计算机控制技术课程答案

第一章（绪论）作业1.1什么是计算机控制系统？工作原理是怎样的？答：（1）计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程控制的系统。、（2）计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：a、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。b、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。c、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。1.2它由哪几部分组成？答：计算机控制系统由工业控制机和生产过程两个大部分组成。工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关装置。计算机控制系统的组成框图见书本第2页（图1.2）。1.3计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么优缺点？答：（1）操作指导控制系统优点：结构简单，控制灵活，安全。缺点：由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。（2）直接数字控制系统（DDS）优点：实时性好，可靠性高，适应性强。（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最优工况。（4）分散控制系统（DCS）优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。（5）现场总线控制系统（FCS）优点：与DCS相比，降低了成本，提高了可靠性。国际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构。1.4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。1.6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统第二章（输入输出接口与过程通道）作业2.5请分别画出一个有源I/V变换电路和一个无源I/V变换电路图。并分别说明各个器件的作用。答：有源变换电路见书本上第32页（图2.19）：同相放大器电路把电阻1R上的输入电压变成标准的输出电压（放大倍数为431RAR）；极性电容C能起到滤波作用，防止高频的干扰；5R为平衡电容。无源变换电路见书本上第31页（图2.18）：极性电容C起滤波的作用；二极管D起限幅保护作用（当输出电压大于5V时，D导通减少流过2R的电流从而降低2R上的电压，保证输出不超过5V）；2.6什么是采样过程？量化，孔径时间？答：采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号转变成在时刻0，T，2T，、、、、、、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。量化：采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。孔径时间：在模拟输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需要的时间称为孔径时间。2.7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：为了提高模拟量输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求，可以采用带有保持器电路的采样器。当被测信号变化很慢时，若A/D转换器时间足够短，可以不加采样保持器。2.9试用8255A、AD574、LF398、CD4051和PC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8路模拟量数据采集程序。答：原理图见书本上第36页（图2.25）。数据采集程序如下：设8255A的地址为2C0H—2C3H，主过程已对8255A初始化，且已装填DS、ES（两者段基值相同），采样值村入数据段中的采样值缓冲区BUF。其8通道数据采集的程序见书本上第37（图2.26）。AD574APROCNEARCLDLEADI,BUFMOVBL,00000000B//MOVCX,8ADC:MOVDX,2C2HMOVAL,BLOUTDX,ALNOPNOPORAL,01000000BOUTDX,ALANDAL,10111111BOUTDX,ALMOVDX,2C0HPULLING:INAL,DXTESTAL,80HJNZPULLINGMOVAL,BLORAL,00010000BMOVDX,2C2HOUTDX,ALORAL,01000000BOUTDX,ALMOVDX,2C0HINAL,DXANDAL,0FHMOVAH,ALINCDXINAL,DXSTOSWINCBLLOOPADCMOVAL,00111000BMOVDX,2C2HOUTDX,ALRETADC574AENDP2.10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D/A转换程序。答：原理图见书本上第41页（图2.29）。若DAC0832的片选地址为200H,则8位2进制数6DH转换为模拟电压的接口程序为：MOVDX，200HMOVAL，6DHOUTDX，ALHLT2.12请分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路，并分别推出输出电压与输入数字两之间的关系式。解：D/A转换器的单极性和双极性输出电路见书本上第44页（图2.33）。1OUTV为单极性输出，若D为输入数字量，REFV为基准参考电压，且为n位D/A转换器，则有1*2OUTREFnDVV；2OUTV为双极性输出，可以推出：3321112(**)*(1)2OUTREFOUTREFnRRDVVVVRR3.1.什么是数控程序控制？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。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3.4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=0Nxy=181F0=0+XF1=F0-ye=-7Nxy=172F10+YF2=F1+xe=4Nxy=163F20+XF3=F2-ye=-3Nxy=154F30+YF4=F3+xe=8Nxy=145F40+XF5=F4-ye=1Nxy=136F50+XF6=F5-ye=-6Nxy=127F60+YF7=F6+xe=5Nxy=118F70+XF8=F7-ye=-2Nxy=109F80+YF9=F8+xe=9Nxy=910F90+XF10=F9-ye=2Nxy=811F100+XF11=F10-ye=-5Nxy=712F110+YF12=F11+xe=6Nxy=613F120+XF13=F12-ye=-1Nxy=514F130+YF14=F13+xe=10Nxy=415F140+XF15=F14-ye=3Nxy=316F150+XF16=F15-ye=-4Nxy=217F160+YF17=F16+xe=7Nxy=118F170+XF18=F16-ye=0Nxy=03.5.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。1023456123456NR1yx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=0x0=6,y0=0Nxy=121F0=0-XF1=0-12+1=-11x1=5,y1=0Nxy=112F10+YF2=-11+0+1=-10x2=5,y2=1Nxy=103F20+YF3=-10+2+1=-7x3=5,y3=2Nxy=94F30+YF4=-7+4+1=-2x4=5,y4=3Nxy=85F40+YF5=-2+6+1=5x5=5,y5=4Nxy=76F50-XF6=5-10+1=-4x6=4,y6=4Nxy=67F60+YF7=-4+8+1=5x7=4,y7=5Nxy=58F70-XF8=5-8+1=-2x8=3,y8=5Nxy=49F80+YF9=-2+10+1=9x9=3,y9=6Nxy=310F90-XF10=9-6+1=4x10=2,y10=6Nxy=211F100-XF11=4-4+1=1x11=1,y11=6Nxy=112F110-XF12=1-2+1=0x12=0,y12=6Nxy=03.6.三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。解：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3.1所示。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AB→BC→CA。各相通电的电压波形如图3.2所示。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→AB→B→BC→C→CA。各相通电的电压波形如图3.3所示。图3.3三相六拍工作的电压波形图第四章（常规及复杂控制技术）作业4.9已知被控对象的传递函数为10()(0.11)cGsss，采样周期为1Ts，采用零阶保持器。要求：（1）针对单位速度输入信号设计最小拍无纹波系统的()Dz，并计算输出响应()yk、控制信号()uk、误差()ek序列，画出它们对时间的波形。（2）针对单位阶跃输入信号设计最小拍有纹波系统的()Dz，并计算输出响应()yk、控制信号()uk、误差()ek序列，画出它们对时间的波形。解:(1)广义对象传递函数：1212111111010()[](1)[](0.11)(0.11)9(9)11seGzZzZssssszzzzzz0,0,1,1,101duvjqjqmuduvjq对于单位速度输入信