計算機控制系統(tǒng)概述

習題參考答案

1.計算機控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的？

計算機控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個步驟：

⑴實時數(shù)據(jù)采集：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。

⑵實時決策：對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進行分析，并按已定的控制規(guī)

律，決定下一步的控制過程。

(3)實時控制：根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務。

2.實時、在線方式和離線方式的含義是什么？

(1)實時：所謂“實時”，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內(nèi)完

成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理，并在一定的時間內(nèi)作出反

應并進行控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。

(2)“在線”方式：在計算機控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計算機連接,

生產(chǎn)過程直接受計算機的控制，就叫做“聯(lián)機”方式或“在線”方式。

(3)“離線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計算機相連接，其工作不直接受計

算機的控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進行聯(lián)系并作相應操作的方式，則叫

做“脫機”方式或“離線”方式。

3.微型計算機控制系統(tǒng)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。

人

機

R

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3:l—;—:

-L-|-

籥n

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外—r|Minti7~|—?

ffl

tta

(1)主機：這是微型計算機控制系統(tǒng)的核心，通過接口它可以向系統(tǒng)的各個部分

發(fā)出各種命令，同時對被控對象的被控參數(shù)進行實時檢測及處理。主機的主要功

能是控制整個生產(chǎn)過程，按控制規(guī)律進行各種控制運算(如調(diào)節(jié)規(guī)律運算、最優(yōu)

化計算等)和操作，根據(jù)運算結(jié)果作出控制決策；對生產(chǎn)過程進行監(jiān)督，使之處

于最優(yōu)工作狀態(tài)；對事故進行預測和報警；編制生產(chǎn)技術(shù)報告，打印制表等等。

（2）輸入輸出通道：這是微機和生產(chǎn)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(chǎn)對象的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成微機可以接收的數(shù)字代碼。過程輸出通道

把微機輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成可以對生產(chǎn)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(shù)字量輸入輸出通道。

（3）外部設(shè)備：這是實現(xiàn)微機和外界進行信息交換的設(shè)備，簡稱外設(shè)，包括人機

聯(lián)系設(shè)備（操作臺）、輸入輸出設(shè)備（磁盤驅(qū)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(jù)操作人員的要求，能立

即顯示所要求的內(nèi)容；還應有按鈕，完成系統(tǒng)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。

⑷檢測與執(zhí)行機構(gòu)

a.測量變送單元：在微機控制系統(tǒng)中，為了收集和測量各種參數(shù)，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(shù)的非電量轉(zhuǎn)換成電量，例如熱電偶

把溫度轉(zhuǎn)換成mV信號；壓力變送器可以把壓力轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘枺@些信號經(jīng)變

送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的計算機標準電平信號（0?5V或4?20mA）后，再送入微機。

b.執(zhí)行機構(gòu)：要控制生產(chǎn)過程，必須有執(zhí)行機構(gòu)，它是微機控制系統(tǒng)中的重要部

件，其功能是根據(jù)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(diào)節(jié)機構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流量或能量，使生產(chǎn)過程符合預定的要求。例如，在溫

度控制系統(tǒng)中，微機根據(jù)溫度的誤差計算出相應的控制量，輸出給執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)

節(jié)閥）來控制進入加熱爐的煤氣（或油）量以實現(xiàn)預期的溫度值。常用的執(zhí)行機構(gòu)

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。

4.微型計算機控制系統(tǒng)軟件有什么作用？說出各部分軟件的作用。

軟件是指能夠完成各種功能的計算機程序的總和。整個計算機系統(tǒng)的動作，都是

在軟件的指揮下協(xié)調(diào)進行的，因此說軟件是微機系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。就功能來分,

軟件可分為系統(tǒng)軟件、應用軟件及數(shù)據(jù)庫。

（1）系統(tǒng)軟件：它是由計算機設(shè)計者提供的專門用來使用和管理計算機的程序。

對用戶來說，系統(tǒng)軟件只是作為開發(fā)應用軟件的工具，是不需要自己設(shè)計的。

系統(tǒng)軟件包括：

a.操作系統(tǒng)：即為管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序等；

b.診斷系統(tǒng)：指的是調(diào)節(jié)程序及故障診斷程序；

c.開發(fā)系統(tǒng)：包括各種程序設(shè)計語言、語言處理程序（編譯程序）、服務程序（裝

配程序和編輯程序）、模擬主系統(tǒng)（系統(tǒng)模擬、仿真、移植軟件）、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

等；

d.信息處理：指文字翻譯、企業(yè)管理等。

⑵應用軟件:它是面向用戶本身的程序，即指由用戶根據(jù)要解決的實際問題而編

寫的各種程序。

應用軟件包括：

a.過程監(jiān)視程序：指巡回檢測程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報警程序、操

作面板服務程序、數(shù)字濾波及標度變換程序、判斷程序、過程分析程序等；

b.過程控制計算程序：指的是控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序，其

中信息管理程序包括信息生成調(diào)度、文件管理及輸出、打印、顯示程序等；

c.公共服務程序：包括基本運算程序、函數(shù)運算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼

程序。

⑶數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要用于資料管理、存檔和檢索，相應軟

件設(shè)計指如何建立數(shù)據(jù)庫以及如何查詢、顯示、調(diào)用和修改數(shù)據(jù)等。

5.微型計算機控制系統(tǒng)的特點是什么？

微機控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動控制系統(tǒng)相比，具有如下特點：

a.控制規(guī)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(xiàn)最優(yōu)控制

c.能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)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(tǒng)工作原理如何？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？

(1)操作指導控制系統(tǒng)：在操作指導控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接作用于生

產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計算機根據(jù)數(shù)學模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過

程參數(shù)進行處理，計算出各控制量應有的較合適或最優(yōu)的數(shù)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L2所示。

(2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))：DDC(DirectDigitalControl)系統(tǒng)就是通過檢測

元件對一個或多個被控參數(shù)進行巡回檢測，經(jīng)輸入通道送給微機，微機將檢測結(jié)

果與設(shè)定值進行比較，再進行控制運算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構(gòu)，使系

統(tǒng)的被控參數(shù)達到預定的要求。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機在工業(yè)生產(chǎn)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1.3DDC系統(tǒng)原理框圖

(3)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))：SCC(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)

比DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實際情況，因為在DDC系統(tǒng)中計算機只是代替模擬

調(diào)節(jié)器進行控制，系統(tǒng)不能運行在最佳狀態(tài)，而SCC系統(tǒng)不僅可以進行給定值控

制，并且還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應控制等。SCC系統(tǒng)的原理框

圖如圖1.4所示。

檢

多

割

將

元

開

廢KIK或開￡**人ifflifl??-

件

關(guān)

生

一

產(chǎn)

過

ft

常炊*節(jié)器

執(zhí)行機秤

關(guān)中輸出通道或DDC級E機

圖1.4SCC系統(tǒng)原理框圖

SCC是操作指導控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。

7.計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是什么？

大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，提高了計算機的可靠性和性能價格比，從而

使計算機控制系統(tǒng)的應用也越來越廣泛。為更好地適應生產(chǎn)力的發(fā)展，擴大生產(chǎn)

規(guī)模，以滿足對計算機控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求，目前計算機控制系統(tǒng)的

發(fā)展趨勢有以下幾個方面。

本章作業(yè)

簡述幾類常見的計算機控制系統(tǒng)的特點及其應用領(lǐng)域。

第二章輸入輸出過程通道

習題參考答案

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(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)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(shù)字量過程通道和模擬量過程通道。

2.數(shù)字量過程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？

數(shù)字量過程通道包括數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。

數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路、并行接

口電路和定時計數(shù)電路等組成。數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電

路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：輸入調(diào)理電路將來自控制裝置或生產(chǎn)過

程的各種開關(guān)量，進行電平轉(zhuǎn)換，將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)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。

3.簡述兩種硬件消抖電路的工作原理。

采用積分電路的硬件消抖電路，首先利用積分電路將抖動的高頻部分濾出，其次

利用施密特觸發(fā)器整形。

采用RS觸發(fā)器的硬件消抖電路，主要是利用RS觸發(fā)器的保持功能實現(xiàn)消抖。

4.簡述光電耦合器的工作原理及在過程通道中的作用。

光電耦合器由封裝在一個管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組成，如圖2.1所

示。輸入電流流過二極管時使其發(fā)光，照射到光敏三極管上使其導通，完成信號

的光電耦合傳送，它在過程通道中實現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。

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(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口

及控制邏輯電路組成。

(DI/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(zhí)行機構(gòu)匹配提供了方便。

(2)多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。

⑶采樣保持器：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在進行A/D

轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在A/D

轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。

(4)A/D轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這

一任務的器件，稱為之模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog/DigitaiConverter,簡稱A/D轉(zhuǎn)換

器或ADC)o

6.對理想多路開關(guān)的要求是什么？

理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時的導通電阻為零。此外，還希望

切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。

7.采樣保持器有什么作用？試說明保持電容的大小對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響。

采樣保持器的作用:A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在進行A/D

轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在A/D

轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。

保持電容對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣保持的精度有很大影響。保持電容值小，則采樣狀

態(tài)時充電時間常數(shù)小，即保持電容充電快，輸出對輸入信號的跟隨特性好，但在

保持狀態(tài)時放電時間常數(shù)也小，即保持電容放電快，故保持性能差；反之，保持

電容值大，保持性能好，但跟隨特性差。

8.在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，是不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器？為什么？

不是，對于輸入信號變化很慢，如溫度信號；或者A/D轉(zhuǎn)換時間較快，使得在

A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號變化很小，在允許的A/D轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，就不必再選用采樣

保持器。

9.A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號有什么作用？根據(jù)該信號在I/O控制中的連接方式,A/D

轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？它們在接口電路和程序設(shè)計上有什么特點？

A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號的作用是用以判斷本次AD轉(zhuǎn)換是否完成。

常見的A/D轉(zhuǎn)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(shè)計時，延時大于ADC轉(zhuǎn)換時間后，

取數(shù)據(jù)。

?保持等待法:EOC與READY相連,EOC無效時，自動插入等待狀態(tài)。直至EOC有效

時，取數(shù)據(jù)。

?查詢法：EOC可以和任意I/O口連接，程序設(shè)計時，反復判斷EOC是否有效，

直至EOC有效時，取數(shù)據(jù)。

?中斷響應法：EOC與外部中斷相連，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，發(fā)中斷申請，在中斷服務程

序中取數(shù)據(jù)。

0oC~1200oC,如果要求誤差不超過oC,應選用分辨為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？

7。1200、1O

選擇依據(jù)：〃Nlog1+E-°12

2<7

11.設(shè)計出8路模擬量采集系統(tǒng)。請畫出接口電路原理圖，并編寫相應的8路模

擬量數(shù)據(jù)采集程序。

本例給出用8031、DAC0809設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例。

把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi)RAM的3OH-37H單元中。采樣完一遍

后停止采集。其數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中斷服務程序如下：

初始化程序：MOVRO,#30H;設(shè)立數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針

MOVR2,#08H；設(shè)置8路采樣計數(shù)值

SETBITO；設(shè)置外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式

SETBEA；CPU開放中斷SETBEXO

;允許外部中斷0中斷

MOVDPTR,#FEF8H;送入口地址并指向INO

LOOP：MOVX@DPTR,A;啟動A/D轉(zhuǎn)換，A的值無意義

HERE：SJMPHERE;等待中斷

中斷服務程序：

MOVXA,@DPTR;讀取轉(zhuǎn)換后的贅字量

MOV@R0,A；存入片內(nèi)RAM單元

INCDPTR;指向下一模擬通道

INCRO;指向下一個數(shù)據(jù)存儲單元

DJNZR2,INTO;8路未轉(zhuǎn)換完，則繼續(xù)

CLREA；己轉(zhuǎn)換完，則關(guān)中斷

CLREXO；禁止外部中斷0中斷

RETI；中斷返回

INTO：MOVX@DPTR,A;再次啟動A/D轉(zhuǎn)換

RETI;中斷返回

電路組成。

（DD/A轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（Digital/Analog

Converter,簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC）。它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝

置。

(2)V/I變換：一般情況下，D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓信號。在計算機控制系統(tǒng)

中，當計算機遠離現(xiàn)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(yè)儀表或執(zhí)行機構(gòu),

一般是采用0?10mA或4?20mA的電流信號驅(qū)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(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號。

13.采用DAC0832和PC總線工業(yè)控制機接口。請畫出接口電路原理圖，并編寫

產(chǎn)生三角波、梯形波和鋸齒波的程序。

8086CPU

地

址

譯

M/IO碼

WR

本章作業(yè)

設(shè)計一八路數(shù)據(jù)采集及其回放系統(tǒng)。要求八路數(shù)據(jù)巡回檢測，存儲10組數(shù)據(jù),

輸數(shù)據(jù)為電壓信號(0-5V),檢測精度〈設(shè)。CPU、AD、DA可任選。

第三章微機數(shù)控系統(tǒng)

習題參考答案

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先規(guī)定好的時間或條件為依據(jù),按預先規(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，則重復上述步驟。

圓弧插補計算過程的步驟如下：

⑴偏差判別

⑵坐標進給

⑶偏差計算

(4)坐標計算

⑸終點判別

5.若加工第二象限直線0A,起點0(0,0),終點A(-4,6)o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x=4,y=6,F=0,我們設(shè)置一個總的計數(shù)器N，其初值應為

ee0xy

N=|6-0|+|-4-0|=lX)則插補計算過程如表所示。根據(jù)插補計算過程表所

日出的直線插補走步軌跡圖如下圖所示。

E(-4,6)

_6-5~4~3~2-1

表3—1

步數(shù)偏差判別坐標進給偏差計算終點判別

起點F=0N=10

0xy

1F=0-XF=F-y=-6N=9

010exy

2F<0+YF=F+x=-2N=8

121exy

3F<0+YF=F+x=2N=7

232exy

4F>0-XF=F-y=-4N=6

343exy

5F<0+YF=F+x=0N=5

454exy

6F=0-XF=F-y=-6N=4

565exy

7F<0+YF=F+x=-2N=3

676exy

8F<0+YF=F+x=2N=2

87exy

9F>0-XF=F-y=-4N=1

898exy

10F<0+YF=F+x=0N=0

9109exy

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3—2所示。終點判別仍采用第二種方法，設(shè)一個總的計

數(shù)器N,每走一步便減1操作，當N=0時，加工到終點，插補運算結(jié)束。下圖

xyxy

為插補過程中的走步軌跡。

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F=0x=6,y=0N=12

000xy

1F=0-xF=0-12+l=-llx=5,y=0N=11

01iixy

2F<0+YF=-ll+0+l=-10x=5,y=1N=10

1222xy

3F<0+YF=-10+2+l=-7x=5,y=2N=9

2333xy

4F<0+YF=-7+4+l=-2x=5,y=3N=8

3444xy

5F<0+YF=-2+6+1=5x=5,y=4N=7

4555xy

6F>0-XF=5-10+l=-4x=4,y=4N=6

5666xy

7F<0+YF=-4+8+l=5x=4,y=5N=5

6777xy

8F>0-XF=5-8+l=-2x=3,y=5N=4

7888xy

9F<0+YF=-2+10+1=9x=3,y=6N=3

8999xy

-re-——AF“乂一」藝,Tf—Z

9101010xy

三F>0三=-X;三F=4-4+1=1三:x=1,y=6二EN=1

-10?-11-■H11-?xy-

=19=j-Y=:M-n=

|)121212xy

1三知為進電機有1加幾種工作無式?分別畫出每箱工作方式的各出運電順序和一

3壓￡初圖。-

再三批工作方式：.

(1)三相單三拍工作方式

各相的通電順序為A-B-C,各相通電的電壓波形如圖3.1所示。

(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AB-BC-CA。各相通電的電壓波形如圖3.2

所示。

(3)三相六拍工作方式

在反應式步進電機控制中，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A—AB—B-BC-CfCA。各相通電的電壓波形如圖

3.3所示。

8.采用三相六拍方式控制X軸走向步進電機。

步

功

TP光

TF

進

率

fn電

8J

電

放

0隔

大

離

3機

主程序:

MOVA,#0FH；方向輸入信號

MOVPl,A

?XMM：MOVA,Pl

:XM；P1.7=0反轉(zhuǎn)

LCALLSTEP1；調(diào)正轉(zhuǎn)子程序

SJMPXMM

?XM：LCALLSTP2；調(diào)反轉(zhuǎn)子程序

SJMPXMM

,+X走步子程序：

?STEP1：MOVDPTR,#TAB；指表頭

CLRA

MOVXA,@A+DPTR；取數(shù)

CJNEA,#05H,Sil；是否最后單元

MOVDPTR,#TAB；重置表頭

SJMPS12

?S11：INCDPTR；地址加1

?S12：MOVRO,#7FH；延時

?S13：DJNZRO,S13；

CLRA；

MOVXA,@A+DPTR；取數(shù)據(jù)

MOVPl,A

RET

?-X走步子程序：

?STEP2：MOVDPTR,#TAB

CLRA

MOVXA,@A+DPTR；

CJNZA,#01H,S21

MOVDPTR,#TAB

ADDDPTR,#0006H

SJMPS12

?S21：CLRC

?DECDPL

?SJMPS12

?TAB：DBO1H,03H,02H,06H,04H,05H

本章作業(yè)

若加工第二象限直線0A和圓弧AB,已知直線起點0(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

習題參考答案

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)對應的差分方程

(5)根據(jù)差分方程編制相應程序。

2

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)。

27-1

雙線形變換法：把s=*?—代入，則

Tz+1

1+7^7>771_（T+2T）z+T-2T

D（z）=￡>Q

2z-l-（r+27'）z+r-2T

s=?

Tz+11+1—?22

2TZ+1

前向差分法：把Z=代入，則

I+T￡Z1

l+TsITTz+T-T

—1L

\+TsTz+T-T

21+T-22

2T

后向差分法：把s=二7—代1入，則

Tz

4）=從）=金="運Jz+T口

s=T1+7'5.TZ-iTZ+T-T

”2"A/"22

k.k,k各有什么作用？它們對調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響？

pi(1

系數(shù)k為比例系數(shù)，提高系數(shù)k可以減小偏差，但永遠不會使偏差減小到零，

pP

而且無止境地提高系數(shù)K最終將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速

P

性。

系數(shù)勺為積分常數(shù)，勺越大積分作用越弱，積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點是，只要被調(diào)

量存定偏差，其輸出而調(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)勺為微分常數(shù)，與越大微分作用越強。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)：

Jzedt?T^Le(j)

°J=o

dee(k)—e(k—V)

__a_____________

dtT

于是有：

u(k)=K{e(k)+—^lie(j)+-e(k-1)]}

p7.()T

u(k)是全量值輸出，每次的輸血后都與執(zhí)行機構(gòu)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(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。

△u*)=K{[e(k)-e(k-1)]+-e伏)+乙[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}

pTT

與位置算法相比，增量型PID算法有加下優(yōu)點：

⑴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)手動一一自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設(shè)置為原始

閥門開度U,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

0

不出現(xiàn)U項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。

0

(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。

從）=1+0.17s

1+0.0855

試寫出相應數(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。

uQ1+0,175

DG）=

EO1+0.085

則U（s）+0.085SU（s）=￡（v）+0.17SE（J

M0+0.085=4）+0.17

dtdt

.?.〃4）+0.085=4）+0.17

，"）-T盧"'，"）一T小一‘

1.4254)-0.4254-1)=4.5e1)-3.5efe-l)

位置型”1)=3.1579e(k)-2.4561e(k-1)+0.2982u(k-1)

增量型4,1)=u(k)-u(k-1)=3.1579eG)—2.456le(A-1)-0.7018MG:-1)

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應長些，尤其是多回路控制

時，應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工較大時，常

選T=(1/4~1/8)T=

⑷從計算精度方面考慮，采樣周期T不應過短，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

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§=10

sK

⑶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即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T、被控對象的時間常數(shù)Tc,以及

它們的比值Tc/T。

(4)由T、Tc、Tc/T值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td0

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4—1所示。

圖4-1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)①(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。

GG)=_L

cS2

采樣周期T=ls,采用零階保持器，針對單位速度輸入函數(shù)，設(shè)計:

(D最少拍控制器oQ)；

(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)

GQ)=ZJ_]=ZK_)J_]=E3

cIs52JLS3」2Y-Z-"

將T=1S代〃，W

ZjA+zJ

°2、—z-"

由于輸入r(t)=t,則

GQ)=(-z.)

1-G(z)z-K+z-)

D^G^)=-r-

(2)系統(tǒng)向環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

◎Q)=2ZT-

則當輸入為單位速度信號時，系統(tǒng)輸出序歹也變換為

yQ)=RQ%Q)=Qz-i—z-2)q，z-j

=2TZ-2+3TZ-3+4TZ-44—

y(0)=0,y(l)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,…

GQ)=―e-.s

CS+1

采樣周期T=ls,要求：

(1)采用Smith補償控制，求取控制器的輸出“1)；

(2)采用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器。1),并求取wl)的遞推形式。

⑴采用Smith補償控制

廣義對象的傳遞函數(shù)為

HG(s)=H(s比Q)J-?二=1四="GQ)?eT

C0css+1sU'+Vp

D(Z)=zbG)]=Z[(-eFR=(—z-L)

工工sls+4\-az-'

其中。=e%、=e-\,b=1—,L=—=1,T=1S

U(z)0.6321(-1—z-2)

則DQ)=

-

XE?1-0.3679z-i

t/Q)-0.3697zwQ)=0.6321(t―一%。

u(k)=0.6321e(k-1)-0.6321e(k-2)+0.3679u(k-l)

⑵采用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器

取T=1S,T=1,K=l,TL=T/T=1,設(shè)期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)T

0

則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為

r1-e-rse-LTsz-2(-e-2

O=L?=

BsTs+1l-z-ie-2

L0」

廣義被控對象的脈沖傳遞函數(shù)為

HGQ）=Z-…O碎一

Css1+s」1-z-ie-i

則

一G-0.3679%-0.1353z-i-G-0.1353）z-

1.3680-0.5033^-1

-1-0.1353Z-I-0.8647Z-2

又從嘴

則U（z）—0.1353z-it/G）-0.8647z-2（7（z）=1.3680￡^）-0.5033z-i￡（z）

上式反變換到時域，則可得到

u（k）=1.3680e（k）-0.5033e（k-1）+0.1353“1-1）+0.86474-2）

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RAW0,就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使RAW0,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=T附近的極點)，然后人

為地令其中的z=l,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。

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G0+D(sW=0o

nn

如果能將擾動因素測量出來，預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)模糊控制可以應用于具有非線性動力學特征的復雜系統(tǒng)。

(2)模糊控制不用建立對象精確的數(shù)學模型。

(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①0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)的應用軟件設(shè)計

習題參考答案

1.簡述應用軟件的設(shè)計步驟。

圖5—1給出了應用軟件設(shè)計的流程圖，它描述了應用軟件設(shè)計的基本任務和設(shè)

計過程。

圖5—1應用軟件設(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.如何在應用軟件設(shè)計中減少計算延時？

在應用軟件設(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：為得到當前輸出值小女），而必須進行的運算。

后臺運算：為得到下一時刻輸出值U出+1）以及與當前輸出無關(guān)的其他計算和管

理算法。

|A/D采樣|

|前臺算妄|

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。C。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)

習題參考答案

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)