计算机控制技术课后习题答案Word文档格式.docx
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由四部分组成。
图1.1微机控制系统组成框图
（1）主机：
这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算（如调节规律运算、最优化计算等）和操作，根据运算结果作出控制决策；
对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；
对事故进行预测和报警；
编制生产技术报告，打印制表等等。
（2）输入输出通道：
这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
（3）外部设备：
这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等）和外存贮器（磁盘）。
其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；
还应有按钮，完成系统的启、停等功能；
操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
（4）检测与执行机构
a.测量变送单元：
在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；
压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号（0～5V或4～20mA）后，再送入微机。
b.执行机构：
要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。
例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构（调节阀）来控制进入加热炉的煤气（或油）量以实现预期的温度值。
常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。
4．工业控制微型计算机与主要用于科学计算方面的微型计算机有何异同点？
工业控制微型计算机与主要用于科学计算方面的信息处理机是两类不同用途的计算机。
二者都是以微型计算机为核心所构成的装置。
与信息处理计算机相比，工控机具有可靠性高、环境适应性强、可维护性好、硬件配置上的可装配性和可扩充性好、丰富的过程输入/输出能力、应用软件丰富等特点。
5．何谓微型计算机系统的实时性？
如何保证微型计算机系统的实时性？
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。
实时性指标涉及一系列时间延迟，如仪表延迟、输入延迟、运算处理延迟、输出延迟等。
另外，中断是微型计算机控制系统实现实时控制的一个十分重要的功能。
6．简述DDC和SCC系统的工作原理。
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。
其原理框图如下图所示。
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。
7．进一步查阅资料，了解计算机控制系统的发展趋势。
大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。
为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面：
a.普及应用可编程序控制器b.采用集散控制系统c.研究和发展智能控制系统
第二章
1．在模拟量输入输出通道中，采样保持器起何作用？
是否在所有的模拟量输入输出通道中都需要采样保持器？
为什么？
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。
不是在所有的模拟量输入输出通道中都需要采样保持器。
当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，则可以不加采样保持器。
2．A/D转换器的转换速度主要根据系统模拟量输入点数和输入模拟量的最高频率来选择。
现假设模拟量输入点数为8，最高信号频率分别为2kHz和10kHz，则A/D转换器的转换速度各为多少？
当最高信号频率为2KHz时A/D转换器的转换速度至少为：
当最高信号频率为10KHz时A/D转换器的转换速度至少为：
3．A/D转换器的分辨率和线性误差两技术指标含义上有何不同？
分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。
线性误差是指A/D转换器的理想转换特性应该是线性的，但实际转换特性并非如此。
在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。
4．设计一块PC总线或其他总线的32路单输入12位A/D转换模板。
A/D转换器选AD574A，所需的多路开关、运算放大器、采样保持器和其他器件自选，要考虑总线驱动。
转换结束后用中断方式通知主机，系统分配给该模板的地址为2C8H～2CFH（或另行分配）。
1）设计该模板的硬件原理图。
2）设计数据采集程序，系统每隔一个采样周期T=2s，对32路输入巡回采样一遍，采集到得数据送以BUFE为首地址的内存缓冲区中。
3）计算出该模块的最高数据采集频率（各器件的有关参数可通过查阅手册得到）。
解：
1）
2）AD574PROCNEAR
MOVCX,32
MOVBL,00000000B
LEASI,BUF
NEXTCH:
MOVDX,212H
MOVAL,BL
OUTDX,AL
NOP
ORAL,01000000B
ANDAL,10111111B
MOVDX,210H
POLING:
INAL,DX
TESTAL,80H
JNZPOLING
ORAL,00010000B
ORAL,01000000H
ANDAL,0FH
MOVAH,AL
INCDX
MOV[SI],AX
INCSI
INCBL
LOOPNEXTCH
MOVAL,00111000B
RET
AD574END
3）AD574速度：
25μs;
AD625速度：
40ns
LF398速度:
10μs
CD4051速度：
500ns
故该模块的最高数据采集频率为40K.
5.设ADC0809与CPU的连接如图2-45所示。
要求用查询方式采样来自IN4通道的输入信号，采样100点，采样数据存入ADBUF缓冲区，试编程实现。
编程：
OUT84H,AL
MOVR1，#64H
LOOP:
DECR1
WAIT:
INAL,70H
TESTAL,01H
JZWAIT
INR0,60H
DECR0
CJNER1,#00H,LOOP
6.试设计一个数据采集电路，要求该电路能对8路模拟信号进行连续巡回检测，电压转换范围0～10V，相对精度0.05%，采样间隔为1s，按此要求画出巡回检测系统的电路原理图，并回答以下问题：
1）在该电路中A/D转换器至少应采用多少位的？
2）该电路的A/D转换器转换完成，采用何种方式了解？
3）编写启动A/D转换器及读取转换结果的程序段。
4）画出实现8路巡回采样的程序流程图。
电路图如下：
1）7位
2）STS，A/D转换器转换结束标志
3）启动：
OUTDX,AL
读转换结果：
4）程序流程图：
7.某热处理炉温度变化范围为0～1350℃，经温度变送器变换为1～5V电压送至ADC0809.当T=kT时，ADC0809的转换结果为6AH，问此时的炉内温度为多少度？
炉内温度
8．编制一个能完成中值加均值滤波的子程序，设m=8,8个采样值排序后，取中间的四个采样值平均。
采样值为12位2进制数。
MOVCX,8
DECCX
LOP1：
MOVDX,CX
LOP2：
MOVAX,DATA[BX]
CMPAX,DATA[BX+2]
JBECONTI
XCHGAX,DATA[BX+2]
MOVDATA[BX],AX
CONTI:
ADDBX,2
LOOPLOP2
MOVCX,DX
MOVBX,0
LOOPLOP1
MOVCX,3
MOVAX,DATA[BX+4]
LOP3：
ADCAX,DATA[BX+4]
LOOPLOP3
MOVDL,4
DIVDL
9．DAC0832用做波形发生器。
试根据图2-46中的接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序，产生的波形如图2-47所示。
三角波程序：
MOVAL,0
MOVDX,230H
MOVDX,AL
INCAL
CMPAL,FFH
JBLOP1
MOVDX,240H
DECAL
CMPAL,0
JALOP2
JMPLOP1
方波程序：
MOVAL,FFH
START:
MOVCX,0
NOP
XORAL,FFH
JMPSTART
锯齿波程序：
10.欲利用两片DAC0832控制执行机构实现X-Y绘图仪功能。
设所测待绘曲线的数据分别存入ARRAY1和ARRAY2数据区中，数据区中长度为30H，请编程实现将ARRAY1和ARRAY2两片数据区中的数据分别从1#和2#DAC0832同时绘出，控制X-Y绘图仪绘出所测曲线（DAC0832与总线接口电路如图2-48所示，设1#和2#DAC0832的端口输入寄存器地址为320H、321H，DAC寄存器地址为323H）。
MOVCX,30H
MOVAL,ARRAY1[BX]
MOVDX,320H
MOVAL,ARRAY2[BX]
MOVDX,321H
MOVDX,323H
INCBX
第三章作业
1.数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？
答：
1）数字滤波不需要硬件设备，可靠性高、稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题；
2）数字滤波用程序实现，多个输入通道可“共用”同一个滤波程序、不需要增加硬件设备，降低了成本；
3）对于不同的干扰，通过修改数字滤波程序或改变其中的参数，可以实现不同滤波方法，与模拟滤波器只能改变硬件相比更加灵活和方便；
4）数字滤波能对频率很低（如0.01Hz）的干扰进行处理，克服了模拟滤波器受电容容量的限制，频率不能太低的补偿。
2.常用的数字滤波方法有几种？
他们各自有什么优缺点？
1）算术平均数滤波：
算术平均数滤波对周期性干扰有良好的抑制作用，采用算术平均数滤波后，信噪比提高了，但它对脉冲干扰的抑制效果不够理想，不适合脉冲性干扰比较严重的场合；
2）加权算术平均值滤波：
它适用于系统纯延迟时间常数较大而采样周期较短的情况。
一般是越新的采样值赋给较大的比例，增加新采样值在滤波结果中的比例，尽量真实的反映系统所受干扰的影响情况。
但采用加权算术平均值滤波方法需要测试不同过程的纯延迟时间常数，并不断计算各加权系数，增加了计算量，降低了控制速度，因而其实际应用不如算术平均值滤波方法；
3）滑动平均值滤波：
滑动平均值滤波方法对周期性干扰有良好的抑制作用，既少占用时间，又能达到较好的滤波效果，但对偶然出现的脉冲干扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差，因此不适用于脉冲干扰比较严重的场合，而适用于高频振荡系统；
4）中值滤波：
中值滤波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冲干扰比较有效，对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此方法能收到良好的滤波效果，但对流量、速度等快速电话的被测参数一般不易采用；
5）防脉冲干扰的算术平均值滤波：
这种方法兼有算术平均值滤波和中值滤波的优点，对快变和慢变参数都有抑制干扰的作用，有利于提高采样的真实性，但对运算工作量较大，会影响系统的实时性。
当采样点数为3时，它便是中值滤波。
在实际应用中，为了加快测量计算速度，n一般不能太大；
6）程序判断滤波：
程序判断滤波对抑制带有随机性的干扰较为有效，具体应用时的关键问题是最大变化量的选取，对不同的对象特性，使用不同的采样周期、系统不同的给定输入形式（阶跃、等速或加速），都影响到值的选择；
7）惯性滤波：
这种方法模拟了具有较大惯性的低通滤波功能，当目标参数为变化很慢的物理量时，效果很好，但带来了相位滞后，滞后相位角度的大小与的选择有关。
该方法不能滤除频率高于采样频率的1/2的干扰信号。
出惯性滤波外，同样可用软件来模拟高通滤波和带通滤波。
3.算术平均值滤波、加权算术平均值滤波及滑动平均值滤波三者的区别是什么？
算术平均值滤波和加权算术平均值滤波有一个共同点，即每个计算输出1次有效采样值必须连续采样n次。
对于采样速度较慢或要求数据计算速率较高的实时系统，需要对滤波方法进行改进。
采用滑动平均值滤波方法时，每进行一次采样可以计算出一个新的有效采样值，从而加快数据处理的速度。
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？
标度变换在工程上意义：
为了能直接诶显示或打印被测工程量值，必须将它们转换成为有量纲的数值。
对于一般的线性仪表来说，参数值与A/D转换结果之间是线性关系时使用线性标度变换公式；
有时微型计算机从模拟量输入通道得到的有关过程参数的数字信号与该信号所代表的物理量不一定成线性关系，则其标度变换公式应使用非线性标度变换公式。
5.数字控制器的连续化设计步骤是什么？
1）求出模拟控制器的传递函数D（s）；
2）选择合适的采样周期；
3）将D（s）离散化，求出数字控制器的脉冲传递函数D（z）。
6.数字控制器的离散化设计步骤是什么？
1）已交给你被控对象的传递函数（s）,可以求出广义对象的脉冲传递函数G（z）；
2）根据系统的性能指标要求和其他约束条件，确定系统的闭环脉冲传递函数；
3）根据式（3-34）解析求出数字控制器的脉冲传递函数D（z）；
4）验证D（z）能否满足系统的性能指标要求，如果不满足，则进行修正；
5）根据验证合格的D（z），求出对应的差分方程，编写程序实现；
6）与硬件连接，进行系统调试。
7.某连续控制器设计为
使用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D（z）.
双线性变法:
把代入，则
前向差分法：
把代入，则
后向差分法：
8.在PID控制器中，系数、、各有什么作用？
它们对控制品质有什么影响？
1、系数为比例系数，提高系数可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境的提高系数最终导致系统不稳定。
比例调节可以保证系统的快速性。
2、系数为积分常数，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，过度过程时间加长。
积分调节可以消除偏差，提高控制精度。
3、系数为微分常数，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。
9.什么是数字PID位置式控制算法和增量式控制算法？
是比较它们的优缺点。
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算法，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）：
于是有：
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PID算法。
当控制系统中的执行器为步进电机、电机调节阀、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。
与位置算法相比，增量型PID算法有如下特点：
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——自动无忧切换，切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度
，若采用增量
算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现
项，所以易于实现从手动到自动的无忧动切换。
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。
10.有哪几种改进的数字PID控制算法？
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控制算法。
11.什么是积分饱和现象？
它是怎么被引起的？
通常采用什么方法克服积分饱和？
所谓积分饱和现象是指若系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致u（k）达到极致位置。
此后若控制器输出继续增大，u（k）也不会再增大，即系统输出超出正常运行范围而进入了饱和区。
一旦出现反向偏差，u（k）逐渐从饱和区退出。
进入饱和区愈深则退饱和时间愈长。
此段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随着偏差反向立即作出相应的改变，这时系统就像失去控制一样，造成控制性能恶化。
这种现象称为积分饱和现象。
积分饱和现象产生的原因：
（1）调节器长期处于开环状态；
（2）调节器具有积分控制作用；
（3）调节器输入偏差长期得不到校正。
对标准数字PID控制算法中积分项进行约束，可以防止积分饱和现象的发生，方法之一是进行积分分离。
12.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：
（1）选择一个足够短的采样周期，它一般应为被控对象的纯滞后时间的1/10以下；
（2）用选定的采样周期使系统工作在纯比例控制方式下，直到系统发生持续等幅震荡，记下使系统发生震荡的临界比例系数
及系统的临界震荡周期
;
（3）选择控制度。
扩充响应
升级会员 