微型计算机控制技术第二版高国琴习题答案

第三章习题数线据总0E数据总线数据输入程序，设芯片端口地址为300H#include<dos.h>;{}数据输出程序，设向地址为300H的端口输出64H的数据#include<stdio.h>{}3答：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可采用带有保持电路的采样器，即采样保持器。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。4答：{outportb(0x303,0x92);//8255控制字10010010{return;{//取高8位初始化8255A,使8255A的A、B和C口都为输出口。//为D/A准备数据。数据锁存到第一级锁存器。数据锁存到第二级锁存器。退出锁存状态。return;6答：无源I/U变换电路二极管限流、输出保护，电容滤波，电阻R2将电流转换为电压。有源I/U变换电路电容滤波，电阻R1将电流转换为电压，同相放大电路将电压转为标准电压。第四章习题1答：零阶保持器法后向差分法得：y(k)=0.03e(k)+1.83y(k-1)-0.83y(双线性变换法得(1)后向差分整理可得(2)双线性变换法整理可得(3)需根据不同被控对象，结果不同。5答：由于微型计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此在微型计算机控制系统中，PID控制规律的实现只能采用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID控制算法离散化，变为差分方程，以便于实现。要有相当短的采样周期。采样周期越小，离散后的数字控制器性能越接近原来的模拟调节器。6答：根据香农(Shannon)采样定理，采样周期必须满足，其中为被采样的连续信号的最高频率。因此香农(Shannon)采样定理给出了选择采样周期的上限。从理论上讲，采样周期越小，失真越小。但是从控制器本身而言，大都是依靠偏差信号e(k)进行调节计算的。当采样周期T太小时，偏差信号e(k)也会过小，此时计算机将会失去调节作用，采样周期T过长又会引起误差。因此，采样周期T的确定必须综合考虑。影响采样周期T的因素有：(1)加至被控对象的扰动频率：扰动频率愈高，采样频率也应相应提高，即采样周期缩短。(2)对象的动态特性：根据被控对象的特性，快速系统的T应取小，反之取大些。(3)执行机构的类型：执行机构惯性大，采样周期相应要大一些，否则，执行机构来不及反应控制(4)控制算法的类型：从计算机能精确执行控制算式来看，T应选大些。因为计算机字长有限，T过小，偏差e(k)可能很小，甚至为0,调节作用减弱，各微分、积分作用不明显。7答：加上积分调节的目的主要用于消除静差，提高系统的无差度。PI调节器对偏差的阶跃响应除按比例变化的部分外，还有积分累计的部分。只要偏差不为零，则积分环节有累计输出，以减小偏差，直至使偏差为零，系统达到稳态。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI,TI越大，积分作用越弱，反之则越强。8答：积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但却降低了响应速度。为了加快响应速度，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差量作出及时反应(即P作用),而且对偏差量的变化速率作出反应，即按偏差变化的趋势进行控制，使偏差消灭于萌芽状态。PI控制。10答：(1)比例系数Kp对系统动态及稳态性能的影响增大比例系数Kp,将增强比例作用，一般将加快系统的响应，在系统有静差的情况下，有利于减小静差；但Kp过大时会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统的稳定性变坏。值得说明的是，增大Kp只是减小静差，却不能完全消除静差。(2)积分时间常数TI对系统动态及稳态性能的影响减小积分时间常数I,将增强积分作用，加快消除系统静差，提高系统的控制精度；但TI太小，将会产生超调、并产生振荡，使系统的稳定性变坏。(3)微分时间常数7D对系统动态及稳态性能的影响增大微分时间常数7D,将增强微分作用，减小超调量，缩短调节时间，改善动态性能。11答：(1)增量型算法不需做累加，计算误差后产生的计算精度问题，对控制量的计算影响较小。位置型算法用到过去的误差的累加，容易产生较大的累加误差。(2)增量型算法得出的是控制的增量，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会影响系统的工作。位置型算法的输出是控制量的全部输出，误动作影响大。(3)采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。12答：13答：根据数字PID控制器公式，整理可得14答：增大比例系数Kp,将增强比例作用，一般将加快系统的响应，在系统有静差的情况下，有利于减小静差；但Kp过大时会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统的稳定性变坏。值得说明的是，增大Kp只是减小静差，却不能完全消除静差。15答：在自动调节系统中，由于负载的突变，如开工、停工、或给定值的突变等，都会引起偏差的阶跃，即|e(k)|增大。因而，计算出的位置式PID输出u(k)将急骤增大或减小，以至超过阀门全开(或全关)时的输入量umax(或umin)。此时的实际控制量只能限制在umax(或umin),而不是实际计算值。此时，虽然系统输出u(k)在不断上升，但由于控制量受到限制，其增加速度减慢，偏差e(k)将比正常情况下持续更长的时间保持在正值，使积分项有较大的积累值。当被控量超过给定值r(t)后，开始出现负偏差，但由于积分项累计值很大，还要经过相当一段时间之后，控制量u(k)才能脱离饱和区。这样就使系统的输出出现明显的超调。很明显，在位置式PID算法中，饱和现象主要是由积分项引起的，所以称之为“积分饱和”。这种现象引起大幅度的超调，使系统不稳定。克服方法：遇限消弱积分法、积分分离法。16答：凑试法、实验经验法、归一参数整定法等。凑试法：凑试法是通过模拟实验或系统闭环运行(允许的条件下)记录观察系统对典型输入信号的响应曲线，如阶跃响应曲线。然后根据控制效果及各参数对系统的控制影响，反复凑试参数，以达到满意的系统响应，从而确定PID控制参数。实验经验法：用凑试法确定PID参数，必须进行多次模拟或现场实验，过程繁琐。为了减少凑试次数，我们可以利用在PID参数选择过程中取得的经验，并根据一定的控制要求先做一些实验，以获得相应的基本参数，然后按照经验公式，由这些基本参数推导计算出PID参数的经验值。归一参数整定法：只要整定一个参数Kp。改变Kp,观察控制效果，直到满意为止。该方法为实现简易的自整定控制带来方便17答：用差分法离散可得：u(k)=u(k-1)+a₀e(k)-a₁e(k-1)+a₂e(k-2),,1答：数字控制器的模拟化设计步骤：第一步设计近似认为的模拟控制器D(s);第二步选择采样周期T;第三步将D(s)离散化为D(z);第四步设计由微型计算机实现的控制算法；第五步校验。特点是这种方法在被控对象的特性不太清楚的情况下，人们可以充分利用技术成熟的连续控制系统设计技术(如PID控制器的设计技术),并把它移植到微型计算机上予以实现，以达到满意的控制效果。但是模拟化设计技术要求相当短的采样周期，因此只能实现较简单的控制算法。数字控制器的直接设计步骤：第一步根据控制系统的性能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);第二步求广义对象的脉冲传递函数G(z);第三步求取数字控制器的脉冲传递函数D(z);第四步根据D(z),求取控制算法的递推计算公式。特点是当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论(采样控制理论)来设计数字控制器，这类方法称为数字控制器的直接设计方法，或称离散化设计方法。直接设计方法比模拟化设计方法具有更一般的意义，它完全是根据采样系统的特点进行分析与综合，并导出相应的控制规律。2答：所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态。应满足系统的准确性要求、快速性要求、稳定性要求及在物理上的可实现要求。3答：4答：5答：6答：(3)有波纹=0.54z-¹-0.32z-²+0.40z³-0.12z⁴+0无波纹=0.38z-¹+0.02z-²+0.09z-³+0.09z⁴+.(4)有波纹无波纹8答：10答：11答：系统满足无纹波设计的必要条件，12答：13答：缺点：对不同输入类型的适应性差、对被控对象参数变化过于敏感、控制作用易超出限定范围。14答：如果φ。(z)的极点在z平面的负实轴上，且与z=一1点相近，那么数字控制器的输出序列u(k)中将含有这两种幅值相近的瞬态项，而且瞬态项的符号在不同时刻是不相同的。当两瞬态项符号相同时，数字控制器的输出控制作用加强，符号相反时，控制作用减弱，从而造成数字控制器的输出序列大幅度波动。振铃现象会增加执行机构的磨损。先找出D(z)中引起振铃现象的因子(z=一1附近的极点),然后令其中的z=1,根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳态值。有振铃现象，消除振铃可得16答：对象是一阶的，根据书上公式整理可得无振铃现象。17答：对象是一阶的，根据书上公式整理可得无振铃现象。1答：设计一种能够自动地补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知变化的控制器。这就是自适应控制的任务。自适应控制系统需要不断地测量系统的状态性能或参数，利用系统当前的运行指标与期望的指标相比较，进而作出决策以改变控制器的结构、参数或根据自适应律来改变控制作用，以保证系统运行在某种意义下的最优或次最优状态。2答：模型参考自适应控制系统：在这个系统中，采用了一个称为参考模型的辅助系统。加到可调系统的参考输入r同时也加到这个参考模型输入端，参考模型的输出或状态可以用期望的性能指标设计。为了比较期望的性能指标和可调系统实测的性能指标，可用减法器将参考模型和可调系统的输出或状态直接相减，得到广义误差信号e。自适应机构按一定的规则利用广义误差信号来修改可调系统的调节器参数，或产生一个辅助输入信号，使广义误差的某个泛函指标达到极小。当可调系统特性与参考模型特性渐近逼近，广义误差就趋于极小或下降为零，调节过程结束。自校正控制系统：这类系统的特点是必须对过程或被控对象进行在线辨识(递推参数估计),然后用过程参数的估计值和事先规定的性能指标，在线地综合出调节器的控制参数，并根据此控制参数产生的控制作用对被控对象进行控制。经过多次的辨识和综合调节参数，使系统的性能指标渐近地趋于最优。3答：与PID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。4答：模糊控制器的设计步骤如下。模糊控制器的结构、定义输入、输出模糊集、定义输入、输出隶属函数、建立模糊控制规则、建立模糊控制表、模糊推理、精确化过程。5答：自适应PID控制其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。模糊自适应PID控制运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息(如评价指标、初始PID参数等)作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况(即专家系统的输入条件),运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整。1答：问题定义、程序设计、手编程序、查错、测试。2答：节约硬件成本、可靠稳定、功能强、方便灵活、不会丢失原始数据。4答：为了保证测量参数能有线性输出，需要引入非线性补偿，将非线性关系转化成线性的，这种转化过程称为线性化处理。方法有：计算法、插值逼近法、折线近似法。当参数间的非线性关系可以用数学方程式来表示时，采用计算法。当参数间的非线性关系以某种数据表格给出，采用插值逼近法。当参数间的非线性关系以某种曲线描述出来，采用折线近似法。//函数名：ComplexFilter//出口参数：滤波值//描述：先排序，后求和，再取平均{{//定义临时中间变量//6次循环//如果前一个数大于后一个数，则相互交换数值temp=temp+*(X+i)//求中间3个采样值的累加和returntemp;//返回平均值6答：//入口参数：Xn-过去采样值，Yn1-当前采样值，Zn1-当前采样值//出口参数：滤波值//描述：按公式计算滤波值，并返回doubleFilter(doubleYn1,doubl{//函数名：Line//入口参数：U-输入量//出口参数：线性化值//描述：按公式线性化，并返回doubleLine(doubleU){是否否否是是是//入口参数：*Y-采样值地址//出口参数：遇限削弱PID算法的结果//比例系数//积分系数//微分系数//控制器输出上限//控制器输出下限//设定值//前一次计算控制量输出doubleWeakenedPID(doubledoubleresul//求取偏差//k时刻的比例项//k时刻的积分项result=PPk+PIk+PDk;//计算积分项}(2)MCGS(MonitorandControlGen循C/VB语言规范。它与编程语言相关，6答：用来分配、管理和监控用户对WinCC组态系统和运行系统的访问权限。第九章习题1答：安全性与可靠性、操作维护方便、实时性强、通用性好。2答：分析问题和确定任务、系统总体设计、硬件设计、软件设计。3答：(1)模拟信号输人范围、被采集信号的分辨率。(3)模拟输入信号的特性是什么,是否经过滤波，信号的最高频率是多少。4答：/*编译环境：Keil7.50Ac51*//**********************************************/*********************************包含头文件********************************//*********************************数码管表格********************************//******************************************************************函数功能：延时子程序入口参数：出口参数:*******************************************************************}入口参数:i{}入口参数：出口参数：voidkeyscan(voi//扫描第一行{//扫描第四行{函数功能：主程序入口参数：出口参数:第十章习题1答：固有可靠性、工作可靠性、可靠度、失效率、平均寿命、平均修复时间和利用率。2答：构成电磁干扰必须同时具备三个要素：电磁干扰源、电磁干扰的耦合途径、电磁干扰的敏感设备4答：(1)DCS是个大系统，其控制器功能强，而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS功能下放较彻底，信息处理2~5次，提高到FCS的每秒10~20次，从而改善调节性能。(7)与(6)同样理由，FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用，有专家认为可以节省6