1第一章 計算機控制系統概述習題及參考答案1.計算機控制系統的控制過程是怎樣的?計算機控制系統的控制過程可歸納為以下三個步驟：(1)實時數據采集：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。(2)實時決策：對采集到的表征被控參數的狀態量進行分析，并按已定的控制規律，決定下一步的控制過程。(3)實時控制：根據決策，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。3.微型計算機控制系統的硬件由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？由四部分組成。圖 1.1 微機控制系統組成框圖(1)主機：這是微型計算機控制系統的核心，通過接口它可以向系統的各個部分發出各種命令，同時對被控對象的被控參數進行實時檢測及處理。主機的主要功能是控制整個生產過程，按控制規律進行各種控制運算(如調節規律運算、最優化計算等)和操作，根據運算結果作出控制決策；對生產過程進行監督，使之處于最優工作狀態；對事故進行預測和報警；編制生產技術報告，打印制表等等。(2)輸入輸出通道：這是微機和生產對象之間進行信息交換的橋梁和紐帶。過程輸入通道把生產對象的被控參數轉換成微機可以接收的數字代碼。過程輸出通道把微機輸出的控制命令和數據，轉換成可以對生產對象進行控制的信號。過程輸入輸出通道包括模擬量輸入輸出通道和數字量輸入輸出通道。(3)外部設備：這是實現微機和外界進行信息交換的設備，簡稱外設，包括人機聯系設備(操作臺)、輸入輸出設備(磁盤驅動器、鍵盤、打印機、顯示終端等)和外存貯器(磁盤)。其中操作臺應具備顯示功能，即根據操作人員的要求，能立即顯示所要求的內容；還應有按鈕，完成系統的啟、停等功能；操作臺還要保證即使操作錯誤也不會造成惡劣后果，即應有保護功能。(4)檢測與執行機構a.測量變送單元：在微機控制系統中，為了收集和測量各種參數，采用了各種檢測元件及變送器，其主要功能是將被檢測參數的非電量轉換成電量，例如熱電偶把溫度轉換成 mV 信號；壓力變送器可以把壓力轉換變為電信號，這些信號經變送器轉換成統一的計算機標準電平信號(05V 或 420mA)后，再2送入微機。b.執行機構：要控制生產過程，必須有執行機構，它是微機控制系統中的重要部件，其功能是根據微機輸出的控制信號，改變輸出的角位移或直線位移，并通過調節機構改變被調介質的流量或能量，使生產過程符合預定的要求。例如，在溫度控制系統中，微機根據溫度的誤差計算出相應的控制量，輸出給執行機構(調節閥)來控制進入加熱爐的煤氣(或油)量以實現預期的溫度值。常用的執行機構有電動、液動和氣動等控制形式，也有的采用馬達、步進電機及可控硅元件等進行控制。5.微型計算機控制系統的特點是什么？微機控制系統與常規的自動控制系統相比，具有如下特點：a.控制規律靈活多樣，改動方便b.控制精度高，抑制擾動能力強，能實現最優控制c.能夠實現數據統計和工況顯示，控制效率高d.控制與管理一體化，進一步提高自動化程度6.操作指導、DDC 和 SCC 系統工作原理如何？它們之間有何區別和聯系？(1)操作指導控制系統：在操作指導控制系統中，計算機的輸出不直接作用于生產對象，屬于開環控制結構。計算機根據數學模型、控制算法對檢測到的生產過程參數進行處理，計算出各控制量應有的較合適或最優的數值，供操作員參考，這時計算機就起到了操作指導的作用。其原理框圖如圖 1.2 所示。圖 1.2 操作指導控制系統原理框圖(2)直接數字控制系統(DDC 系統)：DDC(Direct Digital Control)系統就是通過檢測元件對一個或多個被控參數進行巡回檢測，經輸入通道送給微機，微機將檢測結果與設定值進行比較，再進行控制運算，然后通過輸出通道控制執行機構，使系統的被控參數達到預定的要求。DDC 系統是閉環系統，是微機在工業生產過程中最普遍的一種應用形式。其原理框圖如圖 1.3 所示。圖 1.3 DDC 系統原理框圖(3)計算機監督控制系統(SCC 系統)：SCC(Supervisory Computer Control)系統比 DDC 系統更接近生產3變化的實際情況，因為在 DDC 系統中計算機只是代替模擬調節器進行控制，系統不能運行在最佳狀態，而 SCC 系統不僅可以進行給定值控制，并且還可以進行順序控制、最優控制以及自適應控制等。SCC 系統的原理框圖如圖 1.4 所示。圖 1.4 SCC 系統原理框圖SCC 是操作指導控制系統和 DDC 系統的綜合與發展。4第二章 輸入輸出過程通道習題及參考答案1.什么是過程通道？過程通道有哪些分類？過程通道是在計算機和生產過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。按信息傳遞的方向來分，過程通道可分為輸入過程通道和輸出過程通道；按所傳遞和交換的信息來分，過程通道又可分為數字量過程通道和模擬量過程通道。2.數字量過程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？數字量過程通道包括數字量輸入通道和數字量輸出通道。數字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定時計數電路等組成。數字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：輸入調理電路將來自控制裝置或生產過程的各種開關量，進行電平轉換，將其通斷狀態轉換成相應的高、低電平，同時還要考慮對信號進行濾波、保護、消除觸點抖動，以及進行信號隔離等問題。5.模擬量輸入通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？模擬量輸入通道一般由 I/V 變換、多路轉換器、采樣保持器、A/D 轉換器、接口及控制邏輯電路組成。(1)I/V 變換：提高了信號遠距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減，為與標準化儀表和執行機構匹配提供了方便。(2)多路轉換器：用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。(3)采樣保持器：A/D 轉換器完成一次 A/D 轉換總需要一定的時間。在進行 A/D 轉換時間內，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在 A/D 轉換器之前加入采樣保持器。(4)A/D 轉換器：模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉換成數字量，能夠完成這一任務的器件，稱為之模/數轉換器(Analog/Digital Converter，簡稱 A/D 轉換器或 ADC)。9.A/D 轉換器的結束信號有什么作用？根據該信號在 I/O 控制中的連接方式，A/D 轉換有幾種控制方式？它們在接口電路和程序設計上有什么特點？A/D 轉換器的結束信號的作用是用以判斷本次 AD 轉換是否完成。常見的 A/D 轉換有以下幾種控制方式，各自特點如下延時等待法:EOC 可不和 I/O 口連接，程序設計時，延時大于 ADC 轉換時間后，取數據。保持等待法:EOC 與 READY 相連,EOC 無效時,自動插入等待狀態。直至 EOC 有效時，取數據。查詢法: EOC 可以和任意 I/O 口連接，程序設計時，反復判斷 EOC 是否有效，直至 EOC 有效時，取數據。中斷響應法: EOC 與外部中斷相連，AD 轉換結束后,發中斷申請,在中斷服務程序中取數據。11.設計出 8 路模擬量采集系統。請畫出接口電路原理圖，并編寫相應的 8 路模擬量數據采集程序。5本例給出用 8031、DAC0809 設計的數據采集系統實例。把采樣轉換所得的數字量按序存于片內 RAM 的 30H37H 單元中。采樣完一遍后停止采集。其數據采集的初始化程序和中斷服務程序如下：初始化程序：MOV R0，#30H ；設立數據存儲區指針MOV R2，#08H ；設置 8 路采樣計數值SETB IT0 ；設置外部中斷 0 為邊沿觸發方式 SETB EA ；CPU 開放中斷 SETB EX0 ；允許外部中斷 0中斷MOV DPTR，#FEF8H ；送入口地址并指向 IN0LOOP： MOVX DPTR，A ；啟動 A/D 轉換，A 的值無意義HERE： SJMP HERE ；等待中斷中斷服務程序：MOVX A，DPTR ；讀取轉換后的數字量MOV R0，A ；存入片內 RAM 單元INC DPTR ；指向下一模擬通道INC R0 ；指向下一個數據存儲單元DJNZ R2，INT0 ；8 路未轉換完，則繼續CLR EA ；已轉換完，則關中斷CLR EX0 ；禁止外部中斷 0 中斷RETI ；中斷返回INT0： MOVX DPTR，A ；再次啟動 A/D 轉換RETI ；中斷返回 12.模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A 轉換器、功率放大和 V/I 變換等信號調理電路組成。(1)D/A 轉換器：模擬量輸出通道的核心是數/模轉換器(Digital/Analog Converter,簡稱 D/A 轉換器或DAC)。它是指將數字量轉換成模擬量的元件或裝置。(2)V/I 變換：一般情況下，D/A 轉換電路的輸出是電壓信號。在計算機控制系統中，當計算機遠離現6場，為了便于信號的遠距離傳輸，減少由于傳輸帶來的干擾和衰減，需要采用電流方式輸出模擬信號。許多標準化的工業儀表或執行機構，一般是采用 010mA 或 420mA 的電流信號驅動的。因此，需要將模擬電壓信號通過電壓/電流(V/I)變換技術，轉化為電流信號。13.采用 DAC0832 和 PC 總線工業控制機接口。請畫出接口電路原理圖，并編寫產生三角波、梯形波和鋸齒波的程序。設計一八路數據采集及其回放系統。要求八路數據巡回檢測，存儲 10 組數據，輸數據為電壓信號（0-5V） ，檢測精度1%。CPU、AD、DA 可任選。ILEVCC VREFDI7-SDI0DAC0832IOUT2WRXFEDGNDAGNDD7D0地址譯碼Y地 址 線 1IO /MWR8086CPU Rfb -IOUT1 UoA5V數 據 總 線7第四章 微型計算機控制系統的控制算法習題及參考答案1.數字控制器的模擬化設計步驟是什么？模擬化設計步驟：（1）設計假想的模擬控制器 D(S)（2）正確地選擇采樣周期 T（3）將 D(S)離散化為 D(Z)（4）求出與 D(S)對應的差分方程（5）根據差分方程編制相應程序。2.某連續控制器設計為 sTD21試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數字控制器 D(Z)。雙線形變換法：把 代入，則1zs 22112112 TzT-zT|zDTs 前向差分法：把 代入，則-z 221121211 TzTs|sDzTz 后向差分法：把 代入，則z 221121211 TzTs|sDzTz 3.在 PID 調節器中系數 、 、 各有什么作用？它們對調節品質有什么影響？pkid系數 為比例系數，提高系數 可以減小偏差，但永遠不會使偏差減小到零，而且無止境地提高系數pk最終將導致系統不穩定。比例調節可以保證系統的快速性。系數 為積分常數， 越大積分作用越弱，積分調節器的突出優點是，只要被調量存在偏差，其輸出的i ik調節作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零。在被調量的偏差消除后，由于積分規律的特點，輸出將停留在新的位置而不回復原位，因而能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點，其動作過于遲緩，因而在改善靜態品質的同時，往往使調節的動態品質變壞，過渡過程時間加長。積分調節可以消除靜差，提高控制精度。8系數 為微分常數， 越大微分作用越強。微分調節主要用來加快系統的相應速度，減小超調，克服dkdk振蕩，消除系統慣性的影響。4.什么是數字 PID 位置型控制算法和增量型控制算法？試比較它們的優缺點。為了實現微機控制生產過程變量，必須將模擬 PID 算式離散化，變為數字 PID 算式，為此，在采樣周期 T 遠小于信號變化周期時，作如下近似(T 足夠小時，如下逼近相當準確，被控過程與連續系統十分接近)： Tkedtjtkj)1(00于是有： )()()()(0kejekKudipu(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執行機構的位置(如控制閥門的開度)一一對應，所以稱之為位置型 PID 算法。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量 u(k)不僅與本次偏差有關，還與過去歷次采樣偏差有關，使得 u(k)產生大幅度變化，這樣會引起系統沖擊，甚至造成事故。所以實際中當執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可以采用增量型 PID 算法。當控制系統中的執行器為步進電機、電動調節閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一般均采用增量型 PID 控制算法。 )2(1)()1()( kekeTkeKkudip與位置算法相比，增量型 PID 算法有如下優點：(1)位置型算式每次輸出與整個過去狀態有關，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調節器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。(2)為實現手動自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設置為原始閥門開度 u0，若采用增量型算法，其輸出對應于閥門位置的變化部分，即算式中不出現 u0項，所以易于實現從手動到自動的無擾動切換。(3)采用增量型算法時所用的執行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發生故障，執行器仍能保持在原位，不會對生產造成惡劣影響。5.已知模擬調節器的傳遞函數為 s.sD08517試寫出相應數字控制器的位置型和增量型控制算式，設采樣周期 T=0.2s。s.sEU則 sSE.S. 1700859dte.tdu.t 170085Tke.kTk.k 1把 T=0.2S 代入得534142501 -.u. 位置型 1298.06.79.3kukekeku增量型 7.6.有哪幾種改進的數字 PID 控制器？有四種：（1）積分分離 PID 控制算法（2）不完全微分 PID 控制算法（3）帶死區的 PID 控制算法（4）消除積分不靈敏區的 PID 控制9.數字控制器直接設計步驟是什么？計算機控制系統框圖如圖 41 所示。圖 41 計算機控制系統框圖由廣義對象的脈沖傳遞函數可得閉環脈沖傳遞函數，可求得控制器的脈沖傳遞函數 D(z)。數字控制器的直接設計步驟如下：(1)根據控制系統的性質指標要求和其它