微型计算机控制技术课后习题docWord下载.docx
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CLD
MOV
LEA
BL,OOH
DI,DATABUF
NEXT:
DX,02C2H
AL,BL
OUT
DX,AL
INC
DX
AL,0000011IB〃输入启动信号
DEC
NOSC:
IN
AL,DX
TEST
AL,80H
JNZ
NOSC//
NOEOC:
AL,DX
AL,80H
JZ
NOEOC//EOC=0,等待
DX,02C0H〃读转换结果
STOS
DATABUF
BL//修改模拟通道地址
LOOP
NEXT
RET
ADC0809ENDP
2.5请分别画出一个有源"
V变换电路和一个无源I/V变换电路图。
并分别说明各个器件的作用。
有源变换电路见书本上第32页（图2.19）：
同相放人器电路把电阻&
上的输入电压变成标准的输出电压（放人倍数为A=1+鱼）；
极性电容C能起到滤波作用，防止扁频的干扰；
傀为平衡电容。
无源变换电路见书木上第31页（图2.18）：
极性电容C起滤波的作用；
二极管D起限幅保护作用（当输出电压大于5V时，D导通减少流过$的电流从
而降低儿上的电压，保证输出不超过5V）；
4V
2.6什么是采样过程？
量化，孔径时间？
采样过程：
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。
量化：
采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。
孔径吋间:
在模拟输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的吋间，完成一次A/D转换所需要的时间称为孔径时间。
2.7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？
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耍求，可以采川带有保持器电路的采样器。
当被测信号变化很慢时，若A/D转换器时间足够短，可以不加采样保持器。
2.8一个8位A/D转换器，孔径时间为100“s。
如果要求转换误差在A/D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？
解：
2.9试用8255A、AD574、LF398、CD4051和PC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8路模拟量数据采集程序。
原理图见书本上第36页（图2.25）o
数据采集程序如下：
设8255A的地址为2C0H—2C3H,主过程已对8255A初始化，且
已装填DS、ES（两者段基值相同），采样值村入数据段中的采样值缓冲区BUF。
其8通道
数据采集的程序见书本上第37（图2.26）0（猴子喜欢沈依）
AD574APROCNEAR
DI,BUF
BL,00000000B//
CX,8
DX,2C2H
DX,AL
NOP
OR
AL,01000000B
DX,AL
AND
AL,10111111B
DX,2C0H
ADC:
PULLING:
INAL,DX
TESTAL,80H
JNZPULLING
MOVAL,BL
ORAL,00010000B
AL,01（）（X）（X）（）B
AL,OFH
AH,AL
STOSW
BL
ADC
AL,00111000B
DX,2C2H
ADC574AENDP
2.10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D/A转换程序。
原理图见书木上第41页（图2.29）o
若DAC0832的片选地址为200H,则8位2进制数6DH转换为模拟电压的接口程序为:
DX,
200H
AL,
6DH
AL
HLT
2.12请分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推出输出电压与输入数字两之间的关系式。
D/A转换器的单极性和双极性输出电路见书本上笫44页（图2.33）。
为单极性输出，若D为输入数字量，匕防为基准参考电压，冃为口位D/A转换
为双极性输出，可以推出:
rrr\
vOUT2'
rvreftrvout卩vref^-\'
）
2.13采用DAC0832、运放、CD4051等元件与PC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路模拟量输出的程序。
原理图见书本上第48页（图2.40）。
设8个输出数据存放在内存数据段BUF0-BUF7这8个连续单元屮，主过程已经填装DS,输出子程序如下：
DOUTPROCNEAR
MOVBX,OFFSETBUF
MOVAL,[BX]OUTDX,ALINCDX
OUTDX,ALCALLDELAYINCAH
DECDX
LOOPNEXTRET
DOUT
ENDP
其中DELAY是一段延吋程序。
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：
用來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，以免造成转换谋差。
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/DigilalConverter,简称A/D转换器或ADC）。
6.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，其接通时的导通电肌为零。
此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。
7.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：
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Z前加入采样保持器。
保持电容对数据采集系统采样保持的楷度有很大影响。
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Z,保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差。
（沈依？
对猴子….）
8.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转换楕度内，就不必再选用采样保持器。
10.设被测温度变化范围为0°
C~1200°
C,如果要求误差不超过0.4°
C,应选用分辨为多少位的A/D转换器？
（1700A
选择依据：
n>
log1+——«
12
2<
04丿
12.模拟量输出通道由哪几部分组成？
模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、功率放人和V/1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/T变换：
-•般情况下，D/A转换电路的输出是电压信号。
在计算机控制系统小，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减少由于传输带來的干扰和衰减，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。
第四章（常规及复杂控制技术）作业
4.1数字控制器的连续化设计步骤是什么?
答：
1、设计家乡的连续控制器D（S）
2、
3、
4、
5、
选择采样周期T
将D（S）离散化为D（Z）
设计由计算机实现的控制算法校验
4.2某系统的连续控制器设计为风）=器=胡
试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求出数字控制器D（Z）,并分别给出三种方法对应的递推控制算法。
27-1
双线形变换法：
由5=--—带入D（S）表达式中得到：
Tz+I
1I/Z_1
D
（一）J〒芮—7+2G+（J27；
）“1i2石zT（T+2Q+（T-27；
）厂Tz+1
进一步利用。
⑵=匕也得到:
E⑵U⑵（T+2爲）+（T-2T2）z'
lU（z）=E（Z）（T+2TI）+（T-2*E⑵所以：
火）=[（T*处缺）+（T-2TJe（k-1）-（T-2T2）u伙-1）]前向差分法：
将2亨代入D（s）中得到:
=G+J7；
=n）厂jT2z+T-T2T2+（T-T2）z-}
所以：
u（k）=丄[心伙）+（T—亓）£
伙-1）-（T-T2）u（k一1）]
后向差分法：
将s=^-代入D（s）中得到：
及
1+4口-
D⑵=+E=行［匸I（沈依••…）
Tz
u（k）=\T2u（Z:
-1）+（T4-7；
）e（k）-T{e伙一1）]7'
I‘1；
4.2.某连续控制器设计为
1+7>
1+T25
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）。
27-1
把s=-^—代入，则
Tz+1
D（z）"
（z）2
s=—
]+打〒.芮（T+27；
）"
厂27；
1+卩2>
£
-1"
（7+272）^+7-272
2Tz+1
M代入，则
Tz
前向差分法：
把"
早代入，则
把S=
51+卩2$]+T~TqZ.+TT?
2云
3什么是数字PID位置控制算法和增量型控制算法？
试比较它们的优缺点。
数字pro位置控制算法的数学表达式为：
u伙）二心[讹）+壬左伙）+7；
畑一f—1）]
11/=0'
数字PID增量型控制算法的数学表达式为：
u伙—1）=Kp[£
伙—1）+£
£
（＜•）+7；
m：
（k_2]
f=oT
、u（k）=u（k）-u（k-l）
这种数字PID算法的比较如下：
（1）增量型算法不需要做累加，控制童增量的确定仅与最近儿次误差采样值有关，计算误差对控制量的计算影响较小。
而位置型的算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差。
（2）增量型算法得出的是控制量的增量；
而位置型算法得到的控制两的全量输出，误动作影响很人。
（3）采用增量型算法，易于实现手动到口动的无冲击切换。
3.在PID调节器中系数匕八匕、灯各有什么作用？
它们对调节品质有什么影响？
系数褊为比例系数，提高系数切可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境地提高系数褊最终将导致系统不稳定。
比例调节可以保证系统的快速性。
系数化•为枳分常数，血越人积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，英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。
系数灯为微分常数，灯越大微分作用越強。
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）
4.4已知模拟调节器的传递函数为：
»
（$）=竺二1+0.17],试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算法，设采样周E（s）1+0.0855
期T=0.2S并以C语言实现。
根据Q（s）=^^=1+0」7二,得到o085色®
+饥（0=0.17型°
+心）
E（$）1+0.085$dtdt
0085“伙）-；
伙-1）+讹）=017e伙）-：
伙-D十。
伙）,⑺=。
公]
令：
m=O.O85
5/7?
10/?
?
+110m
"
伙）=--u（k-1）+^-—e（k）--^―e（k-1）
jm+1jm+15m+1
z,,、5mc、10/h+IZI.、10mZI小、
u伙一1）=u伙一2）+e（k_V）e（k-2）
5m+15m+15m+1
△2心）伙）—u伙—1）=旦一[u伙—1）—u伙—2）]+l°
+l七伙）+«
伙—2）]—"
加+—伙―1）
5m+15m+15m+1
u（k）=0.298[u（k-i）-u伙一2）]+1・298[e伙）+e（k-2）]+1.895^一1）
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=0.2so
1+0.17$1+0.0855则"
（Q+0.0855（/（5）=E（s）+0.17SE&
.•.血）+0.085哪=/）+0.17哪
...庶）+0.085讹）一；
（—1）=讹）+0.17心）一泸一1）
把T二0.2S代入得
1.425u（k）-0.425u（k-1）=4.5e（k）-3.5e（k-l）
位置型
u（k）=3.1579讹）—2.4561讹—l）+0.2982u（k—l）
增量型
△“（《）=“（R）--1）=3.1579讹）一2.4561心一1）一0.701&
心一1）
&
有哪几种改进的数字PID控制器？
有四种：
（1）积分分离PTD控制算法
（2）不完全微分PID控制算法
（3）带死区的PTD控制算法
（4）消除积分不灵敬区的PTI）控制
7.采样周期的选择需要考虑那些因素？
（1）从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提面控制粘度。
通常保证在95%的系统的过渡过程时间内，采样6次〜15次即可。
⑵从快速性和抗扰性方而考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。
（3）从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间;
当被控对象的纯滞后时间t较大时,常选T=（l/ri/8）t。
（4）从计算将度方面考虑，采样周期T不应过範，当主机字长较小时，若T过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。
另外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将亳无意义，因此T必须大于执行机构的调节时间。
4.5什么叫积分饱和？
它是怎么样产生的？
如何消除？
答
（1）山于长时间的偏差或偏差过大，控制量超过执行机构的极限位置，导致控制量虽然在增大但是执行机构已无动作的现象称为积分饱和。
（2）执行机构的非线性和偏差的长时间存在时导致积分饱和现象的原因。
（3）消除方法：
f0u（k）<
对控制塑限幅：
例如令：
u（k）=\\
过限削弱积分PID算法：
若u伙-1）>
络则只有当e（k）<
0时才将幺伙）计入积分项；
若u（k-1）<
一叭则只有当e（k）>
0时才将其计入积分项o
第四章补充题1：
求见变换
（1）
f（t）=e~2at
«
（1）离散化：
f（k）=严
1
l-e-2arz-]
z>
e
-2aT
（2）F（$）=
5+30+l）（f+2）215+1£
+2
离散化:
F（z）=
r/7\—2kT
f（k）=2e-e
21
第四章补充题2：
求z反变换
（1）F⑵二
z1-3^+3（z-0.5）（z-0.8）
（2）F（z）=
z
（z-1）2（z-2）
解
（1）因为z变化的特殊性，所以先要确定收敛域才能进行反变换，从而与一个特定的信号相对应起来。
对于控制系统中假定信号为因果序列，用部分分式展开发：
0-8
F-3z+3
（z—0.5）（z—0.8）
19131
ZH
315
z—0.5z—0.8
（2）
1—0.5厂
131
——z
15
1-0&
T
（z—1）（—2）
—2z+l2
U-l）2+7^2
第四章补充题3：
求初值和终值。
z2-0.8z+0.5
解:
°
/（0）=limF（z）=lim兰二
ZT8Z—>
oo厂
/（oo）=lim（l-z»
）F（z）=lim
z->
lWT1
（1.6z-l）（z-l）
z"
—0.8z+0.5
=0
第四章补充题4：
用刁变换求差分方程
y（k+2）+4y（k+1）+3y伙）=2k
y（O）=y（l）=O
第四章补充题5：
求脉冲函数的z变换
G（s）=匕匸
k
（$+Q）（$+Z?
I_e~Tsk
G（s）=.S（s+d）（$+〃）k—k-k
解
（1）
=（I_严）［也+a（b_a）+b（d-b）］
ss+as+b
kkk
•••G⑵十门［严+严為+仔糾
1-z1-ezi-ez
⑵G（沪吕悌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。
山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耍求和其它约束条件，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G0）。
⑶求取数字控制器的脉冲传递函数D（z）。
⑷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=ls,采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，设计:
⑴最少拍控制器D（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
将T=1S代入,有
z'
'
（l+z_1）
2（1J
G（,（z）=（l-z1）2
-G血匸
G上）G（z）
厂（1+厂）
（2）系统闭环脉冲传递函数
0（z）=2z"
_z-2
则当输入为单位速度信号时,系统输出序列Z变换为
Y（Z）=凤乙〃（込）=（2汀-z-2=2Tz-2+3Tz'
3十4Tz~4+…
y（0）=0,y
（1）=0,y
（2）=2T,y（3）=3T,…
11•被控对象的传递函数为
采样周期T=ls,要求：
⑴采用Smith补偿控制，求取控制器的输出U（k）;
（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
HGcOHoIMcO—>
7~[=5（5+l）<
g'
=HGi^9e
Dr（z）=Z[DrG）]=Z
其中4=e%=e'
\bx=\-e'
\L=y=\,T=\S
皿）熾=轄挣
〃（"
一0.3697广匕（乙）=0.6321（z"
-z~2）E（z）
“（£
）=0.6321讹-1）一0・6321心一2
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