微机计算机控制技术课后于海生第版习题详解答案Word文档格式.docx
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生产过
(2)直接数字控制系统(DDC系统):
DDC(DirectDigitalControl)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测,经输入通道送给微机,微机将检测结果与设定值进行比较,再进行控制运算,然后通过输出通道控制执行机构,使系统的被控参数达到预定的要求。
DDC系统是闭环系统,是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。
其原理框图如图1.3所示。
■
*
件
图1.3DDC系统原理框图
(3)计算机监督控制系统(SCC系统):
SCC(SupervisoryComputerControl)系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况,因为在DDC系统中计算机只是代替模
拟调节器进行控制,系统不能运行在最佳状态,而SCC系统不仅可以进行给定
值控制,并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。
SCC系统的原
理框图如图1.4所示。
图1.4SCC系统原理框图
SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。
4.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。
X丄
图2.1光电耦合器电路图
10.设被测温度变化范围为O°
C~12O0C,如果要求误差不超过0.4°
C,应选用分辨为多少位的A/D转换器?
1200选择依据:
nlog112
20.4
11.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。
本例给出用8031、DAC0809设计的数据采集系统实例。
把采样转换所得的数字量按序存于片内RAM的30H~37H单元中。
采样完一遍后
停止采集。
其数据采集的初始化程序和中断服务程序如下:
初始化程序:
MOVRQ#30H
;
设立数据存储区指针
MOVR2,#Q8H
SETBITQ
SETBEA
允许外部中断Q中断
MOVDPTR,#FEF8H
LOOPMOVX@DPTRA
HERESJMPHERE
中断服务程序:
MOVXA,@DPTR
MOV@RQ,A
INCDPTR
INCRQ
DJNZR2,INTQ
CLREA
CLREXQ
RETI
INTQ:
MOVX@DPTR,A
ro
设置8路采样计数值
设置外部中断Q为边沿触发方式
;
CPU开放中断SETBEXQ
送入口地址并指向INQ
启动A/D转换,A的值无意义
等待中断
读取转换后的数字量
存入片内RAM单元
指向下一模拟通道
指向下一个数据存储单元
8路未转换完,则继续
已转换完,则关中断
禁止外部中断Q中断
中断返回
再次启动A/D转换
io
:
74LSJ73
IQ
4
G
HQ
CLK
t
DT
5二5
A.DOCEOC
5
t5V
765432NNW1N1NNT|~L丄I
13.采用DAC0832和PC总线工业控制机接口。
请画出接口电路原理图,并编写
+5V
8086CPU
数据总线
〈二D7〜D
地址线
Yo
M/IO
WR
地址译码
ILEvccVref
di7Rfb
DI0IOUT1
DAC0832
CSIOUT2
WR2
XFER
DGND
WR1AGND
产生三角波、梯形波和锯齿波的程序。
本章作业
设计一八路数据采集及其回放系统。
要求八路数据巡回检测,存储10组数据,
输数据为电压信号(0-5V),检测精度<1%CPUADDA可任选。
5.若加工第一象限直线OA起点0(0,0),终点A(11,7)。
要求:
(1)按逐点比较法插补进行列表计算;
(2)作出走步轨迹图,并标明进给方向和步数。
解:
由题意可知Xe=11,ye=7,F0=0,我们设置一个总的计数器Ny,其初值应为NXy=|7-0|+|11-0|=18,则插补计算过程如表3—1所示。
根据插补计算过程表所作出的直线插补走步轨迹图如下图所示。
表3—1
步数
偏差判别
坐标进给
偏差计算
终点判别
起点
Fo=O
NXy=18
1
Fo=0
+X
F1=F0-ye=-7
NXy=17
2
FCO
+Y
F2二R+Xe=4
NXy=16
3
F2>
F3=F^-ye=-3
NXy=15
F3<
F4=F3+Xe=8
NXy=14
F4>
F5=F4-ye=1
NXy=13
6
Fs>
F6=Fs-ye=-6
NXy=12
7
F6<
F7=F6+Xe=5
NXy=11
8
F7>
F8=F/-ye=-2
NXy=10
9
Fb<
F9=F8+Xe=9
Ny=9
10
F9>
F10=F9-ye=2
Ny=8
11
F1o>
F11=F10-ye=-5
Ny=7
12
F11<
F12=Fn+Xe=6
Ny=6
13
F12>
F13=Fl2-ye=-1
Ny=5
14
F13<
F14=F13+Xe=10
Ny=4
15
F14>
F15=F〔4-ye=3
Ny=3
16
F15>
F16=F15-ye=-4
Ny=2
17
F16<
F17=F16+Xe=7
Ny=1
18
F17>
F18=F16-ye=0
Ny=O
3.5.设加工第一象限的圆弧AB,起点A(6,0),终点B(0,6)。
插补计算过程如表3—2所示。
终点判别仍采用第二种方法,设一个总的计数器Ny,每走一步便减1操作,当Nxy=0时,加工到终点,插补运算结束。
下图为插补过程中的走步轨迹。
Iy
x
NR1
表3—2
步数
偏差判别
坐标计算
起
点
八、、
F0=0
X0=6,y0=0
Ny=12
-X
F1=0-12+仁-11
X1=5,y1=0
Ny=11
FC0
F2=-11+0+1=-1
X2=5,y2=1
Ny=10
F2VO
F3=-10+2+1=-7
X3=5,y3=2
Ny=9
F3VO
F4=-7+4+1=-2
X4=5,y4=3
Ny=8
FEO
F5=-2+6+1=5
X5=5,y5=4
Ny=7
F5>
F6=5-10+1=-4
X6=4,y6=4
Ny=6
F7=-4+8+1=5
X7=4,y7=5
Ny=5
F8=5-8+1=-2
X8=3,y8=5
F8<
F9=-2+10+1=9
X9=3,y9=6
Ny=3
F10=9-6+1=4
X10=2,y10=6
Ny=2
F10>
Fn=4-4+1=1
Xn=1,y11=6
Ny=1
Fn>
F12=1-2+1=0
X12=0,y12=6
Ny=0
3.6.三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-C,各相通电的电压波形如图3.1所示
JLTLJULJLJL
AWJ
BWJ
c的IL
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ALBC—CA各相通电的电压波形如图3.2所示。
讥trLrLrLrLrLrLrLrLrLrLTL[ULrLrL
-U~~U~~D~~U—L
CN~uU~UU~~
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—ALB—BC—CA各相通电的电压波形如图3.3所示。
隔卅rui」ui_n_njuuLRJuuLAJL
511
1IIL
nn
图3.3三相六拍工作的电压波形图
3.7.采用8255A作为x轴步进电机和y轴步进电机的控制接口,要求
(1)画出接口电路原理图;
(2)分别列出x轴和y轴步进电机在三相单三拍、三相双三拍和三相六拍工作方式下的输出字表。
电路原理图如图所示
三相单三拍控制方式输出字表
x轴步进电机输出字表y轴步进电机输出字表
存储地址标号
低八位输出字存储地址标号
高八位输出字
ADX1
00000001=01HADY1
00000001=01H
ADX2
00000010=02HADY2
00000010=02H
ADX3
00000100=04HADY3
00000100=04H
三相双三拍控制方式输出字表
0000001仁03HADY1
0000001仁03H
00000110=06HADY2
00000110=06H
0000010仁05HADY3
0000010仁05H
三相六拍控制方式输出字表
0000000仁01HADY1
0000001仁03HADY2
00000010=02HADY3
ADX4
00000110=06HADY4
ADX5
00000100=04HADY5
ADX60000010仁05HADY6
2.某系统的连续控制器设计为
00000101=05H
U(s)1TiS
E(s)1T2s
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s2?
^代入,则
Dz|s叱
Tz1
1T,?
口
T2T1zT-2T1
T2T2zT2T2
前向差分法:
把z罕代入’则
T1
z1
Ds|z11
s〒1
T|S
T
T2S
T2
Dz
£
zTT
T2ZTT2
后向差分法:
把s—」代入,则
Tz
Ds|z1
s-
1T1s
1T2S
1T1z1
1T2z1
T2z
TT1
TT2
4.3什么是数字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):
tk
0edtTe(j)
j0
dee(k)e(k1)
dtT
于是有:
u(k)
Kp{e(k)
Tij0
e(j)
Td
[e(k)e(k1)]}
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)
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。
TTd
u(k)Kp{[e(k)e(k1)]e(k)卡[e(k)2e(k1)e(k2)]}
TiT
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)为实现手动一一自动无扰切换,在切换瞬时,计算机的输出值应设置为原始阀门开度u。
,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。
4.4.已知模拟调节器的传递函数为
10.17s
T=0.2s。
10.085s
Ds
Us
0.17s
Es
0.085s
则Us
0.085SUs
ut
0085dut
0.085l(dt
et
0.17SEs
uk
0.085空
017詈
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
0.17业
ek1
uk1T
把T=0.2S代入得
1.425uk0.425uk14.5ek3.5ek-1
位置型uk3.1579ek2.4561ek10.2982uk1
增量型ukukuk13.1579ek2.4561ek10.7018uk1
(补充题)已知模拟调节器的传递函数为
试写出相应数字控制器的位置型
PID算法和增量型PID控制算式,设采样周
期T=0.2s
因为Ds
1017s1
12(1—)
0.085s0.17s
Kp(1
TdS)
所以Kp2,Ti0.17,Td0。
故位置型PID控制器
u(k)Kpe(k)
e(i)
e(k1)
2e(k)
0.2k...e(i)0.17i0
2e(k)
0.4k
0.17i0
k
TIi0
故增量型PID控制器
u(k)u(k1)u(k)
u(k1)KPe(k)e(k1)KIe(k)KDe(k)2e(k1)e(k2)0.4
u(k1)2e(k)e(k1)e(k)
0.17
u(k1)4.35e(k)2e(k1)
4.7.简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。
扩充临界比例度法整定PID参数的步骤:
(1)选择一个足够短的采样周期T,例如被控过程有纯滞后时,采样周期T取滞
后时间的1/10以下,此时调节器只作纯比例控制,给定值r作阶跃输入。
⑵逐渐加大比例系数Kp,使控制系统出现临界振荡。
由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts,并记下此时的比例系数Kp,将其记作临界振荡增益Ks。
此
时的比例度为临界比例度,记作
Ks
(3)选择控制度,所谓控制度是数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误
差平方的积分之比。
⑷根据控制度,查表求出T、KpTi和Td值。
(5)按照求得的整定参数,投入系统运行,观察控制效果,再适当调整参数,直到获得满意的控制效果为止。
扩充响应曲线法整定PID参数的步骤:
(1)断开数字调节器,让系统处于手动操作状态。
将被调量调节到给定值附近并稳定后,然后突然改变给定值,即给对象输入一个阶跃信号。
(2)用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线,如图所示。
⑶在曲线最大斜率处作切线,求得滞后时间t、被控对象的时间常数Tc,以
及它们的比值Tc/to
⑷由T、Tc、Tc/T值,查表,求出数字控制器的T、KpTi和Td。
4.8数字控制器的离散化设计步骤是什么?
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①(z)o
(2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。
⑶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。
4.9已知被控对象的传递函数为
Gcs
s(0.1s1)
采样周期T=0.1s,采用零阶保持器。
要求
(1)针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波系统的
Dz,并计算输出响
应y(k)、控制信号u(k)和误差e(k)序列,画出它们对时间变化的波形
(2)针对单位阶跃输入信号设计最少拍有纹波系统的Dz,并计算输出响
应y(k)、控制信号u(k)和误差e(k)序列,画出它们对时间变化的波形。
广义脉冲传递函数为
1eTs10
G(z)Z(——厂)
ss(0.1s1)
10Tz11
(1z)1z(1ez
(1
1100
)Z(?
(rW
))
0.368z1(10.717z1)
11~
(1z)(10.368z)
最少拍无纹波设计步骤:
1)根据广义对象的传递函数确定参数
N(分母多项式的幕次)
M(分子多项式的幕次)
d=N-M延时
w在所有零点的总数(不包括无穷远的零点)
v在z平面的单位圆上或圆外极点的个数
j在z平面的单位圆上极点的个数
q(输入类型)
i
I已知N=2M=2
|所以d=0
W=1(即分子多项式中的(10.717z1))
I
:
v=1,j=1;
q=2(单位速度输入)
2)确定F1(z)和F2(z)的幕次m和n
mwd
nvjma
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