计算机控制技术课后习题详解答案Word文件下载.docx
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压力变送器可以把压力转换变为电信号,这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0~5V或4~20mA)后,再送入微机。
b.执行机构:
要控制生产过程,必须有执行机构,它是微机控制系统中的重要部件,其功能是根据微机输出的控制信号,改变输出的角位移或直线位移,并通过调节机构改变被调介质的流量或能量,使生产过程符合预定的要求。
例如,在温度控制系统中,微机根据温度的误差计算出相应的控制量,输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。
常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式,也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。
4.微型计算机控制系统软件有什么作用说出各部分软件的作用。
软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。
整个计算机系统的动作,都是在软件的指挥下协调进行的,因此说软件是微机系统的中枢神经。
就功能来分,软件可分为系统软件、应用软件及数据库。
(1)系统软件:
它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。
对用户来说,系统软件只是作为开发应用软件的工具,是不需要自己设计的。
系统软件包括:
a.操作系统:
即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等;
b.诊断系统:
指的是调节程序及故障诊断程序;
c.开发系统:
包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等;
d.信息处理:
指文字翻译、企业管理等。
(2)应用软件:
它是面向用户本身的程序,即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。
应用软件包括:
a.过程监视程序:
指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等;
b.过程控制计算程序:
指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序,其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等;
c.公共服务程序:
包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。
(3)数据库:
数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检索,相应软件设计指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据等。
5.微型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
6.操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何它们之间有何区别和联系
(1)操作指导控制系统:
在操作指导控制系统中,计算机的输出不直接作用于生产对象,属于开环控制结构。
计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理,计算出各控制量应有的较合适或最优的数值,供操作员参考,这时计算机就起到了操作指导的作用。
其原理框图如图所示。
图操作指导控制系统原理框图
(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。
图DDC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所示。
图SCC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。
7.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
第二章输入输出过程通道
1.什么是过程通道过程通道有哪些分类
过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。
按信息传递的方向来分,过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道;
按所传递和交换的信息来分,过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量过程通道。
2.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。
3.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。
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。
图光电耦合器电路图
5.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/DigitalConverter,简称A/D转换器或ADC)。
6.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。
7.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:
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。
8.在数据采样系统中,是不是所有的输入通道都需要加采样保持器为什么
不是,对于输入信号变化很慢,如温度信号;
或者A/D转换时间较快,使得在A/D转换期间输入信号变化很小,在允许的A/D转换精度内,就不必再选用采样保持器。
D转换器的结束信号有什么作用根据该信号在I/O控制中的连接方式,A/D转换有几种控制方式它们在接口电路和程序设计上有什么特点
A/D转换器的结束信号的作用是用以判断本次AD转换是否完成。
常见的A/D转换有以下几种控制方式,各自特点如下
延时等待法:
EOC可不和I/O口连接,程序设计时,延时大于ADC转换时间后,取数据。
保持等待法:
EOC与READY相连,EOC无效时,自动插入等待状态。
直至EOC有效时,取数据。
查询法:
EOC可以和任意I/O口连接,程序设计时,反复判断EOC是否有效,直至EOC有效时,取数据。
中断响应法:
EOC与外部中断相连,AD转换结束后,发中断申请,在中断服务程序中取数据。
10.设被测温度变化范围为0oC~1200oC,如果要求误差不超过,应选用分辨为多少位的A/D转换器
选择依据:
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:
MOVR0,#30H;
设立数据存储区指针
MOVR2,#08H;
设置8路采样计数值
SETBIT0;
设置外部中断0为边沿触发方式
SETBEA;
CPU开放中断
SETBEX0;
允许外部中断0中断
MOVDPTR,#FEF8H;
送入口地址并指向IN0
LOOP:
MOVX@DPTR,A;
启动A/D转换,A的值无意义
HERE:
SJMPHERE;
等待中断
中断服务程序:
MOVXA,@DPTR;
读取转换后的数字量
MOV@R0,A;
存入片内RAM单元
INCDPTR;
指向下一模拟通道
INCR0;
指向下一个数据存储单元
DJNZR2,INT0;
8路未转换完,则继续
CLREA;
已转换完,则关中断
CLREX0;
禁止外部中断0中断
RETI;
中断返回
INT0:
再次启动A/D转换
12.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/AnalogConverter,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。
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%。
CPU、AD、DA可任选。
第三章微机数控系统
.什么是数控程序控制数字程序控制有哪几种方式
所谓数控程序控制是计算机根据输入的指令和数据,控制生产机械(如各种加工机床)按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。
数字程序控制方式:
点位控制、直线切削控制和轮廓的切削控制。
.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.若加工第一象限直线OA,起点O(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Nxy,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
F0=0
Nxy=18
1
+X
F1=F0-ye=-7
Nxy=17
2
F1<
+Y
F2=F1+xe=4
Nxy=16
3
F2>
F3=F2-ye=-3
Nxy=15
4
F3<
F4=F3+xe=8
Nxy=14
5
F4>
F5=F4-ye=1
Nxy=13
6
F5>
F6=F5-ye=-6
Nxy=12
7
F6<
F7=F6+xe=5
Nxy=11
8
F7>
F8=F7-ye=-2
Nxy=10
9
F8<
F9=F8+xe=9
Nxy=9
10
F9>
F10=F9-ye=2
Nxy=8
11
F10>
F11=F10-ye=-5
Nxy=7
12
F11<
F12=F11+xe=6
Nxy=6
13
F12>
F13=F12-ye=-1
Nxy=5
14
F13<
F14=F13+xe=10
Nxy=4
15
F14>
F15=F14-ye=3
Nxy=3
16
F15>
F16=F15-ye=-4
Nxy=2
17
F16<
F17=F16+xe=7
Nxy=1
18
F17>
F18=F16-ye=0
Nxy=0
.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Nxy,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。
表3—2
坐标计算
x0=6,y0=0
-X
F1=0-12+1=-11
x1=5,y1=0
F2=-11+0+1=-10
x2=5,y2=1
F2<
F3=-10+2+1=-7
x3=5,y3=2
F4=-7+4+1=-2
x4=5,y4=3
F4<
F5=-2+6+1=5
x5=5,y5=4
F6=5-10+1=-4
x6=4,y6=4
F7=-4+8+1=5
x7=4,y7=5
F8=5-8+1=-2
x8=3,y8=5
F9=-2+10+1=9
x9=3,y9=6
F10=9-6+1=4
x10=2,y10=6
F11=4-4+1=1
x11=1,y11=6
F11>
F12=1-2+1=0
x12=0,y12=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→B→C,各相通电的电压波形如图所示。
图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所示。
图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。
图三相六拍工作的电压波形图
.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
高八位输出字
ADX1
00000001=01H
ADY1
ADX2
00000010=02H
ADY2
ADX3
00000100=04H
ADY3
三相双三拍控制方式输出字表
00000011=03H
00000110=06H
00000101=05H
三相六拍控制方式输出字表
ADX4
ADY4
ADX5
ADY5
ADX6
ADY6
第四章微型计算机控制系统的控制算法
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。
2.某系统的连续控制器设计为
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
代入,则
前向差分法:
后向差分法:
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):
于是有:
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。
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
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