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计算机控制作业答案1


第一章

作业

课本(p.12)题 计算机控制系统由哪几部分组成?请画出计算机控制系统的组 计算机控制系统由哪几部分组成? 课本(p.12)题 2. (p.12) 成框图。 成框图。
答:计算机控制系统由计算机主机系统、模拟量输入输出接口、数字量输入输出接口、键盘 显示接口、打印接口和通信接口等部分组成。

课本(p.12)题 实时、 在线方式和离线方式的含义是什么? 课本 (p.12)题 4. 实时 、 在线方式和离线方式的含义是什么 ? (p.12)
在计算机控制系统中,生产过程和计算机直接连接,并受计算机控制的`方式称 为在线方式或联机方式;生产过程不和计算机直接连接,且不受计算机控制,而是靠 人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。 所谓实时,是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成,亦即计 算机对输入信息,以足够快的速度进行控制,超出了这个时间,就失去了控制的时机, 控制也就失去了意义。实时地概念不能脱离具体的过程,一个在线的系统不一定是一 个实时系统,但一个实时控制系统必定是在线系统。

口的特点及区别?通用指标,传输模式, 器件, 补充题 1. 两种 USB 口的特点及区别?通用指标,传输模式,USB 器件,硬件接 口。
答: 的特点: 两种 USB 的特点: (1)USB 接口支持设备的热插拔功能,采用菊花式的连接. (2)USB 有 2 电源线 (5V) 数据线,采用差分信号传输,可为连接在其上的设备提供 5V 电压 ,2 /100mA 电流的供电,最大可提供 500mA 的电流. (3)一个 USB 控制器可以连接多达 127 个外设,而两个外设间的距离(线缆长度)可达 5 米.

的区别:协议不同,USB1.1 传输速率是 12Mbps,USB2.0 传输速率是 480Mbps. 两种 USB 的区别

光驱、硬盘、软驱的总线形式。 补充题 2. 光驱、硬盘、软驱的总线形式。
答: (1)光驱 光驱:IDE,ATA/ATAPI,SCSI,USB,内部并行总线. 光驱 , , (2)硬盘 硬盘:IDE,SATA,SCSI,内部并行总线. 硬盘 , (3)软驱 软驱:软驱分内置和外置两种,内置软驱使用专用的 FDD 接口,而外置软驱一般用于笔记 软驱 本电脑,使用 USB 接口.

I?C、SPI、 总线的特点? 补充题 3. I?C、SPI、SCI 总线的特点?
答: (1)I?C 总线 I?C 总线由数据线 SDA 与时钟线 SCL 两条线构成通信线路,既可以发送数据也可以接收 数据, CUP 与被控 IC 之间, 与 IC 之间都可以进行双向传送, 在 IC 最高传输速度为 400Kbps. (2)SPI 是一个环形总线结构,是一种标准的四线同步双向串行总线,在 SCK 的控制下,两个 SPI 双向移位寄存器进行数据交换,可以同时发出和接收串行数据. (3)SCI 是一种通用异步通信接口 UART. SCI 模块采用标准非归零(NRZ)数据格式,能够实 SCI 现多 CPU 之间或同其他具有兼容数据格式 SCI 端口的外设进行数据通信.

第二章
PC 总线

作业

PC 总线共有 62 条信号线,用双列插槽连接,分 A 面(元件面)和 B 面。PC 总线实际上是 8088CPU 核心电路总线的扩充与重新驱动。 PC 总线共有 8 条数据线、20 条地址线(寻址空间为 1MB) 、总线时钟频率为 4MHz、总线最大 传输速率为 4MB/s、最大负载能力为 8 个、采用半同步的工作方式。

设备进行数据交换时存在以下问题: CPU 在与 I/O 设备进行数据交换时存在以下问题:
1)速度不匹配。I/O 设备速度一般比 CPU 慢许多,因种类不同,它们之间的速度差异很大, 例如硬盘与打印机。 2)时序不匹配。各个 I/O 设备都有自己的定时控制电路,以自己的速度传输数据,无法与 CPU 的时序取得统一。 3)信息格式不匹配。存储和处理信息的格式不同,如串行和并行、二进制、ASCII 码和 BCD 码等。 4)信息类型。信号类型不同,数字、模拟,处理不同。 因此 I/O 设备一般不和微机内部直接相连,必须通过 I/O 接口,解决计算机与外部设 备连接时存在的各种矛盾。

RS-232、RS-485、USB 等总线的特点。 补充题 1. 指出 RS-232、RS-485、USB 等总线的特点。
答: RS的特点:全双工数据传输,单端输入输出,有地线、发送和接受三条线即可实现 (1) RS-232 的特点 数据传输,传输速率 20kb/s,传输距离限于 15m,采用单端驱动和接收电路.采用负逻辑高电 平为(-5--15v) ,低电平为(5-15v),电源电压为+15v 或+12v. RS的特点:半双工工作方式,差分信号传输,传输距离为几十米到上千米,速率 (2) RS-485 的特点

10Mbit/s,采用屏蔽双绞线传输.可连接 32 个设备.电平逻辑“1”以两线间的电压差为 (+2—6V)表示;逻辑“0”以两线间的电压差为(-2—6V)表示,外接电源电压一般为 5v. 即插即用,菊花式连接,有 2 电源线(5V) 数据线,而两个外设间的距离(线缆长 ,2 (3) USB 即插即用 度)可达 5 米,差分信号传输, 可外接 127 个设备.

端口对外部设备进行控制, 补充题 2. 概要描述计算机系统如何通过 PCI 端口对外部设备进行控制, 指出地 址范围。 址范围
答: 信号输入时:首先外设作为中断源( 信号输入时:首先外设作为中断源(int a# ~ int h#引脚是低电平有效的中断请求线) 申请中断,在 CLK 的上升沿到来时,系统采样 AD0~AD31,把信号送到微处理器,触发中断。 接着 C/BEJ~ C/BE0 配置 I/O 读写,在 FRAME 低电平时,传送数据存储地址,FRAME 高电平 且 TRDY 低电平时,开始读取数据。 信号输出时: 信号输出时:首先 C/BEJ~ C/BE0 配置存储器读及 I/0 写,接着 FRAME 高电平且 IRDY 低电 平时,开始写数据。 口地址空间分为两部分, (000H—0FFH) 专用系统板上的 I/O I/O 口地址空间分为两部分 把 1024 个端口的前 246 个 接口芯片使用,后 768 个(100H—3FFH)为 I/O 接口扩展卡使用。

ISA、 三种端口的特点。 补充题 3. 简要归纳 ISA、PCI 和 STD 三种端口的特点。
答: ISA:有 98 根信号线,数据线宽 16 位,地址线宽 24 位,总线时钟 8MHz,中断源为边沿触 ISA 发,数据传输速度为 16MB/S。 PCI:64 位总线(3.3V)或者 32 位(5V) ,最高总线频率为 33.3MHz/66MHz,数据传输速度 PCI 为 80MB/S, (最高传输速度为 133MB/S) ,支持 10 个外设。 STD:公共母板结构,56 根信号线,是 8/16 位总线标准,有 8/16 条数据线,16/24 地址线, STD 22 条控制线。

74LS244与74LS273的驱动是多少 LS244 LS273的驱动是多少? 补充题 4. 74LS244与74LS273的驱动是多少?它们有什么不同的特点和应 用? 答: 74ls244 是一个 8 个通道单向传输的三态门缓冲器, 灌电流可以达到 50mA 。 at89c51 按 上拉电阻 10K 来计算,5/10000=0.5mA,74ls244 最多可以驱动 100 个 I/O 口。 74LS273 是 8 通道单向的锁存器,不仅可以作为驱动器,还有存储的功能,灌电流可以 达到 25mA。

的作用是什么? 有什么缺点? 补充题 5. 图2-16 中的 VD的作用是什么?如果将 K 接在三极管 e 极有什么缺点 答 ① 因继电器线圈呈电感性,为了克服三极管断开时继电器线圈反电势,所以线圈两端 必须加装续流二极管 D,以保护三极管。 ② 如将继电器线圈接在三极管 e 极的话,电路形成负反馈,使得线圈无法工作在最大 导通电压状态;另外由于电路形成负反馈,会影响导通速度; ③ 如将继电器线圈接在三极管 e 极,反向冲击会影响到基极电流。

课本(p.74)题 总线工业控制机接口, 课本(p.74)题 2. 采用 74ls244 和 74ls273 与 PC/ISA 总线工业控制机接口,设 (p.74) 路数字(开关量) 路数字量(开关量)输出接口。 计 8 路数字(开关量)输入接口和 8 路数字量(开关量)输出接口。请画出接 口电路原理图,并分别编写数字量输入和数字量输出程序。 口电路原理图,并分别编写数字量输入和数字量输出程序。

答:利用 74LS244 作为开关量的输入,一端接外部开关量信号输入,一端接到 PC 的 8 位数 据线,利用 74LS273 作为开关量的输出,一端接到 PC 的 8 位数据线,一端接开关量信号输 出。片选端口地址为 port1,输出片选端口地址为 port2。 输入程序 : MOV DX, port1 IN AL, DX 输出程序: MOV AL, DATA MOV DX, port2 OUT DX, AL

课本(p.74) (p.74)题 总线工业控制机接口, 课本(p.74)题 3. 用 8 位 A/D 转换器 ADC0809 与 PC/ISA 总线工业控制机接口, 实现 8 位模拟量采集。请画出接口原理图,并设计出 8 路模拟量的数据采集程 位模拟量采集 请画出接口原理图, 序。
程序: 程序: 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 ;指向下一个数据存储单元

这是一种不完全地址译码方式.如果增加地址译码器,将P2.7/A15线改为高位地址译码
器的输出线,就可以形成完全译码。

图l中的P2.7/A15线作为整个AI~0809芯片的片选线.当P2.7/A15=0时,或非门敞开,允

许写信号通过,将单片机负的写脉冲转换为ADC0809所需要的正脉冲,以选中AI~0809某一通
道并启动转换.

课本(p.75)题 采样保持器的作用是什么? 课本(p.75)题 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 (p.75) 需要采样保持器?为什么? 需要采样保持器?为什么?
答: (1)保存即将转换的信号,避免某些随时间变化较快的信号在转换时发生变化,提高转 换精度,或者模拟量输入信号的频率范围。 (2)不是所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器,当被测信号变化缓慢时,若 A/D 转换器转换时间足够短,可以不加采样保持器。

课本(p.75)题 转换器, 100us, 课本(p.75)题 8. 一个 8 位 A/D 转换器,孔径时间为 100us,如果要求转换误差 (p.75) 0.4%,求允许转换的正弦模拟信号的最大频率是多少? 在转换器的精度 0.4%,求允许转换的正弦模拟信号的最大频率是多少?
答:

f =

σ
2π × t A / D × 100

=

0 .4 = 6.4 Hz 2 × 3.14 × 100 × 10 ? 6 × 100

简述电气干扰信号的来源与传播途径, 并说明常用抗干扰措施。 补充题 6. 简述电气干扰信号的来源与传播途径 , 并说明常用抗干扰措施 。
(1). 干扰的来源: 外部干扰环境 主要是空间电或磁的影响,环境温度、湿度等气象条件 外部干扰环境: 也是外来干扰。内部干扰 内部干扰:是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。有分布电容、分布电 内部干扰 感引起的耦合感应,电磁场辐射感应,长线传输造成的波反射;多点接地造成的电位差引入 的干扰;装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的 干扰;甚至元器件产生的噪声等。 (2). 干扰的传播途径: 干扰传播的途径主要有三种: 静电耦合, 磁场耦合, 公共阻抗耦合。 (3). 常用的抗干扰措施: 对串模干扰的抑制 输入低通滤波(滤除高频干扰) 双积分 A/D 转换(尖峰型串模干扰,工频干扰 ) 隔离与前置放大(电磁感应 ) 阈值与频率特性等器件(采用高抗扰逻辑器件、通过高阈值电平) 双绞线(电磁感应 ) 共模干扰的抑制 变压器 光电隔离 屏蔽线浮地 仪表放大器 长线传输干扰的抑制 终端电阻匹配:R=RP 注意平衡高低电平的抗干扰能力 始端电阻匹配: R=RP-R0;R0 : 门电路输出为低始的输出阻抗 双绞线:抗电磁干扰

课本(p.75)题 总线工业控制机接口, 课本(p.75)题 10. 采用 DAC0832 和与 PC/ISA 总线工业控制机接口, (p.75) 设计出 8 路 模拟量采集系统,请画出接口电路原理图, 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。 程序。

转换为模拟电压的接口程序为 压的接口程序为: 若 DAC0832 的 CS 的口地址为 BASE,则 7FH 转换为模拟电压的接口程序为: , DAOUT:MOV DX, BASE : , MOV AL ,7FH OUT DX,AL , RET

课本(p.75)题 转换器的单极性和双极性电压输出电路, 课本(p.75)题 12. 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 (p.75) 别推导出输出电压与输入数字量之间的关系式。 别推导出输出电压与输入数字量之间的关系式。

解:Vout1 为单极性输出,若 D 为输入数字量,Vref 为基准参考电压,且为 n 位 D/A 转换器,

则有:

Vout1 = ?Vref (
Vout 2 = ?(

D ) 2n

Vout2 为双极性输出,且可推导得到:

R3 R D Vref + 3 Vout1 ) = Vref ( n?1 ? 1) R1 R2 2

第三章
补充题 1. 试叙步进电机的特点

作业

答:1)步进电机的参数:用频率、力矩、步距角和齿距角、相电流等表示。 2)步进电机输入的是脉冲,输出的是位移,误差不累积,改变脉冲的频率,则改变速 度。改变各相导通顺序可以控制步进电机的方向。 3)一般步进电机的精度为步进角的 3~5%, 。 4)步进电机的力矩与其中的电流成正比,由于电感效应力矩会随转速的升高而下降。 5) 步进电机高于一定的速度运行时, 若电机转矩小于负载转矩时, 会产生失步或睹转, 睹转不会烧毁电机,但伴有呼啸声。

补充题 2. 试叙步进电机驱动器的种类和特点
答:步进电机驱动器的种类: A, 单电压驱动:简单、价格低廉。 B, 高低压驱动:简单实用、较单电压驱动性能有一定提高,但是高压固定,不能兼顾 各种频率。 C, 恒流崭波:采用较高的驱动电压,控制相电流快速导通和保持恒定,在一定频率范 围具有均匀的力矩,大大提高运行频率,但可能产生噪声,特别在一定频率范围产 生震荡。 D, 调频调压:采用可调的驱动电压,保证相电流快速导通和恒定,在一定频率范围具 有均匀的力矩,大大提高运行频率,不会产生噪声。 E, 细分电路驱动:采用细分电路或者等分调节各相电流,将原来的一步细分为多步运 行,减少脉冲当量,提高精度。

第四章

作业

位置算法? 增量算法 算法? 补充题 3. 何时需要采用 PID 位置算法?何时需要采用 PID 增量算法?
答:PID 位置算法可以直观得到 PID 参数,便于调整。要用到过去误差的所有累加值,计算 工作量大;位置型算法的输出是控制量的全量输出,误动作影响大。在控制系统中,如果执 行机构采用调节阀,则控制量对应阀门的开度,表征了执行机构的位置,此时控制器应采用 数字 PID 位置式控制算法。 PID 增量算法容易计算,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;算法得出的是控制量的增量,计算误差对误动作影响小;算式中不出现 u0 项,则易于 实现手动到自动的无冲击切换。如执行机构采用步进电机,每个采样周期,控制器输出的控 制量,是相对于上次控制量的增加,此时控制器应采用数字 PID 增量式控制算法。

1 的差分方程。 补充题 4. 求惯性环节 D( s ) = 的差分方程。 T1s + 1 U (S ) 1 解:由 D( s) = E ( S ) = T s + 1 1



(T1s + 1)U ( s) = E ( s )
T1 du (t ) + u (t ) = e(t ) dt

化成微分方程:

以采样周期离散上述微分方程得
& T1u (kT ) + u (kT ) = e(kT ) 即

& T1u (k ) + u (k ) = e(k )

用一阶后向差分近似代替得:
& u (t ) ≈ u (k ) ? u (k ? 1) T

代入上式得

整理得
T1 [u (k ) ? u (k ? 1)] + u (k ) = e(k ) T u (k ) = T1 T u (k ? 1) + e( k ) T + T1 T + T1

1 + T1s D(s) = 课本(p.144) (p.144)题 某系统的连续控制器设计为: 课本(p.144)题 2. 某系统的连续控制器设计为: 1 + T2 s
试用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器 试用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器 D(z),并分别 双线性变换法 分别求取数字 种方法对应的递推控制算法。 给出 3 种方法对应的递推控制算法。

u (k )(T + 2T2 ) + (T ? 2T2 )u (k ? 1) = e(k )(T + 2T1 ) + (T ? 2T1 )e(k ? 1) u (k )(T + 2T2 ) = e(k )(T + 2T1 ) + (T ? 2T1 )e(k ? 1) ? (T ? 2T2 )u (k ? 1)

课本(p.144)题 课本(p.144)题 4. (p.144)

课本(p.144)题 课本(p.144)题 5. (p.144)

课本(p.144)题 课本(p.144)题 7. (p.144)

扩充临界比例度法:

在阶跃输入下的整个变化过程的曲线;

被控对象时间常数 Tτ 以及他们的
比值 Tτ/τ

课本(p.144)题 课本(p.144)题 9. (p.144)

课本(p.144) 11. (p.144)题 课本(p.144)题 11. 被控对象的传递函数为

Gc (s ) = 1 e? s s +1
T=1s,要求: 采样周期 T=1s,要求: (1)采用 补偿控制, (1)采用 Smith 补偿控制,求取控制器的输出 u(k ) ; (2)采用大林算法设计数字控制器 的递推形式。 (2)采用大林算法设计数字控制器 D(z ) ,并求取 u(k ) 的递推形式。 (1)采用 Smith 补偿控制 广义对象的传递函数为

1 ? e ?Ts e ? s 1 ? e?s HGC (s ) = H 0 (s )GC (s ) = ? = ? e ? s = HGP (s ) ? e ? s s s + 1 s(s + 1)

? 1 ? e ?s b1 z ?1 ?τs ? ?L Dτ ( z ) = Z[Dτ (s )] = Z ? ? 1? e ? = 1? z s (s + 1) 1 ? a1 z ?1 ? ?

(

) (

) (

)

其中 a1 = e

?T

T1

= e ?1 , b1 = 1 ? e ?1 , L =

τ
t

= 1, T = 1S

U (z ) 0.6321 z ?1 ? z ?2 = 则 Dτ ( z ) = E (z ) 1 ? 0.3679 z ?1

(

)

U (z ) ? 0.3697 z ?1U (z ) = 0.6321 z ?1 ? z ?2 E ( z )

u (k ) = 0.6321e(k ? 1) ? 0.6321e(k ? 2) + 0.3679u (k ? 1)

(

)

(2)采用大林算法设计数字控制器 取 T=1S, τ = 1 ,K=1,T1=1,L= τ / T =1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数 T0=0.5S 则期望的闭环系统的脉冲传递函数为

?1 ? e ?Ts e ? LTs ? z ?2 1 ? e ?2 GB ( z ) = Z ? ? ?= T0 s + 1? 1 ? z ?1e ? 2 ? s
广义被控对象的脉冲传递函数为

(

) ) ( )

?1 ? e ? sT ? K 1 ? z - 2 1 ? e ?1 ?1 HGC ( z ) = Z ? ? e ? LTs ? = 1 ? z ?1 z -1Z ? ? = ?1 ?1 1 + T1s ? s 1+ s ? 1? z e ? ? s ?

(



D(z ) =

(1 ? z e )(1 ? e ) (1 ? e )[1 ? z e ? (1 ? e )z ] (1 ? 0.3679 z )(1 ? 0.1353) = (1 ? 0.3679)[1 ? 0.1353z ? (1 ? 0.1353)z ]
=
?1 ?1 ?2 ?1 ?1 ? 2 ?2 ?2 ?1 ?1 ?2

G B (z ) z ?2 1 ? e ?2 z ?2 1 ? e ?2 = = ?2 HGC ( z )[1 ? G B ( z )] HGC ( z ) 1 ? z ?1e ?2 ? z ?2 1 ? e ?2 z 1 ? e ?1 1 ? z ?1e ?2 ? z ?2 1 ? e ?2 1 ? z ?1e ?1

[

(

)

(

)]

(

(

)[ )

(

)

(

)]

1.3680 ? 0.5033 z ?1 1 ? 0.1353 z ?1 ? 0.8647 z ? 2 U (z ) 又 D(z ) = E (z ) =

则 U ( z ) ? 0.1353 z ?1U ( z ) ? 0.8647 z ?2U ( z ) = 1.3680 E ( z ) ? 0.5033 z ?1 E ( z ) 上式反变换到时域,则可得到

u (k ) = 1.3680e(k ) ? 0.5033e(k ? 1) + 0.1353u (k ? 1) + 0.8647u (k ? 2)

第七章
课本(p.233) 课本(p.233)题 3. 课本(p.233) 课本(p.233)题 4. 课本(p.233)题 5. 课本( p.233) 课本(p.233) 课本(p.233)题 6.

作业

1.还有其他方法可以代替 补充题 1.还有其他方法可以代替 A/D 吗?
转换的方法,就是电压频转换芯片,把电压模拟量转换成频率信号, 答:可以采用 VF 转换的方法,就是电压频转换芯片,把电压模拟量转换成频率信号,然后 可以采用 通过检测,转换成数字信号输出。 通过检测,转换成数字信号输出。

16. 对74 LS 244 与 74 LS 273 如何实现控制 ? 它们有什么不同的特点和应 244与 273如何实现控制 如何实现控制? 用? 答:(1)对生产过程进行控制,往往需要采集生产过程的状态信息,根据状态信息, 再给出控制量,因此,可用三态门缓冲器74LS244取得状态信息。如下图所示, 经过端口地址译码,得到片选信号。当在执行 IN 指令周期时,产生 I/O 读信号,则 被测的状态信息可通过三态门送到 PC 总线工业控制机的数据总线,然后装入 AL 寄存 器。

74LS244
1A1 1Y1 1A2 1Y2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

输 入 接 口

1A3 1Y3 1A4 1Y4 1A5 1Y5 1A6 1Y6 1A7 1Y7 1A8 1Y8

PC

2G

1G

CS
IOR

图 2 .1 数字量输入接口

答:(2)当对生产过程进行控制时,一般控制状态需进行保持,直到下次给出新的 值为止,这时输出就要锁存。如下图所示,用 74LS273 作 8 位输出锁存口,对状态输 出信号进行锁存。由于 PC 总线工业控制机的 I/O 端口写总线周期时序关系中,总线 数据 D0~D7 比 I/O 写前沿(下降沿)稍晚,因此利用 I/O 写的后沿产生的上升沿锁存 数据。经过端口地址译码,得到片选信号,当在执行 OUT 指令周期时,产生 I/O 写信 号。
74LS273
D0 D1 D2 D3 D4 D1 Q1 D2 Q2


D3 Q3


D4 Q4


D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7 D8 Q8 CLK CLR

PC 总 线

D5 D6 D7

CS IOW RESET 图 2 .2 数字量输出接口


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