计算机控制技术复习大作业及答案讲解.docx

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计算机控制技术复习大作业及答案讲解

计算机控制技术复习大作业及答案讲解

LT

C.计算机分布式反馈系统D.计算机集中式反馈系统

二、填空题（本题共20个）

1.香农定理告诉我们，采样频率越高，采样数据描绘的曲线越接近实际曲线。

所以，为了提高控制精度，应尽可能提高采样频率。

2.在10位A/D转换器中，设满量程为±5V，试写出相对于下列各模拟量所对应的数字量：

1）.模拟量为5V时，所对应的数字量为3FFH。

2）.模拟量为0V时，所对应的数字量为200H。

3）.模拟量为-2.5V时，所对应的数字量为100H。

3.在三相步进电机系统中，为了提高控制力矩，常常采用双三拍方法来实现。

4.在PID控制系统中，I的作用主要是__消除静差___，它一般不单独使用的，原因是___速度不变___。

5.某微型机采样系统中，CD4051的INH端接+5V，控制端C、B、A接地时，选通无通道。

6.在数据采集系统中，只使用一个S/H和A/D构成的系统称之为分时采样，分时转换系统，

7.在PID调节系统中，比例系数KP的确定比微分系数KI和积分系数KD更重要，因为它关系到因为Kp不但与本身有关，而且还和Kd\Ki有关。

8.某仪器受体积限制只允许设置8个功能键，但却要求有十六种功能，可以采用双功能键的办法解决。

9.和PID调节一样，模糊控制器的最大优点是不要求数学模型。

10.SPI总线与I2C总线的主要区别是_SPI有三条线，而I2C只有两条_和_I2C的总线是双向的_

11.在PID控制系统中，I的作用主要是消除静差，它一般不单独使用的

原因是速度不变。

12.线性插值法最根本的问题是　　用直线代替曲线　　。

13.　在数据采集系统中，只使用一个S/H和A/D构成的系统称之为　分时采样，分时转换系统，而只使用多个S/H和一个A/D构成的系统称之为同时采样，分时转换系统。

14.离散系统稳定性与连续系统不同，它不仅与系统结构和参数有关，还与系统的采样周期有关。

15.计算机控制系统中常用的控制器有可编程序控制器、工控机、单片机、智能调节器等等。

16.ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器。

17.在一些对程序流向起决定作用的指令前插入两条NOP指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确轨道。

这称之为指令冗余技术。

18.平均值滤波是对信号y进行m次采样；滤波器的输出

19.在微型机控制系统中，键盘处理程序由两部分组成，其一是计算键值，其二则是，_根据键值转移到键功能入口地址。

20.某仪器受体积限制只允许设置8个功能键，但却要求有十六种功能，可以采用    双功能键      的办法解决。

三、判断题（正确，在括号内划∨，错误，在括号内划╳，并改正（只对错误部分进行改正即可）（本题共16题）

1.在显示系统中，若为动态显示，需将待显示数变成显示码才能输出到显示器进行显示。

若在显示电路中增加一级锁存器，则可直接将待显示数输出到显示器进行显示。

（X，不能）

2.DAC0832是常用的8位D/A转换器，内部设有两级缓冲器，目的是使转换数椐得到充分缓冲，确保转换精度。

（O）

3.由于各种传感器提供的电压信号范围很宽，需要通过可编程增益放大器，对信号进行调整，使A/D转换器满量程信号达到均一化。

（O）

4.某系统采用程序判断滤波方式进行数据处理，发现总有一些杂波无法滤掉，原因是采样时间间隔太大（X，原因是两次采样的变化量△Y太大）。

5.在工业过程控制系统中，由于被控对象所处环境复杂，常使采样值偏离实际值。

所以一般要加入滤波环节，且常常将模拟滤波和数字滤波同时使用。

（O）

6.在计算机控制系统中，常常需要设计报警电路，无论在什麽情况下，也不管原因如何，只要略微超限，立即报警。

（╳）有时为了减少报警次数，可设置上、下报警限；

7.A/D转换器的结束信号的连接方式是判断A/D转换方式的主要依据。

（∨）

8.多路开关CD4051的作用就是把多路模拟信号转换成一路信号。

（∨）

9.采样奇数次，然后按大小排队，取中间的值为本次采样的有效值称为中位值滤波法。

（╳）

10.某控制系统中，希望快速采样，保持器的保持电容CH应取较大值（╳）。

11.在显示系统中，若为动态显示，需将待显示数变成显示码才能输出到显示器 进行显示。

若在显示电路中增加一级锁存器，则可直接将待显示数输出到显示器进行显示。

（ X ）

12.DAC0832是常用的8位D/A转换器，内部设有两级缓冲器，目的是使转换数椐得到充分缓冲，确保转换精度。

（ V ）

13.由于各种传感器提供的电压信号范围很宽，需要通过可编程增益放大器，对信号进行调整，使A/D转换器满量程信号达到均一化。

（  V）

14.某系统采用程序判断滤波方式进行数据处理，发现总有一些杂波无法滤掉，原因是采样时间间隔太大（  X  ）。

15.在工业过程控制系统中，由于被控对象所处环境复杂，常使采样值偏离实际值。

所以一般要加入滤波环节，且常常将模拟滤波和数字滤波同时使用。

（ V ）

16.在同一条件下，多次测量结果的大小和符号是不定的，不存在任何确定的规律性，这种误差称为系统误差（ X  ）。

四、简答题（本题共20题）

1.简要说明多路开关的主要特点。

答：

半导体多路开关的特点是：

（答5条即可）

（1）采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排；

（2）直接与TTL（或CMOS）电平相兼容；

（3）内部带有通道选择译码器，使用方便；

（4）可采用正或负双极性输入；

（5）转换速度快，通常其导通或关断时间在1ms左右，有些产品已达到几十到几百纳秒（ns）；

2.PID调节系统中，微分调节起何作用？

为什麽在有些系统中采用不完全微分算式，它与常规算式有哪些区别？

答：

微分的作用是加快调整速度。

由于微分只存在于瞬间，因而有时会使系统产生震荡，而使调节品质下降。

为了避免震荡，在一些系统中采用不完全微分算法，它的基本思想是使微分作用漫漫减弱，以避免由于微分突然下降到0而产生震荡。

3.PWM控制意味着什么？

它有什么作用？

微型机控制系统中是怎样实现的？

答：

PWM是脉冲宽度调速系统，它用来控制马达的转速和方向。

其方法是通过改变对电机的通电时间达到调整电机转速的目的。

具体作法是，首先根据电机转速的要求，确定占空比，即通电时间与通电周期之比，再按照通、断电时间送出控制模型，使电机按要求的转速运转。

方向是通过改变4个开关的通电状态来实现的。

4.5.画图说明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？

解答：

根据题意画图如下：

图1.1计算机控制系统组成框图

计算机控制系统可由四部分构成：

（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。

（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。

5．根据转换结束信号EOC的不同接法，能构成哪几种A/D工作方式？

具体怎样接线？

答：

根据转换结束信号EOC的不同接法，能构成的工作方式有：

①查询方式：

EOC接一根口线。

②中断方式：

EOC接中断申请线INT0或INT1。

③延时等待方式

6.抖动、重键都是键盘设计中经常遇到的问题，用什麽方法可以解决？

答：

抖动是键盘工作中的常见现象，它将影响计算机对按键的查询工作的准确性。

常采用的防抖措施有：

①软件延时程序（一般为10--20毫秒）。

②硬件防抖电路：

双稳态电路及滤波电路。

7.微型计算机控制系统的特点是什么？

答：

微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：

a.控制规律灵活多样，改动方便

b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制

c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高

d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度

8.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2.1光电耦合器电路图

9.什么是逐点比较插补法？

直线插补计算过程有哪几个步骤？

答：

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。

10.计算机控制系统的常用接地方法是什么？

答：

（1）一点接地和多点接地

（2）模拟地和数字地的连接

（3）主机外壳接地

（4）多机系统的接地

11..数字控制器的模拟化设计步骤是什么？

模拟化设计步骤：

（1）设计假想的模拟控制器D（S）

（2）正确地选择采样周期T

（3）将D（S）离散化为D（Z）

（4）求出与D（S）对应的差分方程

（5）根据差分方程编制相应程序。

12.计算机控制系统中集散控制系统的体系结构分为哪几部分？

答:

计算机控制系统中集散控制系统（DCS）的体系结构分为分散过程控制级,集中操作监控级,综合信息管理级三部分.

13.RS-485串行通信总线采用什么传输方式？

它与RS-422A串行通信总线的区别是什么？

答:

RS-485串行通信总线采用的是不平衡传输方式.

区别在于RS-485为半双工工作方式,而RS-422A为全双工工作方式.且RS-422A适用于两点之间进行高速,远距离通信,而RS-485适用于多点之间进行高速,远距离通信.

14．数字PID控制算法中，Kp、Ti、Td的物理调节作用分别是什么？

Kp为比例增益,能减小误差,但不能消除稳态误差,但Kp加大会引起系统不稳定.

Ti为积分时间常数只要有足够的时间,积分控制将能完全消除误差但积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡.

Td为微分时间常数可以减小调整时间,从而改变系统的动态性能.

15．什么是数控系统？

数控系统包括哪些？

答：

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。

16.什么叫共模干扰，其抑制方法有哪些？

答：

共模干扰也称共态干扰，是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。

抑制方法有：

变压器隔离、光电隔离、浮地隔离、采用仪表放大器提高共模抑制比。

17.什么是干扰，干扰来源，抗干扰措施。

答：

就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。

外部干扰和内部干扰。

硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。

18．简述数字滤波技术，其算法有哪些?

答：

所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。

故实质上它是一种程序滤波。

算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法。

19.简述逐点比较法插补原理。

答：

所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。

20.计算机控制系统的发展趋势是什么？

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

五、综合与设计题（本题共6小题）

1．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

2．计算机控制系统框图如图所示。

图计算机控制系统框图

2．画出数字控制器的框图，并简单写出它的的直接设计步骤。

解答：

由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数D（z）。

数字控制器的直接设计步骤如下：

（1）根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数Φ（z）。

（2）求广义对象的脉冲传递函数G（z）。

（3）求取数字控制器的脉冲传递函数D（z）。

（4）根据D（z）求取控制算法的递推计算公式。

3.用微型机控制的D/A转换电路，如下图所示，试回答下列问题：

（1）说明图中DAC0832采用的是哪一种控制方式？

并说明PC1和PC0的作用分别是什麽？

（2）确定8255A端口地址

（3）画出完成D/A转换的程序流程图？

（4）已知待转换的数据存于DATA单元中，用汇编语言编写出完成上述D/A转换的程序。

4．计算机控制系统在选择A／D变换器时应注意哪几项指标？

这些性能指标应根据什么原则选取？

答：

（1）精度：

应高于传感器的精度一个数量级；

（2）分辨率：

即字长，应根据测试信号的动态范围确定；

（3）转换速率：

根据系统的频带或信号的变化频率。

5.画图说明计算机系统的硬件由哪几部分组成？

各部分的作用是什么？

答：

画图如下：

图1.1微机控制系统组成框图

由四部分构成：

（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。

（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。

6.画出典型计算机控制系统的基本框图，说明各模块的作用。

答：

典型计算机控制系统的基本框图如下：

分五个模块分别简单介绍：

（略）

7.给出计算机多通道复用一个D/A转换器实现控制的原理示意图，并作简单原理解释。

答：

画图如下

分五个模块分别简单介绍：

（略）

8.

六、名词术语解释（本题共20个）

1.接口：

接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁。

2.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。

3.HMI：

人机界面，就是使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口。

4.信号调理：

为了将外部开关量信号输入到计算机、必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。

5.积分分离：

在PID控制中，为了提高控制性能，当偏差e（k）较大时，取消积分作用（采用PD控制）；当偏差e（k）较小时才将积分作用投入（采用PID控制）。

6.软件陷阱：

就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。

7.量化过程：

所谓量化，就是采用一组数据来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。

8.采样过程：

按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，变成在时刻0、T、2T、…kT的一连串脉冲输出信号的过程。

9.数据是描述客观事物的数、字符，以及所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的集合。

10.中断：

使cpu暂停运行原来的程序，按照紧急事件的需要转去执行为中断源服务的程序，待该程序处理完后，再返回运行原来的程序。

11.串行通信：

使数据一位一位地依次进行传输而实现通信。

在传输中每一位数据都占据一个固定的时间长度。

12.DSP：

数字信号处理器，以数字信号来处理大量信息的器件，是一种适合于实现各种数字信号处理运算的微处理器。

13.现场总线：

14.DCS：

15.FCS：

16.PID控制

17.PLC：

18.IPC

19.DDC

20.SCC

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