计算机控制技术复习资料1.docx
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计算机控制技术复习资料1
计算机控制技术部分答案
1.1什么叫微型计算机控制系统？
微型计算机在微型计算机控制系统中起哪些作用？
解：
微型计算机控制是集控制工程、微型计算机技术、电子技术、传感与检测技术、通信技术等多门学科于一体的综合型学科，具有很强的理论性和实践性。
1.2与模拟控制系统相比微型计算机控制系统的硬件结构特征表现在哪些方面？
解：
表现在系统控制器由微型计算机担当，系统参数分析和驱动量值计算等均由微型计算机运行程序完成。
1.3与模拟控制系统相比微型计算机控制系统的功能特征表现在哪些方面？
解：
1）以软件代替硬件2）数据保存3）显示设备、方法与内容4）多系统互联
1.4与模拟控制系统相比微型计算机控制系统的时限特征表现在哪些方面？
解：
“实时”，即指在规定的时间内完成规定的任务。
（1）实时数据采集；
（2）实时决策运算；（3）实时控制输出。
1.5与模拟控制系统相比微型计算机控制系统的工作方式特征表现在哪些方面？
解：
控制器在控制系统中的工作方式有在线、离线两种。
微型计算机在线工作方式：
微型计算机在控制系统中直接参与控制或交换信息。
微型计算机离线工作方式：
微型计算机不直接参与对被控对象的控制（或不直接与被控对象交换信息，而是仅将有关的控制信息记录或打印出来，再由人来联系，按照微机提供的信息完成相应的操作控制。
1.8微型计算机控制系统硬件结构一般由哪几部分组成？
各部分相互关系如何？
解：
（1）工业生产过程；
（2）过程通道；（3）接口；（4）主机（核心内容—控制程序）（5）人机交互通道与操作控制台。
关系：
过程通道处于工业生产过程和主机接口之间，担负着生产过程与主机交换信息的任务，接口处于过程通道与主机之间，起着信息传递的作用。
主机起着决策作用，可由操作控制台控制。
1.11微型计算机DDC系统由哪几部分构成？
试述其基本工作原理，
解：
基本工作原理：
微型计算机根据决策算法计算出的驱动量直接用于调节生产过程中的被控参数
3.1用于过程通道接口的电路有何结构特征？
解：
它必须深入到过程通道内部对过程通道中各子环节，如多路转换、可编程放大、采样/保持、A/D转换、D/A转换等进行关系上、功能上、时间上等的有序控制。
3.2为什么说微型计算机控制系统的接口与过程通道是融为一体的？
解：
因为在微型计算机控制系统中接口与过程通道紧密相连，如输入输出信息的传送，主机都是通过接口与过程通道进行的。
而且接口深入到过程通道内部，对其子环节进行关系上、功能上、时序上的控制。
因此说接口与过程通道是融为一体的。
3.3有哪一种常说的数据传送方法不适宜接口与过程通道之间传递数据？
解：
DMA方式；因为过程通道的工作速度差异很大、
3.6简述设计模拟量输入过程通道应考虑的基本问题，并在图3—6所示典型模拟输入过程通道结构图基础上自行演变为一种模拟量输入过程通道结构，且说明其特点。
解：
1）输入输出信号形式的转换；2）微型计算机与控制对象两个异步系统的同步和通信联络。
3）高速的微机与低速的控制对象实现速度匹配;4）数据格式转换、数制转换、A／D、Ｄ/Ａ转换、电平转换、功率转换；5）微弱信号放大、滤波、整形，强电信号幅度衰减、滤波、整形，信号幅度规范；6）数据通道与子环节工作控制的端口分配；7）接口电路中的端口触发，时序及负载能力.
3.15简述串行A/D转换器基本工作原理。
解：
串行A/D转换的基本原理是在外部控制信号的控制下，转换出一个数据就输出一个数据，控制信号的同期不短于对输入模拟信号转换并输出数字结果所需要的最少时间。
4.1数据采集系统应具备哪些功能？
解：
1）具有实时时钟；2）对多个输入通道输入的生产现场信息，能够按顺序逐个检测—返回检测；3）能够对所采集的数据进行检查和处理；4）当采集到的数据超过上限值或下限值时，系统能够产生声光报警，提示操作者处理；5）能定时或按需要随时以表格形式打印采集数据；6）在系统内部能存储采集数据；7）系统在运行过程中，可随时接受由键盘输入的命令，以达到随时选择采集、显示、打印的目的。
4.2数据采集系统主要完成哪些任务？
解：
微型计算机数据采集系统的任务是对产生现场的过程参数定时进行检测、记录、存储、处理、打印、制表、显示及越限报警。
4.3数据采集系统中数据应做到哪些处理？
解：
模拟量数据采集的预处理：
1）有效性检查；2）数字滤波。
后处理技术：
1）工程量标度变换；2）参数的线性化处理；3）上下限检查
4.4有效性检查和上下限报警有何区别？
解：
有效性检查是通过检查输入信号是否在标准信号限界值之内来判断出是否有效，而上下限检查是在确定有效性之后，检查信号是否在给定值以内。
4.5数字滤波是怎样实现的？
有哪些方法？
解：
数字滤波是通过一定的计算机程序来减少干扰信号在有用信号中的比重。
有7中方法：
1）限幅滤波；2）限速滤波；3）算术平均滤波；4）加权平均滤波；5）中值滤波；6）防脉冲干扰算术平均滤波；7）惯性滤波。
4.6为什么说中值滤波适用于慢变化过程参数的采样，而不适于快变化过程参数的采样？
解：
中值滤波能有效地滤除由于偶然因素引起采样值滤波的脉冲干扰，对快速变化的过程参数不能达到效果，故不能用于快速变化过程参数的采样。
5.1PI控制器有什么特点？
为什么加入积分的作用可以消除静差？
解：
1）U（t）=1/T2*积分控制作用不仅与偏差的大小有关，而且与偏差的存在时间有关，只要存在着偏差，积分控制作用就始终存在，直至偏差完全消除，积分控制作用才维持不变。
2）有1）分析可知只要积分时间足够长，积分控制作用就可以完全消除偏差。
5.2PID控制器有什么特点？
解：
1）PID控制器综合了比例、积分、微分三种控制作用，即能加快系统响应速度，减少振荡，克服超调，又能有效消除静差，使系统的静态和动态品质得到很大改善。
2）加入微分控制作用后，在偏差刚出现或变化的瞬间，不仅可以根据偏差量做出及时反应（即比例控制作用），使偏差得到较好的抑制或消除，这样可以大大减小系统的动态偏差和调节时间，使系统的动态调节品质得以改善。
5.3什么是位置式数字PID控制算法和增量式数字PID控制算法？
试比较它们的优缺点、
解：
U（k）=Kpe（k）+Ki+Kd[e（k）-e（k-1）]计算机输出U（k）直接控制执行机构，即执行机构在U（k）指定的位置，称之为位置式PID控制算法。
该方法缺点：
1）一旦计算机出故障，执行机构也会随之作故障变化；2）求U（k）要作累加运算，计算量大，时间长，对快速系统将影响实时性和精确度。
U（k）=Ae（k）-Be（k-1）+Ce（k-2）,其中A=Kp+Ki+Kd;B=Kp+2Kd;C=Kd.只要知道前两次及本次采样偏差，便可方便求出U（k）.位置式PID控制算法优点：
1）由于计算机每次只输出U（k），机器发生故障时影响小，2）可实现手动—自动的无扰动切换；3）无累加计算。
5.5主要有哪几种改进型PID算式？
它们分别使用于何种场合？
解：
1）积分分离PID控制算法；2）不完全微分PID控制算法；3）微分先行PID控制算法；4）带有死区的PID控制算法。
它们分别适用于下列场合：
1）针对启动、停止、大幅增减R（t）;2）一些大惯性对象或过渡过程迟钝、缓慢的执行机构；3）超调量过大，调节阀动作剧烈的系统；4）控制动作频繁。
5.6PID控制器的Kp、Ti和Td各参数对系统的控制性能有何影响？
解：
（1）比例系数Kp对系统性能的影响：
1）对静态性能的影响，比例系数Kp增大使系统动作灵敏，加快调节速度，但Kp偏大，容易引起系统振荡，反而使调节时间加长；2）对静态性能的影响,在系统稳定的前提下，加大比例系数Kp可以减小静差。
（2）积分时间常数Ti对系统性能的影响Ui（t）=Kp/Ti;由式可知：
Ti增加，Ui（t）减小；所以U（t）减小有利于减小超调.尤其是在T0处，Ti增加，Ui（t）对U（t）的贡献下降，不由于Ui（t）的加入而产生超调，从而抑制振荡，提高系统的稳定性，但静差的消除随之变慢。
（3）微分时间常数T0对系统性能的影响Ud（t）=TdKPde（t）/dt在t0处，U（t0）=Kpe（t0）+TdKpde（t）/dt所以Td越大对U（t0）的贡献越大，有利于加速系统的响应，但由于微分作用时间短，基本不会加大超调量和影响稳定性，对y（t）噪音具有较好抑制能力，从而提高了系统稳定.但Td过大对通道干扰信号也会产生误动作，因为降低了系统干扰能力。
5.7采样周期T的选取需要考虑哪些因素？
解:
1）对象的动态特性影响；2）扰动信号影响；3）控制品质要求；4）控制算法要求；5）计算机及A/D、D/A性能的影响；6）执行机构的响应速度的影响；7）控制回路多少的影响。
5.8PID参数整定有哪几种形式？
简要说明他们的适用范围
解:
1）理论计算，适用于精确的数学模型；2）工程整定法，适用于不依赖于被控对象的数学模型。
5.9试述扩充临界比例度法整定PID参数的方法。
解：
（1）选择T：
纯滞后时间（T）的1/10以下；
（2）以Tmin为采样周期，在纯比例控制器下，使直到系统出现等幅震荡；（3）选择控制度，控制度=;
（4）由控制度确定T、Kp、Ti、Td；（5）再用试凑法，调整T、Kp、Ti、Td以获得更为满意的数值。
例：
如图为DDC系统，控制对象的滞后时间为10S，试整定其参数。
解：
1）选择最小采样周期Tmin=1s;2）去掉I、D环节使Kp增大，直到系统出现等幅振荡，其Tr=10s,Kp=Kr=10;（3）控制度为1.05；（4）查表，查出T、Kp、Ti、Td等值
6.1什么是顺序控制？
顺序控制系统有什么特点？
解：
顺序控制：
指生产设备及生产过程根据生产工艺要求，按照逻辑运算、顺序操作、定时和计数等规则，通过预先编好的程序，在现场输入信号作用下，使执行机构按预定程序动作实现开关为主的自动控制。
特点：
（1）顺序控制系统的输入、输出信号以及开关量信号为主；
（2）控制逻辑关系较为复杂；（3）控制程序客观；（4）顺序控制系统要求可靠性高。
6.2按控制系统的构成器件的特点顺序控制系统有哪几种？
解：
1）继电器控制装置；2）半导体逻辑控制装置；3）可编程控制器。
6.5什么是数字程序控制？
解：
数字程序控制，是指控制系统根据某一输入指令所规定的工作顺序、运动轨迹，运动距离和运动速度等，是该系统完成规定工作的一种控制。
6.6简述逐点比较插补法计算过程。
解：
（1）偏差判别：
判别偏差函数的正、负，以确定刀具相对于所加工曲线的位置。
（2）进站：
根据偏差判别的结果确定刀具的进站向误差最小的方向移动;（3）偏差计算：
依据建立的偏差函数计算出刀具在新位置上偏离给定曲线的偏差值，为下一个循环做好准备。
（4）终点判别：
判断刀具是否到达曲线的终点，如果刀具已达到曲线的终点，插补工作结束；如果刀具未到达曲线的终点，则返回到
（1）继续插补、
6.7简述逐点比较插补法的终点判别法。
解：
有如下两种方法：
1）对x方向和y方向分别设置减法计数器Nx和Ny,是其初始值为终点坐标值Xe,Ye.在X坐标（或Y坐标）进给一步时，就在Nx计数器（或Ny计数器）中减去1，知道这两个计数器中的值都减到零时，到达终点。
2）用一个终点计数器，置其初始值为x和y两个坐标进给的总步数Nxy，x坐标或y坐标进给一步，Nxy就减1，若Nxy=0,则达到终点。
6.13试利用AT89551的P1.0，P1.1端子，设计可调速、调的小功率直流电机控制系统。
要求：
（1）提供电路图
（2）阐述所设计系统的调速、调向原理；（3）提供控制软件.
解：
（1）略，见图P169
（2）通过脉冲宽度调制（PWM）来调节系统速度，即通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值来控制电机速度。
可通过改变电枢电压的极性，电机随时改变转向。
（3）略。
6.14简述如何实现三相步进电机的旋转方向、速度、角度的控制。
解：
三相步进电机定子的每相都有一对磁极，每个磁极都只有一个齿，转有4个齿，分别为0,1，2，3齿，直流电源U通过开关Ａ、B、Ｃ分别对步进电机的Ａ、Ｂ、C相绕轮流通电：
A接通时，则A相磁极和转子0,2号齿对齐，同时转子1,3号齿和B、C相磁极形成错齿；B接通时，由于B相绕组和1,3号齿之间磁力作用，使得转子1,3号齿与B对齐，这就使得转子往前转动；再一次打开关闭C、A、B、C就能使转子依次转动下去，很显然，对A，B，C二相绕组轮流通电一次的周期越小则转动的速度越快，反之转动速度越慢步距角,N为N拍方式，Z为转子齿数。
7.1什么叫模糊集合？
举例说明普通集合与模糊集合的主要区别.
解：
我们将在不同程度上具有某种特定属性的所有元素的总和称为模糊集合.模糊集合没有明确的内涵和外延，而普通集合具有清晰的外延和内涵。
如模糊集合，“青年”的概念是多层面的，如年龄上的、专业上的、管理上的等等。
而普通集合“20岁得青年人”，其元素范围可准确的表达为[20岁+0天的人，（20岁+365天）的人]
7.6模糊矩阵与模糊关系有何异同？
解：
模糊关系一定是由模糊矩阵来刻划的，即R的表现形式一定是模糊矩阵，但模糊矩阵不一定是模糊关系。
7.12什么叫人工神经网络？
有哪些优点？
解：
1）人工神经网络是对人脑若干基本特征的抽象和模拟，人工神经网络以对大脑的生理研究成果为基础，其目的在于模拟大脑的机理与机制，实现某个方面的功能；2）人工神经网络有如下突出优点：
（1）可以充分逼近任何复杂的非线性关系，给非线性控制问题带来新的希望；
（2）所有定量或定性信息等分布存储于网络的各神经元，故有很强的鲁棒性和容错性，适用于复杂、大规模和多变量系统的控制；（3）采用并行分布处理方法使快速的大量运算成为可能，因而能够有较好的耐故障能力；（4）可学习和自适应未知或不确定系统；（5）能够同时处理定性、定量知识；（6）神经网络不仅能通过软件而且可借助硬件实现并行处理。
7.14神经网络有哪些常见结构？
各结构有何特点？
解：
1）前向网络；2）反馈网络；3）相互结合型网络；4）混合型网络
8.3RS—232—C在实际应用中有几种接线方式
解：
1）具有MODEM设备的远距离通信；2）近距离通信。
近距离通信时，通信双方可以通过RS—232—C直接对接。
8.5USB有哪些传输方式？
各方式的用途如何？
解：
1）控制传输方式。
该方式用来配置和控制主机到USB设备的数据传输方式和类型。
设备调制指令、设备状态检查及确认命令均采用这种传输方式，当USB设备受到这些数据和命令后，将依据先进先出的原则处理达到的数据。
2）中断传输方式。
虽然该方式传输的数据量小，但这些数据需要及时处理，以达到实时效果。
此方式主要用在键盘、鼠标以及操纵杆等设备上。
3）同步传输方式。
该方式用来连接需要连续传输数据且对数据的正确性要求不高，而对时间极为敏感的外部设备，如麦克风、喇叭以及电话等。
同步传输方式以固定的传输速率，连续不断地在主机和USB设备之间传输数据，在传送数据发生错误时，USB并不处理这些错误，而是继续进行新数据的传送。
4）批传送方式。
该方式用来传输要求正确无误的大批量数据。
通常，打印机、扫描仪和数码相机以这种方式与主机进行连接。
第三章微机数控系统
习题及参考答案
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。
2.什么是顺序控制系统？
它由哪几部分组成？
微机顺序控制方式是指以预先规定好的时间或条件为依据，按预先规定好的动作次序顺序地进行工作。
一般地，把按时序或事序规定工作的自动控制称为顺序控制。
它包括系统控制器、输入电路、输入接口、输出电路、输出接口、检测机构、显示与报警电路。
3.微机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骤？
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O（0，0），终点A（-4，6）。
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：
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3—1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。
表3—1
步数
偏差判别
坐标进给
偏差计算
终点判别
起点
F0=0
Nxy=10
1
F0=0
-X
F1=F0-ye=-6
Nxy=9
2
F1<0
+Y
F2=F1+xe=-2
Nxy=8
3
F2<0
+Y
F3=F2+xe=2
Nxy=7
4
F3>0
-X
F4=F3-ye=-4
Nxy=6
5
F4<0
+Y
F5=F4+xe=0
Nxy=5
6
F5=0
-X
F6=F5-ye=-6
Nxy=4
7
F6<0
+Y
F7=F6+xe=-2
Nxy=3
8
F7<0
+Y
F8=F7+xe=2
Nxy=2
9
F8>0
-X
F9=F8-ye=-4
Nxy=1
10
F9<0
+Y
F10=F9+xe=0
Nxy=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3—2所示。
终点判别仍采用第二种方法，设一个总的计数器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。
表3—2
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=0
x0=6,y0=0
Nxy=12
1
F0=0
-X
F1=0-12+1=-11
x1=5,y1=0
Nxy=11
2
F1<0
+Y
F2=-11+0+1=-10
x2=5,y2=1
Nxy=10
3
F2<0
+Y
F3=-10+2+1=-7
x3=5,y3=2
Nxy=9
4
F3<0
+Y
F4=-7+4+1=-2
x4=5,y4=3
Nxy=8
5
F4<0
+Y
F5=-2+6+1=5
x5=5,y5=4
Nxy=7
6
F5>0
-X
F6=5-10+1=-4
x6=4,y6=4
Nxy=6
7
F6<0
+Y
F7=-4+8+1=5
x7=4,y7=5
Nxy=5
8
F7>0
-X
F8=5-8+1=-2
x8=3,y8=5
Nxy=4
9
F8<0
+Y
F9=-2+10+1=9
x9=3,y9=6
Nxy=3
10
F9>0
-X
F10=9-6+1=4
x10=2,y10=6
Nxy=2
11
F10>0
-X
F11=4-4+1=1
x11=1,y11=6
Nxy=1
12
F11>0
-X
F12=1-2+1=0
x12=0,y12=6
Nxy=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→B→C,各相通电的电压波形如图3.1所示。
图3.1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→BC→CA。
各相通电的电压波形如图3.2所示。
图3.2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3.3所示。
图3.3三相六拍工作的电压波形图
8.采用三相六拍方式控制X轴走向步进电机。
P1.0
P1.1
P1.2
P1.7
非门
非门
非门
光电隔离
功率放大
步进电机
A
B
C
方向控制（“1”正转,“0”反转）
8031
•主程序:
•MOVA，#0FH；方向输入信号
•MOVP1，A
•XMM：
MOVA，P1
•JNBACC.7，XM；P1.7=0反转
•LCALLSTEP1；调正转子程序
•SJMPXMM
•XM：
LCALLSTP2；调反转子程序
•SJMPXMM
•+X走步子程序：
•STEP1：
MOVDPTR，#TAB；指表头
•CLRA
•MOVXA，@A+DPTR；取数
•CJNEA，#05H，S11；是否最后单元
•MOVDPTR，#TAB；重置表头
•SJMPS12
•S11：
INCDPTR；地址加1
•S12：
MOVR0，#7FH；延时
•S13：
DJNZR0，S13；
•CLRA；
•MOVXA，@A+DPTR；取数据
•MOVP1，A
•RET
•-X走步子程序：
•STEP2：
MOVDPTR，#TAB
•CLRA
•MOVXA，@A+DPTR；
•CJNZA，#01H，S21
•MOVDPTR，#TAB
•ADDDPTR，#0006H
•SJMPS12
•S21：
CLRC
•DECDPL
•SJMPS12
•TAB：
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