计算机控制技术提纲

一、填空

1、实时是指信号的（输入）、（ 计算）和输出都要在一定时间范围那完成。在线是指计算机和生产过程相连并受计算机控制。一个在线的系统（ 不一定是 ）一个实时系统，但是一个实时系统（ 必定是 ）在线系统。

2、A/D转换器的主要技术指标有（转换时间）、（ 分辨率 ）、（线性误差）、（ 量程）及对基准电源的要求等。 3. D/A转换器的主要技术指标有（ 分辨率 ）、（建立时间）、（线性误差）等。 4、数字量输入接口元件74LS244的作用是（ 隔离输入和输出线路，在两者之间起缓冲）。 5、数字量输出接口元件74LS273的作用是（ 对状态输出信号进行锁存 ）。

6、在计算机控制系统中，当串模干扰信号的频率比被测信号频率高时，则采用（ 低通滤波器）来抑制高频率串模干扰。 7、计算机控制系统中，一般有五种地线，分别是（ 模拟的 ）、（数字地）、（ 系统的 ）、（ 安全地）和（ 交流地 ）。 对它们采用的接地方法是（ 回流法单点接地 ）。

8、逐点比较法是以（ 阶梯折线 ）来逼近直线和圆弧，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差是（ 一个 ）脉冲当量。 7、在ADC0809中，A、B、C三引脚的组合式用来（ 选择输入通道 ）。 8、在PID控制中，微分的作用是（ 改善系统的动态性能 ）。 9、在PID控制中，积分的作用是（ 消除误差，提高精度 ）。 10. 在PID控制中，比例部分的作用是（对偏差瞬间作出反应）.

11、无纹波系统的调整时间要增加若干拍，增加的拍数等于（ G（z））在单位圆内的零点数。 12、在右图中R1=100Ω, R2=250Ω,当输入电流I为4～20mA电流时，输出电压V（1～5v），电容C的作用是（滤波），二极管D的作用是（ 限幅 ）

13. 计算机控制系统的工作可归纳为三个步骤，分别是（实时数据采集 ）、（ 实时控制决策）、（控制输出）。

14、在计算机控制系统中，抑制共模干扰的常见方法有（变压器隔离）、（光电隔离）、（浮地屏蔽）及采用仪表放大器提高共模抑制比。

15、逐点比较法是以（阶梯折线 ）来逼近直线和圆弧，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差是一个（ 脉冲当量 ）。 16、模拟量输入通道中，当（输入信号变化缓慢，A/D转换器转换时间足够短时），可以不加采样保持器。 17. 抗积分饱和的基本思想是(对输出进行限幅)，同时(切除积分作用)。 18. 最少拍控制算法的局限性是( 最少拍控制器对典型输入信号的适应性较差)。

19. 最少拍控制算法的三种典型输入信号是（单位阶跃信号）、（单位速度信号）和（单位加速度信号） 20. 完成一次A/D转换所需的时间称为( 孔径时间 ).

D +5V I V R2 二、问答题

1、 给出典型计算机控制系统原理图并详细阐述计算机控制系统的工作步骤。

2、 在实际工程应用中，PID控制器很容易产生积分饱和，阐述产生积分饱和的原因并给出实际应用中抗积分饱和的方法。 答：当系统长时间出现偏差或者偏差较大时，控制器计算出的控制量超出D/A转换器所能表示的范围，)如果此时执行机构已经到达极限位置，但是偏差仍然存在，由于积分的作用， PID控制器计算结果继续增大或减小，但执行结构已无相应动作，这就导致积分饱和。

实际中，消除积分饱和的常见方法时对控制器输出进行限幅，同时把积分作用切除

当u(k)?00H时，取u(k)＝00H,当u(k)?FFH时，取u(k)＝FFH

3、 工业控制过程中常采用的数字滤波主要有哪些？并简单叙述它们的思想。 常见数字滤波方法有以下几种：

(1)程序判断滤波：根据现场经验或生产工艺分析确定两次采样输入信号之间 可能出现的最大偏差，若实际采样偏差大于该最大偏差，则表明信号受到严重干扰，应去掉，反之，该此采样信号有效。分为限幅滤波和限速滤波。 (2)算术平均滤波：取N次采样值的算术平均值作为本次采样值。即

1NXi Yn??Ni?1

(3)加权平均滤波：算术平均滤波中N次采样值在结果中所占的比重是均等的，即加权因子为1/N 。加权平均滤波是采用对不同时刻的采样值赋予不同的加权因子

（4）中值滤波: 对某一被测参数连续采样N次(N取奇数，N不易太大，一般取3、5即可)，然后把N次采样值按从小到大排序，再取中间值作为本次采样值。

(5)惯性滤波（一阶滞后滤波）: 将模拟一阶滤波器的传递函数离散化即可得惯性滤波的算法. 4、 简单分析RS-232C接口与RS-485接口的特点。

答：RS-232：点对点(1发1收)；最大传输速度20Kb/S；最大传输电缆长度为15米，常用于本地设备之间的通讯。采用的是单端传输（不平衡传输），特点：通信距离较短、速率较低、抗干扰能力差。

RS-485：点对多(1发32收)；最大传输速度为 10Mb/s；最大传输电缆长度为1200多米。采用平衡双端双发的传输方式、需要在传输线上接终端电阻，特点：通信距离较远、速率较高、抗干扰能力较好。

5、 由于PID控制器原理简单，在实际中应用广泛。阐述实际应用中，针对PID控制器的积分项和微分项分别采取的改进措施

Yn??aiXn?i,其中0?ai?1,且?ai?1i?0i?0n?1n?1及各种措施的基本思想。

答：实际中针对积分项的改进措施常有：积分分离和抗积分饱和； 对微分项的改进措施有：不完全微分PID或微分先行PID。

（1）积分分离法的基本思想是：当偏差较大时，取消积分作用；偏差较小时，投入积分作用。 实现方法是引入积分分离系数，其取值情况为

（2）抗积分饱和的基本思想是对输出进行限幅，同时切除积分作用。算法为

（3）不完全微分PID的基本思想是在标准PID输出后串联一阶惯性环节，如图所示：

（4）微分先行PID的基本思想是调节器采用PI控制算法，将微分作用移到反馈回路上，即是说只对被控量微分，对给定值无微分作用，从而减少了给定值的升降对系统的直接影响。

6、 计算机控制系统中一般有那几种地线？简述各自的含义并画出回流法接地示意图

三、计算题

1.

求拉氏函数F(s)?5的Z变换F(z)

s2(s?5)解：F(s)?c11?c11?c2

2sss?5 c11?lims2F(s)?lims?0s?0551?1,c12?lim[s2F(s)]??lim[]???

s?0s?0s?5s?5551?

s??5s??5s251111 所以：F(s)? ???s25s5s?5c2?lim(s?5)F(s)?lim因为Z[1z1z]?,Z[]?sz?1s?5z?e?5T，Z[1Tz]?s2(z?1)2

所以F(z)?

Tzzz??2(z?1)5(z?1)5(z?e?5T)2.

求拉氏函数F(s)?s?3的Z变换F(z)

(s?1)(s?2)解：F(s)?AB

?s?1s?2

A?limF(s)?lims??1s?3s?3?2,B?limF(s)?lim??1

s??1s?2s??2s??2s?121 ?s?1s?222z1z因为Z[]?,Z[]?s?1z?e?Ts?2z?e?2T F(s)?

2zzz(z?2e?2T?e?T)则Z[F(s)]? ??z?e?Tz?e?2T(z?e?T)(z?e?2T) 3.

求F(z)?11z3?15z2?6z(z?1)2(z?2)的Z反变换f(k)

装解：G(z)?c11cc2 F(z)11z2?15z?6???12?22zz?1(z?2)(z?1)(z?2)(z?1)22订11z2?15z?6c11?(z?1)G(z)?(z?1)z?1(z?1)2(z?2)??2

z?11dd11z2?15z?62c12?[(z?1)G(z)]?[]??9

z?1(2?1)!dzdz(z?2)z?1线c2?(z?2)G(z)z?211z2?15z?6?(z?2)(z?1)2(z?2)?20

z?22F(z)11z?15z?6?2920

则G(z)?????z(z?1)2(z?2)(z?1)2z?1(z?2)考生答题不得超过此线故

F(z)??2z9z20z?? 2z?1(z?2)(z?1)因为 Z?1[zzz?1?1]?k,Z[]?1,Z[]?2k 2z?1z?2(z?1)故

Z?1[F(z)]?f(k)??2k?9?20?2k

z2的Z反变换f(k)

2(z?1)(z?2)4． 求F(z)?解G(z)?c11cc2 F(z)z???12?22zz?1(z?2)(z?1)(z?2)(z?1)z?1\\c11?(z?1)2G(z)?(z?1)2z??1(z?1)(z?2)z?12c12?1ddz[(z?1)2G(z)]?[]??2

z?1(2?1)!dzdz(z?2)z?1c2?(z?2)G(z)z?2?(z?2)则G(z)z?2 2(z?1)(z?2)z?2?F(z)z?122

????22zz?1(z?2)(z?1)(z?2)(z?1)z2z2z

??2z?1(z?2)(z?1)故F(z)?? 装因为 Z?1[zzz]?k,Z?1[]?1,Z?1[]?2k 2z?1z?2(z?1)订故Z

?1[F(z)]?f(k)??k?2?2?2k

线5． 热处理炉温度变化范围为200～1200oC，经温度变送器变换为1～5V电压送至ADC0809，ADC0809的输入范围为0～5V。当t＝kT时，ADC0809的转换结果为5FH，问此时的炉内温度为多少度？并写出标度转换公式 解：

A0?200,Am?1200

1?51,Nm?255 5 Nx?5F(H)?95(D)

N0?255?Ax?A0?(Am?A0)?200?(1200?200)Nx?N0Nm?N095?51?615.7255?51

6

热处理炉温度变化范围为0～1200oC，经温度变送器变换为1～5V电压送至ADC0809，ADC0809的输入范围为0～5V。当t＝kT时，ADC0809的转换结果为5FH，问此时的炉内温度为多少度？并写出标度转换公式 解：

考生答题不得超过此线A0?0,Am?1200

1?51,Nm?255 5N0?255?Nx?5F(H)?95(D)

N?N0Ax?A0?(Am?A0)xNm?N0?0?(1200?0)7、某系统的连续控制器设计为

95?51?258.8255?51D(s)?U(s)1?T1s，试用双线性变换法求数字控制

?E(s)1?T2sD(z)，并给出位置型递推

控制算法。 解：D(z)?U(z)?D(s)s?2z?1

E(z)Tz?12z?1Tz?1

?2z?11?T2Tz?1(T?2T1)?(T?2T1)z?1 ?(T?2T2)?(T?2T2)z?11?T1化简得：U(z)??

T?2T2?1T?2T1zU(z)?E(z)?T?2T1z?1E(z)

T?2T2T?2T2T?2T2

故：u(k)??

T?2T2T?2T1u(k?1)?e(k)?T?2T1e(k?1)

T?2T2T?2T2T?2T2?U(s)1?0.17s，试用双线性变换法求数字控制D(z)，并给出位置型递推控制

?E(s)1?0.085s8、某系统的连续控制器设计为D(s)算法，设采样周期为T为0.2s。 解：

D(z)?U(z)?D(s)s?2z?1

E(z)Tz?11?0.17

2z?1Tz?1?2z?11?0.085Tz?1 化简得：

U(z)2.7z?0.72.7?0.7z?1…………………………(1分) D(z)???E(z)1.85z?0.151.85?0.15z?1U(z)2.7z?0.72.7?0.7z?1 D(z)????1E(z)1.85z?0.151.85?0.15z?U(z)(1.85?0.15z?1)?E(z)(2.7?0.7z?1)?1.85U(z)?0.15z?1U(z)?2.7E(z)?0.7z?1E(z)?1.85u(k)??0.15u(k?1)?2.7e(k)?0.7e(k?1)所以：

u(k)??0.152.70.7u(k?1)?e(k)?e(k?1)1.851.851.85

??0.08u(k?1)?1.46e(k)?0.38e(k?1)四、综合设计题

1． 采用8255的PA端口作为三相步进的控制接口，并用直流SSR驱动三相步进电机，用电阻和电感表示步进电机每相绕组。

要求：（1）画出接口电路原理图；

（2）列出步进电机在三相双三拍和三相六拍工作方式下的输出控制字表。

（3）假设该步进电机转子的齿数为40，求出该步进电机工作在三相六拍方式下的步距角。 解：(1)接口原理图

（2）双三拍工作方式下的控制字表如下： 存贮地址编号 AD1 AD2 AD3 三相六拍工作方式下的控制字表如下： 存贮地址编号 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 A口输出字 01H 03H 02H 06H 04H 05H A口输出字 03H 06H 05H 360?360???3? （3）??NZ6*402．设加工第一象限直线OA，起点O的坐标为（0，0），终点A的坐标为（9，6）。 要求：（1）按逐点比较法差补进行列表计算；

（2）作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

解：进给步数XYN=9+6=15, 9

步数 起点 ex，6

ey，00

F,…（1分）插补计算过程如表：

偏差计算 终点判断 偏差判别 坐标进给 F0?0NXY?15 Nxy?14 Nxy?13 Nxy?12 Nxy?11 Nxy?10 NXY?9 NXY?8 NXY?7 NXY?6 NXY?5 NXY?4 NXY?3 NXY?2 NXY?1 1 F0?0 F1?0 F2?0 +x F1?F0?ye??6 F2?F1?xe?3 2 +y 3 +x F3?F2?ye??3 F4?F3?xe?6 F5?F4?ye?0 F6?F5?ye??6 F7?F6?xe?3 F8?F7?ye??3 4 F3?0 F4?0 +y 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 +x +x +y +x +y +x +x +y +x +y F5?0 F5?0 F7?0 F8?0 F9?0 F10?0 F11?0 F12?0 F9?F8?xe?6 F10?F9?ye?0 F11?F10?ye??6 F12?F11?xe?3 F13?F12?ye??3 F14?F13?xe?6 F13?0 15

F14?0 +x F15?F14?ye?0 NXY?0

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