1.1计算机控制系统的控制过程是怎样的?

计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：

(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。

(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。

(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

1.2实时、在线方式和离线方式的含义是什么？

(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。

(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。

1.5计算机控制系统的特点是什么？

微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：

a.控制规律灵活多样，改动方便

b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制

c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高

d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度

1.6计算机控制系统的发展趋势是什么？

大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。

a.普及应用可编程序控制器

b.采用集散控制系统

c.研究和发展智能控制系统

2.4数字量过程通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？

数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。

数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。其中：输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量，进行电平转换，将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题。

2.5简述两种硬件消抖电路的工作原理。

采用积分电路的硬件消抖电路，首先利用积分电路将抖动的高频部分滤出，其次利用施密特触发器整形。

采用RS触发器的硬件消抖电路，主要是利用RS触发器的保持功能实现消抖。

2.6简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。

光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图2.1所示。输入电流流过二极管时使其发光，照射到光敏三极管上使其导通，完成信号的光电耦合传送，它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离。

图2.1光电耦合器电路图

2.7模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？

模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。

(1)I/V变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。

(2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。

(3)采样保持器：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。

(4)A/D转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模/数转换器(Analog/Digital Converter，简称A/D转换器或ADC)。

2.9采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。

采样保持器的作用：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。

保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的跟随特性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差。

2.10对理想多路开关的要求是什么？

理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。

2.13设被测温度变化范围为0oC~1200oC,如果要求误差不超过0.4oC,应选用分辨为多少位的A/D转换器？

选择依据：8b31bb77a24a73fe141a3518b840649d.png

2.14模拟量输出通道由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、功率放大和V/I变换等信号调理电路组成。

(1)D/A转换器：模拟量输出通道的核心是数/模转换器(Digital/Analog Converter,简称D/A转换器或DAC)。它是指将数字量转换成模拟量的元件或装置。

(2)V/I变换：一般情况下，D/A转换电路的输出是电压信号。在计算机控制系统中，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减少由于传输带来的干扰和衰减，需要采用电流方式输出模拟信号。许多标准化的工业仪表或执行机构，一般是采用0～10mA或4～20mA的电流信号驱动的。因此，需要将模拟电压信号通过电压/电流(V/I)变换技术，转化为电流信号。

2.16什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？

共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成得。消除共模干扰的方法有以下几种:变压器隔离；光电隔离；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的仪表放大器作为输入放大器。

串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。消除串模干扰的方法有以下几种：在输入回路中接入模拟滤波器；使用双积分式A/D转换器；采用双绞线作为信号线；电流传送，

4.1数字控制器的模拟化设计步骤是什么？

模拟化设计步骤：

（1）设计假想的模拟控制器D(S)

（2）正确地选择采样周期T

（3）将D(S)离散化为D(Z)

（4）求出与D(S)对应的差分方程

（5）根据差分方程编制相应程序。

4.2某连续控制器设计为

f0332bd28647d97a9a45314b88baf230.png

试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(Z)。

双线形变换法：把7da525d2c7f76cecffe6efbc12a73403.png代入，则

cc0052528f0561b6fe35c18a39c353c7.png

前向差分法：把dc911cc459bd2399a410510afd57ae3c.png代入，则

d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e.png957b77794abfc87223cd911be20a0bab.png

后向差分法：把b6ee9d7cb5476eacddea99906fd8ee6d.png代入，则

85027b60c02fdc12ce31d4db1f5d6a63.png

4.4在PID调节器中系数131cb776b157ddc8e5069f48e0820156.png、26e634477c7a1285bb21c5df84371894.png、8aeb2471d80a0171b9413def560eb016.png各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？

系数131cb776b157ddc8e5069f48e0820156.png为比例系数，提高系数131cb776b157ddc8e5069f48e0820156.png可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境地提高系数131cb776b157ddc8e5069f48e0820156.png最终将导致系统不稳定。比例调节可以保证系统的快速性。

系数26e634477c7a1285bb21c5df84371894.png为积分常数，26e634477c7a1285bb21c5df84371894.png越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间加长。积分调节可以消除静差，提高控制精度。

系数8aeb2471d80a0171b9413def560eb016.png为微分常数，8aeb2471d80a0171b9413def560eb016.png越大微分作用越强。微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响。

4.5什么是数字PID位置型控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。

为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式，为此，在采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似(T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近)：

word/media/image16_1.png

于是有：

word/media/image17_1.png

u(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置(如控制阀门的开度)一一对应，所以称之为位置型PID算法。

在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u(k)不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。

word/media/image18_1.png

与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：

(1)位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。

(2)为实现手动——自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度u0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现u0项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。

(3)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。

4.6已知模拟调节器的传递函数为

cb568ff6e8ecbbc8ac9e99a104df56a5.png

试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式，设采样周期T=0.2s。

601b39e50a3d7a5dab493d87ad94db91.png

则a0c477b38ed81787b2a3345f954370e4.png

1430a5cfc7f28d4f47f61d613fb3669d.png

92a1a18eb70edda04572e7b1935c395f.png

把T=0.2S代入得

1e89b7aa0a13c32ee579de293ea83a94.png

位置型

4be24ce6344337b57dc3f003c2672e60.png

增量型

5e00a05ee780965765b351759606f1f0.png

4.7什么叫积分饱和？ 它是怎样引起的？如何消除？

在PID位置式算法中需要偏差信号的累加值，当累加值超出执行机构的额定范围后，执行机构的输出值不再随控制信号的增加而增加，于是就出现了积分饱和现象。消除方法：1．采用增量式算法；2．采用积分分离式算法。

4.9数字控制器直接设计步骤是什么？

计算机控制系统框图如图4—1所示。

图4—1计算机控制系统框图

由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数D(z)。

数字控制器的直接设计步骤如下：

(1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数Φ(z)。

(2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。

(3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。

(4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。

410.被控对象的传递函数为

9511aff0d8b16f81e6d6dec285f4cb06.png

采样周期T=1s，采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，设计：

(1)最少拍控制器4c7fd50a72a3373777efe568c1f820dc.png；

(2)画出采样瞬间数字控制器的输出和系统的输出曲线。

(1)最少拍控制器

可以写出系统的广义对象的脉冲传递函数

2d982ae1a87662383577925c43bdfb82.png

将T=1S代入，有

5dcd7b98388dedd0a38313668bf80d1f.png

由于输入r(t)=t，则

8af4a1e96d53ba40ba641dc007d552fc.png

88d317d4a479b6729ce2ad8857348e7f.png

(2)系统闭环脉冲传递函数

82a1fe71d69634f802c0bd87f62fcaf7.png

则当输入为单位速度信号时，系统输出序列Z变换为

792ca5bd5f2bc371da490688f1e9e83e.png

word/media/image36_1.pngy(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,…

411.被控对象的传递函数为

c4ec2bffe210812f195c22c56058ecc8.png

采样周期T=1s，要求：

(1)采用Smith补偿控制，求取控制器的输出c1e2d1147134f10b1ffa5ab5cc4d2a70.png；

(2)采用大林算法设计数字控制器4c7fd50a72a3373777efe568c1f820dc.png，并求取c1e2d1147134f10b1ffa5ab5cc4d2a70.png的递推形式。

(1)采用Smith补偿控制

广义对象的传递函数为

be167879561b724f990207770c5e1f71.png

982cd8e620a4dd4ba774d5b2dc5b027a.png

其中c266ffde16b54597124dc207bc679f23.png

则904bc78bc98507ffec786fc46cf2d1c0.png

feca7b50b06b133c9a567e9ed7d3d907.png

cb2fd881bf0db6cd62428023d58a9426.png

(2)采用大林算法设计数字控制器

取T=1S,73c76068fcaf3ae08798bf3f534fd5e7.png,K=1,T1=1,L=46bf4a5f8f00a7e470dd459144909a47.png=1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数T0=0.5S

则期望的闭环系统的脉冲传递函数为

12b1dcfaaed46bd642319ab65ba9b98e.png

广义被控对象的脉冲传递函数为

2fdcdbc69047bda8663c44916501dc6f.png

则

26f725200ccd6402ded53507316b64f6.png又a96bbd6f1ba0a94a3fd698d9d0eceef1.png

则127c56681defd39427a3f192bb280e94.png

上式反变换到时域，则可得到

2dea1886ceedcd2fd40ecafdabbce892.png

5.2什么是逐点比较插补法？直线插补计算过程和圆弧插补计算过程各有哪几个步骤？

逐点比较法插补运算，就是在某个坐标方向上每走一步（即输出一个进给脉冲），就作一次计算，将实际进给位置的坐标与给定的轨迹进行比较，判断其偏差情况，根据偏差，再决定下一步的走向（沿X轴进给，还是沿Y轴进给）。逐点比较法插补的实质是以阶梯折线来逼近给定直线或圆弧曲线，最大逼近误差不超过数控系统的一个脉冲当量（每走一步的距离，即步长）。

直线插补计算过程的步骤如下：

(1)偏差判别：即判别上一次进给后的偏差值Fm是最大于等于零，还是小于零；

(2)坐标进给：即根据偏差判断的结果决定进给方向，并在该方向上进给一步；

(3)偏差计算：即计算进给后的新偏差值Fm+1，作为下一步偏差判别的依据；

(4)终点判别：即若已到达终点，则停止插补；若未到达终点，则重复上述步骤。

圆弧插补计算过程的步骤如下：

(1)偏差判别

(2)坐标进给

(3)偏差计算

(4)坐标计算

(5)终点判别

5.4三相步进电机有哪几种工作方式？分别画出每种工作方式的各相通电顺序和电压波形图。

有三种工作方式：

（1）三相单三拍工作方式

各相的通电顺序为A→B→C,各相通电的电压波形如图3.1所示。

图3.1单三拍工作的电压波形图

（2）三相双三拍工作方式

双三拍工作方式各相的通电顺序为AB→BC→CA。各相通电的电压波形如图3.2所示。

图3.2双三拍工作的电压波形图

（3）三相六拍工作方式

在反应式步进电机控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生了六拍工作方式，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA。各相通电的电压波形如图3.3所示。

图3.3三相六拍工作的电压波形图

5.5 采用三相六拍方式控制X轴走向步进电机。

word/media/image57.gif

•主程序:

• MOV A，#0FH；方向输入信号

• MOV P1，A

•XMM： MOV A，P1

• JNB ACC.7，XM；P1.7=0反转

• LCALL STEP1；调正转子程序

• SJMP XMM

•XM： LCALL STP2；调反转子程序

• SJMP XMM

•+X走步子程序：

• STEP1： MOV DPTR，#TAB；指表头

• CLR A

• MOVX A，@A+DPTR；取数

• CJNE A，#05H，S11；是否最后单元

• MOV DPTR，#TAB； 重置表头

• SJMP S12

•S11： INC DPTR ；地址加1

• S12： MOV R0，#7FH；延时

• S13： DJNZ R0，S13；

• CLR A；

• MOVX A，@A+DPTR；取数据

• 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 S12

•S21： CLR C

• DEC DPL

• SJMP S12

•TAB： DB 01H，03H，02H，06H，04H，05H

7.3数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？

数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点：

(1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好；

(2)数字滤波可以对频率很低(如0.01Hz)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷；

(3)数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

7.4常用的数字滤波方法有几种？它们各自有什么特点？

常用的数字滤波方法有7种。

（1）程序判断滤波法：是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现得最大偏差。

（2）中值滤波法：它对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。

（3）算术平均值滤波法：它适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。它特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。

（4）加权平均值滤波：可以提高滤波效果

（5）滑动平均值滤波法：采样时间短，可以提高检测速度

（6）惯性滤波法：适用于慢速随机变量的滤波

（7）复合数字滤波：比单纯的平均值滤波的效果要好

计算机控制技术课后习题答案