微机计算机控制技术课后于海生第2版习题详解答案

唄=1+0.17sE(s)1+0.0855则"($)+0.085St/(s)=E(s)+0.17SE($)“(/)+0.085号岁=e(r)+0.17...讹)+0.085讹)耳&一J=论)+o.l7撅)-沪J把T=0.2S代入得1.425“&)一0.425m(^-1)=4.5^)-3.5^-1)位置型“(R)=3.1579冷)-2.4561粼-1)+0.2982粼-1)增量型Au(k)=u(k)-u(k-l)=3.i579“)—2.456le(k-1)-0.701Su(k-1)（补充题）已知模拟调节器的传递函数为D(D(s)=1+0.1750.0855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=0.2so解：因为D（解：因为D（s）=1+0.1750.0855“Q+缶7嗨+3所以心=2,7=0.17,T(l=0o故位置型PID控制器Mk)=Kp£(灯+£工殆)+TpUk)—；(k—1)・02k'=2幺伙)+帀工£(')U・1./J=o04k=2e(k)+—:—Ve(i)0.17^故增量型PID控制器u(k)=u(k-1)+△"伙)=u(k-Y)+Kp\e(k)一e(k-1)]+Kte(k)+KD\e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]="伙-1)+2[心)一e(k-1)]+詈”伙)»u(k-1)+4.35e(灯-2e(k一1)扩充临界比例度法整定PID参数的步骤：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t作阶跃输入。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，记作心=二。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。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：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。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t.被控对象的时间常数Tc,以及它们的比值Tc/to⑷由丫、Tc、Tc/t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）o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①（z）。⑵求广义对象的脉冲传递函数G（z）o⑶求取数字控制器的脉冲传递函数D（z）o⑷根据D（z）求取控制算法的递推计算公式。4.9已知被控对象的传递函数为10S(0.15+1)釆样周期T=0.Is,釆用零阶保持器。要求（1）针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波系统的以力，并计算输出响应）伙）、控制信号讹）和误差粼）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Q（z）,并计算输出响应）伙）、控制信号讹）和误差粼）序列，画出它们对时间变化的波形。-Ts解：广义脉冲传递函数为-Tsg⑵=)=d-r1)^100)S5(0.15+1) 5"(5+10)一丄+）（1-r1）2 1-r1（i-严广1）0・368zT(1+0・717zT)(1_即)(1_0.368厂)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（分母多项式的幕次）M（分子多项式的幕次）1）根据广义对象的传递函数确定参数N（分母多项式的幕次）M（分子多项式的幕次）d=N-M延时w在所有零点的总数（不包括无穷远的零点）i已知N二2,M=2|所以d=0|w二1（即分子多项式中的（1+0.717L））Ijiv=i,j=i；|q二2（单位速度输入）Iv在z平面的单位圆上或圆外极点的个j在Z平面的单位圆上极点的个数q（输入类型）确定Fl(z)和F2(z)的幕次m和nm=w+d/7=v-7+niax(厶q)坊⑵=1+九L+几厂+…+九，忆p2(z)=f2iZ~l+f22z~2+--+f2nzn确定Ce(z)-/?rin=w+d=1n=v-j+nnx(厶q)=2所以：仟⑵=1+九存竹⑵=亢厂+局严①eU)=口(1一①厂1)(1—LJ冬⑵=1一①（z）=““MM丿片（功4）确定①（z）①⑵=计丰（1-讨）厲⑵=(l-z_1)2(l+/11z~1)=1+(九_1)广-九存+九严：口(1-处T)巴⑵5）根据关系①，•⑵=1-①⑵使等式两边同幕次的系数相等，解出用和月中的系数。6）求控制器D（z）%）=1①⑵G⑵―①⑵=(1+0.717广)(几广+厶2广2)=人忆T+(厶2+0.717心)宀0.717人二-3/ii_2=_心<1-2/11=-(/22+0.717/21)九=-0.717厶A=-0.59解得：《人=141厶=-0.83所以：①■⑵=(1-Z_i)2(1-0.59z-1)①⑵=(1+0.717广XI.41^-0.83严)D(—(1-厂)(1-0.368广)‘'J0.368即(1+0.717L)(1+0.717叫)(1.4lz~l-0.83严)X (1-厂丁(1-0.59即)_(1-0.368^-1)(1.41-0.83^-1)0.368(1-z_1)(l-0.59z_1)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N1）根据广义对象的传递函数确定参数N（分母多项式的幕次）M（分子多项式的壽次）d=N-M延时w在所有零点的总数（不包括无穷远的零点）已知N二2,M=2所以d=0w=l（即分子多项式中的（1+0.717r1））V二1,j二1；q=l（单位阶跃输入）V在Z平面的单位圆上或圆外极点的个j在Z平面的单位圆上极点的个数q（输入类型）确定Fl(z)和F2(z)的幕次m和确定Fl(z)和F2(z)的幕次m和nm=w+dn=v-j+niax(j,q)坊⑵=1+九L+几盯+…+F?(z)=f2lz~l+f22z~2+■■■+f2nznin=w+d=1n-v-j+inax(j,q)=1所以：仟⑵=1+九厂F©=f2lZ~l确定Oe(z)①0=1—①（z）=4） 确定①（z）①⑵=厂恆（1_讨）&⑵5） 根据关系①（）=1-①⑵使等式两边同幕次的系数相等，解出用和用中的系数。卩•⑵=ri(i-*T)(1-广严5百⑵_1=1_=(l-z'1)2(l+f11z-1)=1+(九-1"T-九厂①⑵=z~dL匸1 」=(1+0.717广)厶h=/；忆t+0.717厶忆<几-1=-亢解得.f/ii=0.42k=0-717/2i 伉=0.58所以：①，•⑵=(1一厂)(1+0.42厂1)①⑵=0.58zT(1+0.717zT)6）求控制器D（z）16）求控制器D（z）1①⑵G⑵―①⑵(1_宀1_0・368厂)0・368厂(1+0・717厂)0.58即(1+0.717L)(l_zT)(l+0.42f)_1-0.368L-1+0.42Z"1最少拍有纹波设计步骤：1）根据广义对象的传递函数确定参数N（分母多项式的幕次）M最少拍有纹波设计步骤：1）根据广义对象的传递函数确定参数N（分母多项式的幕次）M（分子多项式的幕次）d=N-Mu在z平面的单位圆上或圆外零点的个已知N二2,M=2所以d=0u=0（即分子多项式中的（1+0.717厂））v=l,j=l；Q=1（单位速度输入）V在Z平面的单位圆上或圆外极点的个j在z平面的单位圆上极点的个数q（输入类型）确定Fl(z)j在z平面的单位圆上极点的个数q（输入类型）确定Fl(z)和F2(z)的幕次m和nm=u+dn=v-j+m^J,q)耳⑵=1+£『+/n宀…+flmZ~m耳⑵二九厂+凡厂+…+斤”广‘3)确定Oe(z)①0=1-①（z）=4） 确定①（z）①⑵-尿JF2（z）5） 根据关系①，•⑵=1-①⑵使等式两边m=u+d=07?=v-j+nnx(j、q)=1所以：忆⑵=1&⑵=y①<a)=口(1一。忆-j_1=1 _=(1-广)①⑵=z~d血1-处讣⑵L日」=人广解得：人1=1同幕次的系数相等，解出用和屁中的所以:系数。①，Z)=(l—zT)①⑵=同幕次的系数相等，解出用和屁中的所以:系数。①，Z)=(l—zT)①⑵=Z16）求控制器D（z）1①⑵G⑵―①⑵(1_汀)(1_0.368即)江厂0・368zT(1+0・717zT)x(1—zT)(1-0・368广)0・368(1+0・717zT)4.10被控对象的传递函数为G「(s)=丄5"采样周期T=ls,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①⑵和D（z）;（2）求出数字控制器输出序列"伙）的递推形式。解：广义对象的脉冲传递函数q(z)=z手•扑牡厂）扑TV^+zq(z)=z手•扑牡厂）扑TV^+z-1)

2(1-z-1)2将T二IS代入，有*)=疋（*)=疋（1+厂）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已知N二1）根据广义对象的传递函数确定参数已知N二2,M=2N（分母多项式的需次）M（分子多项式的幕次）d=N-M延时所以d=0W=1v=2,j二2；W在所有零点的总数（不包括无穷远的q二2（单位阶跃输入）零点）V在Z平面的单位圆上或圆外极点的个j在Z平面的单位圆上极点的个数q（输入类型）

2） 确定Fl（z）和F2（z）的幕次m和nm=w+dn=v-j+nn^厶2） 确定Fl（z）和F2（z）的幕次m和nm=w+dn=v-j+nn^厶q）F、⑵=1+fnZ~l+fi2Z~2+-+fimZ耳⑵=/#T+亢厂+…3） 确定Oe（z）-/?rm=w+d=1n=v-j+nnx（q）=2所以：仟⑵=l+/uZT△⑵二九存+亢严■v-j "①0=1-①（z）=—%T）（1—广）①eU）=口（1_勺厂））（1_厂1）3心4代G）=（1—广）"1+九厂）=1+（九-2）广+（1-2九）厂+几厂4）确定①（z）①⑵=厂血1_讨）F2（z）□（l_b忆T）&⑵5）根据关系①，•⑵=1-①⑵使等式两边同幕次的系数相等，解出用和冈中的系数。6）求控制器D（z）%）=1①⑵G⑵―①⑵=（i+r1x/21r1+/22r2）=f2iZ~l+（/21+f22）z~2+f22z'3fn_2=~f2i<1一2九=一（厶2+Zm）fn=~fuffn=3/4解得：人广5/4亿=-3/4所以：P.⑵=（1-厂丁（1+3/4厂）①⑵=（1+厂）（5/4厂一3/4严）Z（1+Z丿Jl+zT）（5/4zT-3/4厂）% （1-戸）'（1+3/4广）_10-6z-1一4+3衬-1被控对象的传递函数为琲）=扣采样周期T=ls,要求：⑴釆用Smith补偿控制，求取控制器的输出“（R）；⑵釆用大林算法设计数字控制器火），并求取讹）的递推形式。

(1)采用Smith补偿控制广义对象的传递函数为HGc(Ug.(s)=l-e~s5(5+1)HGc(Ug.(s)=l-e~s5(5+1)•厂=恥)詡吶]=z]窃・(”)]=(")医其中①=e%=e~\bL=l-e~l,Z.=f=l,T=lS则恥卜织少321(宀弓)E(Z)1—0.3679ft/(7)-0.3697z'lU(z)=0.6321(z~l-Z_2)E(Z)u(k)=0.6321e(k-1)-0.6321e(k-2)+03679u(k-1)(2)采用大林算法设计数字控制器取T二IS,r=l,K=l,T!=l,L=r/T=l,设期望闭环传递函数的惯性时间常数T。二0.5S则期望的闭环系统的脉冲传递函数为1一严严 ■ 1一严严 ■ sTqs+1GpC)=Z17廿广义被控对象的脉冲传递函数为HGc(“=Zs1+7HGc(“=Zs1+7；$=(1-沙吆--刊")1一广『%)=hgc^-gM=曲⑺二兴丄(1_严)]==(i_+Xi-严)-(1_厂)[17-『-(1-严)亍](1-0.3679<1)(1-0.1353)一(1—0.3679)[1—0.1353zT—(1—0.1353)亍]1.3680-0.5033^_l-0.1353r1-0.8647r2则U(z)—0.1353zlU{z)-0.8647刊(z)=13680E(“—0.5033ZlE(z)上式反变换到时域，则可得到u（k）=1.3680粼）-0.5033e（k-1）+0.1353u（k-1）+0.8647u（k-2）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AD转换方式。（3分）（2） 写出图中8255A的地址。（4分）（3） 画出实现该AQ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AQ转换为查询方式（3分）（2）写出图中8255A的地址。（4分）G1G2AG2BCBAP2.7P2.6P2.50P2.4P2.3P2.2P2.1 P2.01110110X XY6所以,8255A的地址是:F800H—FB00H（或壬8FFH—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,#0FB00HMOVX@DPTR.,AMOVA,#09H ；启动A，D 2分MOVX@DPTR.,AMOVDPTR,#0F900HLOOP：MOVDPTR,#0FA00HMOVXA,@DPTR ；判断转换是否结束2分ANLA,#01HJZ,LOOPDECDPHMOVXA,@DPTR ；读A，D转换结果2分ENDSTART己知电机控制系统如图2所示，图中LD为马达运行指示灯（不运行时熄灭）。（1） 说明图中芯片4N25的作用（2分）（2） 说明图中电机的控制原理（4分）（3） 画出电动机控制程序流程图（4分）（4） 根据流程图编写电机控制程序（设8255的地址为8000—8003H）（8分）（5） 图中有否需要改动的地方？原因是什麽？（2分）答：（1）芯片4N25用來隔离（2分）（2）说明图中电机的控制原理（4分）图中，开关KO—K7为给定值，用来给定马达的转速，V=VmaxXN/256,开关K用來控制停

止（0）/启动（l）o当PC4输出为1时，光电隔离器导通，发光二极管亮，光敏三极管导通,马达开始转动。通过转动N,再停止N脉冲宽度调制技术，即可控制马达的速度。（3）画出电动机控制程序流程图（4分）；8255；8255初始化2分;判断是否停止马达2分;启动马达，指示灯亮2分:停止马达，指示灯灭 2分（4分）（4分）B A（4）根据流程图编写电机控制程序（8分）MAIN：MOVA,#81HMOVDPTR,#8003HMOVX@DPTR.,ALOOP：MOVDPTR,#8002HMOVXA,@DPTRANLA,#02HJZ,STOPSTART：MOVA,#90H(MOVDPTR,#8002H)MOVX@DPTR.,AAJMPLOOPSTOP：MOVA,#00H(MOVDPTR,#8002H)MOVX@DPTR.,AAJMPLOOP（5）图中4N25发光三极管的电源应单独供电？（2分）六、设计题（本题共1小题，共20分）设某压力报警系统如图所示。图中，开关K0为报警屏蔽开关，K0=0时，系统被屏蔽。开关K1为压力报警开关，K1闭合时，表示报警；开关K1打开时为正常状态。系统正常时，绿色指示灯LD亮,；报警时使红色指示灯HD0亮。并要求系统能连续工作。1.写出8255A各口的地址。答：（1）写出8255A各口的地址。G1G2A G2B C

P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2 P2.1P2.0A7…AlA010011010X XY2所以,8255的地址为9A00--9A03H(或9AFC—9AFFH)2.画出完成上述任务的程序流程图。（6分）3・（3）编写8255A初始化和控制程序。 （10分）EA74LS13J8031373D7—DO8255A【ESETAlPC7A0PCOfRRD76543210P2P2P2巴巴ALEponSR而2.2.2.ppPG1G2AG2BCBPAOSTART：MOVA,#90HMOVDPTR,#9A03HMOVX@DPTR,ALOOP：MOVDPTR,#9A00HMOVXA,@DPTRMOVRO,AANLA,#01HJZLDMOVA,ROANLA,#10HJZL、HDLD： MOVA,#0FHMOVDPTR,#9A03HMOVX@DPTR,AAJMPLOOPHD：MOVA,#01HMOVDPTR,#9A03HMOVX@DPTR,AAJMPLOOP;8255初始化;判断报警是否屏蔽:判断K1是否报警（2分）（2分）（2分）（2分）（2分）4.9已知被控对彖的传递函数为G（匕（°；：+『