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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 运算机掌握技术习题详解1.运算机掌握系统的掌握过程是怎样的. 第一章运算机掌握系统概述运算机掌握系统的掌握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,并输入给运算机；2实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析,并按已定的掌握规律,打算下一步的掌握过程；3实时掌握：依据决策,适时地对执行机构发出掌握信号,完成掌握任务；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、运算和输出都是在肯定时间范畴内完成的,即运算机对输入信息以足够快的速度进行处理,并在肯定的时间内作出反应并进行掌
2、握,超出了这个时间就会失去掌握时机,掌握也就失去了意义；2 “在线 ” 方式：在运算机掌握系统中,假如生产过程设备直接与运算机连接,生产过程直接受运算机的掌握,就叫做“ 联机 ”方式或 “在线 ”方式；3 “离线 ” 方式：如生产过程设备不直接与运算机相连接,其工作不直接受运算机的掌握,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,就叫做“脱机 ”方式或 “ 离线 ”方式；5.微型运算机掌握系统的特点是什么？微机掌握系统与常规的自动掌握系统相比,具有如下特点：a.掌握规律敏捷多样,改动便利b.掌握精度高,抑制扰动才能强,能实现最优掌握c.能够实现数据统计和工况显示,掌握效率高d.掌握与
3、治理一体化,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？它们之间有何区分和联系？1 操作指导掌握系统：在操作指导掌握系统中,运算机的输出不直接作用于生产对象,属于开环掌握结构；运算机依据数学模型、 掌握算法对检测到的生产过程参数进行处理,运算出各掌握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 1.2 所示；图 1.2 操作指导掌握系统原理框图2直接数字掌握系统 DDC 系统 ： DDCDirect Digital Control 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
4、果与设定值进行比较,再进行掌握运算,然后通过输出通道掌握执行机构,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；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 1.3 DDC 系统原理框图3运算机监督掌握系统 SCC 系统 ：SCCSupervisory Computer Control 系统比 DDC 系统更接近生产变化的实际情形,由于在 DDC 系统中运算机只是代替模拟调剂器进行掌握,系统不能运行在正确状态,而 SCC 系统不仅可以进行给
5、定值掌握,并且仍可以进行次序掌握、最优掌握以及自适应掌握等；SCC 系统的原理框图如图 1.4 所示；图 1.4 SCC 系统原理框图SCC 是操作指导掌握系统和 DDC 系统的综合与进展；7.运算机掌握系统的进展趋势是什么？大规模及超大规模集成电路的进展,提高了运算机的牢靠性和性能价格比,从而使运算机掌握系统的应用也越来越广泛；为更好地适应生产力的进展,扩大生产规模, 以满意对运算机掌握系统提出的越来越高的要求,目前运算机掌握系统的进展趋势有以下几个方面；a.普及应用可编程序掌握器b.采纳集散掌握系统c.讨论和进展智能掌握系统其次章 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
6、程通道是在运算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道；按信息传递的方一直分,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掌握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,同时仍要考虑对
7、信号进行滤波、爱护、排除触点抖动,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；采纳积分电路的硬件消抖电路,第一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；采纳 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 2.1 所示；输入电流流过二极管时使其发光,照耀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；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料
8、 - - - - - - - - - 图 2.1 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、接口及掌握规律电路组成；1I/V 变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰才能,2多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件；削减了信号的衰减, 为与标准化外表和执行机构匹配供应了便利；3采样保持器： A/D 转换器完成一次 A/D 转换总需要肯定的时间；在进行 A/D 转换时间内,期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；4A/D 转换器：模拟量输入通道
9、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/Digital Converter ,简称 A/D 转换器或 ADC ；6.对抱负多路开关的要求是什么？抱负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,仍期望切换速度快、噪音小、寿命长、工作牢靠；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：A/D 转换器完成一次 A/D 转换总需要肯定的时间；在进行 A/D 转换时间内,期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
10、影响；保持电容值小,就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,是不是全部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,在答应的A/D 转换精度内,就不必再选用采样保持器；9.A/D 转换器的终止信号有什么作用？依据该信号在 程序设计上有什么特点？I/O 掌握中的连接方式, A/D 转换有几种掌握方式？它们在接口电路和A/D 转换器的终止
11、信号的作用是用以判定本次 AD 转换是否完成；常见的 A/D 转换有以下几种掌握方式,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；名师归纳总结 .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；第 3 页,共 15 页.查询法 : EOC 可以和任意I/O 口连接,程序设计时,反复判定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 转换终止后 ,发中断申请 ,在中断服务程序中取数据；10.设被测温度变化范畴为0 oC1200
12、oC,假如要求误差不超过0.4oC,应选用辨论为多少位的A/D 转换器？挑选依据：nlog211200120 .4- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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 本例给出用 8031、DAC0809 设计的数据采集系统实例；8 路模拟量数据采集程序；把采样转换所得的数字量按序存于片内 RAM 的 30H37H 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： MOV R0, #30H ；设立数据储备区指针；答应外部中断0 中断MOV R2,#08H ；设置 8
13、 路采样计数值SETB IT0 ；设置外部中断0 为边沿触发方式SETB EA ；CPU 开放中断 SETB EX0 MOV DPTR, #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：SJMP HERE ；等待中断中断服务程序：INT0 ：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 ；指向下一个数据储备单元DJNZ R2, INT0 ； 8 路未转换完,就连续CLR EA ；已转换完,就关中断CLR EX0 ；禁止外部中断
14、0 中断RETI ；中断返回MOVX DPTR ,A ；再次启动A/D 转换RETI ；中断返回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；1D/A 转换器：模拟量输出通道的核心是数 /模转换器 Digital/Analog Converter,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；名师归纳总结 - - - - - - -2V/I 变换：一般情形下,D/A 转换电路的输出是电压信号；在运算机掌握系统中,当运算机远离现场,为了便于信号的远距离传输, 削减由于传
15、输带来的干扰和衰减,需要采纳电流方式输出模拟信号；很多标准化的工业外表或执行机构,一般是采纳 010mA 或 420mA 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；第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四章 微型运算机掌握系统的掌握算法4.1. 数字掌握器的模拟化设计步骤是什么？模拟化设计步骤：（1）设计假想的模拟掌握器T DS（2）正确地挑选采样周期（3）将 DS离散化为 DZ （4）求出与 DS对应的差分方程（5）依据差分方程编制相应程序；2.某系统的连续掌握器设计为DsUs 1T 1s：1T 2sEs
16、 试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字掌握器DZ ；解：双线形变换法：把s2z1代入,就Tz1DzDz| s2z11T 12z1T2 T 1zT-2 T 1T 2z z1 11T 2T2 T 2zT2 T 2Tz1Tz1前向差分法：把zz-1代入,就TDzDs| sz11T 1 s1T 1z1T 1zTT 1T z1T 2s1T 21T 2zTT 2TT后向差分法：把sz1代入,就TzDzDs| sz11T 1s1T 1z1T 1zTT 1Tz z 11T 2s1T 2T 2zTT 2TzTz4.3 什么是数字PID 位置型掌握算法和增量型掌握算法？试比较它们的优缺点；为了实现
17、微机掌握生产过程变量,必需将模拟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, 如下靠近相当精确, 被控过程与连续系统非常接近tedtTjk0e j0dee k e k1 dtT于是有：名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - u kKpe kTjk0e jT de ke k1 TT iuk是全量值输出, 每次的输出值都与执行机构的位置如掌握阀门的开度一一对应, 所以称之为位置型 PID 算法；在这种位置型掌握算法中,由于算式中存在累加项,因此输出的掌握量u
18、k不仅与本次偏差有关,仍与过去历次采样偏差有关,使得 uk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掌握量的肯定值,而是其增量时,可以采纳增量型PID 算法；当掌握系统中的执行器为步进电机、 电动调剂阀、 多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时,一般均采纳增量型PID掌握算法；u kKpe ke k1 Te kT de k2 e k1e k2 T iT与位置算法相比,增量型PID 算法有如下优点：简单产生较大的累积计1位置型算式每次输出与整个过去状态有关,运算式中要用到过去偏差的累加值,算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项,从而可排除调剂器的积
19、分饱和,在精度不足时,运算误差对掌握量的影响较小,简单取得较好的掌握成效；2为实现手动 自动无扰切换, 在切换瞬时,运算机的输出值应设置为原始阀门开度 u0,如采纳增量型 算法,其输出对应于阀门位置的变化部分,即算式中不显现 u0 项,所以易于实现从手动到自动的无扰动切 换；3采纳增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用,所以即使运算机发生故障,执行器仍能保持在原位,不会对生产造成恶劣影响；4.4 .已知模拟调剂器的传递函数为就Ds1 10 . 17 s0 . 085 skT=0.2s；试写出相应数字掌握器的位置型和增量型掌握算式,设采样周期DsUs10 . 17 sEs10 . 085 s
20、1Us0 . 085 SUsEs0 . 17SEsut0. 085dutet0. 17detdtdtuk0 . 085ukuk1ek0 . 17ekeTT把 T=0.2S 代入得1 . 425 ukk0 . 425 uk14 . 5 ek3 . 5 ek-1110 . 7018 uk1位置型uk3 . 1579 ek2 . 4561 ek1.0 2982 uk增量型uukuk1.31579 ek2. 4561 ek（补充题）已知模拟调剂器的传递函数为名师归纳总结 Ds10 . 17s第 6 页,共 15 页0 . 085s- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - -
21、- 试写出相应数字掌握器的位置型PID 算法和增量型PID 掌握算式,设采样周期T=0.2s；解：由于Ds10. 17s2（11）sKp 11T ds0. 085s0. 17T is所以Kp2,T i0 .1 7,T d0故位置型 PID 掌握器u kKPe kkTke iT De ke k1TIi0T2e k0 .2e i0 .1 7i02 e kke i0 .40 .1 7i0故增量型 PID 掌握器ukkuk1uk1KIe kKDe k2e k1 e k2 u1 KPe ke kuk1 2e ke k10 .4e k0.17uk1 4 .35e k2e k1 4.5. 什么叫积分饱和？它
22、是怎么引起的？如何排除？解：（ 1）假如执行机构已经到极限位置,仍旧不能排除静差时,由于积分作用,尽管PID差分方程式所得的运算结果连续增大或减小,但执行机构已无相应的动作,这就叫积分饱和；（ 2 ） 1、当偏差产生跃变时,位置型PID算式的输出将急剧增大或减小,有可能超过执行机构的上（下）限,而此时执行机构只能工作在上限；2、系统输出需要很长时间才达到给定值,在这段时间内算式的积分项将产生一个很大的积存值；3、当系统输出超过给定值后,偏差反向,但由于大的积分积存值,掌握量需要相当一段时间脱离饱和区；因此引起系统产生大幅度超调,系统不稳固；（ 3 ）常用的改进方法：积分分别法和抗积分饱和4.6
23、. 采样周期的挑选需要考虑那些因素？1从调剂品质上看,期望采样周期短,以减小系统纯滞后的影响,提高掌握精度；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,期望采样周期尽量短,这样给定值的转变可以快速地通过采样得到反映,而不致产生过大的延时；3从运算机的工作量和回路成本考虑,采样周期 T 应长些, 特别是多回路掌握时,应使每个回路都有足够的运算时间；当被控对象的纯滞后时间 较大时,常选 T= （1/41/8） ；4从运算精度方面考虑,采样周期 T 不应过短, 当主机字长较小时,如 T 过短, 将使前后两次采样值差别小,调剂作用因此会减弱；另外,
24、如执行机构的速度较低,会显现这种情形,即新的掌握量已输出,而前一次掌握却仍没完成,这样采样周期再短也将毫无意义,因此T 必需大于执行机构的调剂时间；名师归纳总结 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；第 7 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 扩充临界比例度法整定 PID 参数的步骤：1挑选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Ts,并记调剂器只作纯比例掌握,给定值r 作阶跃输入；2逐步加大比例系数Kp,使掌握系统显现临界振荡；由临界振荡过程求得相应的临
25、界振荡周期下此时的比例系数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s1；Ks3挑选掌握度,所谓掌握度是数字调剂器和模拟调剂器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比；4依据掌握度,查表求出 T、 Kp、Ti 和 Td 值；5依据求得的整定参数,投入系统运行, 观看掌握成效, 再适当调整参数, 直到获得中意的掌握成效为止；扩充响应曲线法整定 PID 参数的步骤：1断开数字调剂器,让系统处于手动操作状态；将被调量调剂到给定值邻近并稳固后,然后突然转变给定值,即给对象输入一个阶跃信号；2用外表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线,如下列图；3在曲线最大斜率处作切线,求得滞后
26、时间、被控对象的时间常数Tc,以及它们的比值Tc/ ；4由 、Tc、Tc/ 值,查表,求出数字掌握器的 T、 Kp、Ti 和 Td；4.8. 数字掌握器的离散化设计步骤是什么？运算机掌握系统框图如图 41 所示；图 41 运算机掌握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,可求得掌握器的脉冲传递函数 Dz ；数字掌握器的直接设计步骤如下：1依据掌握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 z；2求广义对象的脉冲传递函数 Gz；3求取数字掌握器的脉冲传递函数 Dz ；4依据 Dz 求取掌握算法的递推运算公式；4.9 已知被控对象的传递函数为名师归纳总结 G cs1
27、01Dz,并运算输出响应y k、掌握信号uks（0 .1 s采样周期T=0.1s,采纳零阶保持器；要求（ 1）针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波系统的第 8 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 和误差ek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,并运算输出响应y k、掌握信号uk和误差ek序列,画出它们对时间变化的波形；解：广义脉冲传递函数为Gz Z1eTs101 1z1Zs2100ss 0.1 ss1010 Tz11 11z1 1z121z1e10 T0. 368z1 10.717z11z
28、1 10 .368z1最少拍无纹波设计步骤：1）依据广义对象的传递函数确定参数已知 N=2 ,M=2 10 . 717 z1 N（分母多项式的幂次）所以 d=0 M （分子多项式的幂次）w=1 即分子多项式中的d=N-M 延时v=1 ,j=1 ；w 在全部零点的总数（不包括无穷远的零点）q=2 单位速度输入 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 名师归纳总结 2）确定 F1z 和 F2z 的幂次 m 和 n zmwd1F 1z 3第 9 页,共 15 页mwdnvjmaxj,q）2nvjmax j,q）所以：F 1z 1f11z1f12z2f
29、1 mzmF 1z1f11z1F 2z f21z1f22z2f2nznF2z f21z1f22z23）确定 ez vjez 1aiz1 1z1maxj,qez 1z vj 1a iz1 1z1maxj,qF 1i1 1z121f11z1i14）确定 z 1f111 z1f11z2f11z3f22zzzdw 1b iz1F 2zz zdw 1b iz1F2z i1 10 .717z1（f21z1f22z2）i1f21z1（f220 .717f21）z20. 7175）依据关系ez 1z 使等式两边同幂次的12f 11f11222f21f21）系数相等,解出F 1 和 F 2 中的系数；（f.07
30、17f110 .7 17f22- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 解得：f f110 . 59.1 4121f22.0 83所以：6）求掌握器Dz z Dez 1z12 10 . 59z10 . 83z2z 1.0 717z1 1 . 41 z1z 1z1 10.368z1DzG110 .368z110. 717z12zz 10 .717z1 1.41 z10.83z 1z1210. 59z110.368z1 1.410 .83z10 .3681z1 10 .59z1最少拍无纹波设计步骤：1）依据广义对象的传递函数确定参数已知 N=2 ,M=2 10 .
31、 717 z1 N（分母多项式的幂次）所以 d=0 M （分子多项式的幂次）w=1 即分子多项式中的d=N-M 延时v=1 ,j=1 ；w 在全部零点的总数（不包括无穷远的零点）q=1 单位阶跃输入 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 名师归纳总结 2）确定 F1z 和 F2z 的幂次 m 和 n mmaxj,qF 1zmwd11z1maxj,qF 1z 第 10 页,共 15 页mwdnvjmaxj,q）nvjmax j,q）所以：F 1z 1f11z1f12z2f1 mzF 1z1f11z1 1F2z f21z1f22z2f2nzn
32、F2z f21z13）确定 ez ez vj 1aiz1ez 1z vj 1a iz1 1z1i12F 2z 1z121f11z1i11f111 z1f11z4）确定 z zzdw1biz1z zdw 1b iz1F2z i1 10 .717z1f21z1i1f21z10. 717f21z2- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 5）依据关系ez 1z 使等式两边同幂次的f111f21解得：f110 . 42系数相等,解出F 1 和 F 2 中的系数；f110 . 717f21f21.0 58所以：6）求掌握器Dz z Dez 1z1 1.042 z1z .
33、0 58 z11.0 717z1z 1z1 10 . 368 z1DzG11.0 368 z1 10 . 717z1zz .0 58 z11.0 717z11z1 10 . 42z110 . 368z11.0 42z1最少拍有纹波设计步骤：1）依据广义对象的传递函数确定参数已知 N=2 ,M=2 10 . 717 z1 N（分母多项式的幂次）所以 d=0 M （分子多项式的幂次）u=0 即分子多项式中的d=N-M 延时v=1 ,j=1 ；u 在 z 平面的单位圆上或圆外零点的个数q=1 单位速度输入 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 名师
34、归纳总结 2）确定 F1z 和 F2z 的幂次 m 和 n zmud01z1maxj,qF 1z 第 11 页,共 15 页mudnvjmaxj,q）nvjmax j,q）所以：1F 1z 1f 11z1f 12z2f1 mzmF 1z 1F2z f21z1F 2z f21z1f22z2f2nzn3）确定 ez vj 1aiz1ez vjez 1z 1a iz1 1z1maxj,qF 1i1 1z1i14）确定 z zzdu1b iz1F 2zz zdu1b iz1F 2z f21zi11i15）依据关系ez 1z 使等式两边同幂次的解得：f211系数相等,解出F 1 和 F 2 中的系数；所以： 1z1ez - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - z z16）求掌握器Dz z Dz 1