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微控复习题
第一章微型计算机控制系统概述
1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?
计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：
（1）实时数据采集：
对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
（2）实时决策：
对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
（3）实时控制：
根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？
（1）实时：
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。
（2）“在线”方式：
在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
（3）“离线”方式：
若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
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？
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.微型计算机控制系统软件有什么作用？
说出各部分软件的作用。
软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。
整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。
就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。
（1）系统软件：
它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。
对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。
系统软件包括：
a.操作系统：
即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；
b.诊断系统：
指的是调节程序及故障诊断程序；
c.开发系统：
包括各种程序设计语言、语言处理程序（编译程序）、服务程序（装配程序和编辑程序）、模拟主系统（系统模拟、仿真、移植软件）、数据管理系统等；
d.信息处理：
指文字翻译、企业管理等。
（2）应用软件:
它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。
应用软件包括：
a.过程监视程序：
指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等；
b.过程控制计算程序：
指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等；
c.公共服务程序：
包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。
（3）数据库：
数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检索，相应软件设计指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据等。
5.操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何？
它们之间有何区别和联系？
（1）操作指导控制系统：
在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。
计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。
其原理框图如图1.2所示。
图1.2操作指导控制系统原理框图
（2）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。
其原理框图如图1.3所示。
图1.3DDC系统原理框图
（3）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。
SCC系统的原理框图如图1.4所示。
图1.4SCC系统原理框图
SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。
第二章模拟量输入/输出通道的接口技术
1.什么是过程通道？
过程通道有哪些分类？
过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。
按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。
2.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：
用来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，以免造成转换误差。
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/DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC）。
3.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，其接通时的导通电阻为零。
此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。
4.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：
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。
保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。
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；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差。
5.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转换精度内，就不必再选用采样保持器。
6.A/D转换器的结束信号有什么作用？
根据该信号在I/O控制中的连接方式，A/D转换有几种控制方式？
它们在接口电路和程序设计上有什么特点？
A/D转换器的结束信号的作用是用以判断本次AD转换是否完成。
常见的A/D转换有以下几种控制方式，各自特点如下：
•延时等待法:
EOC可不和I/O口连接，程序设计时，延时大于ADC转换时间后，取数据。
•保持等待法:
EOC与READY相连,EOC无效时,自动插入等待状态。
直至EOC有效时，取数据。
•查询法:
EOC可以和任意I/O口连接，程序设计时，反复判断EOC是否有效，直至EOC有效时，取数据。
•中断响应法:
EOC与外部中断相连，AD转换结束后,发中断申请,在中断服务程序中取数据。
7.设被测温度变化范围为0oC~1200oC,如果要求误差不超过0.4oC,应选用分辨为多少位的A/D转换器？
选择依据：
8.设计出8路模拟量采集系统。
请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模拟量数据采集程序。
本例给出用8031、DAC0809设计的数据采集系统实例。
把采样转换所得的数字量按序存于片内RAM的30H~37H单元中。
采样完一遍后停止采集。
其数据采集的初始化程序和中断服务程序如下：
初始化程序：
MOVR0，#30H；设立数据存储区指针
MOVR2，#08H；设置8路采样计数值
SETBIT0；设置外部中断0为边沿触发方式
SETBEA；CPU开放中断
SETBEX0；允许外部中断0中断
MOVDPTR，#FEF8H；送入口地址并指向IN0
LOOP:
MOVX@DPTR，A；启动A/D转换，A的值无意义
HERE：
SJMPHERE；等待中断
中断服务程序：
MOVXA，@DPTR；读取转换后的数字量
MOV@R0，A；存入片内RAM单元
INCDPTR；指向下一模拟通道
INCR0；指向下一个数据存储单元
DJNZR2，INT0；8路未转换完，则继续
CLREA；已转换完，则关中断
CLREX0；禁止外部中断0中断
RETI；中断返回
INT0：
MOVX@DPTR，A；再次启动A/D转换
RETI；中断返回
9.模拟量输出通道由哪几部分组成？
各部分的作用是什么？
模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、功率放大和V/I变换等信号调理电路等组成。
（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/I变换：
一般情况下，D/A转换电路的输出是电压信号。
在计算机控制系统中，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减少由于传输带来的干扰和衰减，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。
10.采用DAC0832和MCS-51单片机接口。
请画出接口电路原理图，并编写产生三角波、梯形波和锯齿波的程序。
11.设计一八路数据采集及其回放系统。
要求八路数据巡回检测，存储10组数据，输出数据为电压信号（0-5V），检测精度<1%。
CPU、AD、DA可任选。
12.设A/D转换电路如图1所示，
（1）说明图中A/D转换方式。
图中A/D转换为查询方式
（2）写出图中8255A的地址。
写出图中8255A的地址。
G1 G2A G2B C B A
P2.7 P2.6P2.5 0 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
1 1 1 0 1 1 0 X X
Y6
所以,8255A的地址是:
F800H—FB00H（或:
F8FFH—6BFFH）
（3）画出实现该A/D转换的流程图。
画出实现该A/D转换的流程图如下
13、图中画出CD4051的引脚图，要求利用该芯片进行扩展，设计成一个16路多路开关。
要求：
（1）.完成硬件设计
答：
（1）设计如图所示。
（2）在图中标出16路的排序号
通道顺序已标在设计图中。
（3）分析通道5和通道12的通道地址（要求过程）
A3 A2 A1 A0
0 1 0 0 五通道地址
1 0 1 1 十二通道地址
第三章人机交互接口技术
1、在工业过程控制中，键盘有几种？
它们各有什么特点和用途？
2、试说明非编码键盘扫描方法、原理及键值计算方法。
3、多位LED显示器显示方法有几种？
它们的原理是什么？
各有什么特点？
第四章常用控制程序的设计
1、工业控制系统中常用报警方式有几种？
软件报警程序的基本作法是什么？
2、简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。
光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图2.1所示。
输入电流流过二极管时使其发光，照射到光敏三极管上使其导通，完成信号的光电耦合传送，它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离。
图4.1光电耦合器电路图
3、试说明固态继电器、大功率场效应管开关及控制开关有什么区别？
它们分别用在什么场合？
4、图示小功率直流电机双向控制原理，并说明如何实现正转、反转、刹车、滑行控制。
答：
图中，当SW1和SW4闭合时，马达正转；
当SW2和SW3闭合时，马达反转；
当SW1和SW3或SW2和SW4闭合时，马达刹车；
当SW1、SW3、SW2和SW4都断开时，马达滑行。
5、设某步进电机为A、B、C、D四相。
（1）说明图中芯片4N25、复合管T的作用。
图中光电隔离器4N25的作用有两个，隔离和耦合。
（2）画出此步进电机单四拍、双四拍以及四相八拍三种控制方式正向 通电顺序图。
单四拍：
双四拍
四相八拍
（3）A、B、C、D四相分别用PC0---PC3控制，请在下表的空格处填上适当的数。
步
序
控 制 位
D7D6D5D4D3 D2 D1 D0
D C B A
通电状态
控制模型
双四拍
1
1 1
A、B通电
03H
2
1 1
B、C通电
06H
3
1 1
C、D通电
0CH
4
1 1
D、A通电
09H
（4）每一相控制电路如下图所示，已知8255A的端口地址为2060H、2061H、2062H、2063H，
试用8255A位控方式，写出使步进电机A相、B相、C相和D相通电的程序（只要求正转）。
ORG2000H
START：
MOVA，80H ；8255初始化
MOVDPTR，#2063H
MOVX@DPTR,A
MOVA,#01H ；A相通电
MOVX@DPTR,A
MOVA,#03H ；B相通电
MOVX@DPTR,A
MOVA,#05H ；C相通电
MOVX@DPTR,A
MOVA,#07H ；D相通电
MOVX@DPTR,A
第六章过程控制数据处理的方法
1.数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？
数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点：
（1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好；
（2）数字滤波可以对频率很低（如0.01Hz）的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷；
（3）数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。
2.常用的数字滤波方法有几种？
它们各自有什么特点？
常用的数字滤波方法有7种。
（1）程序判断滤波法：
是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现得最大偏差。
（2）中值滤波法：
它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动干扰比较有效。
（3）算术平均值滤波法：
它适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。
它特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。
（4）加权平均值滤波：
可以提高滤波效果
（5）滑动平均值滤波法：
采样时间短，可以提高检测速度
（6）惯性滤波法：
适用于慢速随机变量的滤波
（7）复合数字滤波：
比单纯的平均值滤波的效果要好
3.算术平均值滤波、加权平均值滤波以及滑动平均滤波三者的区别是什么？
算术平均值法适用于对压力、流量等周期脉动信号的平滑，这种信号的特点是往往在某一数值范围附近作上、下波动，有一个平均值。
这种算法对信号的平滑程度取决于平均次数N，当N较大时平滑度高，但灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高，应该视具体情况选取N值。
对于一般流量，通常取N=12；若为压力，则取N=4。
在算术平均滤波中，N次采样值在结果中所占的比重是均等的，即每次采样值具有相同的加权因子1/N。
但有时为了提高滤波效果，往往对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子。
这种方法称为加权平均滤波法，也称滑动平均或加权递推平均。
其算法为
其中。
加权因子选取可视具体情况决定，一般采样值愈靠后，赋予的比重越大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例，系统对正常变化的灵敏性也可提高，当然对干扰的灵敏性也稍大了些。
滑动平均值滤波法，依次存放N次采样值，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，然后求包含新值在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。
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？
微机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往还要转换成操作人员所熟悉的工程值。
这是因为生产现场的各种工艺参数量纲不同。
例如，压力的单位为Pa，流量的单位为m3/h，温度的单位为℃。
这些参数A/D转换后得到一系列的数码，这些数码的值并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅代表参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出。
这种转换称为工程量转换，也称为标度变换。
标度变换有各种不同类型，它取决于被测参数测量传感器的类型，设计时应根据实际情况选择适当的标度变换方法，常用线性参数标度变换。
6、某温度控制系统，其温度变化范围为：
－1０℃～＋５０℃，经温度变送器变换为1～５Ｖ电压信号，送至12位A/D转换器AD574（AD574的输入范围为０～５Ｖ）。
计算：
（1）当AD574的转换结果为610H时，对应的系统温度是多少？
（2）当系统的温度是40℃时，AD574的A/D转换结果是多少？
第七章数字PID及其算法
1.什么是数字PID位置型控制算法和增量型控制算法？
试比较它们的优缺点。
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算式，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、电动调节阀、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算法有如下优点：
（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——自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度u0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现u0项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。
（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。
2.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=0.2s。
则
把T=0.2S代入得
位置型
增量型
3.在自动控制系统中，积分饱和现象是如何产生的？
在微型机控制系统中，如何消除饱和？
4.有哪几种改进的数字PID控制器？
有五种：
（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）变速积分的PID控制算法
（5）PID比率控制算法
5.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，提高控制精度。
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。
（2）从快速性和抗扰性方面考虑，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τ较大时，常选T=（1/4~1/8）τ。
（4）从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，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毫无意义，因此T必须大于执行机构的调节时间。
6.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。
扩充临界比例度法整定PID参数的步骤：
（1）选择一个足够短的采样周期T，例如被控过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。
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