计算机控制作业答案1

第一章作业课本(p.12)题2.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 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。图M计算机控制系统硬件组成框图课本(p.12)题4.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？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。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：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),2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 /100mA电流的供电，最大可提供500mA的电流.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.两种USB的区别：协议不同，USB1.1传输速率是12Mbps,USB2.0传输速率是480Mbps.补充题 2. 光驱、硬盘、软驱的总线形式。答：（1）光驱:IDE , ATA/ATAPI, SCSI , USB,内部并行总线 硬盘:IDE，SATA SCSI，内部并行总线 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 本电脑，使用USB接口 补充题3. I2C、SPI、SCI总线的特点？答：（1）I2C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，在CUP与被控IC之间，IC与IC之间都可以进行双向传送， 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 .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 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 作业PC总线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。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。补充题1.指出RS-232、RS-485 USB等总线的特点。答：（1）RS-232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.（2）RS-485 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 什2 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. USB即插即用,菊花式连接,有2电源线（5V）, 2数据线，而两个外设间的距离（线缆长 度）可达5米,差分信号传输，可外接127个设备.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。答：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AD（AD31,把信号送到微处理器， 触发中断。 接着C7BEJ C/BE0配置I/O读写，在FRAM低电平时，传送数据存储地址， FRAM高电平 且TRDY低电平时，开始读取数据。_信号输出时：首先 C/BEJ C/BET配置存储器读及I/0写，接着FRAMED电平且iRDY低电 平时，开始写数据。I/O 口地址空间分为两部分 ，把1024个端口的前246个（000H 0FFH专用系统板上的I/O 接口芯片使用，后 768个（100H 3FFH）为I/O接口扩展卡使用。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 发，数据传输速度为 16MB/SPCI： 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 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， 22条控制线。补充题4.7 4LS 2 4 4与74LS273的驱动是多少？它们有什么不同的特点和应用？答：74IS244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。按at89c51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 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。 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； 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2.采用74ls244和74ls273与PC/ISA总线工业控制机接口，设 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。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 portl ，输出片选端口地址为 port2。输入程序 ： MOV DX, portlIN AL, DX输出程序：MOV AL, DATAMOV DX, port2OUT DX, AL输入输出ISA BUSAT4ior7 AENALE AO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序。程序：MOVXA，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珥 巩 二蠢 ADDB ADDC ALE 一片 %D：一必 % 怙 D?A9 A4AEb护Q274HCT688OA3A：A1ACPC BUSD7 DOIOR-IRQCLK74HCT245 A7-A0DIR 口：分频ADC0809D7-D0TOCLK三二三01234567 NNNNNNNN I I I I I I I IAT89S51PO O/DOP0.1/D) 貽必 P0.4/D4 PO.5/D5 P0.6/D6 P0.7/D7ADC0809ALEP3GWRP2.7/A15P3.7/RDP3.2/INT0OE3874LS373C)2B4 57 OJ2 DD ddd dod a a aDOQO D1O1D5Q5D6Q6D7Q7-74LS02 + 5VALESTARATEOC/图】ADC0809与51单片机的第一种连接方式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。图丨中的P2.7 / A15线作为整个AI0809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ADC080所需要的正脉冲，以选中AI0809某一通道并启动转换.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 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8. 一个8位A/D转换器，孔径时间为100US，如果要求转换误差 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：C72 二 tA/D 100042 3.14 100 10“100=6.4Hz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、湿度等气象条件也是外来干扰。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 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 Ro； Ro :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10.采用DAC0832和与PC/ISA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，并编写相应的 8路模拟量数据采集 程序。若DAC0832的CS的口地址为 BASE，贝U 7FH转换为模拟电压的接口程序为:DAOUT : MOVDX，BASEMOVAL，7FHOUTDX，ALRET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 别推导出输出电压与输入数字量之间的关系式。解：Voutl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 =V out2为双极性输出，且可推导得到:第三章作业补充题1.试叙步进电机的特点答：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35% ,。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uo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补充题4.解：由求惯性环节D(s)的差分方程。Tis 1S+1D(s)竺亠E(S) T1S+1(TiSl)U(s)= E(s)化成微分方程：咋u5)以采样周期离散上述微分方程得TiU(kT) u(kT)二 e(kT)即Tiu(k) u(k)二 e(k)用一阶后向差分近似代替得:u(t) 啲-心-1)代入上式得 整理得T1T1u(k)-u(k-1) u(k) =e(k)u(k)Tu(k -1)- e(k)TT课本(p.144)题2.某系统的连续控制器设计为：D(S)二试用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(z),并分别 给出3种方法对应的递推控制算法。答：双线形变换法：市带入D ( s)表达式中得到:(r+27；)+(r-27；)z-1w +11 I O ID=_(r+2G+(r2G “1 + 2三”T代入D仏）屮得外 J e(*-1)-(r-27；)(Jt-1)DTz + T-Tx _T(T-TT2Z + T-T2 T2+(T-T2)z1所以:吨）=丄|7伙） + （ ）啾1）（1。加仗一I）|(k)(T 2T2) (T -2T2)u(k -1) =e(k)(T 2TJ (T - 2TJe(k - 1) u(k)(T 2T2)=e(k)(T 2TJ (T-2TJe(k-1)-(T-2T2)u(k-1)1+肚+ZLm2T z所以:u(k) = ! T2u(k-l)+(r+7； )e(k) - Txek 一 1) ;课本（p.144）题4.已知模拟调节器的传递函数为2D(沪晋h芸监.试写出珮数字控制邮位置枷增杠控制讹设采样周W T=0.2S答;根据如熾二1 + 0.17,vi + 0.0X5s得 fJ 0.085 也印十 (f) = 0J7 虫 4- e(i) dtdt0.085心UD + 机&)二o？心UD + (灯口 二o 2打 /T令：m=0.085y 5m 八.、10w! + 1 y r 10m ,n(k) u(k -1)+e(k)e(k -1)5m + 15m + I 5m + i.小5j一、U)/n +1,10/n一(上 1) =u(k -2) +e(k -1)e(k2)5m + I5m +15wr +1A讥灯= %过限削弱积分PIDff法;若u(k-l)ul则只冇Se(k)C tfl控制效果与Z比较4)根据选定的控制度件表求铝匸兀的他扩充响应|山线法：(】) 数字控制器不接入控制系统中，于动将被调量稳定在给定值附近*突燃改箜给 定梢.给对彖一个阶跃信号：Rz)=7zzl厂(1-沙3 也=1 一 =ff 1 一(1-J4tF：/sie(z) = l-Cz) = z1 = Z21Z1.- f2 = i,e(z)= zli e(z) i-zT TQ G(z) 1e(z) 汀(9 + 汀)1 三一119+汀F(z) = 4r(z)/?(z) = (l-e(k) = 1住=0r(z)= /?(z)4(z)O1 k = 1.2 =E(z)D =-9 + zm(R) = -(-)* k =0,1,2,.对时间的波形见下图：11|12 3 4门u1/9|课本(p.144)题 11.被控对象的传递函数为_s e采样周期T=1s,要求:(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 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Ts_s. s”1 e e 1 e_s_sHGC s = H0 s GC se = HG P s * e_s s + 1 s(s + 1)D z - ZD s 丄 Z 丄工 1 - es 卩”s(s + 1)-ldz1 - a1z_1其中 are 1=e,d=1-e,L 1, T = 1S t0.6321 z - z1 - 0.3679zU z -0.3697zU z 二 0.6321 z - z E zu k 二 0.6321e k - 1 - 0.6321e k - 20.3679u k -1(2)采用大林算法设计数字控制器取T=1S起-1,K=1,T1=1,L= . /T =1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数 T=0.5S则期望的闭环系统的脉冲传递函数为Gb z =Z1 -esz1 d1-z4e广义被控对象的脉冲传递函数为HGCUhZ亠严s1Fsz 1 _ e1 - ze + 1Ds_e )z/Qe2 )Z 戶 HGc(z Gb (z)】=HGcz-zAe -z-e = z(1ei zf z/竹 e (1 - ze)z e z eGb z1z 丄er1e)1 -eJ 1_ze，_1_e z (1 -0.3679Z卫-0.1353)_ 1 0.3679 1 0.1353z一 1 0.1353 z，11.3680-0.5033Z-1一1 - 0.1353乙二0.8647Z， 又D z二咚E(z)贝U U z 0.1353zU z 0.8647z，U z =1.3680E z -0.5033z JE z上式反变换到时域，则可得到u k =1.3680e k -0.5033ek-10.1353uk-10.8647uk-2第七章作业课本（p.233 ）题3.课本（p.233 ）题4.课本（p.233 ）题5.课本（p.233 ）题6.补充题1.还有其他方法可以代替 A/D吗？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 通过检测，转换成数字信号输出。16.对7 4LS 2 4 4与74LS 2 7 3如何实现控制？它们有什么不同的特点和应 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7 4LS 2 4 4取得状态信息。 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，如下图所示，I/O读信号，则然后装入 AL寄存器。74LS244IX输入接口1A1 1Y11A2 1Y21A3 1Y31A4 1Y41A5 1Y51A6 1Y61A7 1Y71A8 1Y8D0D1D2D3D4D5P总线151G4 D64 D7IOR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DOD7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。PCDOD1D2D3D4D6D5D7D1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q607D7D8C874IS273CLKCLR输出接口A7RESETCSIOW图2 .2数字量输出接口