第三章 微機數(shù)控系統(tǒng)習(xí)題及參考答案1.什么是數(shù)控系統(tǒng)？數(shù)控系統(tǒng)包括哪些？數(shù)控系統(tǒng)是采用數(shù)字電子技術(shù)和計算機技術(shù)，對生產(chǎn)機械進行自動控制的系統(tǒng)，它包括順序控制和數(shù)字程序控制兩部分。2.什么是順序控制系統(tǒng)？它由哪幾部分組成？微機順序控制方式是指以預(yù)先規(guī)定好的時間或條件為依據(jù)，按預(yù)先規(guī)定好的動作次序順序地進行工作。一般地，把按時序或事序規(guī)定工作的自動控制稱為順序控制。它包括系統(tǒng)控制器、輸入電路、輸入接口、輸出電路、輸出接口、檢測機構(gòu)、顯示與報警電路。3.微機數(shù)控系統(tǒng)由哪些部分組成？各部分的作用是什么？由五部分組成。(1)輸入裝置：一般指微機的輸入設(shè)備，如鍵盤。其作用是輸入數(shù)控系統(tǒng)對生產(chǎn)機械進行自動控制時所必需的各種外部控制信息和加工數(shù)據(jù)信息。(2)微機：微機是MNC系統(tǒng)運算和控制的核心。在系統(tǒng)軟件指揮下，微機根據(jù)輸入信息，完成數(shù)控插補器和控制器運算，并輸出相應(yīng)的控制和進給信號。若為閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，則由位置檢測裝置輸出的反饋信息也送入微機進行處理。(3)輸出裝置：一般包括輸出緩沖電路、隔離電路、輸出信號功率放大器、各種顯示設(shè)備等。在微機控制下，輸出裝置一方面顯示加工過程中的各有關(guān)信息，另一方面向被控生產(chǎn)機械輸出各種有關(guān)的開關(guān)量控制信號(冷卻、啟、停等)，還向伺服機構(gòu)發(fā)出進給脈沖信號等。(4)伺服機構(gòu)：一般包括各種伺服元件和功率驅(qū)動元件。其功能是將輸出裝置發(fā)出的進給脈沖轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)機械相應(yīng)部件的機械位移(線位移、角位移)運動。(5)加工機械：即數(shù)控系統(tǒng)的控制對象，各種機床、織機等。目前已有專門為數(shù)控裝置配套設(shè)計的各種機械，如各種數(shù)控機床，它們的機械結(jié)構(gòu)與普通機床有較大的區(qū)別。4.什么是逐點比較插補法？直線插補計算過程和圓弧插補計算過程各有哪幾個步驟？逐點比較法插補運算，就是在某個坐標方向上每走一步（即輸出一個進給脈沖），就作一次計算，將實際進給位置的坐標與給定的軌跡進行比較，判斷其偏差情況，根據(jù)偏差，再決定下一步的走向（沿X軸進給，還是沿Y軸進給）。逐點比較法插補的實質(zhì)是以階梯折線來逼近給定直線或圓弧曲線，最大逼近誤差不超過數(shù)控系統(tǒng)的一個脈沖當量（每走一步的距離，即步長）。直線插補計算過程的步驟如下： (1)偏差判別：即判別上一次進給后的偏差值Fm是最大于等于零，還是小于零；(2)坐標進給：即根據(jù)偏差判斷的結(jié)果決定進給方向，并在該方向上進給一步； (3)偏差計算：即計算進給后的新偏差值Fm+1，作為下一步偏差判別的依據(jù)；(4)終點判別：即若已到達終點，則停止插補；若未到達終點，則重復(fù)上述步驟。圓弧插補計算過程的步驟如下：(1)偏差判別(2)坐標進給(3)偏差計算(4)坐標計算(5)終點判別5.若加工第二象限直線OA，起點O（0，0），終點A（-4，6）。要求：(1)按逐點比較法插補進行列表計算；(2)作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。解：由題意可知xe=4,ye=6，F(xiàn)0=0，我們設(shè)置一個總的計數(shù)器Nxy,其初值應(yīng)為Nxy=|6-0|+|-4-0|=10，則插補計算過程如表31所示。根據(jù)插補計算過程表所作出的直線插補走步軌跡圖如下圖所示。表31步數(shù)偏差判別坐標進給偏差計算終點判別起點F0=0Nxy=101F0=0-XF1=F0-ye=-6Nxy=92F10+YF2=F1+xe=-2Nxy=83F20-XF4=F3-ye=-4Nxy=65F40+YF5=F4+xe=0Nxy=56F5=0-XF6=F5-ye=-6Nxy=47F60+YF7=F6+xe=-2Nxy=38F70-XF9=F8-ye=-4Nxy=110F90+YF10=F9+xe=0Nxy=06.設(shè)加工第一象限的圓弧AB，起點A（6，0），終點B（0，6）。要求：(1)按逐點比較法插補進行列表計算；(2)作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。解：插補計算過程如表32所示。終點判別仍采用第二種方法，設(shè)一個總的計數(shù)器Nxy，每走一步便減1操作，當Nxy=0時，加工到終點，插補運算結(jié)束。下圖為插補過程中的走步軌跡。表32步數(shù)偏差判別坐標進給偏差計算坐標計算終點判別起點F0=0x0=6,y0=0Nxy=121F0=0-XF1=0-12+1=-11x1=5,y1=0Nxy=112F10+YF2=-11+0+1=-10x2=5,y2=1Nxy=103F20+YF3=-10+2+1=-7x3=5,y3=2Nxy=94F30+YF4=-7+4+1=-2x4=5,y4=3Nxy=85F40-XF6=5-10+1=-4x6=4,y6=4Nxy=67F60-XF8=5-8+1=-2x8=3,y8=5Nxy=49F80-XF10=9-6+1=4x10=2,y10=6Nxy=211F100-XF11=4-4+1=1x11=1,y11=6Nxy=112F110-XF12=1-2+1=0x12=0,y12=6Nxy=07.三相步進電機有哪幾種工作方式？分別畫出每種工作方式的各相通電順序和電壓波形圖。有三種工作方式：（1）三相單三拍工作方式各相的通電順序為ABC,各相通電的電壓波形如圖3.1所示。圖3.1單三拍工作的電壓波形圖（2）三相雙三拍工作方式雙三拍工作方式各相的通電順序為ABBCCA。各相通電的電壓波形如圖3.2所示。圖3.2雙三拍工作的電壓波形圖（3）三相六拍工作方式在反應(yīng)式步進電機控制中，把單三拍和雙三拍工作方式結(jié)合起來，就產(chǎn)生了六拍工作方式，其通電順序為AABBBCCCA。各相通電的電壓波形如圖3.3所示。圖3.3三相六拍工作的電壓波形圖8. 采用三相六拍方式控制X軸走向步進電機。P1.0P1.1P1.2P1.7非門非門非門光電隔離功率放大步進電機ABC方向控制(“1”正轉(zhuǎn),“0”反轉(zhuǎn))8031主程序: MOV A，#0FH；方向輸入信號 MOV P1，AXMM： MOV A，P1 JNB ACC.7，XM；P1.7=0反轉(zhuǎn) LCALL STEP1；調(diào)正轉(zhuǎn)子程序 SJMP XMMXM： LCALL STP2；調(diào)反轉(zhuǎn)子程序 SJMP XMM+X走步子程序： STEP1： MOV DPTR，#TAB；指表頭 CLR A MOVX A，A+DPTR；取數(shù) CJNE A，#05H，S11；是否最后單元 MOV DPTR，#TAB； 重置表頭 SJMP S12S11： INC DPTR；地址加1 S12： MOV R0，#7FH；延時 S13： DJNZ R0，S13； CLR A； MOVX A，A+DPTR；取數(shù)據(jù) MOV P1，A RET-X走步子程序： STEP2： MOV DPTR，#TAB CLR A MOVX A，A+DPTR； CJNZ A，#01H，S21 MOV DPTR，#TAB ADD DPTR，#0006H SJMP S12S21： CLR C DEC DPL SJMP S12TAB： DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H本章作業(yè)若加工第二象限直線OA和圓弧AB，已知直線起點O（0，0），終點A（-4，6）。圓弧起點A（-4，6），終點A（-6，10）要求：(1)按逐點比較法插補進行列表計算；(2)作出走步軌跡圖，并標明進給方向和步數(shù)。第四章 微型計算機控制系統(tǒng)的控制算法習(xí)題及參考答案1.數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計步驟是什么？模擬化設(shè)計步驟：（1）設(shè)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(yīng)的差分方程（5）根據(jù)差分方程編制相應(yīng)程序。2.某連續(xù)控制器設(shè)計為試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器D(Z)。雙線形變換法：把代入，則前向差分法：把代入，則 后向差分法：把代入，則3.在PID調(diào)節(jié)器中系數(shù)、各有什么作用？它們對調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響？系數(shù)為比例系數(shù)，提高系數(shù)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(shù)最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速性。系數(shù)為積分常數(shù)，越大積分作用越弱，積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)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(tài)品質(zhì)的同時，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間加長。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，提高控制精度。系數(shù)為微分常數(shù)，越大微分作用越強。微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的相應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩，消除系統(tǒng)慣性的影響。4.什么是數(shù)字PID位置型控制算法和增量型控制算法？試比較它們的優(yōu)缺點。為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變量，必須將模擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)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(xù)系統(tǒng)十分接近)：于是有：u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置(如控制閥門的開度)一一對應(yīng)，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(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得u(k)產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以實際中當執(zhí)行機構(gòu)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(tǒng)中的執(zhí)行器為步進電機、電動調(diào)節(jié)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。與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點：(1)位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)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(diào)節(jié)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(xiàn)手動自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度u0，若采用增量型算法，其輸出對應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)u0項，所以易于實現(xiàn)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(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。5.已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式，設(shè)采樣周期T=0.2s。則 把T=0.2S代入得位置型增量型6.有哪幾種改進的數(shù)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(qū)的PID控制算法（4）消除積分不靈敏區(qū)的PID控制7.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？(1)從調(diào)節(jié)品質(zhì)上看，希望采樣周期短，以減小系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度。通常保證在95%的系統(tǒng)的過渡過程時間內(nèi)，采樣6次15次即可。(2)從快速性和抗擾性方面考慮，希望采樣周期盡量短，這樣給定值的改變可以迅速地通過采樣得到反映，而不致產(chǎn)生過大的延時。(3)從計算機的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應(yīng)長些，尤其是多回路控制時，應(yīng)使每個回路都有足夠的計算時間；當被控對象的純滯后時間較大時，常選T=（1/41/8）。(4)從計算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過短，當主機字長較小時，若T過短，將使前后兩次采樣值差別小，調(diào)節(jié)作用因此會減弱。另外，若執(zhí)行機構(gòu)的速度較低，會出現(xiàn)這種情況，即新的控制量已輸出，而前一次控制卻還沒完成，這樣采樣周期再短也將毫無意義，因此T必須大于執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)時間。8.簡述擴充臨界比例度法、擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：(1)選擇一個足夠短的采樣周期T，例如被控過程有純滯后時，采樣周期T取滯后時間的1/10以下，此時調(diào)節(jié)器只作純比例控制，給定值r作階躍輸入。(2)逐漸加大比例系數(shù)Kp，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩過程求得相應(yīng)的臨界振蕩周期Ts，并記下此時的比例系數(shù)Kp，將其記作臨界振蕩增益Ks。此時的比例度為臨界比例度，記作。(3)選擇控制度，所謂控制度是數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器所對應(yīng)的過渡過程的誤差平方的積分之比。(4)根據(jù)控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。(5)按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行，觀察控制效果，再適當調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟：(1)斷開數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)。將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近并穩(wěn)定后，然后突然改變給定值，即給對象輸入一個階躍信號。(2)用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖所示。(3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間、被控對象的時間常數(shù)Tc，以及它們的比值Tc/。(4)由、Tc、Tc/值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。9.數(shù)字控制器直接設(shè)計步驟是什么？計算機控制系統(tǒng)框圖如圖41所示。圖41計算機控制系統(tǒng)框圖由廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)可得閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，可求得控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。數(shù)字控制器的直接設(shè)計步驟如下：(1)根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標要求和其它約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)(z)。(2)求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)。(3)求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。(4)根據(jù)D(z)求取控制算法的遞推計算公式。10.被控對象的傳遞函數(shù)為 采樣周期T=1s，采用零階保持器，針對單位速度輸入函數(shù)，設(shè)計： (1)最少拍控制器； (2)畫出采樣瞬間數(shù)字控制器的輸出和系統(tǒng)的輸出曲線。(1)最少拍控制器可以寫出系統(tǒng)的廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)將T=1S代入，有由于輸入r(t)=t，則(2)系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)則當輸入為單位速度信號時，系統(tǒng)輸出序列Z變換為y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,11.被控對象的傳遞函數(shù)為采樣周期T=1s，要求：(1)采用Smith補償控制，求取控制器的輸出；(2)采用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器，并求取的遞推形式。(1)采用Smith補償控制廣義對象的傳遞函數(shù)為其中則(2)采用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器取T=1S,K=1,T1=1,L=1,設(shè)期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)T0=0.5S則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為廣義被控對象的脈沖傳遞函數(shù)為則又則上式反變換到時域，則可得到12.何為振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？所謂振鈴現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出u(k)以接近二分之一的采樣頻率大幅度上下擺動。它對系統(tǒng)的輸出幾乎是沒有影響的，但會使執(zhí)行機構(gòu)因磨損而造成損壞。消除振鈴現(xiàn)象的方法：（1）參數(shù)選擇法對于一階滯后對象，如果合理選擇期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)T0和采樣周期T，使RA0，就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使RA0，也可以把RA減到最小，最大程度地抑制振鈴。（2）消除振鈴因子法找出數(shù)字控制器D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(即z=-1附近的極點)，然后人為地令其中的z=1，就消除了這個極點。根據(jù)終值定理，這樣做不影響輸出的穩(wěn)態(tài)值，但卻改變了數(shù)字控制器的動態(tài)特性，從而將影響閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。13.前饋控制完全補償?shù)臈l件是什么？前饋和反饋相結(jié)合有什么好處？前饋控制完全補償?shù)臈l件是。如果能將擾動因素測量出來，預(yù)先將其變化量送到系統(tǒng)中進行調(diào)整，這樣在被調(diào)量改變之前就能克服這些擾動的影響。這種擾動的預(yù)先調(diào)整作用就稱為前饋。若參數(shù)選擇得合適，前饋控制可取得良好的控制效果。但實際上，前饋控制環(huán)節(jié)的參數(shù)不易選得那么準確，而且一個實際系統(tǒng)的擾動也不只一個，因此反饋控制還是不可少的。主要擾動引起的誤差，由前饋控制進行補償；次要擾動引起的誤差，由反饋控制予以抑制，這樣在不提高開環(huán)增益的情況下，各種擾動引起的誤差均可得到補償，從而有利于同時兼顧提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的要求。14.與PID控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制具有哪些優(yōu)點？與PID控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制的優(yōu)點：（1）模糊控制可以應(yīng)用于具有非線性動力學(xué)特征的復(fù)雜系統(tǒng)。（2）模糊控制不用建立對象精確的數(shù)學(xué)模型。（3）模糊控制系統(tǒng)的魯棒性好。（4）模糊控制是以人的控制經(jīng)驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法。15.多變量控制系統(tǒng)解耦條件是什么？多變量控制系統(tǒng)解耦條件是系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為對角線矩陣。本章作業(yè)用C語言編寫數(shù)字PID算法、大林算法、施密斯算法通用子程序。第五章 微型計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計習(xí)題及參考答案1.簡述應(yīng)用軟件的設(shè)計步驟。圖51給出了應(yīng)用軟件設(shè)計的流程圖，它描述了應(yīng)用軟件設(shè)計的基本任務(wù)和設(shè)計過程。圖51 應(yīng)用軟件設(shè)計流程圖（1）問題定義（2）程序設(shè)計（3）手編程序（4）差錯（5）測試（6）文件編制（7）維護和再設(shè)計2.什么是計算延時？當采樣信號送入CPU，按控制算法要求進行數(shù)據(jù)處理時，由于計算機執(zhí)行每條指令均需要一定時間，這樣，從數(shù)據(jù)采樣到結(jié)果輸出之間就要產(chǎn)生一定的時間延遲，稱為計算延時。3.如何在應(yīng)用軟件設(shè)計中減少計算延時？在應(yīng)用軟件設(shè)計過程中，為減少計算延時，通常將運算分為前臺運算和后臺運算。前臺運算：為得到當前輸出值U(k)，而必須進行的運算。后臺運算：為得到下一時刻輸出值U(k +1)以及與當前輸出無關(guān)的其他計算和管理算法。 N采樣時刻到？A/D采樣前臺算法D/A輸出Y后臺算法4.標度變換在工程上有什么意義？在什么情況下使用標度變換程序？微機控制系統(tǒng)在讀入被測模擬信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，往往還要轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的工程值。這是因為生產(chǎn)現(xiàn)場的各種工藝參數(shù)量綱不同。例如，壓力的單位為Pa，流量的單位為m3/h，溫度的單位為。這些參數(shù)A/D轉(zhuǎn)換后得到一系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼的值并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它僅代表參數(shù)值的大小，故必須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能運算、顯示或打印輸出。這種轉(zhuǎn)換稱為工程量轉(zhuǎn)換，也稱為標度變換。標度變換有各種不同類型，它取決于被測參數(shù)測量傳感器的類型，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況選擇適當?shù)臉硕茸儞Q方法，常用線性參數(shù)標度變換。第六章 微型計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)習(xí)題及參考答案1.干擾的作用途徑是什么？ 無論是內(nèi)部干擾還是外部干擾，都是從以下幾個途徑作用于系統(tǒng)的。(1) 傳導(dǎo)耦合(2) 靜電耦合(3) 電磁耦合(4) 公共阻抗耦合2.什么是共模干擾和串模干擾？如何抑制？共模干擾是在電路輸入端相對公共接地點同時出現(xiàn)的干擾，也稱為共態(tài)干擾、對地干擾、縱向干擾、同向干擾等。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號源的地之間的傳輸線上電壓降造成得。消除共模干擾的方法有以下幾種:變壓器隔離；光電隔離；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的儀表放大器作為輸入放大器。串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號上的干擾，也稱之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等。消除串模干擾的方法有以下幾種：在輸入回路中接入模擬濾波器；使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器；采用雙絞線作為信號線；電流傳送，3.數(shù)字濾波與模擬濾波相比有什么特點？數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比，有以下幾個優(yōu)點：(1)數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好；(2)數(shù)字濾波可以對頻率很低(如0.01Hz)的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷；(3)數(shù)字濾波器可根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強的特點。4.常用的數(shù)字濾波方法有幾種？它們各自有什么特點？常用的數(shù)字濾波方法有7種。（1）程序判斷濾波法：是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現(xiàn)得最大偏差。（2）中值濾波法：它對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效。（3）算術(shù)平均值濾波法：它適用于一般的具有隨機干擾信號的濾波。它特別適合于信號本身在某一數(shù)值范圍附近作上下波動的情況。（4）加權(quán)平均值濾波：可以提高濾波效果（5）滑動平均值濾波法：采樣時間短，可以提高檢測速度（6）慣性濾波法：適用于慢速隨機變量的濾波（7）復(fù)合數(shù)字濾波：比單純的平均值濾波的效果要好5.算術(shù)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波以及滑動平均濾波三者的區(qū)別是什么？算術(shù)平均值法適用于對壓力、流量等周期脈動信號的平滑，這種信號的特點是往往在某一數(shù)值范圍附近作上、下波動，有一個平均值。這種算法對信號的平滑程度取決于平均次數(shù)N，當N較大時平滑度高，但靈敏度低；當N較小時，平滑度低，但靈敏度高，應(yīng)該視具體情況選取N值。對于一般流量，通常取N=12；若為壓力，則取N=4。在算術(shù)平均濾波中，N次采樣值在結(jié)果中所占的比重是均等的，即每次采樣值具有相同的加權(quán)因子1/N。但有時為了提高濾波效果，往往對不同時刻的采樣值賦以不同的加權(quán)因子。這種方法稱為加權(quán)平均濾波法，也稱滑動平均或加權(quán)遞推平均。其算法為 其中。加權(quán)因子選取可視具體情況決定，一般采樣值愈靠后，賦予的比重越大，這樣可增加新的采樣值在平均值中的比例，系統(tǒng)對正常變化的靈敏性也可提高，當然對干擾的靈敏性也稍大了些?；瑒悠骄禐V波法，依次存放N次采樣值，每采進一個新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個數(shù)據(jù)丟掉，然后求包含新值在內(nèi)的N個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。6.計算機控制系統(tǒng)的常用接地方法是什么？（1）一點接地和多點接地（2）模擬地和數(shù)字地的連接（3）主機外殼接地（4）多機系統(tǒng)的接地7.微機常用的直流穩(wěn)壓電源由哪些部分組成？各部分的作用是什么？微機常用的直流穩(wěn)壓電源如圖61所示。該電源采用了雙隔離、雙濾波和雙穩(wěn)壓措施，具有較強的抗干擾能力，可用于一般工業(yè)控制場合。圖61 抗干擾直流穩(wěn)壓電源示意圖（1）隔離變壓器隔離變壓器的作用有兩個：其一是防止浪涌電壓和尖峰電壓直接竄入而損壞系統(tǒng)；其二是利用其屏蔽層阻止高頻干擾信號竄入。（2）低通濾波器各種干擾信號一般都有很強的高頻分量，低通濾波器是有效的抗干擾器件，它允許工頻50Hz電源通過，而濾掉高次諧波，從而改善供電質(zhì)量。（3）交流穩(wěn)壓器交流穩(wěn)壓器的作用是保證供電的穩(wěn)定性，防止電源電壓波動對系統(tǒng)的影響。（4） 電源變壓器電源變壓器是為直流穩(wěn)壓電源提供必要的電壓而設(shè)置的。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，電源變壓器做成雙屏蔽形式。（5）直流穩(wěn)壓系統(tǒng)直流穩(wěn)壓系統(tǒng)包括整流器、濾波器、直流穩(wěn)壓器和高頻濾波器等幾部分，常用的直流穩(wěn)壓電路如圖62所示。圖62 直流穩(wěn)壓系統(tǒng)電路圖一般直流穩(wěn)壓電源用的整流器多為單相橋式整流，直流側(cè)常采用電容濾波。圖中C1為平滑濾波電容，常選用幾百幾千F的電解電容，用以減輕整流橋輸出電壓的脈動。C2為高頻濾波電容，常選用0.010.1F的瓷片電容，用于抑制浪涌的尖峰。作為直流穩(wěn)壓器件，現(xiàn)在常用的就是三端穩(wěn)壓器78XX和79XX系列芯片，這類穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，負載穩(wěn)定度為15mV，具有過電流和輸出短路保護，可用于一般微機系統(tǒng)。三端穩(wěn)壓電源的輸出端常接兩個電容C3和C4，C3主要起負載匹配作用，常選用幾十幾百F的電解電容；C4中抗高頻干擾電容，常選取0.010.1F的瓷片電容。第七章 總線技術(shù)習(xí)題及參考答案1.何謂總線？總線有什么功能？總線標準是怎樣形成的？總線是一組信號線的集合。這些線是系統(tǒng)的各插件間(或插件內(nèi)部芯片間)、各系統(tǒng)之間傳送規(guī)定信息的公共通道，有時也稱數(shù)據(jù)公路，通過它們可以把各種數(shù)據(jù)和命令傳送到各自要去的地方。在微型計算機的硬件設(shè)計中，許多廠商設(shè)計和提供了許多具有不同功能的插件(亦稱“模板”)。用戶為了構(gòu)成計算機應(yīng)用系統(tǒng)，希望這些模板能互相兼容。這種兼容是指插件的尺寸、插座的針數(shù)及類型、插針的邏輯定義、控制插件工作的時序及電氣特性等相同。也就是說為了使插件與插件間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間能夠正確連接，就必須對連接各插件或各系統(tǒng)的基礎(chǔ)總線，制定出嚴格的規(guī)約，即總線標準，為各廠商設(shè)計和生產(chǎn)插件模塊提供統(tǒng)一的依據(jù)。因此，采用同一總線標準的不同廠家的插件模塊，就可以組成可正常工作的系統(tǒng)。2.試述總線的分類、各類總線間的關(guān)系。a.根據(jù)總線不同的結(jié)構(gòu)和用途，總線有如下的幾種類型：（1）專用總線我們將只實現(xiàn)一對物理部件間連接的總線稱為專用總線。專用總線的基本優(yōu)點是其具有較高的流量，多個部件可以同時發(fā)送或接受信息，幾乎不會出現(xiàn)總線爭用的現(xiàn)象。在全互連或部分互連以及環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)中使用的總線就是專用總線。（2）非專用總線非專用總線可以被多種功能或多個部件所共享，所以也稱之為共享總線。每個部件都能通過共享總線與接在總線上的其他部件相連，但在同一時刻，卻只允許2個部件共享通信，其他部件間的通信要分時進行，因此準確地應(yīng)稱之為分時共享總線。b.根據(jù)總線的用途和應(yīng)用環(huán)境，總線可以有如下幾種類型：（1）局部總線局部總線又稱為芯片總線。它是微處理器總線的延伸，是微處理器與外部硬件接口的通路，如圖所示。它是構(gòu)成中央處理機或子系統(tǒng)內(nèi)所用的總線。局部總線通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三類。（2）系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線又稱內(nèi)總線和板線總線，即微型計算機總線，用于各單片機微處理機之間、模塊之間的通信，可用于構(gòu)成分布式多機系統(tǒng)，如Multibus總線、STD總線、VME總線、PC總線等。一般微型機系統(tǒng)總線如圖所示。（3）外總線外總線又稱為通信總線，用于微處理機與其他智能儀器儀表間的通信。外總線通常通過總線控制器掛接在系統(tǒng)總線上，外總線如圖所示。常用的外總線有：連接智能儀器儀表的IEEE-488通用接口總線；RS-232C和RS-422串行通信總線等。3.根據(jù)總線傳送信號的形式，總線又可分為兩種。（1）并行總線如果用若干根信號線同時傳遞信號，就構(gòu)成了并行總線。并行總線的特點是能以簡單的硬件來運行高速的數(shù)據(jù)傳輸和處理。（2）串行總線串行總線是按照信息逐位的順序傳送信號。其特點是可以用幾根信號線在遠距離范圍內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)或信息，主要用于數(shù)據(jù)通信。3.簡述STD總線的特點。STD總線在工業(yè)控制中廣泛采用，是因為它有以下特點：(1)小板結(jié)構(gòu)，高度模塊化。(2)嚴格的標準化，廣泛的兼容性。(3)面向I/O的開放式設(shè)計，適合工業(yè)控制應(yīng)用。(4)高可靠性。4.簡述RS232C總線的特點。微機系統(tǒng)中最常用的串行接口標準，用于實現(xiàn)計算機與計算機之間、計算機與外設(shè)之間的同步或異步通訊。通訊距離可達15m，傳輸數(shù)據(jù)的速率可任意調(diào)整，最大可達20Kb/s。5.什么是現(xiàn)場總線？有哪幾種典型的現(xiàn)場總線？它們的特點是怎樣的？現(xiàn)場總線是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。所以現(xiàn)場總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)。下面是幾種典型的現(xiàn)場總線。（1）CAN(Control Area Network)控制器局域網(wǎng)絡(luò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN是由德國Bosch公司的為汽車的監(jiān)測和控制而設(shè)計的，逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)領(lǐng)域的控制。CAN已成為國際標準化組織ISO 11898標準。CAN具有如下特性：(a)通信速率為5Kbps/10km,1Mbps/40m,節(jié)點數(shù)110個，傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖等。(b)采用點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據(jù)。(c)可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)且無主、從機之分，每個節(jié)點均主動發(fā)送報文，用此特點可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)。(d)采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息；按節(jié)點類型分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。(e)支持三類報文幀：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、超載幀。采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個。這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，且具有較好的檢錯效果。(f)采用循環(huán)冗余校驗CRC(Cyclic Redundancy Check)及其它檢錯措施，保證了極低的信息出錯率。(g)節(jié)點具有自動關(guān)閉功能，當節(jié)點錯誤嚴重時，則自動切斷與總線的聯(lián)系，這樣不影響總線正常工作。(h)CAN單片機：Motorola公司生產(chǎn)帶CAN模塊的MC68HC05x4，Philips公司生產(chǎn)82C200，Intel公司生產(chǎn)帶CAN模塊的P8XC592。(j)CAN控制器：Philips公司生產(chǎn)的82C200，Intel公司生產(chǎn)的82527。(k)CAN I/O器件：Philips公司生產(chǎn)的82C150，具有數(shù)字和模擬I/O接口。（2）LONWORKS(Local Operating Network)局部操作網(wǎng)絡(luò)LONORKS是美國Echelon公司研制，主要有如下特性：(a)通信速率為78Kbps/2700m、1.5Mbps/130m,節(jié)點數(shù)32000個，傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、光纖、電源線等。(b)采用Lon Talk通儲備協(xié)議，該協(xié)議遵循國際標準化組織ISO定義的開放系統(tǒng)互連OSI(Open System Interconnection)全部7層模型。(c)其核心是Neuron(神經(jīng)元)芯片，內(nèi)含了3個8位的CPU；第1個CPU為介質(zhì)訪問控制處理器，實現(xiàn)Lon Talk協(xié)議的第1層和第2層；第2個CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，實現(xiàn)Lon Talk協(xié)議的第3層至第6層；第3個CPU為應(yīng)用處理器，實現(xiàn)Lon Talk協(xié)議的第7層，執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。(d)Neuron芯片的編程語言為Neuron C，它是從ANSI C派生出來的。LONWORKS提供了一套開發(fā)工具LonBuilder與NodeBuilder。(e)Lon Talk協(xié)議提供了5種基本類型的報文服務(wù)：確認(Acknowledged)、非確認(Unacknowledged)、請求/響應(yīng)(Request/Response)、重復(fù)(Repeated)、非確認重復(fù)(Unacknowledge Repeated)。(f)Lon Talk協(xié)議的介質(zhì)訪問控制子層(MAC)對CSMA作了改進，采用一種新的稱作Predictive P-Persistent CSMA，根據(jù)總線負載隨機調(diào)整時間槽n(163)，從而在負載較輕時使介質(zhì)訪問延遲最小化，而在負載較重時使沖突的可能最小化。（3）PROFIBUS(Process Field Bus)過程現(xiàn)場總線PROFIBUS是德國標準，1991年在DIN 19245中分布了標準，PROFIBUS有幾種改進型，分別用于不同的場合，例如：(a)PROFIBUS-PA(Process Automation)用于過程自動化，通過總線供電，提供本質(zhì)安全型，可用于危險防爆區(qū)域。(b)PORFIBUS-FMS(Field bus Message Specification)用于一般自動化，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。(c)PROFIBUS-DP用于加工自動化領(lǐng)域，適用于分散的外圍設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。傳輸