计算机控制作业答案1 - 图文

第一章 作业

课本(p.12)题2．计算机控制系统由哪几部分组成？请画出计算机控制系统的组成框图。

答：计算机控制系统由计算机主机系统、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口、键盘显示接口、打印接口和通信接口等部分组成。

课本(p.12)题4. 实时、在线方式和离线方式的含义是什么？

在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的`方式称为在线方式或联机方式；生产过程不和计算机直接连接，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。

所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。实时地概念不能脱离具体的过程，一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。

补充题1. 两种USB口的特点及区别？通用指标，传输模式，USB器件，硬件接口。

答：

两种USB的特点：

(1)USB接口支持设备的热插拔功能,采用菊花式的连接. (2)USB有2电源线（5V）,2数据线,采用差分信号传输,可为连接在其上的设备提供5V电压/100mA电流的供电,最大可提供500mA的电流.

(3)一个USB控制器可以连接多达127个外设,而两个外设间的距离（线缆长度）可达5米.

两种USB的区别:协议不同,USB1.1传输速率是12Mbps,USB2.0传输速率是480Mbps.

补充题2. 光驱、硬盘、软驱的总线形式。

答：

(1)光驱:IDE，ATA/ATAPI，SCSI，USB，内部并行总线. (2)硬盘:IDE，SATA，SCSI，内部并行总线.

(3)软驱:软驱分内置和外置两种,内置软驱使用专用的FDD接口,而外置软驱一般用于笔记本电脑,使用USB接口.

补充题3. I2C、SPI、SCI总线的特点？

答：

(1)I2C总线由数据线SDA与时钟线SCL两条线构成通信线路，既可以发送数据也可以接收数据，在CUP与被控IC之间，IC与IC之间都可以进行双向传送，最高传输速度为400Kbps. (2)SPI是一个环形总线结构,是一种标准的四线同步双向串行总线,在SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换,可以同时发出和接收串行数据.

(3)SCI是一种通用异步通信接口UART. SCI模块采用标准非归零（NRZ）数据格式,能够实现多CPU之间或同其他具有兼容数据格式SCI端口的外设进行数据通信.

第二章 作业

PC总线

PC总线共有62条信号线，用双列插槽连接，分A面（元件面）和B面。PC总线实际上是8088CPU核心电路总线的扩充与重新驱动。

PC总线共有8条数据线、20条地址线（寻址空间为1MB）、总线时钟频率为4MHz、总线最大传输速率为4MB/s、最大负载能力为8个、采用半同步的工作方式。

CPU在与I/O设备进行数据交换时存在以下问题：

1）速度不匹配。I/O设备速度一般比CPU慢许多，因种类不同，它们之间的速度差异很大，例如硬盘与打印机。

2）时序不匹配。各个I/O设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一。

3）信息格式不匹配。存储和处理信息的格式不同，如串行和并行、二进制、ASCII码和BCD码等。

4）信息类型。信号类型不同，数字、模拟，处理不同。

因此I/O设备一般不和微机内部直接相连，必须通过I/O接口，解决计算机与外部设备连接时存在的各种矛盾。

补充题1. 指出RS-232、RS-485、USB等总线的特点。

答： (1) RS-232的特点：全双工数据传输，单端输入输出,有地线、发送和接受三条线即可实现数据传输,传输速率20kb/s，传输距离限于15m,采用单端驱动和接收电路.采用负逻辑高电平为（-5--15v），低电平为(5-15v)，电源电压为+15v或+12v.

(2) RS-485的特点：半双工工作方式，差分信号传输，传输距离为几十米到上千米，速率

10Mbit/s,采用屏蔽双绞线传输.可连接32个设备.电平逻辑“1”以两线间的电压差为(+2—6V)表示；逻辑“0”以两线间的电压差为(-2—6V)表示，外接电源电压一般为5v. (3) USB即插即用,菊花式连接,有2电源线（5V），2数据线，而两个外设间的距离（线缆长度）可达5米,差分信号传输, 可外接127个设备.

补充题2. 概要描述计算机系统如何通过PCI端口对外部设备进行控制，指出地址范围。

答：

信号输入时：首先外设作为中断源（int a# ～ int h#引脚是低电平有效的中断请求线）申请中断，在CLK的上升沿到来时，系统采样AD0～AD31，把信号送到微处理器，触发中断。接着C/BEJ~ C/BE0配置I/O读写，在FRAME低电平时，传送数据存储地址，FRAME高电平且TRDY低电平时，开始读取数据。

信号输出时：首先C/BEJ~ C/BE0配置存储器读及I/0写，接着FRAME高电平且IRDY低电平时，开始写数据。

I/O口地址空间分为两部分，把1024个端口的前246个（000H—0FFH）专用系统板上的I/O

接口芯片使用，后768个（100H—3FFH）为I/O接口扩展卡使用。

补充题3. 简要归纳ISA、PCI和STD三种端口的特点。

答：

ISA：有98根信号线，数据线宽16位，地址线宽24位，总线时钟8MHz，中断源为边沿触发，数据传输速度为16MB/S。

PCI：64位总线（3.3V）或者32位（5V），最高总线频率为33.3MHz/66MHz，数据传输速度为80MB/S，（最高传输速度为133MB/S），支持10个外设。

STD：公共母板结构，56根信号线，是8/16位总线标准，有8/16条数据线，16/24地址线，22条控制线。

补充题4. ７４ＬＳ２４４与７４ＬＳ２７３的驱动是多少？它们有什么不同的特点和应

用？ 答： 74ls244是一个8个通道单向传输的三态门缓冲器，灌电流可以达到50mA 。按at89c51

上拉电阻10K来计算，5/10000=0.5mA，74ls244最多可以驱动100个I/O口。

74LS273是8通道单向的锁存器，不仅可以作为驱动器，还有存储的功能，灌电流可以达到25mA。

补充题5. 图２-16中的VＤ的作用是什么？如果将K接在三极管e极有什么缺点？

答 ① 因继电器线圈呈电感性，为了克服三极管断开时继电器线圈反电势，所以线圈两端必须加装续流二极管D，以保护三极管。

② 如将继电器线圈接在三极管e极的话，电路形成负反馈，使得线圈无法工作在最大导通电压状态；另外由于电路形成负反馈，会影响导通速度；

③ 如将继电器线圈接在三极管e极，反向冲击会影响到基极电流。

课本(p.74)题2. 采用74ls244和74ls273与PC/ISA总线工业控制机接口，设计8路数字（开关量）输入接口和8路数字量（开关量）输出接口。请画出接口电路原理图，并分别编写数字量输入和数字量输出程序。

答：利用74LS244作为开关量的输入，一端接外部开关量信号输入，一端接到PC的8位数据线，利用74LS273作为开关量的输出，一端接到PC的8位数据线，一端接开关量信号输出。片选端口地址为 port1，输出片选端口地址为 port2。 输入程序 ： MOV DX, port1

IN AL, DX 输出程序： MOV AL, DATA MOV DX, port2 OUT DX, AL

课本(p.74)题3. 用8位A/D转换器ADC0809与PC/ISA总线工业控制机接口，实现8位模拟量采集。请画出接口原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序。

程序：

MOVX A，@DPTR ；读取转换后的数字量 MOV @R0，A ；存入片内RAM 单元 INC DPTR ；指向下一模拟通道

INC R0 ；指向下一个数据存储单元

这是一种不完全地址译码方式．如果增加地址译码器，将P2.7／A15线改为高位地址译码器的输出线，就可以形成完全译码。

图l中的P2.7／A15线作为整个AI~0809芯片的片选线．当P2.7／A15=0时，或非门敞开，允

许写信号通过，将单片机负的写脉冲转换为ADC0809所需要的正脉冲，以选中AI~0809某一通

道并启动转换．

课本(p.75)题7. 采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？

答：（1）保存即将转换的信号，避免某些随时间变化较快的信号在转换时发生变化，提高转

换精度，或者模拟量输入信号的频率范围。

（2）不是所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器，当被测信号变化缓慢时，若A/D

转换器转换时间足够短，可以不加采样保持器。

课本(p.75)题8. 一个8位A/D转换器，孔径时间为100us，如果要求转换误差在转换器的精度0.4%,求允许转换的正弦模拟信号的最大频率是多少？

答：

f??2??tA/D?100?0.4?6.4Hz

2?3.14?100?10?6?100补充题6. 简述电气干扰信号的来源与传播途径，并说明常用抗干扰措施。

(1). 干扰的来源: 外部干扰环境: 主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象条件也是外来干扰。内部干扰：是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。有分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。 (2). 干扰的传播途径：干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。 (3). 常用的抗干扰措施： 对串模干扰的抑制

输入低通滤波（滤除高频干扰）

双积分A/D转换（尖峰型串模干扰，工频干扰 ） 隔离与前置放大（电磁感应 ）

阈值与频率特性等器件（采用高抗扰逻辑器件、通过高阈值电平） 双绞线（电磁感应 ）

共模干扰的抑制 变压器

光电隔离

屏蔽线浮地

仪表放大器

长线传输干扰的抑制

终端电阻匹配：R=RP

注意平衡高低电平的抗干扰能力

始端电阻匹配： R=RP－R0；R0 ： 门电路输出为低始的输出阻抗 双绞线：抗电磁干扰

课本(p.75)题10. 采用DAC0832和与PC/ISA总线工业控制机接口，设计出8路模拟量采集系统，请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模拟量数据采集程序。

若DAC0832的CS的口地址为BASE，则7FH转换为模拟电压的接口程序为： DAOUT：MOV DX， BASE MOV AL ，7FH OUT DX，AL RET

课本(p.75)题12. 分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推导出输出电压与输入数字量之间的关系式。

解：Vout1为单极性输出，若D为输入数字量，Vref为基准参考电压，且为n位D/A转换器，

则有：

Vout1 Vout2为双极性输出，且可推导得到：

RRDVout2??(3Vref?3Vout1)?Vref(n?1?1)

R1R22

D??Vref(n)

2第三章 作业

补充题1. 试叙步进电机的特点

答：1）步进电机的参数：用频率、力矩、步距角和齿距角、相电流等表示。

2）步进电机输入的是脉冲，输出的是位移，误差不累积，改变脉冲的频率，则改变速 度。改变各相导通顺序可以控制步进电机的方向。

3）一般步进电机的精度为步进角的3~5%，。

4）步进电机的力矩与其中的电流成正比，由于电感效应力矩会随转速的升高而下降。 5）步进电机高于一定的速度运行时，若电机转矩小于负载转矩时，会产生失步或睹转，

睹转不会烧毁电机，但伴有呼啸声。

补充题2. 试叙步进电机驱动器的种类和特点

答：步进电机驱动器的种类:

A， 单电压驱动：简单、价格低廉。 B， 高低压驱动：简单实用、较单电压驱动性能有一定提高，但是高压固定，不能兼顾

各种频率。 C， 恒流崭波：采用较高的驱动电压，控制相电流快速导通和保持恒定，在一定频率范

围具有均匀的力矩，大大提高运行频率，但可能产生噪声，特别在一定频率范围产生震荡。

D， 调频调压：采用可调的驱动电压，保证相电流快速导通和恒定，在一定频率范围具

有均匀的力矩，大大提高运行频率，不会产生噪声。

E， 细分电路驱动：采用细分电路或者等分调节各相电流，将原来的一步细分为多步运

行，减少脉冲当量，提高精度。

第四章 作业

补充题3. 何时需要采用PID位置算法？何时需要采用PID增量算法？

答：PID位置算法可以直观得到PID参数，便于调整。要用到过去误差的所有累加值，计算工作量大；位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大。在控制系统中，如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字PID位置式控制算法。

PID增量算法容易计算，不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关；算法得出的是控制量的增量，计算误差对误动作影响小；算式中不出现 u0 项，则易于实现手动到自动的无冲击切换。如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID增量式控制算法。

1D(s)?补充题4. 求惯性环节 的差分方程。

Ts?1U(S)11? ? 解：由 D ( s ) E(S)T1s?1 有 s ? 1)U(s)?E(s)(T1 化成微分方程：

T1du(t)?u(t)?e(t)dt以采样周期离散上述微分方程得

? T ( kT ) ? u ( kT ) ? e ( kT ) 即 1u?(k)?u(k)?e(k)T1u用一阶后向差分近似代替得：

)? u ( u ( k u ( k ? 1 ) 代入上式得 ?t) ?T 整理得

T1[u(k)?u(k?1)]?u(k)?e(k)Tu(k)?T1Tu(k?1)?e(k)T?T1T?T11?T1sD(s)?课本(p.144)题2. 某系统的连续控制器设计为： 1?T2s试用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(z),并分别给出3种方法对应的递推控制算法。

u(k)(T?2T2)?(T?2T2)u(k?1)?e(k)(T?2T1)?(T?2T1)e(k?1)u(k)(T?2T2)?e(k)(T?2T1)?(T?2T1)e(k?1)?(T?2T2)u(k?1)

课本(p.144)题4.

课本(p.144)题5.

课本(p.144)题7.

扩充临界比例度法：

在阶跃输入下的整个变化过程的曲线； 被控对象时间常数Tτ以及他们的比值Tτ/τ

课本(p.144)题9.

课本(p.144)题11. 被控对象的传递函数为

Gc?s??1e?s

s?1采样周期T=1s，要求：

(1)采用Smith补偿控制，求取控制器的输出u?k?；

(2)采用大林算法设计数字控制器D?z?，并求取u?k?的递推形式。 (1)采用Smith补偿控制 广义对象的传递函数为

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

ss?1s?s?1??1??1?e?s??bzD??z??Z?D??s???Z???1?e??s????1?z?L?1?11?a1z?s?s?1??

其中a1?e?TT1?e?1,b1?1?e?1,L??t?1,T?1S

U?z?0.6321z?1?z?2?则D??z?? E?z?1?0.3679z?1??U?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)采用大林算法设计数字控制器

取T=1S,??1,K=1,T1=1,L=?/T=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

?1?e?Tse?LTs?z?2?1?e?2? GB?z??Z?????1?2T0s?1?1?ze?s广义被控对象的脉冲传递函数为

?1?e?sTK1?z-2?1?e?1??LTs??1-1?1HGC?z??Z??e???1?z?zZ??? ?1?1?1?T1s?s1?s?1?ze?s?则

GB?z?z?21?e?2z?21?e?2D?z?????2?1?2?2?2HGC?z??1?GB?z??HGC?z?1?ze?z1?ez1?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?0.8647z?2U?z?又D?z?? E?z?则U?z??0.1353z?1U?z??0.8647z?2U?z??1.3680E?z??0.5033z?1E?z? 上式反变换到时域，则可得到

u?k??1.3680e?k??0.5033e?k?1??0.1353u?k?1??0.8647u?k?2?

第七章 作业

课本（p.233）题3.

课本（p.233）题4.

课本（p.233）题5.

课本（p.233）题6.

补充题1.还有其他方法可以代替A/D吗？

答：可以采用VF转换的方法，就是电压频转换芯片，把电压模拟量转换成频率信号，然后通过检测，转换成数字信号输出。

16. 对７４ＬＳ２４４与７４ＬＳ２７３如何实现控制？它们有什么不同的特点和应用？

答：（1）对生产过程进行控制，往往需要采集生产过程的状态信息，根据状态信息，再给出控制量，因此，可用三态门缓冲器７４ＬＳ２４４取得状态信息。如下图所示，经过端口地址译码，得到片选信号。当在执行IN指令周期时，产生I/O读信号，则被测的状态信息可通过三态门送到PC总线工业控制机的数据总线，然后装入AL寄存器。

输74LS244 1A1 1Y1 1A2 1Y2 1A3 1Y3 1A4 1Y4 1A5 1Y5 1A6 1Y6 1A7 1Y7 1A8 1Y8 D0D1D2D3D4D5D6D7 入 接 口 总线PC2G1GCSIOR图2.1 数字量输入接口答：（2）当对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止，这时输出就要锁存。如下图所示，用74LS273作8位输出锁存口，对状态输出信号进行锁存。由于PC总线工业控制机的I/O端口写总线周期时序关系中，总线数据D0～D7比I/O写前沿(下降沿)稍晚，因此利用I/O写的后沿产生的上升沿锁存数据。经过端口地址译码，得到片选信号，当在执行OUT指令周期时，产生I/O写信号。 PC 总线

74LS273 D0D1D2D3D4D5D6D7 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 D4 Q4 D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7 D8 Q8 CLK CLR 输出接口CSIOWRESET 图2.2 数字量输出接口

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