微机控制技术习题.docx

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微机控制技术习题

第一章

1．微型计算机控制系统与连续控制系统的主要异同点是什么？

    答：

将续控制系统中的控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机系统。

控制系统中引入微型计算机后，控制规律便可由程序实现，微型计算机执行相应的程序，实现对被控参数的控制。

在连续控制系统中，系统的控制规律是由硬件电路实现的，改变控制规律就要改变硬件；而在微型计算机控制系统中，控制规律是通过程序实现，改变控制规律只需改变程序。

    在微型计算机控制系统中，微型计算机的输入和输出都是数字信号，而变换发送单元送出的信号，以及大多数执行机构所能接收的信号，都是模拟信号。

因此，系统中需要有A/D转换器和D/A转换器。

连续控制系统不断地测量，经过反馈及补偿后，对生产过程产生连续不断的控制。

    微型计算机控制系统是采样控制系统。

微型计算机每隔一个采样周期T会对被控参数进行一次测量，根据一定控制规律算出控制量后，去控制生产过程。

在两次采样时刻之间，微型计算机对被控参数不进行测量，其输出控制量自然也保持不变。

当用一台微型计算机控制多个参数时，微型计算机按巡回测量控制方式工作。

2.从微型计算机参与控制的方式上，微型计算机控制系统可分为哪几类？

各有什么特点？

    答:

可分为数据采集系统（DAS）、直接数字控制系统（DDC）、监督算机控制系统（SCC）、分散型控制系统（DCS）。

    数据采集系统（DAS）：

数据采集系统中微型计算机通过模拟量、开关量输入通道进行数据采集，将采集到的数据进行分析处理，以实现生产过程中的集中监视及实现生产过程的操作指导。

该系统中的微型计算机不直接参与生产过程控制，不会对生产过程产生直接影响。

    直接数字控制系统（DDC）：

微型计算机通过模拟量输入通道、数字量输入通道进行数据采集，然后按照一定的控制规律进行实时决策，最后通过模拟量输出通道、数字量输出通道输出控制信号，实现对生产过程的直接控制。

由于该系统中夺得微型计算机直接参与生产过程的控制，故要求微型计算机系统实时性好、可靠性高和环境适应性好。

    监督计算机控制系统（SCC）：

SCC系统是一种两级微型计算机控制系统，其中DDC级微型计算机完成生产过程的直接数字控制；SSC级微型计算机则根据生产过程的工作状况和已定的数学模型，进行最优化分析计算，产生最优给定值，交由DDC级微型计算机执行。

    分散型控制系统（DCS）：

DCS系统利用多台微型计算机，采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上而下分为过程控制级、控制管理级、生产管理级等若干级，形成分布式控制。

3．微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？

各部分的作用是什么？

    答：

微型计算机系统有硬件和软件组成。

其中 微型计算机控制系统硬件主要由主机（控制器）、过程输入输出通道（设备）、操作设备、常规外部设备、通信设备、系统支持功能等组成。

组成如图所示：

 图1.1微机控制系统硬件组成框图

1．主机

      由微处理器、内存贮器（RAM和ROM）和系统总线构成的主机是控制系统的核心。

2．过程输入输出通道

      过程输入输出通道，是在微型计算机和生产过程之间起信息传递和变换作用的装置，    它包括：

模拟量输入通道（简称AI通道）、数字量输入通道（简称DI通道）、模拟量输    出通道（简称AO通道）和开关量输出通道（简称DO通道）。

3．操作设备

      系统的操作设备是微型计算机控制系统中人机交互的关键设备。

操作设备一般由       LCD显示器（或其它显示器）、键盘、开关和指示灯等构成。

4．常规外部设备

     常规外部设备指键盘、终端、打印机、绘图机、U盘等一类微机输入输出设备。

5．通信设备

     通信设备用于完成微型计算机控制系统的信息交换。

6．系统支持功能

      系统支持功能主要包含以下几部分。

（1）监控定时器

（2）电源掉电检测（3）保护重要数据的后备存贮体（4）实时日历钟（5）总线匹配（或端接）

      软件包含系统软件和应用软件两个部分。

软件的优劣关系到硬件功能的发挥和对生产过程的控制品质和管理水平。

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？

    答：

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？

    答：

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。

   答：

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。

其原理框图如下图所示。

7．进一步查阅资料，了解计算机控制系统的发展趋势。

    答：

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？

    答：

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？

    答：

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？

   答：

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）硬件原理图如下图所示：

2）

    AD574  PROC   NEAR

    MOV    CX,32

MOVBL,00000000B

LEASI,BUF

NEXTCH:

MOVDX,212H

MOVAL,BL

   OUTDX,AL

   NOP

   NOP

   ORAL,01000000B

   OUTDX,AL

   NOP

   ANDAL,10111111B

   OUTDX,AL

   MOVDX,210H

POLING:

INAL,DX

   TESTAL,80H

   JNZPOLING

   MOVAL,BL

   ORAL,00010000B

   MOVDX,212H

   OUTDX,AL

   ORAL,01000000H

   OUTDX,AL

   MOVDX,210H

   INAL,DX

   ANDAL,0FH

   MOVAH,AL

   INCDX

   INAL,DX

   MOV[SI],AX

   INCSI

   INCSI

   INCBL

   LOOPNEXTCH

   MOVAL,00111000B

   MOVDX,212H

   OUTDX,AL

   RET

   AD574    END

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。

解：

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。

解：

电路图如下：

1）7位

2）STS，A/D转换器转换结束标志

3）启动：

ORAL,01000000B

             OUT DX,AL

NOP

       读转换结果：

MOV DX,210H

POLING:

INAL,DX

TESTAL,80H

JNZPOLING

MOVAL,BL

ORAL,00010000B

MOVDX,212H

OUTDX,AL

ORAL,01000000H

OUTDX,AL

MOVDX,210H

INAL,DX

ANDAL,0FH

MOVAH,AL

INCDX

INAL,DX

MOV[SI],AX

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？

解：

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。

MOV   CX,8

DEC   CX

LOP1：

   MOV   DX,CX

LOP2：

   MOV   AX,DATA[BX]

CMP   AX,DATA[BX+2]

JBE      CONTI

XCHG   AX,DATA[BX+2]

MOV   DATA[BX],AX

CONTI:

   ADD   BX,2

LOOP   LOP2

MOV   CX,DX

MOV   BX,0

LOOP   LOP1

MOV   CX,3

MOV   AX,DATA[BX+4]

LOP3：

   ADD   BX,2

ADC   AX,DATA[BX+4]

LOOP   LOP3

MOV   DL,4

DIV      DL

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。

解：

三角波程序：

MOV   AL,0

LOP1：

   MOV   DX,230H

OUT   DX,AL

MOV   DX,AL

INC      AL

CMP   AL,FFH

JB      LOP1

LOP2：

   MOV   DX,230H

OUT   DX,AL

MOV   DX,240H

MOV   DX,AL

DEC   AL

CMP   AL,0

JA      LOP2

JMP      LOP1

方波程序：

MOV   AL,FFH

START:

   MOV   DX,230H

OUT   DX,AL

MOV   DX,240H

OUT   DX,AL

MOV   CX,0

LOP1：

   NOP

NOP

LOOP   LOP1

XOR   AL,FFH

JMP      START

锯齿波程序：

MOV   AL,0

START:

   MOV   DX,230H

OUT   DX,AL

MOV   DX,240H

OUT   DX,AL

INC      AL

JMP      START

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）。

MOV   CX,30H

MOV   BX,0

LOP1：

   MOV   AL,ARRAY1[BX]

MOV   DX,320H

OUT   DX,AL

MOV   AL,ARRAY2[BX]

MOV   DX,321H

OUT   DX,AL

MOV   DX,323H

OUT   DX,AL

INC      BX

LOOP   LOP1

第三章

  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？

答：

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？

   答：

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？

答：

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？

答：

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？

   答：

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）.

答：

双线性变法:

把   代入，则

前向差分法：

把      代入，则

后向差分法：

把   代入，则

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？

   答：

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。

答：

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？

答：

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？

答：

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