第一章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

習(xí)題參照答案

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如下三個(gè)環(huán)節(jié)：

(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，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)H勺狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定卜.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)，完畢控制任務(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期間范圍內(nèi)完畢的，即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息以足夠快的速

度進(jìn)行處埋，并在一定的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)并進(jìn)仃控制，超過了這個(gè)時(shí)間就會(huì)失去控制時(shí)機(jī)，控制也就失去了總義。

⑵“在線”方式：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，假如生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計(jì)算和選接，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“在線”方式。

⑶“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)H勺控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人

進(jìn)行聯(lián)絡(luò)并作對(duì)應(yīng)操作口勺方式，則叫做“脫機(jī)”方式或“離線”方式。

3.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件由哪幾部分構(gòu)成？各部分的作用是什么？

由四部分構(gòu)成。

(1)主機(jī)：這是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過接口它可以向系統(tǒng)的各人部分發(fā)出多種命令，同步對(duì)被控對(duì)象內(nèi)被控參數(shù)

進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測及處理。主機(jī)的重要功能是控制整個(gè)生產(chǎn)過程，按控制規(guī)律進(jìn)行多種控制運(yùn)算(如調(diào)整規(guī)律運(yùn)算、最優(yōu)化計(jì)算

等)和操作，根據(jù)運(yùn)算成果作出控制決策：對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督，使之處在最優(yōu)工作狀態(tài)；對(duì)事故進(jìn)行預(yù)測和報(bào)警；編制牛.

產(chǎn)技術(shù)匯報(bào)，打印制表等等。

圖1.1微機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖

⑵輸入輸出通道：這是微機(jī)和生產(chǎn)對(duì)象之間進(jìn)行信息互換的橋梁和紐帶.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)

可以接受的數(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(shí)現(xiàn)微機(jī)和外界進(jìn)行信息互換的設(shè)備，簡稱外設(shè)，包拈人機(jī)聯(lián)絡(luò)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）和外存貯器（磁盤）。其中操作臺(tái)應(yīng)具有顯示功能，即根據(jù)操作人員的規(guī)定，能立即顯示所

規(guī)定的內(nèi)容：還應(yīng)有按鈕，完畢系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺(tái)還要保證雖然操作錯(cuò)誤也不會(huì)導(dǎo)致惡劣后果，即應(yīng)有保護(hù)功能。

（4）檢測與執(zhí)行機(jī)構(gòu)

a.測量變送單元：在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了搜集和測量多種參數(shù)，采用了多種檢測元件及變送器，其重要功能是將被檢測參

數(shù)內(nèi)非電量轉(zhuǎn)換成電量，例如熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換成曬信號(hào)：壓力變送器仃以把壓力轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，這些住號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)

換成統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)原則電平信號(hào)（0?5?或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)中的市?要部件，其功能是根據(jù)微機(jī)輸出I內(nèi)控制信號(hào)，變

化輸出的角位移或直線位移，并通過調(diào)整機(jī)構(gòu)變化被調(diào)介質(zhì)H勺流量或能量，使生產(chǎn)過程符合預(yù)定H勺規(guī)定。例如，在溫度控制

系統(tǒng)中，微機(jī)根據(jù)溫度的誤差計(jì)算出對(duì)應(yīng)的控制量，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)整閥）來控制進(jìn)入加熱爐的煤氣（或油）量以實(shí)現(xiàn)預(yù)期

I內(nèi)溫度值。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(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？說出各部分軟件的作用。

軟件是指可以完畢多種功能的計(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)日勺中樞神經(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)H勺程序。對(duì)顧客來說，系統(tǒng)軟件只是作為開發(fā)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)整程序及故障謬斷程序;

C.開發(fā)系統(tǒng)：包括多種程序設(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)、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。

(2)應(yīng)用軟件:它是面向顧客自身的程序，即指由顧客根據(jù)要處理H勺實(shí)際問題而編寫的多種程序。

應(yīng)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(bào)警程序、操作面板服務(wù)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、文獻(xiàn)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)重要用于資料管理、存檔和檢索，對(duì)應(yīng)軟件設(shè)計(jì)指怎樣建立數(shù)據(jù)庫以及怎樣看詢、顯

示、調(diào)用和修改數(shù)據(jù)等。

5.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？

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

a.控制規(guī)律靈活多樣，改動(dòng)以便

b.控制精度高，克制擾動(dòng)能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制

c.可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和工況顯示，控制效率高

d.控制與管理?體化，深入提高H動(dòng)化程度

6.操作指導(dǎo)、DDC和SCC系統(tǒng)工作原理怎樣？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)絡(luò)？

(1)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)的輸出不直接作月于生產(chǎn)對(duì)象，屈于開環(huán)控制構(gòu)造。計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)

學(xué)模型、控制算法對(duì)檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行處理，計(jì)算出各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參照，這時(shí)計(jì)

算機(jī)就起到了操作指導(dǎo)H勺作用。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)就處通過檢測元件對(duì)-■種或多種被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢

測，經(jīng)輸入通道送給微機(jī)，微機(jī)將檢測成果與設(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)抵達(dá)預(yù)定的規(guī)定。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L3

所示。

生

產(chǎn)

及

圖1.3DDC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)更靠近生產(chǎn)變化II勺實(shí)際狀況，由

于在DDC系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)只是替代模擬調(diào)整器進(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)行紿定值控制，并

且還可以進(jìn)行次序控制、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L4所示。

檢

多

測

路-

元

模擬3:誠開X家輸入通道開

件

關(guān)

V&

機(jī)

.模擬儀或開常規(guī)謝H牌_執(zhí)行機(jī)構(gòu)

一關(guān)L；蝴山通道^一成DDC級(jí)微機(jī)一外門機(jī)收

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)II勺綜合與發(fā)展。

7.計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的可靠性和性能價(jià)格比.從而使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。為

更好地適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，以滿足對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提出向越來越高的規(guī)定，目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨

勢有如下幾種方面。

a.普及應(yīng)用可編程序控制器

1).采用集散控制系統(tǒng)

c.講究和發(fā)展智能控制系

第二章輸入輸出過程通道

習(xí)題參照答案

1.什么是過程通道？過程通道有哪些分類？

過程通道是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置口勺信息傳送和轉(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：按所傳遞和互換的信息來分，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構(gòu)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)字量輸入通道重要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定期計(jì)數(shù)電路等構(gòu)成。數(shù)字量輸出

通道重要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出口地址譯碼電路等構(gòu)成。其中：輸入調(diào)理電路未來自控制裝置或生產(chǎn)過程的多

種開關(guān)量，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的高、低電平，同步還要考慮對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、保護(hù)、消除觸點(diǎn)抖動(dòng)，

以及進(jìn)行信號(hào)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II勺硬件消抖電路，首先運(yùn)用積分電路將抖動(dòng)的高頻部分濾出，另首先運(yùn)用施密特觸發(fā)器整形。

采用RS觸發(fā)器叼硬件消抖電路，重要是運(yùn)用RS觸發(fā)器的保持功能實(shí)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。

光電耦合器山封裝在一種管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏二極管構(gòu)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，完畢信號(hào)的光電耦合傳送，它在過程通道中實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。

圖2.1光電耦合器電路圖

5.模擬量輸入通道由哪些部分構(gòu)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構(gòu)成。

(DI/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，為與原則化儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配提供了以

便,

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

(3)采樣保持器：A/D轉(zhuǎn)換器完畢一次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)，但愿輸入信號(hào)不再變化，以免

導(dǎo)致轉(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(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，可以完畢這一任務(wù)的器件，稱為之模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

（Aralog/DigitaiConverter,簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC）。

6.對(duì)理想多路開關(guān)的規(guī)定是什么？

理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時(shí)II勺導(dǎo)通電阻為零。此外，還但愿切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。

7.采樣保持器有什么作用？試闡明保擰電容的大小對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響。

采樣保持器叼作用：A/D轉(zhuǎn)換器完畢一次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)，但愿輸入信號(hào)不再變化，以

免導(dǎo)致轉(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)時(shí)跟隨特性好，但在保持狀態(tài)時(shí)放電時(shí)間常數(shù)也小，即保守電容放電快，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？為何？

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，在容許H勺

A/口轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，就不必再選用采樣保持器。

9."D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)有什么作用？根據(jù)該信號(hào)在I/O控制中的連接方式，A/D轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？它仁在接口電路和

程序設(shè)計(jì)上有什么特點(diǎn)？

A/D轉(zhuǎn)換器H勺結(jié)束信號(hào)的作用是用以判斷本次AD轉(zhuǎn)換與否完畢。

常見的A/D轉(zhuǎn)換有如下幾種控制方式，各自特點(diǎn)如下

?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)不不大于ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間后，取數(shù)據(jù)。

?保持等待法:EOC與READY相連,EOC無效時(shí)，自動(dòng)插入等待狀態(tài)。直至EOC有效時(shí)，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)，反且判斷EOC與否有效，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)。

10.設(shè)被測溫度變化范圍為0°C~1200℃,假如規(guī)定誤差不超過0.4℃,應(yīng)選用辨別為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？

7（1200、

選擇根據(jù)：n>log1+------?12

2<0.4）

11.設(shè)計(jì)出8路模擬量采集系統(tǒng)。請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編寫對(duì)應(yīng)的8路模擬量數(shù)據(jù)采集程序。

本例給出用8031、DAC0809設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)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。采樣完一遍后停止采集。其數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中斷服

務(wù)程序如卜.:

初始化程序:MOVRO,#30H:設(shè)宜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)指針

MOVR2,#08H:設(shè)置8路采樣計(jì)數(shù)值

SETBIT0:設(shè)置外部中斷0為邊緣觸發(fā)方式

SETBEA;CPU開放中斷SETBEXO：容許外部中斷。中斷

MOVDPTR,SFEF8H:送入口地址并指向IN0

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

HERE：SJMPHERE：等待中斷

中斷服務(wù)程序:

MOVXA,@DPTR;讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量

MOV-@R0,A；存入片內(nèi)R.AV單元

INGDPTR：指向下一模擬通道

INCRO:指向下一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

DJNZR2,INTO：8路未轉(zhuǎn)換完，則維續(xù)

CLREA:已轉(zhuǎn)換完，則關(guān)中斷

CLREXO:嚴(yán)禁外部中斷0中斷

RETI;中斷返回

INTO：MOVX@DPTR,A:再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

RETI；中斷返回

1D

：74LS373

8,1。

4SD：

AIJR

DO

人DOA

ADDB

ADDO1Z7

IFMIXJEOC?IZ6

■U

12.模擬量輸出通道由哪幾部分構(gòu)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(zhuǎn)換器、功率放大和V/I變換等信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。

（DD/A轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道小J關(guān)鍵是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（Digital/AnalogConverter,簡稱D/A轉(zhuǎn)換㈱或DAC）。它是指將數(shù)字

量轉(zhuǎn)換成模擬量H勺元件或裝置。

（2）V/［變換：一般狀況下，D/A轉(zhuǎn)換電路I內(nèi)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，為了便于信號(hào)的遠(yuǎn)

距離傳播，減少由于傳播帶來的干擾和衰減，需要采用電流方式輸出模擬信號(hào)。許多原則化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是

采用。?10mA或4?20mA的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。因此，需要將模擬電壓信號(hào)通過電壓/電流（V/I）變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。

13.采用DAC0832和PC總線工業(yè)控制機(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。

數(shù)據(jù)總線

8086CPU

D%^ocrri

地

地址線DAC0832

------址

譯CS【OUT2

M/K)碼

WR2

XFER

_DGNE

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本章作業(yè)

設(shè)計(jì)一八路數(shù)據(jù)采集及其回放系統(tǒng)。規(guī)定八路數(shù)據(jù)巡回檢測，存儲(chǔ)10組數(shù)據(jù)，怖數(shù)據(jù)為電壓信號(hào)（0-5V）,檢測精度＜1樂

CPU、AD、DA可任選。

第三章微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

習(xí)題參照答案

3.1.什么是數(shù)控程序控制？數(shù)字程序控制有哪幾種方式？

所謂數(shù)控程序控制是計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機(jī)械（如多種加工機(jī)床）按規(guī)定的工作次序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)

距離和運(yùn)動(dòng)速度等規(guī)律自動(dòng)地完畢工作的自動(dòng)控制。

數(shù)字程序控制方式：點(diǎn)位控制、直線切削控制和輪廓的切削控制。

3.2.什么是逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法？直線插補(bǔ)計(jì)算過程和圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程各有哪幾種環(huán)節(jié)？

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?步(即輸出?種進(jìn)給脈沖)，就作?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，判斷其偏差狀況，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)是以階梯折線來迫近給定直線或圓弧曲線，最大迫近誤差不超過數(shù)控系統(tǒng)的一種脈沖當(dāng)量(每走一步的距離，即步

長：,。

直線插補(bǔ)計(jì)算過程的環(huán)節(jié)如下：

(1)偏差鑒別：即鑒別上一次進(jìn)給后的漏差值Fm是最不不大于等于零，還是不不不大于零：

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

(3)偏差計(jì)算：即計(jì)算進(jìn)給后的新偏差道Fm+1,作為下一步偏差鑒別的根據(jù)；

(4)終點(diǎn)鑒別：即若已抵達(dá)終點(diǎn)，則停止插補(bǔ)；若未抵達(dá)終點(diǎn)，則反曳上述環(huán)節(jié)。

圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程的環(huán)節(jié)如下：

(1)偏差鑒別

(2)坐標(biāo)進(jìn)給

(3)偏差計(jì)算

(4)坐標(biāo)計(jì)算

(5)終點(diǎn)鑒別

5.若加工第一象限直線0A,起點(diǎn)0(0,0),終點(diǎn)A(11,7)。規(guī)定：

(1)按逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)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:由題意可知x.=ll,y.=7,Fo=0,我們設(shè)置一種總的計(jì)數(shù)器N“，其初值應(yīng)為Nw=|7-0|+|UW|=18,則插補(bǔ)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)偏差鑒別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)鑒別

起點(diǎn)F(.=0N?=18

1Fo=0+XFi=Fo-yc=-7N“=17

2F,<04YF產(chǎn)N*,=16

3F2>0+xF8=F[ye=-3N?=15

4F/0+YFI=F3+X..=8NM=14

5F(>0+XFs=Ff=lN?=13

6F5>0+XF6=F5-ye=-652

7FG<0+YF產(chǎn)Fu+Xe=5N?=ll

8F；〉0+XFg=Fi=-2NEO

9Fx<0+YE?=FH+X“=9N“=9

10Fg〉0+XFio=F9-yu=2N.,=8

11F,o>0+XEn=Fio-ye=-5N“=7

12F?<0+YFl2=Fl|+X.=6N“=6

13Fn>0+XFi3=Fi2-yc=-lN“=5

+

14FB<0+YFn=Fi3x?=10N'=4

15F.<>0+XFI尸F(xiàn)“-y,=3N?=3

16F,5>0+XFi#=Fi5-ye=-4N“=2

17F.6<0+YFi7=Fi6+x.=7N.r=l

18Fp>0+XFi8=Fi6-y,=0N“=0

3.5.設(shè)加工第一象限的圓弧AB,起點(diǎn)A(6,0),終點(diǎn)B(0,6)。規(guī)定：

(1)按逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)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)鑒別仍采用第二種措施，設(shè)一種總的計(jì)數(shù)器心，每走一步便減1操作，當(dāng)N；=0時(shí),

加工到終點(diǎn)，插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束。卜.圖為插補(bǔ)過程中的走步軌跡。

表3—2

步數(shù)偏差鑒別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算終點(diǎn)鑒別

起點(diǎn)F(,=0Xo=6,yo=0N.,=12

1Fo=O-xF.=0-12+l=-llx.=5,yi=0N.,=ll

xz=5,yz=l

2FK0+YF2=-ll+0+l=-10N,T=10

3F2<0+Y&=-10+2+l=-7X3=5,ys=2N,y=9

4艮<0+YF<=-7+4+l=-2x(=5,y<=3N、y=8

5FXO+YF5=-2+6+l=5X5=5,y5=4N,y=7

XG=4,y=4

6Fs>0-XF6=5-10+l=-4GN,，=6

XT=4,YT=5

7FKO+YF?=-4+8+l=5N,y=5

XR=

8R>0-X%=5-8+1=-23,y?F5N.y=4

9F?<0+Y5-2+10+1=9X$F3,yH=6N“=3

==

10FQO-XF『9-6+l=4Xi(i2,yio6N,y=2

11Fw>0-XFi)=4-4+l=lxn=l,yn=6N“=l

12F>0-XXi=0,y=6N,=0

uFI2=1-2+1=02I2y

3.6,三相步進(jìn)電機(jī)有哪幾種工作方式？分別畫出每種工作方式的各相通電次序和電壓波形圖。

解：有三種工作方式：

（1）三相單三拍工作方式

各相的通電次序?yàn)锳-B-C,各相通電的電壓波形如圖3.1所示.

步進(jìn)時(shí)鐘JULTETULTL

A相J__________

B相-------------------------

C相-------------------------L

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次序?yàn)锳B-BC-CA。各相通電的電壓波形如圖3,2所示。

…n_rLn_rLruuuui_n_rLrLrLn_n_

--uu~~u_u~~L

B梢

cwU_UULJ-

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(jìn)電機(jī)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，其通電次序?yàn)?/p>

A-AB-*B-BC-*C-CAO各相通電的電玉波形如圖3.3所示。

皿悌rLrLrLrLrLn_n_n_n_n_rLn_rLn_rL

aw?????_

BUI

C?l|

圖3.3三相六拍工作的電壓波形圖

3.7.采用8255A作為x軸步進(jìn)電機(jī)和y軸步進(jìn)電機(jī)的控制接口，規(guī)定

(1)畫出接口電路原理圖；

(2)分別列出x軸和y軸步進(jìn)電機(jī)在三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍工作方式下的輸出字表。

電珞原理圖如圖所示

三相單三拍控制方式輸出字表

X軸步進(jìn)電機(jī)輸出字表y軸步進(jìn)電機(jī)輸出字表

存儲(chǔ)地址標(biāo)號(hào)低八位輸出字存儲(chǔ)地址標(biāo)號(hào)高八位輸出字

ADX100000001=01HADY100000001=01H

ADX200000010=02HADY200000010=02H

ADX300000100=04HADY300D00100=04H

三相雙三拍控制方式輸出字表

存儲(chǔ)地址標(biāo)號(hào)低八位輸出字存儲(chǔ)地址標(biāo)號(hào)高八位輸出字

ADX100000011=O3HADY100000011=03H

ADX200000110=06HADY200000110=06H

ADX300000101=05HADY300000101=05H

三相六拍控制方式輸出字表

x軸步進(jìn)電機(jī)輸出字表y軸步進(jìn)電機(jī)輸出字表

存儲(chǔ)地址標(biāo)號(hào)低八位輸出字存儲(chǔ)地址標(biāo)號(hào)高八位輸出字

ADX100000001=01HADY100000001=01H

ADX200000011=O3HADY200000011=03H

ADX300000010=02HADY300000010=02H

ADX400000110=06HADY400000110=06H

ADX500000100=04HADY500000100=04H

ADX600000101=05HADY600000101=05H

第四章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法

習(xí)題參照答案

4..1.數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是什么？

模擬化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：

(1)設(shè)計(jì)假想的模擬控制器D(S)

⑵對(duì)的地選擇采樣周期T

(3)將D(S)離散化為D(Z)

(4)求出與D(S)對(duì)應(yīng)II勺差分方程

(6)根據(jù)差分方程編制對(duì)應(yīng)程療。

2.某系統(tǒng)的持續(xù)控制器設(shè)計(jì)為

'E(s)\+T2S

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).

2Z-1

解：雙線形變換法：把s=一?——代入，則

Tz+l

.T2z—1

1+7；—?

iTz+1=（T+27；）z+T-27；

D（z）=O（z）2一

s=—^—.丁2z—1（T+2T）Z+T-2T

TZ4-I1+K—?22

2TZ+\

前向差分法：把z=￡■代入，則

T

z-1

T率+f

z-lT2Z+T-T2

不

z—1

后向差分法：把$=——代入，則

Tz

z-l

節(jié)=T\Z+T-T\

z-lT2Z-VT-T2

Tz

4.3什么是數(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)缺陷。

為r實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制生產(chǎn)過程變量，必須將模擬P】D算式離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式，為此，在采樣周期T遠(yuǎn)不不不大于

信號(hào)變化周期時(shí)，作如下近似(T足夠小時(shí)，如下迫近相稱精確，被控過程與持續(xù)系統(tǒng)十分靠近):

dee(k)-e(k-1)

----工-------------------------

dtT

于是有:

〃(6=Kp[e(k)+/￡>(./)+飛e*)-^-1)])

hy=o1

u(k)是全量值輸出，每次H勺輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如控制閥門的開度)一一對(duì)應(yīng)，因此稱之為位置型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)，因此輸出啊控制量u(k)不僅與本次偏差有?關(guān)，還與過去加次采樣

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，甚至導(dǎo)致導(dǎo)故。因此實(shí)際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量H勺

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)電機(jī)、電動(dòng)調(diào)整閥、多圈電位器等具有保

持歷史位置的功能的此類裝置時(shí)，一般均采用增量型PID控制算法。

△〃伏)=焰,{[e(k)-e(Z-1)]+《式k)+^[e(/c)-2e(k-l)+e(/c-2)]j

與位置算法相比，增量型PID算法力.如下長處;

(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，輕易產(chǎn)生較大的累積計(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)整器的積分飽和，在精度局限性時(shí)，計(jì)算誤差對(duì)控制量的影響較小，輕易獲得

很好的控制效果。

(2)為實(shí)現(xiàn)手動(dòng)一一自動(dòng)無擾切換，在切換瞬時(shí)，計(jì)算機(jī)的輸出值應(yīng)設(shè)宣為原始閥門開度u。，若采用增量型算法，其輸出對(duì)

應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)w項(xiàng)，因此易于實(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II勺執(zhí)行器自身?都具有寄存作用，因此雖然計(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)

導(dǎo)致惡劣影響。

4.4.已知模擬調(diào)整器的傳遞函數(shù)為

1+0.17s

一1+0.085s

試寫出對(duì)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U(s)+0.085SU(s)=E(s)+0.17SE(5)

.?.〃(/)+0085=*)+0』7^^

〃(%)+0.085〃(左)一必-1)=e(Z)+0.17業(yè))--1)

T

把T=0.2S代入得

1.425〃(%)-0.425〃(％-1)=45業(yè))-3.5業(yè)-1)

位置型〃(攵)=3.1579^)-2.4561e(k-1)+0.2982u{k-1)

增量型△〃(%)=〃(%)-〃(攵-0=3.15794攵)一2.4561e(Z-1)-0.7018M(Z:-1)

(補(bǔ)充題)已知模擬調(diào)整器的傳遞函數(shù)為

試寫出對(duì)應(yīng)數(shù)字控制器的位置型PID算法和增量型PID控制算式，設(shè)采樣周期T=0.2so

1+0.175cn1)=K，(l+；+7；㈤

解：由于。(s)=---------=20+——

0.08550.17s*

因此=2?4=0.17,7^=0o

故位置型PID控制^

u(k)=Kp6(女)+52貝，)+7/)e(k)-e(k-1)

i=OT

o0.2+「、

=2儀行+不行二網(wǎng)”)

U?1/；=o

0.4±e(i)

=2e(k)+

0.17/=0

故增量型PID控制器

u(k)=u(k-1)+A-

=u(k-1)4-KP\e(k)-e(k-1)]+Kte(k)+KD\e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

=u(k-1)+2[e(Q-e(k-1)]+e(k)

xu(k-1)+4.35e(k)-2e伏-1)

4.5.什么叫積分飽和？它是怎么引起內(nèi)？怎樣消除？

解：(1)假如執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)到極限位置，仍然不能消除崢差時(shí)，由于積分作用，盡管PID差分方程式所得的運(yùn)算

成果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無對(duì)應(yīng)叼動(dòng)作，這就叫積分飽和。

(2)1、當(dāng)偏差產(chǎn)生躍變時(shí)，位置型PID算式的輸出將急劇增大或減小，有也許超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上(下)限，而

此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)只能工作在上限。

2、系統(tǒng)輸出需要很長時(shí)間才抵達(dá)給定值，在這段時(shí)間內(nèi)算式的積分項(xiàng)將產(chǎn)生一種很大的積累值。

3、當(dāng)系統(tǒng)輸出超過給定值后，偏差反向，但由于大的枳分積累值，及制量需要相稱一段時(shí)間脫離飽知區(qū)。因此引

起系統(tǒng)產(chǎn)生大幅度超調(diào)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

(3)常用的改善措施：積分分離法和抗積分飽和

4.6.采樣周期的選擇需要考慮那些原因？

(1)從調(diào)整品質(zhì)上看，但愿采樣周期短，以減小系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度。一般保證在95附內(nèi)系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間

內(nèi)，采樣6次?15次即可。

(2)從迅速性和抗擾性方面考慮，但愿采樣周期盡量短，這樣給定值的變化可以迅速地通過采樣得到反應(yīng)，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，尤其是多回路控制時(shí)，應(yīng)使每個(gè)回路均有足夠的計(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=(1/41/8)T0

(4)從計(jì)算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過短，當(dāng)生機(jī)字長較小時(shí)，若：'過短，將使前后兩次采樣值差異小，調(diào)整作用因

此會(huì)減弱。此外，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)叫速度較低，會(huì)比現(xiàn)這種狀況，即新的控制量已輸出，而前一次控制卻還沒完畢，這樣采樣周

期再短也將亳無意義，因此T必須不不大于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)整時(shí)間。

4.7.簡述擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的環(huán)節(jié)。

擴(kuò)充臨界比例度法整定PID參數(shù)的環(huán)節(jié)：

(1)選擇一種足夠短的采樣周期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"10如卜，此時(shí)調(diào)整器只作純比例

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。山臨界振蕩過程求得對(duì)應(yīng)的臨界振蕩周期Ts,并記下此時(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，記作尤、=」一。

段

(3)選擇控制度，所謂控制度是數(shù)字調(diào)整器和模擬調(diào)整器所對(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H勺整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運(yùn)行，觀測控制效果，再合適調(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)的環(huán)節(jié)：

(1)斷開數(shù)字調(diào)整器，讓系統(tǒng)處在手?動(dòng)梁作狀態(tài)。將被調(diào)量調(diào)整到給定值附近并穩(wěn)定后，然后忽然變化給定值，即給對(duì)象輸

入一種階躍信號(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/T。

(4)由T、Tc、TC/T值，查表，求出數(shù)字控制器的T、即、Ti和Td。

4..8.數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是什么？

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖4—1所示。

圖4-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖

由廣義對(duì)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)o

數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如下：

⑴根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標(biāo)規(guī)定和其他約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中(z).

(2)求廣義對(duì)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)o

(4)根據(jù)D(z)求取控制算法的遞推計(jì)算公式。

4.9已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為

「（v10

*匕（0.1s+1）

采樣周期T=0.ls,采用零階保持器。規(guī)定

（1）針對(duì)單位速度輸入信號(hào)設(shè)計(jì)至少拍無紋波系統(tǒng)的D（z）,并計(jì)算輸出響應(yīng)），（4）、控制信號(hào)〃伏）和誤差e（k）序

列，畫出它們對(duì)時(shí)間變化的波形。

（2）針對(duì)單位階躍輸入信號(hào)設(shè)計(jì)至少拍有紋波系統(tǒng)的Q（z）,并計(jì)算輸出響應(yīng)y（Q、控制信號(hào)〃伏）和誤差e（外序

列，畫出它們對(duì)時(shí)間變化的波形。

解：廣義脈沖傳遞函數(shù)為

通）=（一”（七）

G(z)=Z(

lOTz-1I1、

(1-z-1)21-Z-,(l-e-,orz-,)

().36827(1+().7"|)

"(l-z-')(l-0.36Sz-1)

至少拍無紋波設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：

1）根據(jù)廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)已知N=2,M=2

N（分母多項(xiàng)式的幕次）因此d=0

M（分子多項(xiàng)式的常次）產(chǎn)1（即分子多項(xiàng)式中的（1+0.717z-））

d=N-M延時(shí)

v=l,j=l：

w在所有零點(diǎn)的總數(shù)（不包括無窮遠(yuǎn)的零點(diǎn)）

q=2（單位速度輸入）

V在Z平面的單位圓上或圓外極點(diǎn)的個(gè)數(shù)

j在Z平面的單位圓上極點(diǎn)的個(gè)數(shù)

q（輸入類型）

2）確定Fl（z）和F2（z）的寡次m和nm=w+d=\

m-卬+dn=v-j+max(y,q)=2

n=v-j+max（j,q）因此：

斗Z）=1+\ZT+九Z-2+...十九Zf耳(z)=l+/“z-i

12n2

F2（z）=/21z-4-^2z-+...+/21z-F2(Z)=/21Z-'+/22Z-

3）確定<1>e（z）

①,(Z)=甘(1一。落一1)(l—zM)mgj，，)A(Z)

v-j

中,（z）=l-①（z）=n（l—a/T）|],Z-I）?^M）/7（2）_r=l_

/=l二(一］)2(1+/3)

123

=l+(/I1-l)z--/1Iz-+/llz-

4)確定①(z)

①(z)=z“n(l-^z-')F2(Z)

力(叱)

①⑵=z-"1-F2(Z)J=I.

_i=\.,12