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第一章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

!1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的？

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個(gè)步驟：

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并輸入給計(jì)算機(jī)。

(2)實(shí)時(shí)決策：對(duì)采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)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(shí)時(shí)控制：根據(jù)決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。

2.實(shí)時(shí)、在線方式和離線方式的含義是什么?

(1)實(shí)時(shí)：所謂“實(shí)時(shí)"，是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都是在一定時(shí)間范圍內(nèi)完成的，即計(jì)

算機(jī)對(duì)輸入信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)并進(jìn)行控制，超出了

這個(gè)時(shí)間就會(huì)失去控制時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。

(2)"在線"方式：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計(jì)算機(jī)連接，生產(chǎn)過程

直接受計(jì)算機(jī)的控制，就叫做"聯(lián)機(jī)"方式或者"在線"方式。

(3)"離線"方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計(jì)算機(jī)相連接，其工作不直接受計(jì)算機(jī)的控制，

而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式，則叫做"脫機(jī)"方式或者"離線"

方式。

!3.儂計(jì)算照制系雌硬件由哪幾?&W的作用么？

由四部份組成。

圖L1微機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖

(1)主機(jī)：這是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，通過接口它可以向系統(tǒng)的各個(gè)部份發(fā)出各種命

令，同時(shí)對(duì)被控對(duì)象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及處理。主機(jī)的主要功能是控制整個(gè)生產(chǎn)過程，

按控制規(guī)律進(jìn)行各種控制運(yùn)算(如調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)算、最優(yōu)化計(jì)算等)和操作，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果作出

控制決策；對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督，使之處于最優(yōu)工作狀態(tài)；對(duì)事故進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警；編制生

產(chǎn)技術(shù)報(bào)告，打印制表等等。

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（2）輸入輸出通道：這是微機(jī)和生產(chǎn)對(duì)象之間進(jìn)行信息交換的橋梁和紐帶。過程輸入通道把

生產(chǎn)對(duì)象的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成微機(jī)可以接收的數(shù)字代碼。過程輸出通道把微機(jī)輸出的控制命令

和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成可以對(duì)生產(chǎn)對(duì)象進(jìn)行控制的信號(hào)。過程輸入輸出通道包括摹擬量輸入輸出通

道和數(shù)字量輸入輸出通道。

（3）外部設(shè)備：這是實(shí)現(xiàn)微機(jī)和外界進(jìn)行信息交換的設(shè)備，簡稱外設(shè)，包括人機(jī)聯(lián)系設(shè)備（操

作臺(tái)）、輸入輸出設(shè)備磁（盤驅(qū)動(dòng)器、鍵盤、打印機(jī)、顯示終端等井口外存貯器磁（盤）。其中

操作臺(tái)應(yīng)具備顯示功能，即根據(jù)操作人員的要求，能即將顯示所要求的內(nèi)容；還應(yīng)有按鈕，

完成系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺(tái)還要保證即使操作錯(cuò)誤也不會(huì)造成惡劣后果，即應(yīng)有保護(hù)

功能。

（4）檢測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)

a.測(cè)量變送單元：在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了采集和測(cè)量各種參數(shù)，采用了各種檢測(cè)元件及變

送器，其主要功能是將被檢測(cè)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(hào)；

壓力變送器可以把壓力轉(zhuǎn)浜變?yōu)殡娦盘?hào)，這些信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電平信

號(hào)（0~5V或者4~20mA）后，再送入微機(jī).

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

是根據(jù)微機(jī)輸出的控制信號(hào)，改變輸出的角位移或者直線位移,并通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變被調(diào)介

質(zhì)

的流量或者能量，使生產(chǎn)過程符合預(yù)定的要求。例如，在溫度控制系統(tǒng)中，微機(jī)根據(jù)溫度的

誤差計(jì)算出相應(yīng)的控制量,輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）來密制進(jìn)入加熱爐的煤氣或者（油）量以

實(shí)現(xiàn)預(yù)期的溫度值。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、液動(dòng)溫和動(dòng)等控制形式，也有的采用馬達(dá)、

步進(jìn)電機(jī)及可控硅元件等進(jìn)行控制。

4.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件有什么作用?說出各部份軟件的作用。

軟件是指能夠完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和。整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)作，都是在軟件的指

揮下協(xié)調(diào)進(jìn)行的，因此說軟件是微機(jī)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(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫。

（1）系統(tǒng)軟件：它是由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者提供的專門用來使用和管理計(jì)算機(jī)的程序。對(duì)用戶來說，

系統(tǒng)軟件只是作為開辟應(yīng)用軟件的工具，是不需要自己設(shè)計(jì)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.開辟系統(tǒng)：包括各種程序設(shè)計(jì)語言、語言處理程序（編譯程序）、服務(wù)程序（裝配程序和編

輯程序）、摹擬主系統(tǒng)（系統(tǒng)摹擬、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。

（2）應(yīng)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(shí)際問題而編寫的各種程

應(yīng)用軟件包括：

a.過程監(jiān)視程序：指巡回檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報(bào)警程序、操作面板服務(wù)

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程序、數(shù)字濾波及標(biāo)度變換程序、判斷程序、過程分析程序等；

b.過程控制計(jì)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(wù)程序：包括基本運(yùn)算程序、函數(shù)運(yùn)算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序.

(3)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(yīng)軟件設(shè)計(jì)指如

何建立數(shù)據(jù)庫以及如何查旬、顯示、調(diào)用和修改數(shù)據(jù)等。

5.操作指導(dǎo)、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?

Q)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出不直接作用于生產(chǎn)對(duì)象，屬

于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型、控制算法對(duì)檢測(cè)到的生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行處理，計(jì)算

出各控制量應(yīng)有的較合適或者最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時(shí)計(jì)算機(jī)就起到了操作指導(dǎo)的

作用。其原理框圖如圖1.2所示。

圖1.2操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖

(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(cè)元件對(duì)

一個(gè)或者多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，經(jīng)輸入通道送給微機(jī)，微利有檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行

比較，再進(jìn)行控制運(yùn)算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達(dá)到預(yù)定的要

求。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng),是微機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用形式。其原理框圖如圖

圖13DDC系統(tǒng)原理框圖

(3)計(jì)算機(jī)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(shí)際情況，因?yàn)樵贒DC系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)只是代替摹擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，系統(tǒng)

不能運(yùn)行在最佳狀態(tài)，而SCC系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行給定值控制，并且還可以進(jìn)行順序控制、最

優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。SCC系統(tǒng)的原理框圖如圖1.4所示。

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圖1.4SCC系統(tǒng)原理框圖

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

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第二章摹擬量輸入/輸出通道的接口技術(shù)

1.什么是過程通道?過程通道有哪些分類?

過程通道是在計(jì)算機(jī)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)字量過程通道和摹擬量過程通道。

!2.?擬■輸入通道由哪些部份組成?各部份的作用是什么？

摹擬量輸入通道普通由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。

(l)l/v變換：提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳遞過程中的抗干擾能力,減少了信號(hào)的衰減，為與

標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配提供了方便。

(2)多路轉(zhuǎn)換器：用來切換摹擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。

⑶采樣保持器：A/C轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時(shí)間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)

間內(nèi)，希翼輸入信號(hào)再也不變化，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：摹擬量輸入通道的任務(wù)是將摹擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這一任務(wù)

的器件，稱為之模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog/DigitalConverter,簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或者ADC)o

3.對(duì)犍多的要求Sft■么?

理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時(shí)的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希翼切換速

度快、噪音小、壽命長、工作可靠。

4.采樣保持器有什么作用？試說明保持電容的大小對(duì)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(shí)間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換

時(shí)間內(nèi)，希翼輸入信號(hào)再也不變化，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(duì)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(shí)充

電時(shí)間常數(shù)小，即保持電容充電快,輸出對(duì)輸入信號(hào)的尾隨特性好，但在保持狀態(tài)時(shí)放電時(shí)

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。

5.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(duì)于輸入信號(hào)變化很慢，如溫度信號(hào)；或者A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較快，使得在A/D轉(zhuǎn)換

期間輸入信號(hào)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I寺器。

16A/D器的結(jié)束信號(hào)EOC#什么作用?順該信號(hào)在V0控制中的i試，A/D轉(zhuǎn)

換有幾種控制方式?它們雌口電路和程序設(shè)計(jì)上有什么特點(diǎn)？

A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)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(diǎn)如下：

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?延時(shí)等待法:EOC可不和I/O口連接，程序設(shè)計(jì)時(shí)，延時(shí)大于ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間后，取數(shù)

據(jù)。

?查詢法：EOC可以和任意I/O口連接，程序設(shè)計(jì)時(shí)，反復(fù)判斷EOC是否有效，直至EOC

有效時(shí)，取數(shù)據(jù)。

?中斷響應(yīng)法：EOC與外部中斷相連，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，發(fā)中斷申請(qǐng)，在中斷服務(wù)程序中取

數(shù)據(jù)。

7.設(shè)被測(cè)溫度變化范圍為001200,如果要求誤差襁過04C,應(yīng)選用分辨為多少位的

選擇依據(jù)：n“og(l+坨!]?12

210.4)

8.設(shè)計(jì)出8路摹擬?采集系統(tǒng)。請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編寫相應(yīng)的8路摹擬■數(shù)據(jù)采集

程序。

本例給出用8031、DAC0809設(shè)計(jì)的峰采集系統(tǒng)實(shí)例。

把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi)RAM的30H~37H單元中。采樣完一遍后住手采集。其

數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中斷服務(wù)程序如下：

初始悌序:MOVRO,#30H；設(shè)立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)指針

MOVR2/#98H；設(shè)置8路采樣計(jì)數(shù)值

SETBno；設(shè)置外部中新0為邊沿觸發(fā)方式

SETBEA；CPU開放中新SETBEXO；允許外SB中斷0中斷

MOVDPTR,#FEF8H；送入口地址并指向IN0

LOOP:MOVX@DP-R,A;啟動(dòng)A/D輯奐，A的值無意義

HERE:SJMPHERE；等待中斷

中斷服務(wù)程序：

MOVXA,@DPTR；讀取雌后娥字量

MOV@RO,A；存入片內(nèi)RAM單元

INCDPTR；指向下一摹擬通道

INCRO；指向下Y城存儲(chǔ)單元

DJNZR2,INTO；8路未轉(zhuǎn)換完，則繼續(xù)

CLREA；已轉(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(dòng)A/D車轍

RETI；中斷返回

；T4LS3T)

o3

V.

V.

r

M<

—

rM

t

lp

n

k

—

—

INJ

NI

Nn

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9.暮擬■輸出通道由哪幾部份組成？各部份的作用是什么？

摹擬量輸出通道普通由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大和V/I變換等信號(hào)調(diào)理電路等

組成。

Q)D/A轉(zhuǎn)換器：摹擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉(zhuǎn)渙器(Digital/AnalogConverter，簡

稱D/A轉(zhuǎn)換器或者DAC),它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成摹擬量的元件或者裝置。

(2)V/I變換：普通情況下，D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓信號(hào)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)

計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，為了便三信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，減少由于傳輸帶來的干擾和衰減，需要采用

電流方式輸出摹擬信號(hào)。許多標(biāo)準(zhǔn)化的M儀表或者執(zhí)行股勾，普通是采用0~10mA或者

4~20mA

的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。因此,需要將摹擬電壓信號(hào)通過電壓/電流(V/I)變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流

信號(hào)。

10果用DAC0832和MC55埠片機(jī)接口.請(qǐng)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.

采集及其回放系統(tǒng).要求，幡巡回,礴10,輸出雌

為電壓信號(hào)＜0?5V)，檢測(cè)精度＜1%。CPU.AD.DA可任選

+5V

ILEVV

CCREF

DIR

8086CPUtb

DI

地(XITI

ftb.Jilf-O-DAC0832

址

洋I

cs-WF2

M/IO封

XFER

DGNC

WRWR4AGND

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12.設(shè)A/D吸電路如圖1所示，

(1)說明圖中A/D轉(zhuǎn)換方式。

圖中A/D轉(zhuǎn)換為查詢方式

(2)寫出圖中8255A的地址。

寫出圖中8255A的地址。

G1G2AG2BCBA

P2.7P2.6P2.50P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

1110110XX

—Y6

所以8255A的地址是:F800H—FBOOH或者(:F8FFH—6BFFH)

(3)畫出實(shí)現(xiàn)該A/D轉(zhuǎn)換的流程圖。

畫出實(shí)現(xiàn)該A/D轉(zhuǎn)換的流程圖如下

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13、圖中畫出CD4051的弓|腳圖,要求利用該芯片進(jìn)行擴(kuò)展,設(shè)計(jì)成一個(gè)16路多路開關(guān).

要求：

(1).完成硬件設(shè)計(jì)

答：(1)設(shè)計(jì)如圖所示。

1

2INUVIE▼

3INI

4IN2

5IN?OVI

6IN4

7CD4051

81H&

(2)在圖中標(biāo)出16路的排序號(hào)

通道順序已標(biāo)在設(shè)計(jì)圖中。

(3)分析通道5和通道12的通道地址(要求過程)

A3A2AlA0

0100五通道地址

1011十二通道地址

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第三章人機(jī)交互接口技術(shù)

1、在工業(yè)過程控制中，鍵盤有幾種?它們各有什么特點(diǎn)和用途?

2、試說明非編碼鍵盤掃描方法、原理及鍵值計(jì)算方法。

!3、多位LED顯示器顯示方法有幾種？它們的原理是什么？各有什么特點(diǎn)？

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第四章常用控制程序的設(shè)計(jì)

1、次空制系統(tǒng)中常用報(bào)警方式有幾種?軟件報(bào)警程^的基本作法是什么？

!2、倡述光電耦合器的工作磔及在過程通道中的作用.

光電耦合器由封裝在一個(gè)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(shí)使其發(fā)光，照射到光敏三極管上使其導(dǎo)通，完成信號(hào)的光電再合傳送，它在過程通道中實(shí)現(xiàn)了輸入和

輸出在電氣上的徹底隔離。

圖4.1光電耦合器電路圖

3、試說明固態(tài)繼電器、大功率場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)及控制開關(guān)有什么區(qū)別？它們分別用在什么場(chǎng)合？

4、圖示小功率直流機(jī)電雙向控制原理，并說明如何實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車、滑行控制。

答：

圖中，當(dāng)SW1和SW4閉合時(shí)，馬達(dá)正轉(zhuǎn)；

當(dāng)SW麗SW3I,殆時(shí),馬達(dá)反轉(zhuǎn)；

當(dāng)SW1和SW3或者SW2^QSW4|'胎,為煤庫；

當(dāng)SW1、SW3、SW開口SW晡腳開時(shí)，馬達(dá)滑行。

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第五章微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

習(xí)題及參考答案

1.什么是數(shù)控系統(tǒng)?雌系統(tǒng)包括哪些?

數(shù)控系統(tǒng)是采用數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行自幼控制的系統(tǒng),它包括順序控制和數(shù)字程

序控制兩部份。

2.什么是順攤制系統(tǒng)?它由哪幾部份組成？

微機(jī)順序控制方式是指以預(yù)先規(guī)定好的時(shí)偶爾條件為依據(jù)，按預(yù)先規(guī)定好的動(dòng)作次序順序地進(jìn)行工作。-

股地，把按時(shí)序或者事序規(guī)定工作的自動(dòng)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(cè)機(jī)構(gòu)、顯示與報(bào)警電路。

3.微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由哪些部份組成?各部份的作用是什么？

由五部份組成.

Q)輸入裝置：普通指微機(jī)的輸入設(shè)備，如鍵盤.其作用是輸入數(shù)控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)所必需

的各種外部控制信息和加工數(shù)據(jù)信息。

(2隅機(jī):微機(jī)是MNC系統(tǒng)運(yùn)算不曬制的核心。在系統(tǒng)軟件指揮下，微機(jī)根據(jù)輸入信息，完成媚腳卜器和

控制器運(yùn)算，并輸出相應(yīng)的控制和進(jìn)給信號(hào)。若為閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，則由位置檢測(cè)裝置輸出的反饋信息也送

入微機(jī)進(jìn)行處理。

(3)輸出裝置：普通包括輸出緩沖電路、隔離電路、輸出信號(hào)功率放大器、各種顯示設(shè)備等。在微機(jī)控偉IJ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(jī)械輸出各種有關(guān)的開關(guān)量控制信號(hào)

(冷卻、啟、停等)，還向伺服機(jī)構(gòu)發(fā)出進(jìn)給脈沖信號(hào)等。

(4)伺服機(jī)構(gòu)：普通包括各種伺服元件和功率驅(qū)動(dòng)元件。其功能是將輸出裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成守機(jī)

械相應(yīng)部件的機(jī)械位移(線位移、角位移)運(yùn)動(dòng)。

(5)加工機(jī)械：即數(shù)控系統(tǒng)的控制對(duì)象，各種機(jī)床、織機(jī)等。目前已有專門為數(shù)控裝置配套設(shè)計(jì)的各種機(jī)械，

如各種數(shù)控機(jī)床，它們的機(jī)鹿構(gòu)與普通機(jī)床有較大的區(qū)別。

!4.什么是歆舒卜法？直^，卜計(jì)算過斷圓弧插I卜計(jì)算過程各有《打1個(gè)^?

逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)運(yùn)算，就是在某個(gè)坐標(biāo)方向上每走一步(即輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖)，就作一次計(jì)算，將實(shí)際進(jìn)

給位置的坐標(biāo)與給定的軌跡進(jìn)行比較，判斷其偏差情況，根據(jù)偏差，再?zèng)Q定下一步的走向(沿X軸進(jìn)給，

還是沿Y軸進(jìn)給)。逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的實(shí)質(zhì)是以階梯折線來逼近給定直線或者圓弧曲線，最大逼近誤差不超

過

數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)脈沖當(dāng)量(每走一步的距離，即步長).

直線插補(bǔ)計(jì)算過程的步驟如下：

(1)偏差判別：即判別上一次進(jìn)給后的偏差值Fm是最大于等于零，還是小于零；

(2)坐標(biāo)進(jìn)給：即根據(jù)偏差判斷的結(jié)果決定進(jìn)給方向，并在該方向上進(jìn)給一步；

⑶偏差計(jì)算：即計(jì)算進(jìn)給后斷偏差值Fm+1,作為下一^差判別的依據(jù);

(4)終點(diǎn)判別：即若已到達(dá)終點(diǎn)，則住手插補(bǔ)；若未到達(dá)終點(diǎn)，則重復(fù)上述步驟。

圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程的步驟如下：

(1)偏差判別

(2)坐標(biāo)進(jìn)給

(3)偏差計(jì)算

(4)坐標(biāo)計(jì)算

(5)終點(diǎn)判別

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!5若加！第二象限直線OA,起點(diǎn)0(0,0),終點(diǎn)A(Y,6).要求：

⑴按逐點(diǎn)比較法插I卜進(jìn)行列表計(jì)算；

(2)作出走步軌跡圖，并標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù).

N

解：由題意可知xc=4,yc=6,Fo=0,我們?cè)O(shè)置一個(gè)總的計(jì)數(shù)器?，其初值應(yīng)為=|6-0|+|-4-0|=10,則插I卜

計(jì)算過程如表3-1所示。根據(jù)插補(bǔ)計(jì)算過程表所作出的直線插補(bǔ)走步軌跡圖如下圖所示。

表3—1

步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別

起點(diǎn)

F°=0N攻=10

1F=0-XE=H=-6N=9

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

21+Y21eXY

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

4F3>0-XF產(chǎn)—N=6

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

F=0N=4

65-XF,=F<-/=-6村

F<0F=F+X=-2N=3

76+Y76e藥

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

87+YXV

9F8>0-XFo=F.-y=-4N=1

F,rF,+x=°

10”0+YNXV=0

6.設(shè)UQI第一象限的圓弧AB,起點(diǎn)A(6,0),終點(diǎn)B(0,6).要求：

⑴按逐點(diǎn)比較法插I卜進(jìn)行列表計(jì)算；

(2)作出走步軌跡圖，并標(biāo)明進(jìn)給方向和步數(shù).

解：插補(bǔ)計(jì)算過程如表3-2所示.終點(diǎn)判別仍采用第二種方法，設(shè)一個(gè)總的計(jì)數(shù)器N1y,每走一步便減1

操作，當(dāng)0=0時(shí)，加工到終點(diǎn)，插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束.下圖為插補(bǔ)過程中的走步軌跡.

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表3—2

步數(shù)偏差判別坐桶^給偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)判別

x『6,y『0

起點(diǎn)F0=0NF=12

1F=0-XF=0-12+1=11X]=5y[=0N=11

2F]<0+YF2=-ll+0+l=-10\=5^=1N=10

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

4F<0+YF4=-7+4+l=-2x『5,y『3N=8

5F<0+YF=-2+6+l=5x.=5y=4N=7

6F>0-XF=5-10+l=-4\54,乂=4N=6

F<0F=4+8+l=5&=4,y7=5N=5

76+Y7小

8F7>0-XFg=5-8+l=-2Xa=3,y『5N=4

9+YF=-2+10+1=9XF3,y『6N或=3

10-XF=9-6+l=4x..=2,y,?=6N=2

11Fin>0-XF=4-4+l=lx“=ly,=6N=1

12EM-XF=l-2+l=0x,=0,y?=6N=0

!5、設(shè)翱謝臟為A、B、C、D四相。

(1)說明圖中芯片4N25、復(fù)合管T的作用。

圖中光電隔離器4N25的作用有兩個(gè)，隔離和耦合。

(2)畫出此步進(jìn)機(jī)電單四拍、雙四拍以及四相八拍三種控制方式正向通電順序圖。

廣A—BfC,D

①單四拍：

廣ABeBCeCDeDA—

②雙四拍

產(chǎn)A+ABBBBBC—C—CD—DnDA-]

③四相八拍

(3)A、B、C、D四相分別用PCO—PC3控制，請(qǐng)?jiān)谙卤淼目崭裉幪钌线m當(dāng)?shù)臄?shù)。

步控制位

序D7D6D5D4D3D2DID0畫電狀態(tài)控制模型

DCBA

雙四拍111A、B通電03H

211B、C通電06H

311C、D通電OCH

411D、A?電09H

(4吐木^$?]喇嚇爵標(biāo)已,知8255A0^需口2060H、2061H、2062H、2C63H,

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試用8255A位控方式，寫出使步進(jìn)機(jī)電A相、B相、（:相和D相通電的程序（只要求正轉(zhuǎn)）。

ORG2030H

START:MOVA,80H；8255初始化

MOVDPTR,#2063H

MOVX

@DPTR;A

MOV；A相通電

MOVX@DPTR,A

MOVA#03H；B相通電

MOVX@DPTR,A

MOVA#05H；C相通電

MOVX@DPTR,A

MOVA#07H；Dffi通電

MOVX@DPTR,A

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第六章過程控制數(shù)據(jù)處理的方法

1.數(shù)字渡波與摹擬濾波相比有什么特點(diǎn)？

數(shù)字濾波克服了摹擬濾波器的不足，它與摹擬濾波器相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(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(duì)頻率很低僅口0.01Hz的)信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了摹擬濾波器的缺陷；

(3)數(shù)字濾波器可根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或者濾波參數(shù)，具有靈便、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.常用穗字濾波方法有幾種?它們各自有什么特點(diǎn)?

常用的數(shù)字濾波方法有7種。

Q)程序判斷濾波法：是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能浮現(xiàn)得最大偏差。

(2)中值濾波法：它對(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或者采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動(dòng)干擾比較

有效。

(3)算術(shù)平均值濾波法：它合用于普通的具有隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波.它特殊適合于信號(hào)本身在某一數(shù)值范

圍附近作上下波動(dòng)的情況.

(4)加權(quán)平均值濾波：可以提高濾波效果

(5)滑動(dòng)平均值濾波法：采樣時(shí)間短，可以提高檢測(cè)速度

(6)慣性濾波法：合用干慢諫隨機(jī)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

3算術(shù)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波以及滑動(dòng)平均濾波三者的區(qū)別是什么？

算術(shù)平均值法合用于對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)信號(hào)的平滑，這種信號(hào)的特點(diǎn)是往往在某一數(shù)值范圍附

近作上、下波動(dòng)，有一個(gè)平均值。這種算法對(duì)信號(hào)的平滑程度取決于平均次數(shù)N,當(dāng)N較大時(shí)平滑度高，

但靈敏度低；當(dāng)N較4W寸，平滑度低，但靈敏度高，應(yīng)該視具體情況選取N<對(duì)于普通流量，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/N0

但有時(shí)為了提高濾波效果，往往對(duì)不同時(shí)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(dòng)平均或者加權(quán)遞推平均.其算法為

其中。

Y=9aX

nin一

04aRl=°a=1

Ii

i-0

加權(quán)因子選取可視具體情況決定，普通采樣值愈靠后，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(duì)正常變化的靈敏性也可提高，固然對(duì)干擾的靈敏性也稍大了些。

滑動(dòng)平均值濾波法，挨次存放N次采樣值，每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個(gè)數(shù)據(jù)丟掉，然

后求包含新值在內(nèi)的N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或者加權(quán)平均值。

4標(biāo)度變換在工程上有什么意義?在什么情況下使用標(biāo)度艘程序?

微機(jī)控制系統(tǒng)在讀入被測(cè)摹擬信號(hào)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?yàn)樯a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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

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數(shù)值的大小，故必須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才干運(yùn)算、顯示或者打印輸出。這種轉(zhuǎn)換稱為工程量轉(zhuǎn)換，

也稱為標(biāo)度變換。標(biāo)度變換有各種不同類型，它取決于被測(cè)參數(shù)測(cè)量傳感器的類型，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情

況選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)度變換方法，常用線性參數(shù)標(biāo)度變換。

6、某溫度控制系統(tǒng),其溫度變化范圍為：-10℃~+50℃,經(jīng)溫度變送器變換為1~5v電壓信號(hào)，

送至12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574（AD574的輸入范圍為0~5V）.

計(jì)算：（1）當(dāng)AD574的轉(zhuǎn)換結(jié)果為610H時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)溫度是多少？

⑵當(dāng)系統(tǒng)的溫度140℃時(shí)，AD57蝴A/D獻(xiàn)結(jié)耨多少？

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第七章數(shù)字PID及其算法

1.什么是數(shù)字PI附翰」算法和增迪控制案去?試比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制生產(chǎn)過程變量，必須將摹擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式，為此，在興樣周

期T遠(yuǎn)小于信號(hào)變化周期時(shí)，作如下近似(T足夠小時(shí)，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分受近)：

j!edt則TXkeO)

o.=0

dee(k/-e(k-1)

---RI--------------------

dtT

于是有：

k

ujk)=K{e(k)+2xe(j)+L[e(k)-e(k-1)]}

PTT

Ij=0

u(k)是全量值輸出,每次的輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如控制閥門的開度)一一對(duì)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(xiàng)，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(huì)引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以實(shí)際中

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量時(shí)，可以采用增量型PID算法。當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行

器為步進(jìn)機(jī)電、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這種裝置時(shí)，普通均采用增量型PID

控制算法。

編u(k)=K{[e(k)-e(k-1)]+=e(k)[[e(k)?2e(k-1)+e(k-2)]}

pTT

與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)位置型算式每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的積累計(jì)

算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項(xiàng)，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時(shí)，計(jì)算誤差

對(duì)控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。

(2)為實(shí)現(xiàn)手動(dòng)一自動(dòng)無擾切換，在切換瞬時(shí)，計(jì)算機(jī)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(duì)應(yīng)于閥門位置的變化部份，即算式中不浮現(xiàn)u廊，所以易于實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切

換。

(3)采用增量型算法時(shí)所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原

位，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成惡劣影響。

D1+

^=i+()o^s，造出榔激鉉嬲的瞰

式，設(shè)采樣周期T=0.2s.

D(s)=U(s)

E⑶1+00855

則U(s)+0.085SU(s)=E(s)+0.17SE(s)

：u(t)+0,085^-=e(t)+0.17^?^

dtdt

:u(k)+0,085u(k^^=e(k)+

把T=0.2S代入得

1.425u(k)-O.425u(k-1)=4.5e(k)-3.5e(k-1)

'u(k]=3.1579e(k)-2.4561e(k-1)+O.2982u(k-1)

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增量型

Au(k)=u(k)-u(k-1)=3.1579e(k)-2.4561e(k-1)-0.7018u(k-1)

3在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,積分飽和解孰何產(chǎn)生的？在微型機(jī)控制系統(tǒng)中,如何消除飽和?

4.有哪幾種改進(jìn)磁字PID控嬲?

有五種：

(1)積分分離PID控制算法

(2)不徹底微分PID控制算法

(3)帶死區(qū)的PID控制算法

(4)變速積分的PID控制算法

(5)PID比率控制算法

5.采樣周期的選擇需要考慮I■因素?

(1)從調(diào)節(jié)品質(zhì)上看，希翼采樣周期短，以減小系維屯滯后的影響，提高控制精度。通常保證在95%

的系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間內(nèi)，采樣6次~15次即可。

(2)從快速性和抗擾性方面考慮，希翼采樣周期盡量短，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(shí)。

(3)從計(jì)算機(jī)的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應(yīng)長些，特別是多回路控制時(shí)，應(yīng)使每一人回路

都有足夠的計(jì)算時(shí)間；當(dāng)被控對(duì)象的純滯后時(shí)間T較大時(shí)，常選T=(1/4~1/8)TO

(4)從計(jì)算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過短，當(dāng)主機(jī)字長較小時(shí)，若T過短，將使先后兩次采樣

值差別小，調(diào)節(jié)作用因此會(huì)減弱。此外，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度較低，會(huì)浮現(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亳無意義，因此T必須大于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)時(shí)間。

6.簡曲充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟.

擴(kuò)充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：

(1)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期T,例如被控過程有純滯后時(shí)，采樣周期T取滯后時(shí)間的1/10以下此時(shí)

調(diào)節(jié)器只作純比例控制，給定值r作階躍輸入。

(2)逐斬加大比例系數(shù)Kp,使控制系統(tǒng)浮現(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

1

下此時(shí)的比例系數(shù)Kp,將其記作臨界振蕩增益Ks.此時(shí)的比例度為臨界比例度，記作6s=TT。

(3)選擇控制度，所謂控制度是數(shù)字調(diào)節(jié)器和摹擬調(diào)節(jié)器所對(duì)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(yùn)行，觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。

擴(kuò)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(dòng)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，然后驀地改變給定

值，即給對(duì)象輸入一個(gè)階躍信號(hào).

(2)用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個(gè)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(shí)間T、被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)Tc,以及它們的比值Tc/。

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

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第八章復(fù)雜控制規(guī)律的設(shè)計(jì)

1.被控板的傳遞函數(shù)為

G（s）=