系统通过光电效应连成系统，实现控制；并且可以屏蔽电磁 干扰等一些不利因素，提高控制精度。总之，有耦合、隔离和开关的作用。4、固态继电器控制和继电器控制有什么区别？ 在继电器控制中，采用电磁吸合的方式，而固态继电器是带光电隔离的无触点开关。6、说明PWM调速系统的工作原理？ 通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种方 法成为PWM。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度降低。只要按 一定规律改变通断电时间，电机转速即可得到控制。七章

15、3、数字滤波与模拟滤波相比有什么优点？ 无需增加任何硬件设备；系统可靠性高；多通道共享，降低成本；对频率很低的信号进行 滤波；使用灵活，方便。4、常用的数字滤波方法？ 程序判断滤波、算术平均值滤波、加权平均值滤波、滑动平均值滤波、RC低通数字滤波、 复合数字滤波。5、Y如何确定，其值越大越好吗？ 可根据经验获得，必要时由实验得出。太大，会使系统误差增大；太小，使计算机采样效 率降低。6、算术滤波、加权滤波、滑动滤波的区别是什么?算术滤波实际上是求取采样值的平均值；加权滤波则是在加权的基础上求取平均值；滑动 滤波则是每采一个新数据，计算一个新的平均值。7、标度转换在工程上有什么意义？ 标度变换将

16、数字量变成人们熟悉的十进制工程量，便于操作人员对生产过程进行监视和管 理。10、为什么采用量程自动转换技术？ 因为这样能使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。八章1.、在PID调节中，系数K,等各有什么作用？他们对调节品质有什么影响？系数Kp为比例系数，提高系数Kp可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止 境的提高系数Kp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Ki为积分常数，Ki越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在误差，其输出 的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。积分调节可以消除静差，提高控制精度。 系数Kd为微分常数，k

17、d越大，微分作用越强。微分调节主要用来加快系统的响应速度， 减小超调，克服震荡，消除系统惯性的影响。2、在PID调节其中，积分项有什么作用？常规PID，积分分离与变速积分3中算法有什么 区别和联系？积分项用于消除静差。 在常规PID调节中，由于系统的执行机构线性范围受到限制，当偏 差较大时，会产生很大的超调量，使系统不停的震荡。为消除这一现象，积分分离法在控制量开始跟踪时，取消积分作用，直到被跳量接近给定值时，才产生积分作用。而变速积 分则是改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差大时，积分作用弱，偏差小 时，积分作用增强。变速积分和积分分离的控制方法很类似，但调节方式不同。积分分离

18、对积分项采取“开关”控制，而变速积分则是线性控制。3、在数字PID中，采样周期是如何确定的？它与哪些因素有关？对调节品质有何影响？ 一种是计算法，一种是经验法。因素：扰动频率的高低；对象的动态特性；执行机构的类型；控制回路数；控制质量。T太小，偏差信号也过小，计算机会失去调节作用；T过大，会引起误差。4、位置型PID和增量型PID有什么区别？他们各有什么优缺点？位置型需要历次的偏差信号，而增量型只需一个增量信号即可。位置型计算繁琐，保存E占用很多内存，控制不方便。增量型误动作小，易于实现手动/自动的无扰动切换，不产生积分失控。但是缺点在于积分截断效应大，溢出影响大。5、在自动调节系统中，正、反

19、作用如何判定？在计算机中如何实现？输出量与被测量变化一致则为正，否之为反。计算机中两种方法：一是改变偏差的公式实 现，二是在PID运算之后，先将结果求补，再送到D/A转换器中转换，进而输出。6、积分饱和现象是如何产生的？如何消除？是由于积分项不断累加引起的。消除方法有遇限削积分法，有效偏差法等。7、是否需要添加手动后援，为什么？需要。因为这是系统安全可靠运行的重要保障。a1I36 i i-U11PIOPOOPHPOLP12P02P13PO3P14P04P15PO5P16P05Pl 7PO7P20P21T1P22TOP23P24EA/VPP25P26XIP2722WRPSEN丽INTORESET

20、INTITXDRXDALEcn39寸r-00寸i4r-i=s001736” “1437JL15_S35L1334j19332032I21bb2-S2-7ADD-A2-ADD-B2-5ADD-C2-42-322IW-7msb2-lIN-6m*5STAETIN-4ALErn-32P2E27A0P27IOCISCLK.QDQ10CLOCKADC0EC9o y y y Cf Cf cf 0-XF4=F3-ye=-4Nxy=65F4V0+YF5=F4+xe=0Nxy=56F5=0-XF6=F5-ye=-6Nxy=47F60+YF7=F6+xe=-2Nxy=38F70-XF9=F8-ye=-4Nxy=11

21、0F90+YF10=F9+xe=0Nxy=06.设加工第一象限的圆弧AB，起点A(6,0),终点B(0,6)。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：插补计算过程如表32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表32步数偏差判别坐标进给偏差计算坐标计算终点判别起点F0=0 x0=6,y0=0Nxy=121F0=0-XF1= 0-12+1= -11x1=5,y1=0Nxy=112F10+YF2=-11+0+1=-10 x2=5,y2=1Nxy=1

22、03F20+YF3=-10+2+1=-7x3=5,y3=2Nxy=94F30+YF4=-7+4+仁-2x4=5,y4=3Nxy=85F40-XF6=5-10+1=-4x6=4,y6=4Nxy=67F60-XF8=5-8+1=-2x8=3,y8=5Nxy=49F80-XF10=9-6+1=4x10=2,y10=6Nxy=211F100-XF11=4-4+1=1x11=1,y11=6Nxy=112F110-XF12=1-2+1=0 x12=0,y12=6Nxy=07.三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

23、顺序为ATBTC,各相通电的电压波形如图3.1所示。TLTLJUULrLAHII _13,：C相- -I图3.1单三拍工作的电压波形图(2双三拍工作方式各相的通电顺序为ABTBCTCA。各相通电的电压波形如图3.2所示。旳和njuuuuuuuuuuuuuuAhlLI 15_|U比TJ 1 U图3.2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ATABTBTBCTCTCA。各相通电的电压波形如图3.3所示。昭册irLruLruuuLrLnjuuuLrLc n图3.3二相六拍丄柞的也k波形图8.采用三相

24、六拍方式控制X轴走向步进电机。MOVA，#0FH；方向输入信号MOVP1，AA，P1JNBACC.7，XM；P1.7=0反转LCALL STEP1；调正转子程序SJMP XMM本章作业若加工第二象限直线OA和圆弧AB，已知直线起点O（0，0），终点A（-4，6）。圆弧起 点A（-4，6），终点A（-6，10）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。 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？?XMM：MOV?XM：LCALLSTP2；调反转子程序SJMP XMMH 1走步?STEP1：? CLR? +

25、X走步子程序：MOVDPTR，#TAB；指表头?CJNEMOV?S11：SJMPINCMOVX A，A+DPTR；取数A,#05H,S11;是否最后单元DPTR，#TAB；S12重置表头DPTR?S12：?S13：MOVDJNZCLR? MOVX? MOV? RETR0，#7FH；R0，S13；A；A+DPTR；地址加1延时A，P1，A取数据?-X走步子程序：?STEP2：MOVDPTR，?CLR?MOVXA，A+DPTR;?CJNZ?MOV?ADD?SJMP?S21：CLRC?DEC?SJMP?TAB：DB 01H#TABAA，#01H，S21DPTR，#TABDPTR，#0006HS12D

26、PLS12，03H，02H，06H，04H，05H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1 +T1sD s - 1 Es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2 z -1s = -双线形变换法：把T z 1代入，则2 z 11 T1-T z 12 z 11 T2T z+1z-1z =前向差分法：把T代入，则Z -1 s =后向差分法：把Tz代入，则3.在PID调节器中系数kp、ki、kd各有什么作用？它们对调节

27、品质有什么影响？系数kp为比例系数，提高系数kp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 kp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ki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。D(Z)。T 2T1z T-2T1T 2T2z T -2

28、T2D(z)=D(s|匕三1 T1S1 T2S1 T11 T2z -1T1z T -T1T2z T -T2D(z )=D(sg1 T1S1 T2S1 T2z -1Tzz -1TzT1z T -T1jz T -T2系数kd为微分常数，kd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，作如下近似仃足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近)：t0ed

29、t : T e(j)j=0de e(k) -e(k -1) &dtT于是有：T Tdu(k) =Kpe(k)e(j) e(k) -e(k-1)Ti j Tu(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) )-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

30、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。TTdJu(k) =Kpe(k) -e(k -1)e(k) 上e(k) _2e(k -1) e(k -2)TiT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)为实现手动一一自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度uO,若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即

31、算式中不出现uO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10.17s1 0.085s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。1 0.17s1 0.085s则U s 0.085SU s =E s 0.17SEs二u*片0.085嘗)=或户0.17竽).u k 0.085uk斗k一1匚 e k 017ek k-1把T=0.2S代入得1.425u k - 0.425u k -1 = 4.5e k -3.5e k

32、-1位置型u k i：= 3.1579ek -2.4561ek-10.2982u k -1增量型.：uk =uk -u k -1 = 3.1579s k -2.4561ek -1 -0.7018u k -16.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7.采样周期的选择需要考虑那些因素？(1)从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在95%的系统的过渡过程时间内，采样6次15次即可。(2)从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样

33、给定值的改变可以迅速地通过 采样得到反映，而不致产生过大的延时。(3)从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间；当被控对象的纯滞后时间T较大时，常选T=(1/41/8)T。(4)从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，当主机字长较小时，若T过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。另外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义， 因此T必须大于执行机构的调节时间。8.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

34、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(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。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。例度，记作1KZ扩充响应曲线法整定PID参数的步骤：

35、(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。在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间T、被控对象的时间常数Tc,以及它们的比值TC/T。由T、Tc、Tc/T值，查表，求出数字控制器的T、Kp、Ti和Td。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41所示。图41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

36、束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数(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Gcs1s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D z;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z-11才21 -zGcz = Zs-Ts1 e由于输入r(t)=t，则1 2GeZ _ZDZ J -GeZ二宀 /V Ge(zG(z)2系统闭环脉冲传递函数1-2z =2z -z则当输

37、入为单位速度信号时，系统输出序列Z变换为1Y z =Rzz - 2z丄一乙奁z2=2Tz 3Tz - 4Tz -: 1 -z丄)11.被控对象的传递函数为GcS叮产采样周期T=1s，要求：(1)采用Smith补偿控制，求取控制器的输出uk；(2)采用大林算法设计数字控制器D z，并求取u k的递推形式。(1)采用Smith补偿控制广义对象的传递函数为HGCs二HsGcs J y_ss.e 1 -e亠es s亠1 s s 1=HGPis *eDz汶D s_汙1d 1 aiz其中 tF,T=1Sy(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,U z -0.3697zU z =0.632

38、1zA-z E zu k =0.6321ek_1 _0.6321ek_20.3679u k _1(2)采用大林算法设计数字控制器取T=1S, ,K=1,T1=1,L=/T=1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数T0=0.5S则期望的闭环系统的脉冲传递函数为Z21121 -Z飞一广义被控对象的脉冲传递函数为zJ11 e11_乙才1 _e= z 1_1 -0.3679zp-0.1353)-1 -0.3679 1 -0.1353Z丄0.1353z 1_1.36800.5033z丄_L_21 -0.1353Z-0.8647Z则U z -0.1353zU z -0.8647zU z =1.3680E z

39、-0.5033zE z上式反变换到时域，则可得到u k =1.3680e k -0.5033e k -1 i亠0.1353u k 1 i亠0.8647u k -212.何为振铃现象？如何消除振铃现象？所谓振铃现象是指数字控制器的输出u(k)以接近二分之一的采样频率大幅度上下摆动。它对系统的输出几乎是没有影响的，但会使执行机构因磨损而造成损坏。消除振铃现象的方法：(1)参数选择法对于一阶滞后对象，如果合理选择期望闭环传递函数的惯性时间常数T0和采样周期T,使RA0,就没有振铃现象。即使不能使RA0,也可以把RA减到最小，最大程度地抑制振铃。(2)消除振铃因子法卜U (z)0.6321 (z丄2

40、z11 _0.3679z _LTs1 -11-z zZ_S1 s-2z1 1_e_GBz-eA1 de-z甘-z-e/ 1-ze _z1_e2Dz)_HGc(z* _GB(Z$_HGC找出数字控制器D（z）中引起振铃现象的因子（即z=-1附近的极点），然后人为地令其中的z=1, 就消除了这个极点。根据终值定理，这样做不影响输出的稳态值，但却改变了数字控制器 的动态特性，从而将影响闭环系统的动态响应。13.前馈控制完全补偿的条件是什么？前馈和反馈相结合有什么好处?前馈控制完全补偿的条件是GnsDnsGS=O。如果能将扰动因素测量出来，预先将其变化量送到系统中进行调整，这样在被调量改变之 前就能克

41、服这些扰动的影响。这种扰动的预先调整作用就称为前馈。若参数选择得合适， 前馈控制可取得良好的控制效果。但实际上，前馈控制环节的参数不易选得那么准确，而 且一个实际系统的扰动也不只一个，因此反馈控制还是不可少的。主要扰动引起的误差， 由前馈控制进行补偿；次要扰动引起的误差，由反馈控制予以抑制，这样在不提高开环增 益的情况下，各种扰动引起的误差均可得到补偿，从而有利于同时兼顾提高系统稳定性和 减小系统稳态误差的要求。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

42、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。15.多变量控制系统解耦条件是什么？多变量控制系统解耦条件是系统的闭环传递函数矩阵：s为对角线矩阵。本章作业用C语言编写数字PID算法、大林算法、施密斯算法通用子程序。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51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。(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2.什么

43、是计算延时？当采样信号送入CPU，按控制算法要求进行数据处理时，由于计算机执行每条指令均需要 一定时间，这样，从数据采样到结果输出之间就要产生一定的时间延迟，称为计算延时。3.如何在应用软件设计中减少计算延时？在应用软件设计过程中，为减少计算延时，通常将运算分为前台运算和后台运算。 前台运算：为得到当前输出值U(k)，而必须进行的运算。后台运算：为得到下一时刻输出值U(k +1)以及与当前输出无关的其他计算和管理算法。4.标度变换在工程上有什么意义？在什么情况下使用标度变换程序？微机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往还要转换成操作人员所熟悉的工程值。这是因为生产现场的各种工艺参数

44、量纲不同。例如，压力的单位为Pa,流量的单位为m3/h，温度的单位为C。这些参数A/D转换后得到一系列的数码，这些数码的值并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅代表参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的 数值后才能运算、显示或打印输出。这种转换称为工程量转换，也称为标度变换。标度变 换有各种不同类型，它取决于被测参数测量传感器的类型，设计时应根据实际情况选择适 当的标度变换方法，常用线性参数标度变换。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)传导耦合静电耦合(3)电磁耦合(4)公共阻抗耦合2

45、.什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成得。消除共模干扰的方法有以下几种：变压器隔离；光电隔离；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的仪表放大器作为输入放大器。串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。消除串模干扰的方法有以下几种：在输入回路中接入模拟滤波器；使用双积分式A/D转换器；采用双绞线作为信号线；电流传送，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

46、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

47、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 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

48、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。n 10 -a 非确认(Unacknowledged)请求/响应( (Request/Response)、重复( (Repeated)、非确认重复(Unacknowledge Repeated)。(f)Lon Talk协议的介质访问控制子层( (MAC)对CSMA作了改进，采用一种新的称作Predictive P-Persistent CSMA,

49、根据总线负载随机调整时间槽n(163)，从而在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小化。(3)PROFIBUS(Process Field Bus)过程现场总线PROFIBUS是德国标准，1991年在DIN佃245中分布了标准，PROFIBUS有几种改进型，分别用于不同的场合，例如：(a) PROFIBUS-PA(Process Automation)用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域。(b) PORFIBUS-FMS(Field bus Message Specification)用于一般自动化， 适用于纺织、楼宇自 动化、可编程控制器、

50、低压开关等。(c) PROFIBUS-DP用于加工自动化领域，适用于分散的外围设备之间的高速数据传输。传输速率为9.6Kbps12Mbps,最大传输距离在12Mbps时为100m、1.5Mbps时为400m, 可用中继器延长至10Km。其传输介质可以是双绞线， 也可以是光缆。最多可挂接127个站 点。PROFIBUS弓I入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。在一个确定的应用中，按照PROFIBUS规范来定义模块，写明其硬件和软件的性能，规范设备功能与PORFIBUS通信功能的一致性PROFIBUS为开放系统协议，为保证产品质量，在德国建立了FZI信息研究中心，对制造厂和用户开放，对其

51、产品进行一致性检测和实验性检测。(4)HART(Highway Addressable Remote Transducer)可寻址远程传感器数据通路HART是美国Rosemount研制，HART协议参照ISO/OSI模型的第1、2、7层，即物理层、数据全连路层和应用层，主要有如下特性：(a)物理层：采用基于Bell 202通信标准的FSK技术，即在420mA(DC)模拟信号上叠加FSK数字信号，逻辑1为1200Hz、逻辑0为2200Hz，波特率为1200bps洞制信计为 土0.5mA或0.25VP-P(250 Q负载) )。用屏蔽双绞线单台设备距离3000m,而多台设备互连距离1500m。(b

52、)数据链路层：数据帧长度不固定，最长25个字节。可寻地址为015，当地址为0时，处于420mA(DC)与数字通信兼容状态；当地址为115时，则处于全数字通信状态。通 信模式为“问答式”或“广播式”。(c)应用层：规定了三类命令，第1类是通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品；第2类是普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品；第3类是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。另外，为用户提供了设备描述语言DDL（Device DescriptionLanguage）。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主 机作为主设备的双主设备系统。（5）FF

53、（Foundation Fieldbus现场总线基金会）现场总线FF现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据全连路层、应用层为FF通信模型的相应层次， 并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的 统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。FF现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps,通信距离可 达佃00m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和

54、500m。物理传输介质可支持双绞线，光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。FF的主要技术内容，包括FF通信协议；用于完成开放互连模型中第27层通信协议的通信栈（Communication Stack）;用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统 组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成 技术。（本题5分）二、简述计算机控制系统的组成，并画出方框图（本题10分）三、有4位AD转换器，满刻度为5V，现在输入4.15V模拟电压

55、，请分析 采用逐次逼近法逼近的转换过程（本题10分）四、用一阶后向差分法求某控制器的传递函数 分方程.T=1s.最小拍有波纹控制器的设计步骤，2.写出根据性的闭环传递函数$ （Z）和$e（Z）.（本题10分）六、常用数字滤波算法有哪几种？简述优（本题10分）七、写出数字PID控制算法的位置式和增量式两种标准算法并简要回答下 列问题：1.简述积分分离法克服位置式PID积分饱和作用的原理。2. PID数字控制器参数整定的含义是什么？简述工程实现时，参数整定的步骤。3.采样周期的选择应综合考虑哪几个因素？（本题10分）八、请说明下图中IO通道的类型，并说明其工作过程。D(S)=%S+1)(S+ 2)

56、的差（本题10分）五、广义对象的传递函数为0.368Z&1 0.718Z，)(1 Z)(10.368Z)1,请说明（本题10分）九、请结合课程的学习，谈一谈如何利用微机控制系统实现某一加热炉的 温度控制。二.计算机控制系统有哪些部分组成，并画出方框图。答：计算机控制系统的硬件组成主要是由控制对象（或生产过程）、执行器、测量变送环节、输入输出通道和数字调节器等组成。软件组成主要是由系统软件和控制软件。三.有4位AD转换器，满刻度为5V，现在输入4.15V模拟电压，请说明逐次逼近转换原 理。并分析采用逐次逼近法逼近的转换过程。解：先通过置数逻辑电路将SAR中最高位置1,其余全0，井DA转换

57、成模拟电压U0与 输入模拟电压Ui在电压比较器下进行比较，若UiU0,则保留最高位1,否则清除最高位为0;其次置次高位为1,延续上述过程，直至确定最低位的状态。量化单位为q=5v/24=0.3125V本题目中图表转换如下：步骤SARU0Ui,U0大小该位去留8421110002.5保留211003.75保留:311104.375去411014.0625保留:结果1101偏差4.15-4.0625=0.0875图略。四.+48VP1.0+5VR3:T =1sU(S)E(S)5一 6 5 6 五答案：步骤如下：根据被控对象的传递函数确定广义传递函数D(Z)根据性能指标和约束条件确定闭环传递函数(Z

58、),其中性能指标包括准确性、快速性、稳定性，约束条件为物理可实现性。同时得出闭环误差传递函数0e(z)D(Z)根据G(Z)e(Z)确定控制器的传递函数 将其离散化，编写算法程序2 10.368Z (1 0.718Z )G (Z)1J(1Z )(10.368Z )对速度输入”亦洽EggU(S)E(S)=D (S)=2_(耳1)(2)D(S)(2ZJ)(3 Z)_ 11U(Z) U(Z-1)-匸U(Z-2)：E(Z)663511U(k)=|u(k1)1u(k2) 1E(k)TTd也 5=K（e e）+匚e +=（e 2匚+e“增量式：TiT（1）开始时不进行积分，直至偏差达到一定阀值后才进行积分累

59、积，这样，一方面防止了 一开始有过大的控制量，另一方面即使进入饱和后，因积分累积小，也能较快推出，减少 了超调。（2）PID数字控制器参数整定是指确定PID数字控制器的参数T,Ti,Td,K，以使系统输出 达到满意的效果。（3） 满足采样定律；抗干扰角度，T应小些；快速系统，要求T小；执行机构惯性大时，T应大些；计算机工作量和成本考虑，T应大些；从计算机精确执行控制算法，T应大些;实际生产过程中常采用经验法获得采样周期。八该通道为数字量输入通道。当48V开关闭合，光耦导通，经反相器P1.0输出高电平电平。当48V开关打开，光耦阻断，经反相器P1.0输出低电平。九根据学生回答情况酌情给分。重点是

60、绘制出控制系统的框图。包括数字给定，温度测量反馈AD转换，PID调节器输出DA转换等。四、 简答题（本题共4小题，共20分）1.（本题5分）简要说明多路开关的主要特点。2.（本题5分）PID调节系统中，微分调节起何作用？为什麽在有些系统中采用不完全微 分算式，它与常规算式有哪些区别？3.（本题5分）PWM控制意味着什么？它有什么作用？微型机控制系统中是怎样实现的？4.（本题5分）说明算术平均滤波、加权平均滤波和滑动平均滤波之间的区别以及各自的 用途。五、设计题（本题共1小题，共20分）：；(z) =- a2Z)所以：e(z) =(1-z)2(1 f”)六、常用数字滤波算法有哪几种？简述优缺点？(一)B.RAM