微型计算机控制系统习题总结精华.docx
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微型计算机控制系统习题总结精华
1、计算机控制系统的基本框图,并说明各部分的工作。
2、计算机控制系统的典型形式有哪些?
说明其优缺点。
①操作指导控制系统
优缺点:
结构简单,控制灵活安全,特别适用于未摸清控制规律的系统,常常被用于计算机控制系统研制的初级阶段,或用于试验新的数学模型和调试新的程序等,由于最终需要人工操作,故不适用于快速过程的控制。
②直接数字控制系统
优缺点:
DDC系统中的计算机参加闭环控制过程,它不仅能完全取代模拟调节器,实现多回路的PID调节,而且不需要改变硬件,只需要通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律,如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。
③监督计算机控制系统
优缺点:
SCC能进行最优控制、自适应控制等,并能完成某些管理工作。
SCC出现故障时,下级仍可继续执行控制任务。
④分级计算机控制系统
优缺点:
功能分散,用多台计算机分别执行不同的控制功能,既能进行控制又能实现管理。
3、计算机监督系统SCC中,SCC计算机的作用?
在SCC系统中计算机根据工艺参数和过程参量检测值,按照所设计的控制算法进行计算,计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机,最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。
4、DDC系统的最大优点是什么?
DDC最大的优点是从参数的采集、传输到控制等各个环节采用数字控制功能来实现。
5、计算机与外部的通信方式分为哪两种,区别是什么?
各自的特点?
并行通信和串行通信
并行通信,传送速度快、信息率高。
并且,通常只要提供二条控制和状态先,称为握手信号线,就能完成CPU和接口设备之间的协调、应答,实现异步传输。
不适合长距离、多数位的传送。
串行通信,数据按位进行传送的。
在传输过程中,每一位数据都占据一个固定的时间长度,一位一位的串行传送和接受。
6、串行通信从数据传输方向来分,分为哪两种?
说明各自的特点?
全双工和半双工方式
全双工,有二根数据线,串行接口可以同时输入和输出数据,计算机可同时发送和接受数据。
传输效率高
半双工,串行接口和外围设备间除公共地线外,只有一根数据传输线,某一时刻数据只能一个方向传送。
信息传输效率低些。
7、串行通信从数据格式来分,分为哪两种?
说明各自的特点?
同步通信和异步通信
同步通信,将许多字符组成一个信息组,通常称为信息帧。
在每帧信息的开始加上同步字符,接着字符一个接一个地传输(在没有信息要传输时,要填上空字符)
异步通信,每个字符在传输时,由一个“1”跳变到“0”的起始位开始,其后是5到8个信息位(也称字符位),信息位由低到高排列,即第一位为字符的最低位,最后一位为字符的最高位。
其后是克选择的奇偶校验位,最后为“1”的停止位,停止位为1位,
位或者2位。
如果传输完一个字符位后立即传输下一个字符,那么后一个字符的起始位就紧挨着前一个字符的停止位了。
字符传输前,输出线为“1”状态,称为标识态,传输一开始,输出线状态由“1”变为“0”状态,作为起始位。
传输完一个字符之后的间隔时间输出线又进入标识态。
8、I/O信号的种类。
数据信息、状态信息、和控制信息类
9、设置I/O接口电路的必要性
①解决主机CPU和外围设备之间的时序配合和通信联络问题
②解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题
③解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题
10、I/O控制方式分为哪几种?
简述各自的特点?
程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式
DMAI/O方式是不经CPU,而在外设和存储器之间直接高速交换数据
11、I/O接口与存储器的独立编址和统一编址方式?
两者的区别?
独立编址,将存储器地址空间和I/O接口地址空间分开设置,互不影响。
统一编址,不区分存储器地址空间和I/O接口地址空间,把所有的I/O接口的端口都当作是存储器的一个单元对待,每个接口芯片都安排一个或几个与存储器统一编号的地址号。
12、中断优先级的处理方式有哪几种?
简述其特点。
①软件查询方式,使用软件查询时要借助于简单的硬件电路,先查询的设备优先权最高,最后查询的设备优先权最低。
②雏菊链法,在每个外围设备对应的接口上连接一个逻辑电路,这些逻辑电路构成一个链。
越靠近CPU的接口,优先级越高
专用硬件方式
③用中断控制器来进行中断优先级管理。
13、什么是最短响应时间?
某台设备相邻两次请求服务的最短间隔时间。
14、DMA方式的含义?
直接存储器存取方式,不经CPU,而在外设和存储器之间直接高速交换数据。
15、由于计算机只能接收数字量,所以在模拟量输入时需经什么器件转换?
A/D转换器
16、若系统欲将一个D/A转换器输出的模拟量参数分配至几个执行机构,需要接入什么器件完成控制量的切换工作
输出保持器、多路切换开关、低通滤波器、功放电路。
17、简要说明多路开关的主要特点和作用。
在多路数据传送过程中,能够根据需要将其中任意一路选出来的电路,叫做数据选择器,也称多路选择器或多路开关。
18、光电隔离器的作用是什么?
以光为媒介传输电信号。
对输入、输出电信号有良好的隔离作用
19、模拟量输入通道包括的基本部分?
信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、A/D转换器、控制电路
20、并行D/A转换器的工作原理?
解释T型电阻网络的“按权展开,然后相加”。
数字量是由一位一位的数位构成的,每个数位都代表一定的权。
为了把数字量转换为模拟量,必须把每一位的代码按其权的大小转化成相应的模拟量,再把代表各位的模拟量想家,这样,得到的总得模拟量就与数字量成正比的模拟量,实现了D/A转换
T型网络只用两种数值的电阻R和2R组成,该电路的特点是,任何一个节点的三个分支的等效电阻是相等的,该电路为线性网络,可以用叠加原理。
21、DAC0832的三种工作方式,其两种输出方式:
单极性电压输出和双极性电压输出的区别,电路上连接方式的不同?
写出相应的电压公式。
并分析两者的电压输出值和模拟量之间的关系。
22、D/A的分辨率。
表示当输入数字量变化1时,输出模拟量变化的大小。
它反映了计算机数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。
对于一个N为的D/A转换器其分辨率为
分辨率=满刻度值/
,其单位为V/步
23、一个10位的A/D转换器,若要求转换的精度为0.1%,孔径时间为10us,则被允许的正弦波模拟信号的最大频率为多少HZ?
,
转换精读
孔径时间
24、孔径时间的定义?
完成一次A/D转化所需要的时间
25、A/D转换器的工作原理分为哪3种?
简述各自的工作原理和特点。
①计数器式A/D转换器
由计数器、D/A转换器、比较器组成。
计数器先清0,启动后对脉冲计数,计数器输出经D/A转换器后输出的电压U与模拟输入电压
进行比较,边计数边比较,当
时,比较器送出转换结束信号,停止计数,此时计数器的输出,即为被转换的模拟电压信号
所对应的数字量。
这种电路的特点是结构简单,价格便宜,但是转换过程是计一个数比较一次的,转换速度比较慢,目前已很少采用
②双积分式A/D转换器
主要部件有积分器、比较器、计数器、标准电压源。
一开始,电路对输入的未知模拟量进行固定时间的积分,然后转接为对标准电压进行反向积分,反向积分到一定时间,便返回起始值。
可以看出,对标准电压进行反向积分的时间T正比于输入模拟电压,输入模拟电压越大,反向积分所需时间越长。
因此,只要用标准的高频时钟脉冲测定反向积分花费的时间,就可以得到输入模拟电压所对应的数字量,即实现了A/D转换
③逐次逼近式A/D转换器
由N位逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、置数选择逻辑电路等部分组成。
通过置数选择逻辑电路置SAR的最高位为“1”其余位为“0”经D/A转换器转换成的模拟电压
与输入模拟电压
在电压比较强进行比较,若
.则保留最高位“1”。
若
。
则清除最高位为“0”。
其次,置次高位为“1”,低位全为“0”。
按上述步骤进行转化、比较和判断,决定次高位应取“1”还是“0”。
重复上述过程,知道确定了SAR的最低位应取“1”还是“0”未知。
此时SAR的内容就是对应的输入模拟电压转换后的数字量。
主次逼近就是对半搜索过程。
26、A/D转换器的绝对精度和相对精度定义?
如何具体计算?
绝对精读常用数字量的位数表示,如绝对精读为
1/2LSB,相对精读用相对于满量程的百分比表示。
如蛮量程为10V的8位A/D转换器,其绝对精读为1/2*10/
=
19.5mV,而8位A/D的相对精读为1/2*100%≈0.39%
27、EOC是转换结束信号。
CPU和AD转换器之间进行数据传送的3种方式为什么?
并简述其方式。
①程序查询方式,就是在启动A/D转换器工作以后没程序不断读取A/D转换器结束信号,若检测到结束信号有效,则认为完成一次转换,即可用输入指令读取转换后数据。
②中断方式,即把A/D转换器送出的转换信号(有时可能要外加一个反向器)作为中断申请信号,送到CPU或中断控制器的中断请求输入端。
③固定的延迟程序方式,用这种方式,要预先精确地知道完成一次A/D转换需要的时间。
CPU发出启动A/D命令之后,执行一个固定的延迟程序,延迟时间正好等于或略大于完成一次A/D转换所需的时间,延时到,即可读取数据。
28、常用的AD转换的启动方式有哪两种?
电平启动和脉冲启动
29、10位AD转换器的最低分辨率是多少?
当基准电压为36V时,最小转换电压为多少伏?
1/
q=36*1/
V
30、复习书上的介绍的常用芯片及其有关的电路连接和程序片段
ADC0808/0809
31、简述共模干扰和长线干扰?
共模干扰是指同时加到计算机控制系统(如A/D转换器)两个输入端上的公有的干扰电压,如,被控对象与主机之间往往有较长的距离,是通过过程通道将被测信号和主机连接起来的。
被测信号端与主机的底线之间存在一定的电位差,这是引入共模干扰的重要原因
抑制共模干扰的措施:
①采用共模抑制比高的、双端输入的运算放大器
②采用光耦合器或隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来,也就是把模拟地和数字地断开
③采用隔离放大器
31、用后向差分法以及零阶保持器法求取
的差分方程。
后向差分法:
零阶保持器法:
33、信号的采样周期的确定,要注意哪些原则?
①必须满足采样定理要求。
采样周期必须满足香农定理,即采样角频率
,
是被采样信号的最高角频率,因为
,所以,根据采样定理可以确定采样周期的上限值,
。
②从控制系统的隧洞和抗干扰的性能来看,则T小些好。
干扰频率越高,则采样频率最高愈好,以便实现快速跟随和快速一直干扰。
③根据被控对象的特性,快速系统的T应取小,反之,T可取大些。
④根据执行机构的类型,当执行机构动作惯性大时,T应取大些。
否则,执行机构来不及反应控制器输出值的变化
⑤从计算机的工作量及每个调节回路的计算成本来看,T应选大些。
T大,对每一个控制回路的计算控制工作量相对减小,可以增加控制的回路数。
⑥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,偏差值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。
34、PID控制器的3个环节,以及各部分的作用。
积分、比例、微分
35、写出模拟PID控制器的微分方程,传递函数表达式。
36、写出离散PID控制器的差分方程
37、写出位置式PID控制器和增量式PID控制器的表达式。
并说明各自的特点
位置式:
增量式:
(1)位置式算法每次输出与整个过去状态有关,算式要用过去偏差的累积值
,容易产生较大的积累误差。
而增量式中只需计算增量,算式中不需要累加,控制增量的确仅与最近几次偏差采样值有关,当存在计算误差或精度不足时,对控制量计算的影响较小,且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。
(2)增量式由于计算机只输出控制增量,所以误动作时影响小,且必要时可用逻辑判断的方法去掉,对系统安全运行有利
(3)手动-自动切换时冲击比较小
38、请举出几种改进型的PID控制器,并说明其算法原理。
防止积分整量化误差的方法
积分饱和及其防止方法
不完全微分的PID算法
纯滞后的补偿算法
微分先行的PID算法
带死区的PID控制
二自由度PID控制
39、请举出两种PID参数整定方法。
试凑法、归一参数整定法
40、已知模拟PID控制器的传递函数为
,请写出相应的位置式和增量式控制算式,设采样周期T=0.2s。
41、史密斯预估补偿器的控制原理?
请画出带史密斯预估器的控制系统框图。
与D(s)并接一补偿环节
,用来补偿被控对象中的纯滞后部分,这个环节成为预估器
42、例、已知被控对象的传递函数为
,采样周期为T=1s。
要求:
采用smith预估补偿器,求取控制量u(k)。
43、数字控制器的直接设计法的设计步骤是什么?
①求得带零阶保持器的被控对象的广义脉冲传递函数G(z)。
②根据系统的性能指标要求以及实现的约束条件构造闭环Z传递函数
(z)。
③根据
确定数字控制器的传递函数D(z)。
④由D(z)确定控制算法并编制程序。
44、广义对象的传递函数为
:
1,请说明最小拍有波纹控制器的设计步骤,2.写出根据性的闭环传递函数φ(Z)和φe(Z)。
、
45、设被控对象的传递函数为
,采样周期为1s。
采用零阶保持器,针对单位速度输入函数,请设计最少拍有波纹控制器D(z);并计算控制量u(k)。
46、设被控对象的传递函数为
,采样周期为0.5s。
采用零阶保持器,针对单位阶跃输入函数,请设计最少拍有波纹控制器D(z);并计算控制量u(k)。
47、设被控对象的传递函数为
,采样周期为0.5s。
采用零阶保持器,针对单位阶跃输入函数,请设计最少拍无波纹控制器D(z);并计算控制量u(k)。
48、大林算法的设计原理?
以大林算法为模型的数字控制器,使闭环系统否认特性为具有时间滞后的一阶惯性环节,且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。
此时,系统的闭环传递函数为
系统的闭环脉冲传递函数为
因此,数字控制器的传递函数为
49、已知被控对象的传递函数为
,采样周期为T=1s。
要求:
采用大林算法设计数字控制器,求取控制量u(k)。
50、振铃现象?
简述振铃现象产生的原因,以及消除的方法。
控制量以1/2的采样频率(即二倍采样周期)振荡的现象称为“振玲”。
这种振荡一般是衰减的
令产生振铃现象的极点(左半平面上接近-1的极点)的因子中的z=1,就可以消除振铃现象,根据终值定理,系统的稳态输出可保持不变。
51、比较和分析振铃现象和最少拍有波纹的异同点。
52、简述几种数字滤波方法以及其原理。
①算数平均值滤波,把n次采样值进行相加,然后取其算数平均值为本次采样值。
②中值滤波,对某一个被测参数连续采样N次(一般N取奇数),然后把N次的采样值从小到大(或从大到小)排队,再取中间值为本次采样值。
③一阶滞后滤波,对于快速随机变化参数,采用短时间内连续采样求平均值的方法,其滤波效果不太好,在这种情况下,通常采用动态滤波方法,如一阶滞后滤波方法,其表达式为
④程序判断滤波,将两次采样数据进行比较,求出差值,如果差值大于最大允许偏差,则表明本次采样数据是干扰所致,应该舍去,如果偏差小于最大允许偏差,则本次采样数据有效,说明无干扰或干扰不严重,在允许范围内,在程序判断滤波中最大允许偏差的确定十分重要,可根据被控对象的实际情况来选择,或经理论分析计算来确定。
53、线性插值原理是什么?
输入x和输出y之间存在非线性函数关系y=f(x),当我们已知某一输入值x后,要想求出其对应的输出值y并不容易。
我们可将该非线性关系的曲线按一定要求分成若干段,然后把相邻两分段点间用直线连接起来,用此直线代替相应的曲线,即可很方便求出任意一输入值x所对应的输出值y。