習題及參

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：

(1)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。

(2)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。

圖1.1微機控制系統(tǒng)組成框圖

(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)技術報告，打印制表等等。

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(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)外部設備：這是實現(xiàn)微機和外界進行信息交換的設備，簡稱外設，包括人機聯(lián)系設備(操作臺)、輸入輸出設備(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。 (4)檢測與執(zhí)行機構

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)的非電量轉換成電量，例如熱電偶把溫度轉換成mV信號；壓力變送器可以把壓力轉換變?yōu)殡娦盘?，這些信號經(jīng)變送器轉換成統(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：要控制生產(chǎn)過程，必須有執(zhí)行機構，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(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。

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(2)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，相應軟件設計指如何建立數(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)控制結構。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1.2所示。

圖1.2操作指導控制系統(tǒng)原理框圖

(2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))：DDC(Direct Digital Control)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，微機將檢測結果與設定值進行比較，再進行控制運算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構，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

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中最普遍的一種應用形式。其原理框圖如圖1.3所示。

圖1.3 DDC系統(tǒng)原理框圖

(3)計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))：SCC(Supervisory Computer Control)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。

圖1.4 SCC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。 a.普及應用可編程序控制器 b.采用集散控制系統(tǒng) c.研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng) 本章作業(yè)

簡述幾類常見的計算機控制系統(tǒng)的特點及其應用領域。

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第二章 輸入輸出過程通道

習題及參

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)過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道。 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)過程的各種開關量，進行電平轉換，將其通斷狀態(tài)轉換成相應的高、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。

圖2.1光電耦合器電路圖

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、多路轉換器、采樣保持器、A/D轉換器、接口及控制邏輯電路組成。

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(1)I/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)行機構匹配提供了方便。 (2)多路轉換器：用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。

(3)采樣保持器：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉換器之前加入采樣保持器。

(4)A/D轉換器：模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉換成數(shù)字量，能夠完成這一任務的器件，稱為之模/數(shù)轉換器(Analog/Digital Converter，簡稱A/D轉換器或ADC)。

6.對理想多路開關的要求是什么？

理想的多路開關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轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉換誤差。這樣，就需要在A/D轉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轉換時間較快，使得在A/D轉換期間輸入信號變化很小，在允許的A/D轉換精度內(nèi)，就不必再選用采樣保持器。

9.A/D轉換器的結束信號有什么作用？根據(jù)該信號在I/O控制中的連接方式，A/D轉換有幾種控制方式？它們在接口電路和程序設計上有什么特點？ A/D轉換器的結束信號的作用是用以判斷本次AD轉換是否完成。 常見的A/D轉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，程序設計時，延時大于ADC轉換時間后，取數(shù)據(jù)。

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?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轉換結束后,發(fā)中斷申請,在中斷服務程序中取數(shù)據(jù)。

10.設被測溫度變化范圍為0oC~1200oC,如果要求誤差不超過0.4oC,應選用分辨為多少位的A/D轉換器？ 選擇依據(jù)：n?log?1200??1???12

0.4?2?11.設計出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設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例。

把采樣轉換所得的數(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程序如下： 初始化程序：MOV R0，#30H MOV R2，#08H SETB IT0 SETB EA

；允許外部中斷0中斷

；設立數(shù)據(jù)存儲區(qū)指針 ；設置8路采樣計數(shù)值

；設置外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式

；CPU開放中斷SETB EX0

MOV DPTR，#FEF8H ；送入口地址并指向IN0 LOOP： MOVX @DPTR，A HERE： SJMP HERE 中斷服務程序：

；啟動A/D轉換，A的值無意義 ；等待中斷

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MOVX A，@DPTR ；讀取轉換后的數(shù)字量 MOV @R0，A ；存入片內(nèi)RAM單元 INC DPTR ；指向下一模擬通道 INC R0 ；指向下一個數(shù)據(jù)存儲單元 DJNZ R2，INT0 ；8路未轉換完，則繼續(xù) CLR EA ；已轉換完，則關中斷 CLR EX0 ；禁止外部中斷0中斷 RETI ；中斷返回

INT0： MOVX @DPTR，A ；再次啟動A/D轉換 RETI

12.模擬量輸出通道由哪幾部分組成？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轉換器、功率放大和V/I變換等信號調(diào)理電路組成。

(1)D/A轉換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉換器(Digital/Analog Converter,簡稱D/A轉換器或DAC)。它是指將數(shù)字量轉換成模擬量的元件或裝置。 (2)V/I變換：一般情況下，D/A轉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，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，轉化為電流信號。

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；中斷返回

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。

設計一八路數(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<1%。CPU、AD、DA可任選。

＋5VILEVCCVREFDI7RfbIOUT1DAC0832Y0IOUT2CSWR2XFERDGNDAGNDWR1DI08086CPU數(shù)據(jù)總線D7～D0地址線地址譯碼…－A＋UoM / IOWR 9

第三章 微機數(shù)控系統(tǒng) 習題及參

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)字電子技術和計算機技術，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、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信息，另一方面向被控生產(chǎn)機械輸出各種有關的開關量控制信號(冷卻、啟、停等)，還向伺服機構發(fā)出進給脈沖信號等。

(4)伺服機構：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)控裝置配套設計的各種機械，如各種數(shù)控機床，它們的機械結構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

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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： (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，我們設置一個總的計數(shù)器Nxy,其初值應為Nxy=|6-0|+|-4-0|=10，則插補計算過程如表3—1所示。根據(jù)插補計算過程表所

yE(-4,6)6321x-6-5-4-3-2-10作出的直線插補走步軌跡圖如下圖所示。 表3—1 步數(shù) 起點 1 2 3 偏差判別 F0=0 F1<0 F2<0 坐標進給 -X +Y +Y 偏差計算 F0=0 F1=F0-ye=-6 F2=F1+xe=-2 F3=F2+xe=2 終點判別 Nxy=10 Nxy=9 Nxy=8 Nxy=7 11

4 5 6 7 8 9 10 F3>0 F4<0 F5=0 F6<0 F7<0 F8>0 F9<0 -X +Y -X +Y +Y -X +Y F4=F3-ye=-4 F5=F4+xe=0 F6=F5-ye=-6 F7=F6+xe=-2 F8=F7+xe=2 F9=F8-ye=-4 F10=F9+xe=0 Nxy=6 Nxy=5 Nxy=4 Nxy=3 Nxy=2 Nxy=1 Nxy=0 6.設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3—2所示。終點判別仍采用第二種方法，設一個總的計數(shù)器Nxy，每走一步便減1操作，當Nxy=0時，加工到終點，插補運算結束。下圖為插補過程中的走步軌跡。

y63210x123456NR1 坐標計算 x0=6,y0=0 x1=5,y1=0 x2=5,y2=1 終點判別 Nxy=12 Nxy=11 Nxy=10 Nxy=9 Nxy=8 Nxy=7 Nxy=6 Nxy=5 表3—2 步數(shù) 起點 1 2 3 4 5 6 7 偏差判別 F0=0 F1<0 F2<0 F3<0 F4<0 F5>0 F6<0 坐標進給 -X +Y +Y +Y +Y -X +Y 偏差計算 F0=0 F1=0-12+1=-11 F2=-11+0+1=-10 F3=-10+2+1=-7 x3=5,y3=2 F4=-7+4+1=-2 F5=-2+6+1=5 F6=5-10+1=-4 F7=-4+8+1=5 x4=5,y4=3 x5=5,y5=4 x6=4,y6=4 x7=4,y7=5 12

8 9 10 F7>0 F8<0 F9>0 F10>0 F11>0 -X +Y -X F8=5-8+1=-2 F9=-2+10+1=9 F10=9-6+1=4 F11=4-4+1=1 F12=1-2+1=0 x8=3,y8=5 x9=3,y9=6 x10=2,y10=6 x11=1,y11=6 x12=0,y12=6 Nxy=4 Nxy=3 Nxy=2 Nxy=1 Nxy=0 11 12 -X -X 7.三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A→B→C,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所示。

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

圖3.2雙三拍工作的電壓波形圖

（3）三相六拍工作方式

在反應式步進電機控制中，把單三拍和雙三拍工作方式結合起來，就產(chǎn)生了六拍工作方式，其通電順序為A→AB→B→BC→C→CA。各相通電的電壓波形如圖3.3所示。

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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。 ?主程序:

8031 P1.0 P1.1 P1.2 P1.7 非門 非門 光電隔離 功率放大

A B 步進電機 C 非門 方向控制(“1”正轉,“0”反轉) ? MOV A，#0FH；方向輸入信號 ? MOV P1，A

?XMM： MOV A，P1

? JNB ACC.7，XM；P1.7=0反轉 ? LCALL STEP1；調(diào)正轉子程序 ? SJMP XMM

?XM： LCALL STP2；調(diào)反轉子程序

? SJMP XMM ?+X走步子程序：

? STEP1： MOV DPTR，#TAB；指表頭 ? CLR A

14

? 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 S12

?S11： INC DPTR

；地址加1

? S12： ? S13： ? ? ? ? ?-X走步子程序：?STEP2： ? ? ? ? ? ? ?S21： ? ? MOV DJNZ CLR MOVX MOV RET MOV CLR MOVX CJNZ MOV ADD SJMP CLR DEC SJMP R0，#7FH；延時 R0，S13； A；

A，@A+DPTR；取數(shù)據(jù) P1，A DPTR，#TAB A

A，@A+DPTR； A，#01H，S21 DPTR，#TAB DPTR，#0006H S12 C DPL S12

15

?TAB： 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)。

16

第四章 微型計算機控制系統(tǒng)的控制算法

習題及參

1.數(shù)字控制器的模擬化設計步驟是什么？ 模擬化設計步驟：

（1）設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.某連續(xù)控制器設計為 D?s??1?T1s1?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)。 雙線形變換法：把s?D?z??D?z?|1?T12z?1?代入，則 Tz?12z?1s??Tz?12z?1?Tz?1??T?2T1?z?T-2T1?2z?1?T?2T2?z?T?2T21?T2?Tz?1z-1代入，則 T 前向差分法：把z?D?z??D?s?|s?z?1Tz?11?T1sT?T1z?T?T1??z?1T2z?T?T21?T2s1?T2T1?T1 后向差分法：把s?D?z??D?s?|z?1Tz代入，則， s?z?1Tzz?11?T1sTz?T1z?T?T1 ??z?1T2z?T?T21?T2s1?T2Tz1?T13.在PID調(diào)節(jié)器中系數(shù)

kp、ki、kd各有什么作用？它們對調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響？

系數(shù)kp為比例系數(shù)，提高系數(shù)kp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)kp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)的快速性。

系數(shù)ki為積分常數(shù)，ki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

17

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)kd為微分常數(shù)，kd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)：

?edt?T?e(j)0j?0tkdee(k)?e(k?1)?dtT

于是有：

u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構的位置(如控制閥門的開度)一一對

j?0Tu(k)?Kp{e(k)?Ti?e(j)?T[e(k)?e(k?1)]}kTd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，還與過去歷次采樣偏差有關，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)?Kp{[e(k)?e(k?1)]?TTe(k)?d[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]}TiT

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，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，計算機的輸出值應設置為原始閥門開度u0，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

18

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

D?s??1?0.17s1?0.085s

試寫出相應數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式，設采樣周期T=0.2s。

D?s??U?s?1?0.17s?E?s?1?0.085s

du?t?de?t??e?t??0.17dtdt

則U?s??0.085SU?s??E?s??0.17SE?s?

?u?t??0.085?u?k??0.085u?k??u?k?1?e?k??e?k?1??e?k??0.17TT

把T=0.2S代入得

1.425u?k??0.425u?k?1??4.5e?k??3.5e?k-1?

位置型

u?k??3.1579e?k??2.4561e?k?1??0.2982u?k?1?

增量型

?u?k??u?k??u?k?1??3.1579e?k??2.4561e?k?1??0.7018u?k?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τ較大時，常

19

選T=（1/4~1/8）τ。

(4)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?s?1。 Ks(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τ、被控對象的時間常數(shù)Tc，以及它們的比值Tc/τ。

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

9.數(shù)字控制器直接設計步驟是什么？ 計算機控制系統(tǒng)框圖如圖4—1所示。

20

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)Φ(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

Gc?s??1s2

采樣周期T=1s，采用零階保持器，針對單位速度輸入函數(shù)，設計： (1)最少拍控制器D?z?；

(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)

?1?e-Ts1?T2z-11?z?1??Ts1?Gc?z??Ζ?1?e?3?2?s?s2???Z?s??21?z?1????????

將T=1S代入，有

由于輸入r(t)=t，則

Ge?z??1?z-1Gc?z??z-11?z?121?z?1????2??2

(2)系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

Φ?z??2z?1?z-2

1?Ge?z?z?11?z?1D?z???Ge?z?G?z?2??則當輸入為單位速度信號時，系統(tǒng)輸出序列Z變換為

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Y?z??R?z?Φ?z??2z??1?z?2?Tz?1?1?z??12?2Tz?2?3Tz?3?4Tz?4????

y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,…

3210T2T3T4T5T6T11.被控對象的傳遞函數(shù)為

Gc?s??1e?s

s?1采樣周期T=1s，要求：

(1)采用Smith補償控制，求取控制器的輸出u?k?；

(2)采用大林算法設計數(shù)字控制器D?z?，并求取u?k?的遞推形式。 (1)采用Smith補償控制 廣義對象的傳遞函數(shù)為

1?e?Tse?s1?e?sHGC?s??H0?s?GC?s?????e?s?HGP?s??e?s

ss?1s?s?1??1?e?sb1z?1??s??LD??z??Z?D??s???Z??1?e??1?z??ss?11?a1z?1????????

其中a1?e?TT1?e?1,b1?1?e?1,L??t?1,T?1S

U?z?0.6321z?1?z?2則D??z?? ?E?z?1?0.3679z?1U?z??0.3697z?1U?z??0.6321z?1?z?2E?z?

????u?k??0.6321e?k?1??0.6321e?k?2??0.3679u?k?1?

(2)采用大林算法設計數(shù)字控制器

取T=1S,??1,K=1,T1=1,L=?/T=1,設期望閉環(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

?1?e?Tse?LTs?z?21?e?2GB?z??Z?????1?2sTs?10??1?ze??

廣義被控對象的脈沖傳遞函數(shù)為

22

?1?e?sTK1?z-21?e?1?LTs??1-1?1HGC?z??Z??e??1?zzZ????1?z?1e?1s1?Tss1?s??1??????

則

GB?z?z?21?e?2z?21?e?2D?z?????2HGC?z??1?GB?z??HGC?z?1?z?1e?2?z?21?e?2z1?e?11?z?1e?2?z?21?e?2?1?11?ze???????1?ze??1?e???1?e??1?ze??1?e?z??1?0.3679z??1?0.1353???1?0.3679??1?0.1353z??1?0.1353?z??1?1?2?1?1?2?2?2?1?1?2??????????1.3680?0.5033z?1?1?0.1353z?1?0.87z?2又D?z??U?z? E?z?則U?z??0.1353z?1U?z??0.87z?2U?z??1.3680E?z??0.5033z?1E?z? 上式反變換到時域，則可得到

u?k??1.3680e?k??0.5033e?k?1??0.1353u?k?1??0.87u?k?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RA≤0，就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使RA≤0，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。 13.前饋控制完全補償?shù)臈l件是什么？前饋和反饋相結合有什么好處？ 前饋控制完全補償?shù)臈l件是Gn?s??Dn?s?G?S??0。

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

23

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??s?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。

24

第五章 微型計算機控制系統(tǒng)的應用軟件設計

習題及參

1.簡述應用軟件的設計步驟。

圖5—1給出了應用軟件設計的流程圖，它描述了應用軟件設計的基本任務和設計過程。

圖5—1 應用軟件設計流程圖

（1）問題定義 （2）程序設計 （3）手編程序 （4）差錯 （5）測試 （6）文件編制 （7）維護和再設計 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

25

指令均需要一定時間，這樣，從數(shù)據(jù)采樣到結果輸出之間就要產(chǎn)生一定的時間延遲，稱為計算延時。

3.如何在應用軟件設計中減少計算延時？

在應用軟件設計過程中，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的其他計算和管理算法

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換成數(shù)字量后，往往還要轉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。這種轉換稱為工程量轉換，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。

N Y 采樣時刻到？ 后臺算法 前臺算法 A/D采樣 D/A輸出 26

第六章 微型計算機控制系統(tǒng)的抗干擾技術

習題及參

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。

27

（4）加權平均值濾波：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）復合數(shù)字濾波：比單純的平均值濾波的效果要好

5.算術平均值濾波、加權平均值濾波以及滑動平均濾波三者的區(qū)別是什么？ 算術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。

在算術平均濾波中，N次采樣值在結果中所占的比重是均等的，即每次采樣值具有相同的加權因子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

Yn??aiXn?ii?0n?1以不同的加權因子。這種方法稱為加權平均濾波法，也稱滑動平均或加權遞推平均。其算法為 其中。

0?ai?1?i?0n?1ai?1加權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)的算術平均值或加權平均值。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

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（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6—1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6—1 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6—2所示。

圖6—2 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，直流側常采用電容濾波。圖中C1為平滑濾波電容，常選用幾百～幾千μF的電解電容，用以減輕整流橋

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輸出電壓的脈動。C2為高頻濾波電容，常選用0.01～0.1μF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)壓器結構簡單，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μF的電解電容；C4中抗高頻干擾電容，常選取0.01～0.1μF的瓷片電容。

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第七章 總線技術 習題及參

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計中，許多廠商設計和提供了許多具有不同功能的插件(亦稱“模板”)。用戶為了構成計算機應用系統(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——總線，制定出嚴格的規(guī)約，即總線標準，為各廠商設計和生產(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、各類總線間的關系。

a.根據(jù)總線不同的結構和用途，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)形拓撲結構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，因此準確地應稱之為分時共享總線。

b.根據(jù)總線的用途和應用環(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。它是構成處理機或子系統(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

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理機之間、模塊之間的通信，可用于構成分布式多機系統(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)小板結構，高度模塊化。 (2)嚴格的標準化，廣泛的兼容性。

(3)面向I/O的開放式設計，適合工業(yè)控制應用。 (4)高可靠性。

4.簡述RS—232C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。

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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)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。所以現(xiàn)場總線既是通信網(wǎng)絡，又是自控網(wǎng)絡。

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

控制器局域網(wǎng)絡CAN是由德國Bosch公司的為汽車的監(jiān)測和控制而設計的，逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)領域的控制。CAN已成為國際標準化組織ISO 118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，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡發(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。采用短幀結構，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

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。

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(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。

(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：確認(Acknowledged)、非確認(Unacknowledged)、請求/響應(Request/Response)、重復(Repeated)、非確認重復(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(1～63)，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、低壓開關等。

(c)PROFIBUS-DP用于加工自動化領域，適用于分散的外圍設備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

傳輸速率為9.6Kbps～12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時為100m、1.5Mbps時為400m，可用中繼器延長至10Km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127個站點。

PROFIBUS引入功能模塊的概念，不同的應用需要使用不同的模塊。在一個確定的應用中，按照PROFIBUS規(guī)范來定義模塊，寫明其硬件和軟件的性能，規(guī)范設備功能與PORFIBUS通信功能的一致性。

PROFIBUS為開放系統(tǒng)協(xié)議，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在德國建立了FZI信息研究中心，對制造廠和用戶開放，對其產(chǎn)品進行一致性檢測和實驗性檢測。

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（4）HART(Highway Addressable Remote Transclucer)可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路

HART是美國Rosemount研制，HART協(xié)議參照ISO/OSI模型的第1、2、7層，即物理層、數(shù)據(jù)全連路層和應用層，主要有如下特性：

(a)物理層：采用基于Bell 202通信標準的FSK技術，即在4～20mA(DC)模擬信號上疊加FSK數(shù)字信號，邏輯1為1200Hz、邏輯0為2200Hz，波特率為1200bps，調(diào)制信號為

±0.5mA

或0.25VP-P(250Ω負載)。用屏蔽雙絞線單臺設備距離

3000m，而多臺設備互連距離1500m。

(b)數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)幀長度不固定，最長25個字節(jié)。可尋地址為0～15，當?shù)刂窞?時，處于4～20mA(DC)與數(shù)字通信兼容狀態(tài)；當?shù)刂窞?～15時，則處于全數(shù)字通信狀態(tài)。通信模式為“問答式”或“廣播式”。

(c)應用層：規(guī)定了三類命令，第1類是通用命令，適用于遵守HART協(xié)議的所有產(chǎn)品；第2類是普通命令，適用于遵守HART協(xié)議的大部分產(chǎn)品；第3類是特殊命令，適用于遵守HART協(xié)議的特殊產(chǎn)品。另外，為用戶提供了設備描述語言DDL(Device Description Language)。

HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，并可組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機作為主設備的雙主設備系統(tǒng)。 （5）FF(Foundation Fieldbus 現(xiàn)場總線基金會)現(xiàn)場總線

FF現(xiàn)場總線是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)全連路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。

FF現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps,通信距離可達1900m(可加中繼器延長)，可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線，光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。

FF的主要技術內(nèi)容，包括FF通信協(xié)議；用于完成開放互連模型中第2～7層通信協(xié)議的通信棧(Communication Stack)；用于描述設備特征、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典；用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉換等應用功能的功能塊；實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術以及構筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術。

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本章作業(yè)

簡述五種通用現(xiàn)場總線的特點及其應用領域。 1. 簡答題（30分）

(1) 計算機與外設交換數(shù)據(jù)的種類及傳送方式?（6分） (2) 什么叫輸入/輸出通道?它是由哪些部分組成的？（6分） (3) 一個典型的順序控制系統(tǒng)由哪幾部分組成?（7分） (4) 試比較逐點比較法和數(shù)字積分法的優(yōu)缺點？（6分） (5) 什么叫積分飽和現(xiàn)象？應如何防止?（5分） 2. 設計題（20分）

(1) 針對一個8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線的CPU，使用8205地址譯碼器擴展16個I/O接口與24K存儲器,圖示并寫地址范圍。（10分）

(2) 有一個8位滿量程10V的逐次逼近A/D轉換器，若從輸入端接入3.2V的模擬電壓，試用列表與圖示的方法表示轉換的過程。（10分） 3．插補題（30分）

（1）設加工第一象限逆圓弧 ，已知起點 （6、0），終點 （0、6）。試用逐點比較法圓弧插補計算并作出走步軌跡圖。（15分）

（2）已知第一象限直線OA，起點O(0、0)，終點A(6、7)。試用數(shù)字積分器插補法實現(xiàn)這條直線并做出走步軌跡圖（累加器位數(shù)n=4）。（15分） 4．分析題（20分）

（1）爐溫DDC系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。溫度信號經(jīng)熱電偶變成毫伏級的電壓信號后，經(jīng)溫度變送器放大并轉換成電流信號，再經(jīng)電阻網(wǎng)絡轉換成電壓信號送入A/D轉換器；單片機構成的數(shù)字控制器的輸出送D/A轉換器轉化成模擬電壓，經(jīng)功率放大器放大后送到晶閘管調(diào)壓器，觸發(fā)晶閘管并改變其導通角的大小，從

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而控制電阻爐的加溫電壓。結合該系統(tǒng)說明此計算機控制系統(tǒng)設計的步驟。（10分）

圖1 爐溫DDC系統(tǒng)結構圖

（2）論述計算機控制系統(tǒng)中電磁干擾的種類以及抗干擾的措施。（10分） 1. 簡答題（30分）

（1）計算機與外設交換數(shù)據(jù)的種類:數(shù)字量（1分）、模擬量（1分）和開關量（1分）。傳送方式有三種：①程序查詢方式（1分）；②中斷控制方式（1分）；③直接存貯器存取(DMA)方式（1分）。

（2）在微型計算機和生產(chǎn)過程之間設置的信息傳送和轉換的連接通道稱為輸入輸出通道（2分）。輸入輸出通道的組成：模擬量輸入通道（1分）、模擬量輸出通道（1分）、數(shù)字量輸入通道（1分）和數(shù)字量輸出通道組成（1分）。 （3）一個典型的順序控制系統(tǒng)是由七部分組成：系統(tǒng)控制器（1分）、輸入電路（1分）、輸入接口（1分）、輸出電路（1分）、輸出接口（1分）、檢測機構（1分）和顯示與報警電路等（1分）。

（4）逐點比較法原理簡單、編程容易，最大誤差是一個脈沖當量，只要脈沖當量取得足夠小，就能滿足加工精度的要求。特別適用插補平面直線和圓弧。（3分）數(shù)字積分法具有通用性強、靈活性大的優(yōu)點。易于實現(xiàn)多坐標空間直線或圓弧的插補計算。缺點是插補誤差稍大。（3分）

（5）對于變化緩慢的被控對象，在階躍信號的作用下，偏差不會在幾個采樣周期內(nèi)消除掉，積分項的作用可能使輸出值超過正常值的范圍，該現(xiàn)象稱為積分飽和（2分）?？刹捎梅e分分離的方法進行防止（1分）：當階躍信號加入，被調(diào)量開始跟蹤時，先取消積分作用；當被調(diào)量接近給定值時，再加入積分作用（2分）。

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