计算机控制技术第二版于海生课后习题答案

计算机控制技术(第2版)课后习题答案

第一章习题答案

1、什么是计算机控制系统？它的工作原理是怎样的？

计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程控制的系统.

原理图

计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：

(D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。

2、计算机控制系统由哪几部分组成？请画出计算机控制系统的组成框图。

计算机控制系统由工业控制机和生产过程两个大部分组成.工业控制机是指按生产

过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分.生产过程包括被控

对象、测量变送、执行机构、电气开关装置.

计算机控制系统的组成框图

3、计算机控制系统的典型型式有哪些?各有什么优缺点？

答：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、分散控制系统、现场

总线控制系统、综合自动化系统

(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。(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。

(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是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。

(4)分散控制系统(DCS)优点：分敢控制、集中操作、分级管理、分而自治和综

合协调.

(5)现场总线控制系统(FCS)优点：与DCS相比，降低了成本，提高了可靠性，国

际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构

4、实时、在线方式和离线方式的含义是什么？

(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，

即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控

制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产

过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或"在线”方式。

(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的

控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式

或''离线”方式。

5、简述计算机控制系统的发展概况。

随着微电子技术的发展，计算机经历了从大型机到小型机，再到微型机的发展过程,

使计算机控制应用不断普及，进入到了真正的实用阶段。特别是进入新世纪以来，计算

机技术的日新月异以及与先进控制技术相结合使计算机控制技术深入到了人类社会的

各个领域，进入了一个全新的高速发展时期。20世纪70年代出现的集散控制系统(DCS)

和可编程序控制器(PLC),是计算机工业控制系统走向柔性化、网络化、集散化和递阶

化的开端。20世纪90年代兴起的现场总线控制系统(FCS)开创了“现场总线仪表一工作

站”的控制结构模式，使计算机控制系统做到了彻底分散，更加提高了系统的可靠性。

另一方面，随着个人计算机和单片机的发展，基于PC机的工业控制计算机(IPC)也得到

了广泛的应用。

上世纪末期发展起来的单片机及嵌入式系统等以其价格低和体积小的优势，使智能

仪器和智能仪表在控制场合中的应用也越来越广。现代工业生产规模的日益复杂化和大

型化趋势，对控制计算机提出了更高的要求。计算机不仅要完成面向过程的控制和优化

任务，还要在获取生产过程各种信息的基础上进行这个过程的信息综合和优化调度，完

成生产、经营管理和其它综合管理工作。这种集企业的管理、监督与控制为一体的计算

机综合自动化系统被称为计算机集成制造系统(CIMS)或计算机集成过程系统(CIPS)。此

外，监督控制与数据采集系统(SCADA)、可编程自动化控制器(PAC)和无线传感器网络

(WSN)等各种控制系统也为计算机控制方法提供了新的应用领域。

计算机控制系统中的数据处理和控制决策运算工作都是由软件完成的，因此也就为

各种复杂的、先进的和智能的算法的应用和实现提供了可能。预测控制、模糊控制、鲁

棒控制、智能控制、自适应控制、软测量等等应用于工业生产过程并取得了明显的经济

效益和社会效益。计算机显示技术的进步也使作为现代控制系统人机接口(HMI)的监控

画面及其操作非常方便直观。由于其实时性和可靠性的特殊要求，控制计算机软件的编

程也有着自己的特点。计算机监控程序的编程，根据不同情况可以使用汇编语言或者高

级语言实现。专门为现代控制系统所设计的各种组态软件为监控程序提供了非常方便的

生成工具，是目前现场技术人员最常用的编程方法之一。

6、讨论计算机控制系统的发展趋势。

(1)控制系统的网络化

(2)控制系统的扁平化

(3)控制系统的智能化

(4)控制系统的综合化

第二章习题答案

1.何谓总线？总线有什么功能？总线标准是怎样形成的？

总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间(或插件内部芯片间)、各系统

之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传

送到各自要去的地方.

在微型计算机的硬件设计中，许多厂商设计和提供了许多具有不同功能的插件(亦

称“模板”)。用户为了构成计算机应用系统，希望这些模板能互相兼容。这种兼容是指

插件的尺寸、插座的针数及类型、插针的逻辑定义、控制插件工作的时序及电气特性等

相同。也就是说为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接各插

件或各系统的基础——总线，制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插

件模块提供统一的依据。因此，采用同一总线标准的不同厂家的插件模块，就可以组成

可正常工作的系统。

1.什么是接口、接口技术和过程通道？

接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。接口技术

是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。外部设备的各种信息通过输入接口

送到计算机，而计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备。系统运行过程中，信息

的交换是频繁发生的。

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，它包括模

拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量(开关量)输入通道、数字量(开关量)输出通道。

生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机，计算机经过计

算和处理后的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生

产过程的控制。

2.采用74LS244和74LS273与PC/ISA总线工业控制机接口，设计8路数字量(开

关量)输入接口和8路数字量(开关量)输出接口，请画出接口电路原理图，并分别编写数

字量输入和数字量输出程序。

参考课本，答案略。

3.用8位A/D转换器ADC0809与PC/ISA总线工业控制机接口，实现8路模拟量

采集。请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。

参考课本，答案略。

4.用12位A/D转换器AD574与PC/ISA总线工业控制机接口，实现模拟量采集。

请画出接口电路原理图，并设计出A/D转换程序。

参考课本，答案略。

5、请分别画出一路有源1N变换电路和一路无源I/V变换电路图，并分别说明各元

器件的作用？

变送器输出的信号为0~10mA或4〜20mA的统一信号，需要经过I/V变换变成电

压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-H型的输出信号标准为0〜10mA,

而DDZ-HI型和DDZ-S系列的输出信号标准为4〜20mA,因此，针对以上情况我们来

讨论I/V变换的实现方法。

①无源I/V变换

无源1/V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，

IO-----------1----1-------'-------------------------OV

R2nVc

x

无源I/V变换电路

对于0〜10mA输入信号，可取Rl=100C,R2=500Q,且R2为精密电阻，这样当

输入的I为0〜10mA电流时，输出的V为0〜5V.对于4〜20mA输入信号，可取R1

=100。，R2=250C,且R2为精密电阻，这样当输入的I为4〜20mA时，输出的V为

1〜5V。

②有源1N变换

有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成，如图所示。

R2为精密电阻，阻值为250。，通过取样电阻R2,将电流信号转换为电压信号。

取R3=1KC,R4设定为4.7KC电位器，通过调整Rf的值，可使0〜10mA输入对应

于。〜5V的电压输出，4〜20mA输入对应于1〜5V的电压输出。

6、什么是采样过程、量化、孔径时间?

按一定的时间间隔T,把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、

T、2T.........kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。

所谓量化，就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换

为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是

A/D转换器。

在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完

成一次A/D转换所需的时间称之为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径

时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，即为孔径误差。

7、采样保持器的作用是什么?是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器?为

什么？

（1）A/D转换过程（即采样信号的量化过程）需要时间，这个时间称为A/D转换时

间。在A/D转换期间，如果输入信号变化较大，就会引起转换误差。所以，一般情况

下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，还需加保持器作信号保持。保持器把t=kT

时刻的采样值保持到A/D转换结束。

（2）当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，可以不加采样保持

器。

7（附加）：采样保持器中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。

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

8.一个8位A/D转换器，孔径时间为100MS,如果要求转换误差在A/D转换器的

转换精度（0.4%）内，求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？

0.4

a6〃z

2^x100x100x10^

9.试AD1674、LF398,CD4051和PC/ISA总线工业控制机接口，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。

单路模拟量电路原理图如下图所示。

T

T

J

10.采用DAC0832和PC/ISA总线工业控制机接口，请画出接口电路原理图，并编

写D/A转换程序。

8086CPU

地

址Uo

译

M/1O码

WR

11.采用DAC1210和PC/ISA总线工业控制机接口，请画出接口电路原理图，并编

写D/A转换程序。

答案：略。

12.请分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推导出输出电

压与输入数字量之间的关系式。

/?12R/?3=2K

VREF

RFB

ISA总线

<DACloiJTI

loUTl

AGND

▽

%⑺为单极性输出，若D为输入数字量，VREF为基准参考电压，且为n位D/A

K)UTI=­VREF*T7

转换器，则有2.

勿"2为双极性输出，可以推出

13.采用DAC0832、运算放大器、CD4051等元器件与PC/ISA总线工业控制机接

口，设计8路模拟量输出系统，请画出接口电路原理图，并编写8路模拟量输出程序。

答案：略。

14.基于RS-485串行总线的主从分布式测控系统的结构形式是怎样的？

基于RS-232/RS-485转换模块的硬件设计方案

基于RS-485总线扩展卡的硬件设计方案

15、什么是串模干扰和共模干扰?如何抑制？

答：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。这里的被测信号是指有用的

直流信号或缓慢变化的交变信号，而干扰噪声是指无用的变化较快的杂乱交变信号。其

抑制方法有：

①如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模

干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；

如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。

②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干

扰的影响。

③对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放

大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取

隔离和屏蔽等措施。

④从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。

⑤采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互

相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量

仪表进行电磁屏蔽。

16、MAX1232有哪些主要功能？

MAX1232的主要功能有：电源监控、按钮复位输入、监控定时器（Watchdog）。

17、计算机控制系统中一般有哪几种地线?请画出回流法接地和一点接地示意图。

在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地和

交流地。

模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。

数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受

数字脉冲的干扰。

安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安

全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。

系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。

交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。

18、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。

19、简述两种硬件消抖电路的工作原理。

采用积分电路的硬件消抖电路，首先利用积分电路将抖动的高频部分滤出，其次利

用施密特触发器整形。

采用RS触发器的硬件消抖电路，主要是利用RS触发器的保持功能实现消抖。

20、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2.1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。

+E

光电耦合器电路图

21、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。

(DI/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)。

22、对理想多路开关的要求是什么？

理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。止匕外，还希望切

换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。

23、计算机控制系统的常用接地方法是什么？

(I)一点接地和多点接地

(2)模拟地和数字地的连接

(3)主机外壳接地

(4)多机系统的接地

24、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。

#稳九巾流电源

一

而

整

II频

流

低通交流流

稳

波滤

器

滤波器稳压器住

波

高

nr频

微机系统地(浮地)流

供电系统地专用系统线稳/

压

波

一

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

流稳压电路如图所示。

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pF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〜O.IRF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RF的电解电容；C4中抗高频干扰电容，常选取0.01〜O.IRF的瓷片电容。

第三章习题答案

1、什么是数控系统？数控系统包括哪些？

数控系统是采用数字电子技术和计算机技术，对生产机械进行自动控制的系统，它

包括顺序控制和数字程序控制两部分。

2、什么是数字程序控制？数字程序控制有哪几种方式？

数字程序控制，就是生产机械(如各种加工机床)根据数字计算机输出的数字信号，

按规定的工作程序。运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的控制方式。

数字程序控制方式：点位控制、直线控制和轮廓控制。

3、数控系统由哪些部分组成？各部分的作用是什么？

由五部分组成。

(1)输入装置：一般指微机的输入设备，如键盘。其作用是输入数控系统对生产机械

进行自动控制时所必需的各种外部控制信息和加工数据信息。

(2)微机：微机是MNC系统运算和控制的核心。在系统软件指挥下，微机根据输入

信息，完成数控插补器和控制器运算，并输出相应的控制和进给信号。若为闭环数控系

统，则由位置检测装置输出的反馈信息也送入微机进行处理。

(3)输出装置：一般包括输出缓冲电路、隔离电路、输出信号功率放大器、各种显示

设备等。在微机控制下，输出装置一方面显示加工过程中的各有关信息，另一方面向被

控生产机械输出各种有关的开关量控制信号(冷却、启、停等)，还向伺服机构发出进给

脉冲信号等。

(4)伺服机构：一般包括各种伺服元件和功率驱动元件。其功能是将输出装置发出的

进给脉冲转换成生产机械相应部件的机械位移(线位移、角位移)运动。

(5)加工机械：即数控系统的控制对象，各种机床、织机等。目前已有专门为数控装

置配套设计的各种机械，如各种数控机床，它们的机械结构与普通机床有较大的区别。

4、什么是逐点比较插补法？直线插补计算过程和圆弧插补计算过程各有哪几个步

逐点比较法插补运算，就是在某个坐标方向上每走一步(即输出一个进给脉冲)，

就作一次计算，将实际进给位置的坐标与给定的轨迹进行比较，判断其偏差情况，根据

偏差，再决定下一步的走向(沿X轴进给，还是沿Y轴进给)。逐点比较法插补的实质

是以阶梯折线来逼近给定直线或圆弧曲线，最大逼近误差不超过数控系统的一个脉冲当

量(每走一步的距离，即步长)。

直线插补计算过程的步骤如下：

(1)偏差判别：即判别上一次进给后的偏差值Fm是最大于等于零，还是小于零；

(2)坐标进给：即根据偏差判断的结果决定进给方向，并在该方向上进给一步；

(3)偏差计算：即计算进给后的新偏差值Fm+1,作为下一步偏差判别的依据；

(4)终点判别：即若已到达终点，则停止插补；若未到达终点，则重复上述步骤。

圆弧插补计算过程的步骤如下：

(1)偏差判别

(2)坐标进给

(3)偏差计算

(4)坐标计算

(5)终点判别

5、若加工第二象限直线OA,起点0(0,0),终点A(-4,6)o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=4,ye=6,F0=0,我们设置一个总的计数器Nxy,其初值应为

Nxy-|6-0|+|-4-0|=10,则插补计算过程如表所示。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。

步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别

起点F0=0Nxy=10

1F0=0-XFl=F0-ye=-6Nxy=9

2Fl<0+YF2=Fl+xe=-2Nxy=8

3F2<0+YF3=F2+xe=2Nxy=7

4F3>0-XF4=F3-ye=-4Nxy=6

5F4<0+YF5=F4+xe=0Nxy=5

6F5=0-XF6=F5-ye=-6Nxy=4

7F6<0+YF7=F6+xe=-2Nxy=3

8F7<0+YF8=F7+xe=2Nxy=2

9F8>0-XF9=F8-ye=-4Nxy=l

10F9<0+YF10=F9+xe=0Nxy=0

6、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：插补计算过程如表所示。终点判别仍采用一个总的计数器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。

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=0x0=6,y0=0Nxy=12

1F0=0-XFl=0-12+]=-llxl=5,yl=0Nxy=l1

2Fl<0+YF2=-ll+0+l=-10x2=5,y2=lNxy=10

3F2<0+YF3=-10+2+l=-7x3=5,y3=2Nxy=9

4F3<0+YF4=-7+4+l=-2x4=5,y4=3Nxy=8

5F4<0+YF5=-2+6+l=5x5=5,y5=4Nxy=7

6F5>0-XF6=5-10+l=-4x6=4,y6=4Nxy=6

7F6<0+YF7=-4+8+l=5x7=4,y7=5Nxy=5

8F7>0-XF8=5-8+l=-2x8=3,y8=5Nxy=4

9F8<0+YF9=-2+10+l=9X9=3,y9=6Nxy=3

10F9>0-XF10=9-6+l=4xl0=2,yl0=6Nxy=2

11F10>0-XFl1=44+1=1xll=l,yll=6Nxy=l

12Fll>0-XF12=l-2+l=0xl2=0,yl2=6Nxy=0

7、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-BTC,各相通电的电压波形如图所示。

步进时钟

A相」

B相

C相------------------------I—

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-BCTCA。各相通电的电压波形如图所示。

步进时钟iiJiAJi_JiJLJUiJi_jLJLrui_n_rL

A相

B相

，相I—U―U—U—

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。各相通电的电压波形如图所示。

步进时钟rLn_n_rLfuuuL_rui_n_n_rLJL_n_

A相

B相

C相

三相六拍工作的电压波形图

8、位置伺服系统分为哪几种类型？

根据位置环比较的方式不同，可将位置伺服系统分为数字脉冲比较伺服系统、相位

比较伺服系统和幅值比较伺服系统。

相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统的结构与安装都比较复杂，因此一般情况下

选用脉冲比较伺服系统，同时相位比较伺服系统较幅值比较伺服系统应用得广泛一些.

9、讨论多轴步进驱动控制技术和多轴伺服驱动控制技术各有何特点？并分别列举

设计或应用实例。

答案略。

第四章习题答案

4.已知模拟调节器的传递函数为

U(s)1+0.17.?

D(s)=----=------

E(s)1+0.0855

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。

6.选择采样周期需要考虑哪些因素？

7.试叙述试凑法、扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。

1、数字控制器的连续化设计步骤是什么？

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

\'1+

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)。

?7-1

双线形变换法：把s='•一代入，则

Tz+1

2z-l

刀亍.六一（T+21）Z+T-27；

D（Z）=D（Z）2ZT

s=一•——1+T2.”（T+270Z+T-2北

Tz+1

2TZ+1

前向差分法：把z：”代入，则

i+7\s_率+7—1

D（z）=D（s）z-i

s=---

1+1心T2Z+T-T2

z-l,

后向差分法：把s=——代入，则

Tz

z-1

1+7

l+7；5_*Tz^z+T-T,

O（z）=。⑷

5=----

]+T>s,Tz-lT^Z+T-T2

Tzl+l2

Tz

3.在PID调节器中系数心、%、心各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？

系数的为比例系数，提高系数即可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无

止境地提高系数即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，匕越大积分作用越弱，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M为微分常数，M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)：

j=0

dee(k)-e(k-1)

—«-------------

dtT

于是有：

〃(左)=K,{e(k)+J£e(j)+g[e(k)-e(k-1)]}

h>0/

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P1D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。

△〃伏)=Kp{[e(k)-e(k-V)]+—e(k)+皂[e⑻-2e(k-V)+e(k-2)]}

7]T

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

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

n(A-1+0"s

01+0.0855

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。

蹙上次

E(s)1+0.0855

贝ijU(s)+0.085SU(s)=E(.v)+0.17SE(s)

w(0+O.O85-~^=e(f)+0.17^^

u(k)-u(k-1)-1)

“(上)+0.085=e(%)+0.17

TT

把T=0.2S代入得

1.425u(k)~0.425u(k-1)=4.5e(&)-35e(hl)

位置型“(%)=3.1579e(左)-2.4561e(k-1)+0.2982u(k-1)

增量型AMQ)="(A)-“仅一1)=3.1579e(A)-2.4561e仕-1)-0.7018w(Z:-1)

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

5.什么叫积分饱和？它是怎样引起的?如何消除？

(1)由于长时间的偏差或偏差过大，控制量超过执行机构的极限位置，导致控制量虽然在

增大但是执行机构已无动作的现象称为积分饱和.

(2)执行机构的非线性和偏差的长时间存在时导致积分饱和现象的原因.

⑶消除方法：

对控制量限幅：例如令：u(k)={0u(Iulu(k)<ul

过限削弱积分PID算法：

若u(k-1)>ul则只有当e(k)<0时才将e(k)计入积分项：

若u(k-1)<-uI则只有当e(k)>0时才将其计入积分项

6.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=(l/4~l/8)

To

(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，即新的控制量己输出，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。

7.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，记作瓦

K.

(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，求得滞后时间工、被控对象的时间常数Tc,以及它们的比

值TC/TO

(4)由T、Tc、TC/T值，查表，求出数字控制器的T、Kp、Ti和Td。

8.数字控制器直接离散设计步骤是什么？

计算机控制系统框图如图所示。

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中(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

s(0.1s+1)

采样周期T=ls,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D(z),并计算输出响应y(k)、

控制信号u(k)和误差e(k)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D(z),并计算y(k)、u(k)、e(k)

序列，画出它们对时间变化的波形。

10.被控对象的传递函数为

G0(s)=.

采样周期T=ls,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Z)(z)；

(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

l-eTs1)T2Z-I(1+ZT)

G,(z)=Z=Z(l-e』)4

s21-z-1

将T=1S代入,有

Z<l+zT)

G(z)

2(1-z-邛

由于输入r(t)=t,则

12

Ge(z)=(l-z)

。公_1—G，(Z)Z[1+ZT)

(2)系统闭环脉冲传递函数

0(z)=2z-l-z-2

则当输入为单位速度信号时,，系统输出序列Z变换为

K(z)=R(z)0(z)=(2z-1-z-2)Tz-'=2Tz-2+3Tz-3+4Tz-4+•••

(i--7

y(O)=O,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,...

11.被控对象的传递函数为

G(s)=占1

采样周期T=ls,要求：

(1)采用Smith补偿控制，求取控制器的输出”(A)；

(2)采用大林算法设计数字控制器D(z),并求取1%的递推形式。

⑴采用Smith补偿控制

广义对象的传递函数为

ss

HGC(S)=H°(.v)GC(.v)=——•=1,晨•e=HGP(s)»e

S5+1+1)

Q(z)=Z®(s)卜zf牛总.(1-「)]=(1-Z”产。

+1)]—Q]Z

其中弓=e4=e」,Z?il

=1-e~,L=—=19T=IS

t

则26器0.6321QTZ-2)

1-0.3679z-1

U(z)—0.3697z-'tZ(z)=0.6321(z-1-z-2)£(z)

M(Z)=0.6321e(k-1)-0.6321e{k-2)+0.3679u(k-1)

(2)采用大林算法设计数字控制器

取T=lS,r=1,K=1,1=1,L=7/T=l,设期望闭环传递函数的惯性时间常数To=O.5S

则期望的闭环系统的脉冲传递函数为

i—7s—LTs2

1—ee-2\-e-

GB(Z)=Zz

s"s+1

广义被控对象的脉冲传递函数为

z?(l-eT)

1—Ke5-11

HGc(z)=Z=(l-z)z-'Z--

1+Tj.y1+sl1-z^-1e-1

则

⑨=GB(Z)=z-2(l—e-2)

-f/Gc(zXl-GB(z)]HG/j—z-H—zK

(1-e-1Jl-z-le^-(1-e-2)z-2]

(l-0.3679z-')(l-0.1353)

2

(1-0.3679)[l-0.1353r'-(1-0.1353)Z-]

1.3680-0.5033Z-1

l-0.1353z-'-0.8647z-2

又咐嚼

则U(z)—0.1353z_1t/(z)-0.8647z-2C/(z)=1.3680E(z)-0.5033z-lE(z)

上式反变换到时域，则可得到

u(k)=1.3680业)—0.5033e(k-1)+0.1353-1)+0.8647u(k-2)

12.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RAWO,就没有振铃现象。即使不能使RAW0,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

找出数字控制器D(z)中引起振铃现象的因子(即z=-l附近的极点)，然后人为地令其

中的z=l,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Gn(s)+Dn(s)