中南大学2014微型计算机控制技术试题及答案

中南大学考试试卷

2013~2014学年 下 学期 时间100分钟 2014年5月 28 日

计算机控制技术 课程 48 学时 3学分 考试形式： 开 卷

专业年级： 自动化、电气11级 总分100分占总评成绩70% 注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上 一、简答题（每题6分，共30分）

1、计算机控制系统的典型形式有哪些？各有什么特点？

答：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。直接数字控制系统（DDS），优点：实时性好，可靠性高，适应性强。监督控制系统（SCC），优点：生产过程始终处于最优工况。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。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。

2、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转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内，希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影响。保持电容值小，则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。

3、常用的数字滤波方法有哪些？分别能滤除什么类型的干扰信号？若某计算机测量系统工作性能有时不太稳定，且被测信号受现场电磁干扰影响，应对测量数据作怎样处理才能保证检测数据较为准确？

答：常用的数字滤波方法有算术平均值法、中值滤波法、限幅滤波法和惯性滤波法等。 算术平均值法能滤除周期性干扰信号；中值滤波法和限幅滤波法能滤除偶然性脉冲干扰信号；惯性滤波法能滤除高频及低频干扰信号。

可采用限幅滤波、中值滤波和平均值滤波相结合的方法处理数据。

4、RS-485串行通信总线采用什么传输方式？它与RS-422A串行通信总线的区别是什么？ 答:RS-485串行通信总线采用的是平衡差分电路传输，区别在于RS-485为半双工工作方式，而RS-422A为全双工工作方式.且RS-422A适用于两点之间进行高速，远距离通信，而RS-485适用于多点之间进行高速，远距离通信

5、什么是带死区的PID控制？有何工程意义？

答：带有死区的PID控制，即人为设置控制死区e0，当偏差│e(k)│＜│e0│时，△u（k）取0，控制器输出保持不变。当偏差│e(k)│≥│e0│时，△u（k）以PID规律参与控制。在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起的系统振荡和设备磨损。在一些精度要求不太高的场合，可以采用带有不灵敏区的PID控制。

二、用8位A/D转换器ADC0809与PC/ISA总结工业控制机接口，采用查询方式，实现8路

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模拟量采集，请画出接口电路原理图，并设计出8路模拟量的数据采集程序框图。（15分）

三、若加工第一象限直线AB，起点A(4，0)，终点B(0，4)。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。

(3) 设X和Y方向分别由两个三相步进电机驱动，而且X和Y方向的步进电机的进给分别由1个8位的输出接口控制，接口的D0、D1、D2控制X方向步进电机的A、B、C三相，接口的D4、D5、D6控制Y方向步进电机的A、B、C三相。X和Y的通电字表（16进制）如下，1表示对应的相通电，0表示对应的相断电。如果加工上述直线AB，表的初始位置X在

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XTABLE+5，Y在YTABLE+1，正方向的进给按增址方向，负方向的进给按减址方向，问上述直线插补完成，X和Y方向通电字表的位置？步进电机是什么工作运行方式？（15分）

X方向通电字表 XTABLE+0 XTABLE+1 XTABLE+2 XTABLE+3 XTABLE+4 XTABLE+5

四、某液位测量系统检测范围[0，1000mm]，液位变送器输出信号为[1，5V]，用12位A/D转换器进行采样。该A/D转换模板的输入量程可设定为[-10V，+10V]，[-5V，+5V]，[-2.5V，+2.5V]， [0，2.5V]，[0，5V]，[0，10V] 或[0，20V]，应如何选择A/D转换器的输入量程才会有较高的测量精度？计算该量程下的实际分辨率是多少(精确到0.0001mm/bit)？若A/D转换的结果为0400H，对应的液位高度是多少(精确到1mm)？(10分) 解：

（1）由于变送器输出信号为[1，5V]，因此选择A/D转换模板的输入量程为[0，5V]时测量精度较高。（2分）

（2）实际分辨率计算（4分）：

01 03 02 06 04 05 Y方向通电字表 YTABLE+0 YTABLE+1 YTABLE+2 YTABLE+3 YTABLE+4 YTABLE+5 10 30 20 60 40 50 ?=xmax?xmin1000?0??0.3053[mm/bit]

Nmax?Nmin4095?819（3）液位高度计算（4分）：

y?ymax?ymin1000?0(X?Nmin)?ymin?(1024?819)?0Nmax?Nmin4095?819

?63(mm)五、已知被控对象的状态方程和输出方程为：

?11??0?x(k?1)???x(k)??2?u(k)

02????y(k)??01?x(k)

试用极点配置方法设计状态反馈控制规律L，将其极点配置到z1??0.2,z2?0.3，并求u(k)。（10分） 解：

（1）系统能控性检验（2分）

?02?rank?GFG??rank??2 ??24? 矩阵满秩，系统完全能控，能进行任意极点配置，且有唯一解。 （2）求增益矩阵L（6分）：

设L?

?l1l2?

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?(z)?zI?F?GL?z?12l1?1z?2l2?2

?z2?(3?2l2)z?2l1?2l2?2?(z)?(z?0.3)(z?0.2)?z2?0.1z?0.06

令?(z)??(z)，比较等式两边同次幂系数得 l1?0.42,l2?1.45

（2）写出u(k)表达式（2分）：

或(ku(k)??Lx(k)??5k( u) )??0.42x1(k)?1.45x2(k) ?0.421.?4x六、在题六图所示计算机串级控制系统中，已知采样周期为T，且有

0.6?0.4z?1?0.05z?20.5?0.3z?1，D2(z)? D1(z)?1?z?11?z?1试写出计算机串级控制算法。（10分）

题六图

解：1、计算主回路偏差e1(k)?r1(k)?y1(k) 2、计算主回路控制器D1(z)的输出

u1(k)?u1(k?1)?0.6e1(k)?0.4e1(k?1)?0.05e1(k?2)

3、计算副回路偏差e2(k)?u1(k)?y2(k) 4、计算主回路控制器D2(z)的输出 u2(k)?u2(k?1)?0.5e2(k)?0.3e2(k?1)

七、已知被控对象的脉冲传递函数为

3.78z?1(1?0.51z?1) G(z)??1?1(1?z)(1?0.14z)采样周期T?1s，要求：

1、针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波系统的控制器D(z)；（结果保留两位小数） 2、计算输出响应y(k)，误差e(k)序列，画出它们对时间变化的波形。（10分） 解：

??e(z)?(1?z?1)2?1?a0z?1??1、?

?1?1?1???(z)?z?1?0.51z??b0?b1z?解得

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?2?a0?b0?a0?0.45??2a?1?0.51b?b??0?b0?1.55 01?a??0.51b?b??0.89?11?0??e(z)?(1?z?1)2?1?0.45z?1?? ??1?1?1???(z)?z?1?0.51z??1.55?0.89z?数字控制器脉冲传递函数为

z?1?1?0.51z?1??1.55?0.89z?1??(z)D(z)??G(z)?e(z)3.78z?1(1?0.51z?1)?12?1(1?z)1?0.45z??(1?z?1)(1?0.14z?1) 1.55?0.89z?(1?0.14z)? ?3.78(1?z)?1?0.45z??1?1?1?12、输出

Y(z)??(z)R(z)?Tz?1?1?z??12z?1?1?0.51z?1??1.55?0.89z?1?

1.55z?2?0.0995z?3?0.4539z?4 ??1.55z?2?3z?3?4z?4??1?21?2z?zE(z)??e(z)R(z)?(1?z)?1?0.45z?12?1?Tz?1?1?z??12

?z?1?0.45z?2波形略

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