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计算机控制技术基础知识测试(doc18页)
计算机控制技术复习资料
1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?
计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤:
(1)实时数据采集:
对被控量的瞬时值进行检测,并输入给计算机。
(2)实时决策:
对采集到的表征被控参数的状态量进行分析,并按已定的控制规律,决定下一步的控制过程。
(3)实时控制:
根据决策,适时地对执行机构发出控制信号,完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么?
(1)实时:
所谓“实时”,是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的,即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理,并在一定的时间内作出反应并进行控制,超出了这个时间就会失去控制时机,控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式:
在计算机控制系统中,如果生产过程设备直接与计算机连接,生产过程直接受计算机的控制,就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式:
若生产过程设备不直接与计算机相连接,其工作不直接受计算机的控制,而是通过中间记录介质,靠人进行联系并作相应操作的方式,则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成?
各部分的作用是什么?
由四部分组成。
图1.1微机控制系统组成框图
(1)主机:
这是微型计算机控制系统的核心,通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令,同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程,按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作,根据运算结果作出控制决策;对生产过程进行监督,使之处于最优工作状态;对事故进行预测和报警;编制生产技术报告,打印制表等等。
(2)输入输出通道:
这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控
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)。
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:
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。
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。
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:
MOVX@DPTR,A;再次启动A/D转换
RETI;中断返回
3.2.什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
3.5.设加工第一象限的圆弧
AB,起点A(6,0),终点B(0,6)。
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:
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
步数
偏差判别
坐标进给
偏差计算
坐标计算
终点判别
起点
F0=0
x0=6,y0=0
Nxy=12
1
F0=0
-X
F1=0-12+1=-11
x1=5,y1=0
Nxy=11
2
F1<0
+Y
F2=-11+0+1=-10
x2=5,y2=1
Nxy=10
3
F2<0
+Y
F3=-10+2+1=-7
x3=5,y3=2
Nxy=9
4
F3<0
+Y
F4=-7+4+1=-2
x4=5,y4=3
Nxy=8
5
F4<0
+Y
F5=-2+6+1=5
x5=5,y5=4
Nxy=7
6
F5>0
-X
F6=5-10+1=-4
x6=4,y6=4
Nxy=6
7
F6<0
+Y
F7=-4+8+1=5
x7=4,y7=5
Nxy=5
8
F7>0
-X
F8=5-8+1=-2
x8=3,y8=5
Nxy=4
9
F8<0
+Y
F9=-2+10+1=9
x9=3,y9=6
Nxy=3
10
F9>0
-X
F10=9-6+1=4
x10=2,y10=6
Nxy=2
11
F10>0
-X
F11=4-4+1=1
x11=1,y11=6
Nxy=1
12
F11>0
-X
F12=1-2+1=0
x12=0,y12=6
Nxy=0
1、加工第一象限直线OA,起点为O(0,0),终点坐标为A(6,4),试进行插补计算并作出走步轨迹图。
(10分)
要求:
(1)按逐点比较插补法进行列表计算;
(2)做出走步轨迹图,并标明进给方向和步数。
〔解〕坐标进给的总步数Nxy=|6-0|+|4-0|=10,xe=6,ye=4,F0=0,xoy=1.(5分)
步数
偏差判别
坐标进给
偏差计算
终点判断
起点
F0=0
Nxy=10
1
F0=0
+x
F1=F0-ye=-4
Nxy=9
2
F1<0
+y
F2=F1+xe=2
Nxy=8
3
F2>0
+x
F3=F2-ye=-2
Nxy=7
4
F3<0
+y
F4=F3+xe=4
Nxy=6
5
F4>0
+x
F5=F4-ye=0
Nxy=5
6
F5=0
+x
F6=F5-ye=-4
Nxy=4
7
F6<0
+y
F7=F6+xe=2
Nxy=3
8
F7>0
+x
F8=F7-ye=-2
Nxy=2
9
F8<0
+y
F9=F8+xe=4
Nxy=1
10
F9>0
+x
F10=F9-ye=0
Nxy=0
根轨迹图:
(5分)
2、加工第一象限直线OA,起点O(0,0),终点A(4,3)。
解:
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。
4.4.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和增量型控制算式,设采样周期T=0.2s。
则
把T=0.2S代入得
位置型
增量型
4.6.采样周期的选择需要考虑那些因素?
(1)从调节品质上看,希望采样周期短,以减小系统纯滞后的影响,提高控制精度。
通常保证在95%的系统的过渡过程时间内,采样6次~15次即可。
(2)从快速性和抗扰性方面考虑,希望采样周期尽量短,这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映,而不致产生过大的延时。
(3)从计算机的工作量和回路成本考虑,采样周期T应长些,尤其是多回路控制时,应使每个回路都有足够的计算时间;当被控对象的纯滞后时间τ较大时,常选T=(1/4~1/8)τ。
(4)从计算精度方面考虑,采样周期T不应过短,当主机字长较小时,若T过短,将使前后两次采样值差别小,调节作用因此会减弱。
另外,若执行机构的速度较低,会出现这种情况,即新的控制量已输出,而前一次控制却还没完成,这样采样周期再短也将毫无意义,因此T必须大于执行机构的调节时间。
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Φ(z)。
(2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。
(3)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
采样周期T=0.1s,采用零阶保持器。
要求
针对单位阶跃输入信号设计最少拍有纹波系统的
。
解:
广义脉冲传递函数为
最少拍有纹波设计步骤:
1)根据广义对象的传递函数确定参数
N(分母多项式的幂次)
M(分子多项式的幂次)
d=N-M延时
u在z平面的单位圆上或圆外零点的个数
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)
已知N=2,M=2
所以d=0
u=0(即分子多项式中的
)
v=1,j=1;
q=1(单位速度输入)
2)确定F1(z)和F2(z)的幂次m和n
所以:
3)确定Фe(z)
4)确定Ф(z)
5)根据关系
使等式两边同幂次的系数相等,解出F1和F2中的系数。
解得:
所以:
6)求控制器D(z)
14.与PID控制和直接数字控制相比,模糊控制具有哪些优点?
与PID控制和直接数字控制相比,模糊控制的优点:
(1)模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统。
(2)模糊控制不用建立对象精确的数学模型。
(3)模糊控制系统的鲁棒性好。
(4)模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型,以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。
3.数字PID位置式和增量式算法的各自特点是什么?
增量算法不需要做累加,位置算法要用到过去的误差的累加值,容易产生大的累加误差
增量算法得出的是控制量的增量,而位置算法的输出是控制量的全量输出,误动作影响大.
采用增量算法,易于实现手动到自动的无冲击切换.
4.数字PID控制算法中,Kp、Ti、Td的物理调节作用分别是什么?
Kp为比例增益,能减小误差,但不能消除稳态误差,但Kp加大会引起系统不稳定.
Ti为积分时间常数只要有足够的时间,积分控制将能完全消除误差但积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡.
Td为微分时间常数可以减小调整时间,从而改变系统的动态性能.
5、计算机控制系统的工作步骤分为哪几步?
答:
计算机的工作步骤分为3步:
实时数据采集,实时数据决策和实时数据处理.
1.什么是计算机的总线?
答:
所谓总线,就是计算机各模块之间互联和传送信息(指令,地址和数据)的一组信号线.分为内部总线和外部总线.
2.计算机的外部总线有哪几种?
答:
计算机的外部总线有RS-232C,RS-485,IEEE-488,USB等等.
3.RS-232C串行通信总线采用什么传输方式?
为什么RS-232C的传输距离不远?
答:
RS-232C串行通信总线采用的是不平衡传输方式.由于发送器和接收器之间有公共的信号地线,共模信号不可避免地要进入信号传送系统中.当传输距离过远时,发送器与接收器各自会形成不同的对地电位.
4.RS-485串行通信总线采用什么传输方式?
它与RS-422A串行通信总线的区别是什么?
答:
RS-485串行通信总线采用的是不平衡传输方式.
区别在于RS-485为半双工工作方式,而RS-422A为全双工工作方式.且RS-422A适用于两点之间进行高速,远距离通信,而RS-485适用于多点之间进行高速,远距离通信.
8.什么是香农采样定理?
香农采样定理:
如果模拟信号(包括噪声干扰在内)频谱的最高频率为fmax,只要按照采样频率f>=2fmax进行采样,那么采样信号就能惟一地复观.
9.什么是量化误差?
量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程,由于量化过程是一个小数归整过程,因而存在量化误差,量化误差为(+_1/2)q.
10.什么是孔径时间和孔径误差?
完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间.
孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差,即为孔径误差.
6.最少拍控制算法本质上是什么算法,为什么?
最少拍控制算法本质上是时间最优控制算法,因为最少拍控制算法是以系统的快速性为主要性能指标.
7.最少拍控制算法的三种典型输入信号分别是什么?
三种典型输入信号分别是单位阶跃信号,单位速度信号,单位加速度信号
8.最少拍控制算法的局限性是什么?
最少拍控制器对典型输入信号的适应性较差
1、计算机控制控制系统:
由计算机完成部分或全部功能的控制系统,称为计算机控制系统(要求画出图)
2、一般的计算机控制系统由计算机、I/O接口电路、通用外部设备和工业生产对象等部分组成。
1、计算机控制系统分为:
DDC(直接数字控制)、DPS(操作指导控制系统)、SCC(计
算机监督控制)、DCS(分布式控制系统)、CIMS(计算机集成制造系统)。
2、DCS(分布式控制系统):
DCS由DDC、SCC、和MIC(综合信息管理)组成,它
的下一代技术是集计算机、通信、控制三种技术为一体的现场总线控制系统(FCS)。
1、阶跃响应
阶跃响应是指将一个阶跃输入(stepfunction)加到系统上时,系统的输出
2、稳态误差
稳态误差是指系统的响应进入稳态后,系统的期望输出与实际输出之差
3、PID控制
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节,其数学表达式为
4、数字PID控制
数字PID有二种形式,分别是位置式和增量式
(1)位置式:
其表达式为
位置式控制算法提供执行机构的位置Uk,需要用到过去的累计误差,一般用于以可控硅或伺服电机作执行器件的控制系统中
(2)增量式:
其表达式为
增量式控制算法提供执行机构的增量△uk,只需要保持现时以前3个时刻的偏差值即可,一般用在步进电机或多圈电位器作执行器件的控制系统中
5、香农采样定理:
系统采样频率的下限为fs=2fmax,此时系统可真实地恢复到原来的连续
信号。
6、PID算法数字控制器的参数整定的方法
(1)扩充临界比例度法(弄懂KK和TK的概念)
(2)扩充响应曲线法{适用对象:
对象具有滞后自平衡特性(即滞后环节加一阶惯性环节),传递函数形式:
(3)PID参数归一法
(4)PID参数试凑法(适用对象:
对象特性参数完全不知或已知对象传递函数做仿真)
1、设采样控制系统的特征方程为:
A(z)=45z3-117z2+119z-39=0
试用双线性变换判断系统稳定性?
(书P39)
2、讨论该系统,试求为保证闭环系统稳定,放大倍数K的取值范围。
(书P40)
3、数字PID增量式控制算法与位置式算法比较,其优点是什么?
答:
1)增量式算法不需要做累加,控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关,计算误差或计算精度问题,对控制量的计算影响较小。
而位置式算法要用到过去的误差的累加值,容易产生大的累加误差。
2)增量式算法得出的是控制量的增量,误动作影响小。
而位置式算法的输出是控制量的全量输出,误动作影响大。
3)采用增量式算法,易于实现手动到自动的无冲击切换。
4)采用增量式算法不需要累加,只需要记住4个历史数据,占用内存小,计算方便。
4、设计算机控制系统结构图如图示
其中
已知:
采样周期T=0.025s,输入为斜坡信号。
试设计最少拍控制系统D(Z)。
(书P61)
5、CPU对数据通道的常用控制方式有程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取(DMA)方式。
6、根据下图编写的ADC0809转换程序。
ADC0809的地址是8000H~8007H,通道号在R2中,采样后的结果存放在30H~37H中。
在程序中启动ADC0809的同时将通道号写到ADC0809中。
ORG00H
AJMPMAIN
ORG03H
AJMPADC0809
ORG1000H
MAIN:
SETBEA
SETBEX0
SETBIT0
MOVR2,#0
MOVR0,#30H
MOVDPTR,#8000H
MOVX@DPTR,A
AJMP$
ADC0809:
MOVXA,@DPTR
MOV@R0,A
INCR0
INCR2
MOVA,R2
ORLA,DPL
MOVDPL,A
MOVX@DPTR,A
CJNER2,#07H,ADC0809RET
MOVR2,#0
MOVR0,#30HRETI
ADC0809RET:
RETI
7、设内部RAM的20H和21H单元内存放一个12位数字量(20H单元中为低4位,21H单元中为高8位),试根据下图编写出将它们进行D/A转换的程序。
解:
D/A转换的程序为:
ORG0000H
MOVR0,#0FFH;8位输入寄存器地址
MOVR1,#21H
MOVA,@R1;高8位数字量送A
MOVX@R0,A;高8位数字量送8位输入寄存器
DECR0
DECR1
MOVA,@R1;低4位数字量送A
SWAPA;A中高低4位互换
MOVX@R0,A;低4位数字量送4位输入寄存器
DECR0
MOVX@R0,A;启动D/A转换
END
8、如图所示,试用查询和中断两种方式编写程序,对IN5通道上的数据进行采集,并将转换结果送入内部RAM20H单元。
解:
中断方式程序清单:
ORG0000H
MOVDPTR,#7FF5H
MOVX@DPTR,A;启动A/D转换
SETBEA
SETBEX1;开外中断1
SETBIT1;外中断请求信号为下跳沿触发方式
LOOP:
SJMPLOOP;等待中断
END
中断服务程序:
ORG0013H;外中断1的入口地址
LJMP1000H;转中断服务程序的入口地址
ORG1000H
MOVXA,@DPTR;读取A/D转换数据
MOV20H,A;存储数据
RETI;中断返回
查询方式程序清单:
ORG0000H
MOVDPTR,#7FF5H
MOVX@DPTR,A;启动A/D转换
LOOP:
JBP3.3,LOOP;等待转换结束
MOVXA,@DPTR;读取A/D转换数据
MOV20H,A;存储数据
END
9、如图所示,试编程对8个模拟通道上的模拟电压进行一遍数字采集,并将采集结果送入内部RAM以30H单元为始地址的输入缓冲区。
解:
从图中可以看出,接线方式为中断方式。
ADDA、ADDB和ADDC三端接8031的P0.0、P0.1和P0.2,故通道号是通过数据线来选择。
程序清单:
ORG0000H
MOVR0,#30H;数据区始地址送R0
MOVR7,#08H;通道数送R7
MOVR6,#00H;IN0地址送R6
MOVIE,#84H;开中断
SETBIT1;外中断请求信号为下跳沿触发方式
MOVR1,#0F0H;送端口地址到R1
MOVA,R6;IN0地址送A
MOVX@R1,A;启动A/D转换
LOOP:
SJMPLOOP;等待中断
END
中断服务程序:
ORG0013H;外中断1的入口地址
AJMP1000H;转中断服务程序的入口地址
ORG1000H
MOVXA,@R1;读入A/D转换数据
MOV@R0,A;将转换后的数据存入数据区
INCR0;数据区指针加1
INCR6;模拟通道号加1
MOVA,R6;新的模拟通道号送A
MOVX@R1,A;启动下一通道的A/D转换
DJNZR7,LOOP1;8路采样未结束,则转向LOOP1
CLREX1;8路采样结束,关中断
LOOP1:
RETI;中断返回
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