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1、-教育精选-第二章输入输出接口技术和输入输出通道1.何谓 I/O 接口？在计算机控制系统中为什么要有I/O 接口电路？答：是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。2.一个微处理机（CPU）采用程序控制查询方式时，管理50 个键盘显示中断，要求将各终端打入的任一字符在显示器上立即显示出来。已知CPU 查询每个终端并完成每一字符的接收和处理时间需200s，若程序员以每秒打10 个字符的速度同时连续打入字符，问 CPU 是否能按要求，可靠的管理全部 50 个终端？又问 CPU 最多能管理多少个这种终端？答：1000ms/(200us*10)=500,能可靠的管理全部 50 个终端3.在本章第二节，查
2、询式I/O 方式应用举例中，假设X、Y、Z 三轴服务子程序的执行时间分别为100s、150s、120s，主程序执行时间（执行查询指令等）为 80s，试估算不造成控制失误三轴所能达到的最高速度是多少？（速度以脉冲/s 计算）答：27024.某微机实时控制系统有 1#、2#、3#三个外围设备。由一个 CPU 进行管理，已知各外围设备的最短响应时间和服务时间分别是：C1=5msS1=300sC2=8msS2=1.3msC3=1msS3=400s问若采用查询方式是否能可靠管理这三个外围设备？为什么？若不行的话，试提出改进方答：不行。可采用中断嵌套的方式解决。6.计算机与外围设备交换信息有哪几种控制方式
3、？它们各有什么优缺点答：见教材7.某 8086 最大模式系统中，需扩展 8255A、8253 和 DAC0832 芯片各一片。采用 74LS138 译码器，若已指定给各芯片的地址范围是：8255AE0H、E2H、E4H、E6H、8253E1H、E3H、E5H、E7H、DAC0832F0H试设计接口扩展的译码电路（除74LS138 外,可增加必要的其他逻辑电路芯片。A1A0A0A0A2A1 8255A1A18255A/CS/Y0/CSGA7A1A0G/Y4A7A0A0/G2AA2A1 8253A61/G2A/Y1A1A18255AA6/G2B/Y5A51/CS/G2BA5/CS/Y074LS13
4、874LS138/Y6A1A0/Y/Y40A0A0CA4CA4 1 A2A1DAC0832/Y7A1A18255ABA3A1BA3/CS/CSAA2A0AA2A0A0A1A18255A/CS8 某 8088 最大模式系统中，需扩展8255A 四片，指定各芯片的地址范围分别是9093H、9497H、989BH、9C9FH,采用 74LS 译码器，试设计接口地址译码电路。解：9模拟输入通道中为什么要加采样保持器？采样保持器的组成及要求是什么？答：为了保证 A/D 转换精度，就要在 A/D 转换之前加上采样保持电路，使得在 A/D 转换期间保持输入模拟信号不变。10 要求：（1）将下图中 CPU 换
5、为 89C51 单片机，不改变地址线的连接方式，画出电路图；可编辑-教育精选-（2）确定 8 个通道的端口地址；（3）编写程序，对第 8 通道的模拟量进行转换，把转换结果存在30H 存储器中。+5V接 8259AD0D7/RD/WRCPUA68088A7+5V接 8259AD0EOC VCCVREF(+)D0D7IN0G1/G2A/G2BY7C74LS138时钟11IN10809ADC0808EOC VCCVREF(+)D0D7数据总线11G1/G2A/G2BY7CIN0ADC0808IN10809八路模拟电压输入D7/RD/WR89C51数据总线八路模拟电压输入P0.6P0.7P0.5P0.
6、4OESTARTALEA5A4A3OE时钟STARTALE11.有 4 位 AD 转换器，满刻度为 5V，现在输入 4.15V 模拟电压，请说明逐次逼近转换原理。并分析采用逐次逼近法逼近的转换过程。解：先通过置数逻辑电路将SAR 中最高位置 1，其余全 0，井 DA 转换成模拟电压 U0 与输入模拟电压 Ui 在电压比较器下进行比较，若UiU0,则保留最高位 1，否则清除最高位为0；其次置次高位为1，延续上述过程，直至确定最低位的状态。量化单位为 q=5v/24=0.3125V本题目中图表转换如下：步骤SARU0Ui,U0 大小该位去留8421110002.5保留211003.75保留3111
7、04.375去411014.0625保留结果1101偏差 4.15-4.0625=0.0875图略。12、什么叫做 I/O 接口的独立编址方式？答：将存储器的地址空间和I/O 接口地址空间分开设置，互不影响。13、在进行数据采集时为什么要满足采样定理？答：满足采样定理，就可以通过理想的低通滤波器，由采样信号 完全恢复出原始信号第三章数字控制器的模拟化设计1.数字控制器与模拟调节器相比较有什么优点？答：（1）数字调节器能实现复杂控制规律的控制（2）计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制（3）数字调节器具有灵活性，使用简单方便，可改善调节品质，提高产品的产量和质量。（4）除实现 PID 数字控制
8、外，还能实现监控、数据采集、数字显示等其他功能。2.为什么说增量型 PID 控制器调节比位置型 PID 调节效果更好?二者的区别是什么?答：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小；(2)在 i 时刻的输出 ui，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差 ei-1，ei-2 和前一次的输出值 ui-1，这大大节约了内存和计算时间；(3)在进行手动-自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。3.按一定性能指标要求对某控制系统综合校正后求得其应加的串联-校正装置为解：(s2as)U(s)E(s)可编辑-教育精选-即s2U(s)4sU(s)8E(s)s2U(
9、s)asU(s)E(s)化成微分方程d2u(t)du(t)a e(t)2dtdtQd2u(t)u(k)2u(k 1)u(k 2)dt2T2；1 z1答：s 21 z1du(t)u(k)u(k 1)dtTu(k)2u(k 1)u(k 2)u(k)u(k 1)a e(k)T2T2aT1T2u(k)u(k 1)u(k 2)e(k)1aT1aT1aT4已知某连续控制器的传递函数为n2D(z)22s 2ns nn2(1 2z1 z2)整理得：D(z)24n 2n8z1(42n)z26.设被控对象传递函数为(T=1s)D(S)1T1s1T2sG(s)100(40s1)(0.5s1)(1)试用“二阶工程最佳
10、”设计法确定模拟控制器 Gc(s)。(2)将 Gc(s)用双线性变换法离散化为数字控制器 D(z)，并将其转换为差分方程。解：令设：由：试用差分变换法（后向差分），求该装置的递推输出序列。（设输入为e(t)，输出为u(t)）U(s)1T1s解：由D(S)E(s)1T2s得(1T2s)U(s)k 100,Ts1 40,Ts2 0.5其中：Ts1 40s1Gc(s)TIs(1T1s)E(s)0(s)Gc(s)Gp(s)TI2T2 KT2T2s221TIs(Ts2s1)k得：U(s)T2sU(s)E(s)T1sE(s)u(t)T2当t kTdu(t)de(t)e(t)T1dtdtdu(t)dt e(
11、kT)T1de(t)dtTI 2kTs2100u(kT)T2近似为：tkTtkT（2）(z)Du(k)T2u(k)u(k 1)e(k)e(k 1)e(k)T1TT31.6z 31.6U(z)80z 80E(z)T(z1)uiui10.395ei0.395ei1Gc(s)s2(z1)1 0.17s0.085s7.已知某连续控制器的传递函数为T2T T1Tu(k)u(k 1)e(k)1e(k 1)T T2T T2T T25.已知某连续控制器的传递函数为D(s)现用数字 PID 算法来实现它，试分别写出其相应的位置型和增量型PID 算法输出表达式。设采样周期TPID 控制算法的模拟表达式为1s。de
12、(t)dtn2D(s)22s 2ns nu(t)Kpe(t)试用双线性变换法求出相应的数字控制的脉冲传递函数，其中。1TIt0e(t)dt TDT 1s可编辑位置型输出表达式为-教育精选-Tu(k)Kpe(k)KpTI增量型输出表达式为：TDe(j)Ke(k)e(k 1)pTj0k其位置表达式为：u(k)2e(k)11.765e(j)j0k其增量表达式为：u(k)u(k 1)(Kp KpTTu(k)13.765Te(k)2e(k 1)T KpD)e(k)(Kp2KpD)e(k 1)KpDe(k 2)TITTT8.试述采样周期 T 的选择原则答：(1)必须满足香农采样定理的要求（2）从控制系统的
13、随动和抗干扰的性能来看，则T 小些好。干扰频率越高，则采样频率越高越好，以便实现快速跟随和快速抑制干扰。（3）根据被控对象的特性，快速系统的 T 应取小，反之，T 可取大些。（4）根据执行机构的类型，当执行机构动作惯性大时，T 应取大些。否则，执行机构来不及反映控制器输出值的变化。（5）从计算机的工作量及每个调节回路的计算成本来看，T 应选大些。（6）从计算机能精确执行控制算式来看，T 应选大些。而对模拟表达式u(t)求拉式变换得1u(s)Kp1 sTDe(s)TIsKu(s)1 Kp1sTD Kpp KpTDse(s)TIsTIsD(s)1 0.17s10.170.085s0.085s0.0
14、85KP 2TI=0.17TD=01、已 知 一 被 控 对 象 的 传 递 函 数 为Gc(s)10s(1 0.1s)(1 0.05s)G G(z z)0 0.7676z z 1 1(1 1 0 0.0505z z 1 1)()(1 1 1 1.065065z z 1 1)(1 1 z z 1 1)()(1 1 0 0.135135z z 1 1)()(1 1 0 0.01850185z z 1 1)设采用零阶保持器，采样周期 T 为 0.2s。试针对单位速度输入函数设计快速有波纹系统的，计算采样瞬间数字控制器和系统的输出响应并绘制图形。2在题 1 中，针对单位速度输入函数设计快速无波纹系统
15、的，计算采样瞬间数字控制器和系统的输出响应并绘制图形。1、2 题、解1010(1 1 e e 0 0.2 2s s)G G(s s)H H0 0(s s)G GC C(s s)2 2s s(0 0.1 1s s 1 1)()(0 0.0505s s 1 1)(z z)1 1 e e(z z)azaz 1 1(1 1 1 1.065065z z 1 1)e e(z z)(1 1 z z 1 1)()(1 1 bzbz 1 1)1 1 1 1 (z z)1 1 e e(z z)azaz(1 1 1 1.065065z z)1 1 1 1 e e(z z)(1 1 z z)()(1 1 bzbz)得
16、得azaz 1 1(1 1 1 1.065065z z 1 1)1 1(1 1 z z 1 1)()(1 1 bzbz 1 1)(1 1 b b)z z 1 1 bzbz 2 2 azaz 1 1 1 1.065065azaz 2 2解得：解得：a a 0 0.484484 b b 0 0.516516可编辑-教育精选-e(z)(1 z1)(1 0.516z1)1e(z)0.584z1(11.065z1)Gc(s)Kdes用飞升曲线法测得电阻炉的有关参1TdsD D(z z)1 1 e e(z z)G G(z z)e e(z z)数如下：Kd1.16,30s,Td 680s若采用零阶保持器，取
17、采样周期T 6s，要求闭环系统的时间常数T 350s，用大林算法求取对电阻炉实现温度控制的数字控制器的算式。解50 0.636636(1 1 0 0.01850185z z 1 1)()(1 1 0 0.135135z z 1 1)(1 1 0 0.0505z z 1 1)()(1 1 0 0.516516z z 1 1)C(z)(z)R(z)0.484z1(11.065z1)1 z1 0.484z1 z2 z3U(z)C(z)0.4840.0509z10.0037z20.000186z3G(z)Gp(s)KdseTds1TTdC(nT)C(nT)1.01.01eTsKds1eG(z)Z e
18、Kdz(N1)TsTds11eTdz1求得大林控制器D(z)Kd(1e(1eTTdTTc)(1e z1)TTcTTd)1ez(1e1TTc)z(N1)0.50.5n nT T2T2T3T3T1.628(10.991z1)10.983z10.17z6、已 知 控 制 系 统 的 被 控 对 象 的 传 递 函 数 为0 03、设被控对象的传递函数为3.68z1(10.717z1)G(z)1采用零阶保持器，采样周期 T=1s(1 z1)(10.368z)，输入单位速度函数，试按最少拍无波纹要求设计D(z)，并检验一下所设计的系统是否满足快速无波纹的要求。解可见G(z)零点为0.717(单位圆内),
19、极点为1(单位圆上),0.368(单位圆内)。故u=0,v=0(单位圆上极点不包括),m=1,p=1。设(z)z1(10.717z1)c,求得c 0.5800(z)1D(z)1(z)G(z)110.158(1 z)(10.368z)1210.58z0.416z4、某电阻炉，其传递函数可近似为带纯滞后的一阶惯性环节esGc(s)采样周期T 1s，若选闭环系统(2s 1)(s 1)的时间常数T 0.1s，问是否会出现振铃现象？试用大林算法设计数字控制器D(z)。解:会出现振铃现象。(10.36z-1)(10.607z1)D(z)0.253(1 z1 z2)6、已知计算机控制系统开环脉冲传递函数0.368z 0.264G(z)2z 1.368z 0.368（T=1s）试分别作下列双线性变换，然后作伯德图。解0.104w20.528w0.632(1)G(w)G(z)|1w2z2.736w 1.264w1w2(2)G(w)G(z)|可编辑T1wz2T1w20.104w 1.056w2.5282.736w25.472w(伯德图略）