[计算机控制技术]习题参考答案(完整版)

《计算机控制技术》

（机械工业出版社 范立南、李雪飞）

习题参考答案

第1章

1．填空题

(1) 闭环控制系统，开环控制系统

(2) 实时数据采集，实时决策控制，实时控制输出

(3) 计算机，生产过程

(4) 模拟量输入通道，数字量输入通道，模拟量输出通道，数字量输出通道

(5) 系统软件，应用软件

2．选择题

(1) A (2) B (3) C (4) A (5) B

3．简答题

(1) 将闭环自动控制系统中的模拟控制器和和比较环节用计算机来代替，再加上A/D转换器、D/A转换器等器件，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图所示。

计算机控制系统由计算机（通常称为工业控制机）和生产过程两大部分组成。工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。

(2)

操作指导控制系统：其优点是控制过程简单，且安全可靠。适用于控制规律不是很清楚的系统，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。其缺点是它是开环控制结构，需要人工操作，速度不能太快，控制的回路也不能太多，不能充分发挥计算机的作用。 直接数字控制系统：设计灵活方便，经济可靠。能有效地实现较复杂的控制，如串级控制、自适应控制等。

监督计算机控制系统：它不仅可以进行给定值的控制，还可以进行顺序控制、最优控制、自适应控制等。其中SCC+模拟调节器的控制系统，特别适合老企业的技术改造，既用上了原有的模拟调节器，又可以实现最佳给定值控制。SCC+DDC的控制系统，更接近于生产实际，系统简单，使用灵活，但是其缺点是数学模型的建立比较困难。

集散控制系统：又称分布式控制系统，具有通用性强、系统组态灵活，控制功能完善、数据处理方便，显示操作集中，调试方便，运行安全可靠，提高生产自动化水平和管理水平，提高劳动生产率等优点。缺点是系统比较复杂。

计算机集成制造系统：既能完成直接面向过程的控制和优化任务，还能完成整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理的任务。但是计算机集成制造系统所要解决的不仅是局

部最优问题，而是一个工厂、一个企业乃至一个区域的总目标或总任务的全局多目标最优，即企业综合自动化问题。

现场总线控制系统：成本低、可靠性高，而且在同一的国际标准下可以实现真正的开放式互联系统结构。

嵌入式控制系统：嵌入式控制系统是面向特定应用而设计的、对功能、可靠性、成本、体积、功耗等进行严格要求的专用计算机控制系统，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，制作成本高，但系统开发投入低，应用灵活。

(3) 操作台是一个实时的人机对话的联系纽带。通过它人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作命令等。它主要包括以下4个部分：作用开关、一组功能键、屏幕或显示器、一组数字键。

(4) 可靠性高和可维修性好、控制的实时性好、环境适应性强、输入和输出通道配套好、系统的扩充性好、控制软件包功能强、系统通信功能强

(5) 具有实现全数字化、开放性、智能化、互操作性、风险分散性、适应性强等优点。

(6) 嵌入式控制系统具有以下几个特点：

①嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。

②嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。

③嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。 ④为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。

⑤嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一套开发工具和环境。

⑥要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。

第2章

1．填空题

(1) ωs ≥2ωmax

(2) 信号调理电路，多路开关，前置放大器，采样保持器，A ／D 转换器

(3) 用来切换模拟电压信号的关键元件

(4) 脉冲启动，电平控制

(5) 中断，查询，延时

(6) 查询，延时，中断

(7) 双缓冲，单缓冲，直通，单极性，双极性

2．选择题

(1) A (2) C (3) B (4) D (5) A (6) C (7) B (8) D

3．简答题

(1) 在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型，即模拟信号、离散模拟信号和数字信号。

(2) 如果连续信号x (t ) 具有有限频谱，其最高频率为ωmax ，则对x (t ) 进行周期采样且采样角频率ωs ≥2ωmax 时，连续信号x (t ) 可以由采样信号x *(t ) 惟一确定，亦即可以从x *(t ) 不失真地恢复x (t ) 。

(3) 不是。如果输入信号变化很慢（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，在允许的A/D转换精度内，不必再选用采样/保持器。

(4) 信号调理电路是把传感器输出的信号或变送器输出的信号中，较小的电压信号经过

模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再经滤波后才能送入A/D转换器。而对于电流信号应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。

当有多个输入信号需要检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A ／D 转换器上，实现对各个输入通道的分时控制。多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件。

前置放大器的任务是将模拟小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如0~5V）。 A/D转换器需要一定的时间才能完成一次A/D转换，因此在进行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S/H。

A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，以便于计算机进行处理。

(5) 模拟量输入通道，数字量输入通道，模拟量输出通道，数字量输出通道。

(6) 当转换结束时，A ／D 转换器芯片内部的转换结束触发器置位，并输出转换结束标志电平，以通知主机读取转换结果的数字量。

根据该信号在I/O控制中的连接方式，A ／D 转换器有查询、延时和中断控制方式。 采用查询方式时，转换结束引脚通常连接到数据线或I/O口线上。这种方法程序设计比较简单，且可靠性高，但实时性差。但由于大多数控制系统对于这点时间都是允许的，所以，这种方法用得最多。

采用延时方式时，转换结束引脚悬空。在这种方式中，为了确保转换完成，必须把时间适当延长，因此，其速度比查询方式还慢，故应用较少。

采用中断方式时，转换结束信号通常与计算机的外部中断引脚连接（如80C51的INT 0或。在中断方式中，CPU 与A/D转换器是并行工作的，因此，其工作效率高。在多回INT 1）

路数据采集系统中一般采用中断方式。

(7) 数字量输入通道中常用的信号调理电路有：在小功率输入调理电路如采用RC 滤波电路消除开关抖动的方法。采用RS 触发器消除开关两次反跳的方法。大功率调理电路如高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。交流输入信号检测电路如电感、压敏电阻和光耦合器配合使用的电路。

(8) 在数字量输出通道中的驱动电路，对于低电压情况下开关量控制输出，可采用晶体管、OC 门或运放等方式输出。在驱动大型设备时，往往利用继电器作为控制系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可以完成从低压直流到高压交流的过渡。固态继电器是计算机测控系统中作为输出通道的控制元件的新型的电子继电器。

4．设计题

（1）产生三角波的程序

MOV A ，#00H

DA1： MOV DPTR ，#0DFFFH

MOVX @DPTR，A

DA2： INC A

JNZ DA1

DEC A

DA3： DEC A

MOV DPTR ，#0DFFFH

MOVX @DPTR，A

JNZ DA3

AJMP DA2

产生梯形波

DA0： MOV A ，#00H

DA1： MOV DPTR ，#FF7CH

MOVX @DPTR，A

INC A

JNZ DA1

DEC A

ACALL DL6ms

DA2： MOV DPTR ，#FF7CH

MOVX @DPTR，A

DEC A

JNZ DA2

MOV DPTR ，#FF7CH

MOVX @DPTR，A

ACALL DL6ms

AJMP DA0

DL6ms ：MOV R1，#0CH

DL1 MOV R2，#0FFH

DL2 DJNZ R2，DL2

DJNZ R1，DL1

RET

(2)

1) 采用直通工作方式

2）单极性输出方式

3） MOV DPTR ，#0FF7FH

MOV A ，#80H

MOVX @DPTR，A

DA0： MOV A ，#0FFH

DA1： MOV DPTR ，#0FF7CH

MOVX @DPTR，A

DEC A

JNZ DA1

MOVX @DPTR，A

AJMP DA0

(3) 计算如下： △U=10/256=0.039V/步

下限对应的数值：1.5V/ △U=38.4步 ，取38步

上限对应的数值：8.5V/ △U=217.9步，取218步

程序清单如下：

MOV DPTR ，#0FF7FH

MOV A ，#80H

MOVX @DPTR，A

DA0：

DA1：

(4)

1) 控制口地址为FF7FH ，C 口地址为FF7EH ，B 口地址为FF7DH ，A 口地址为FF7CH

2) 采用查询方式

3) MOV DPTR ，#0FF7FH ；8255A 初始化

MOV A ，#83H

MOVX @DPTR，A

MOV R0，#60H

AD0： MOV DPTR ，#0FF7EH ；选择IN0，且启动转换

MOV A ，#80H

MOVX @DPTR，A

AD1： MOVX A ，@DPTR ；从C 口读取数据

ANL A ，#04H ；屏蔽PC7~3，PC1~0位

JNZ AD1 ；A=0说明PC2=0，开始转换

AD2： MOVX A ，@DPTR ；A=1，再读C 口数据

ANL A ，#04H

JZ AD2 ；若A=1表示转换结束

MOV DPTR ，#0FF7DH ；读A/D转换结果

MOVX A ，@DPTR

MOV @R0，A

RET

4) 0~5V

5) CBA=111

(5) 将ADC0809的EOC 引脚通过反相器连接到80C51的INT 0，并设置为边沿触发

ORG 0000H

LJMP INTADC

ORG 0003H

LJMP ADINT0

ORG 0300H

INTADC ： MOV DPTR ，#0FF7FH ；8255A 初始化

MOV A ，#83H

MOVX @DPTR，A

MOV R0，#60H ; 设置存储单元

MOV R0，#26H ；(38)D=(26) H MOV DPTR ，#0FF7CH MOV A ，R0 MOVX @DPTR，A INC R0 MOV DPTR ，#0FF7CH MOV A ，R0 MOVX @DPTR，A CJNE R0，#0DAH，DA1 ；(218) D=(0DA) H AJMP DA0 RET

SETB

SETB IT0 EA ；选择INT 0为边沿触发方式 ；开中断INT 0

AD0：

ADINT0：

SETB EX0 ； MOV DPTR ，#0FF7EH ；选择IN0，且启动转换 MOV A ，#80H MOVX @DPTR，A „ „ MOV DPTR ，#0FF7DH ；读A/D转换结果 MOVX A ，@DPTR MOV @R0，A

MOV DPTR ，#0FF7EH ；再次选择IN0，且启动转换

MOV A ，#80H

MOVX @DPTR，A

RETI

(6)

MOV P1,#0FFH ；P1为准输入口

LOOP ： MOV A,P1 ；读入开关状态

MOV DPTR , #7FFFH ；输出灯亮的模型

MOVX @DPTR , A

第3章

1．填空题

(1) 1

(2) 中间值

(3) 软件报警，直接报警

(4) 扫描法，线反转法

(5) 编程扫描，定时扫描，中断扫描

(6) 静态显示，动态显示

(7) 静态，时分割

2．选择题

(1) B (2) B (3) C (4) C (5) B (6) B (7) D (8) D (9) B

3．简答题

(1) 常用的数字滤波方法有程序判断滤波、算术平均值滤波、加权平均值滤波、中值滤波、去极值平均滤波、滑动平均滤波、低通数字滤波。

程序判断滤波适合于对随机干扰进行滤波，算术平均值滤波、加权平均值滤波、去极值平均滤波、滑动平均滤波主要适合于对压力、流量等周期脉动的干扰进行滤波，中值滤波对应去掉由于偶然因素引起的波动或采样器不稳当而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效，低通数字滤波适用于对高频和低频的干扰信号进行滤波。

(2) 在程序判断滤波方法中， Y 通常根据经验数据得到，必要时，可由实验得出。其值不是越大越好。

(3) 传感器或变送器检测的参数都需要换成A/D转换器所能接收的0～5V 统一电压信号，又由A ／D 转换成00～FFH （8位）的数字量。为进一步显示、记录、打印以及报警等，必须把这些数字量转换成不同的单位，以便操作人员对生产过程进行监视和管理，必须进行标度变换。

(4) 报警程序的设计方法主要有两种。一种是软件报警。这种方法的基本作法是把被测参数如温度、压力、流量、速度、成分等参数，经传感器、变送器、A ／D 转换送入计算机后，再与规定的上、下限值进行比较，根据比较的结果进行报警或处理，整个过程都由软件实现。另一种是直接报警。基本作法是被测参数与给定值的比较在传感器中进行，如果被测参数超过给定值，就会通过硬件向CPU 提出中断请求，CPU 响应中断后，会产生报警信号。

(5) 键盘实际上是一组按键开关的集合，其中一个按键就是一个开关量输入装置。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合或断开时不会马上稳定下来，会有瞬间的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5~10ms。为了能使键盘给系统提供准确的数据和命令，必须设法消除抖动。

消除按键抖动的措施有两种：硬件方法和软件方法。硬件方法可以采用RC 滤波消抖电路或RS 双稳态消抖电路。软件方法是在第一次检测到有按键闭合时，首先执行一段延时10ms 的子程序，然后再确认该按键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有按键按下，从而消除了抖动的影响。

(6) LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。

所谓静态显示方式，是由单片机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示字型码为止。LED 工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或接+5V）；每位的段选线分别与一个8位的锁存输出相连。静态显示方式中，由于显示器中的各位相互独立，故在同一时间里，每一位显示的字符可以各不相同。这种显示方式的优点是显示器的亮度都较高，占用机时少，显示可靠，编程容易，管理也简单，因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。这种显示方式的缺点是使用元件多，且线路比较复杂，因而成本比较高。

所谓动态显示，就是单片机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示，而其他各位熄灭，但由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，则可造成多位同时亮的假象，达到显示的目的。

动态显示方式的优点是使用硬件少，因而价格低。但它占用机时长，只要单片机不执行显示程序，就立刻停止显示。由此可见，这种显示方式将使计算机的开销增大。故在以工程控制为主的控制系统中应用较少。

(7) LED数码显示器是由发光二极管组成的，根据其内部发光二极管的连接方法不同，分为共阳极和共阴极两种。共阴极LED 数码显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED 数码显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压。当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。

LCD 是一种借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件。液晶显示器是在平整度很好的玻璃面上喷上二氧化锡透明导电层形成电极，在上、下导电层之间注入液晶材料密封而成的。若在液晶屏正面电极的某点和背电极间加上适当大小的电压，则该点所夹持的液晶便产生“散射效应”，并显示出点阵。根据需要，可将电极做成各种文字、数字或点阵，就可以获得所需的各种显示。

LCD 显示器不能采用直流驱动，否则，会使液晶产生电解和电极老化，从而大大降低液晶显示器的使用寿命。

4．设计题

(1)

解：电路原理图如下图所示：

程序清单如下：

MOV DPTR ，#7FFFH ；8255A 初始化，方式0

MOV A ，#98H ；PC3~PC0输出方式，PC7~PC4输入方式 MOVX @DPTR，A

KEY1： ACALL KS1

JNZ LK1

NI ： ACALL DL6ms ；调用延时子程序，延时6ms

AJMP KEY1

LK1： ACALL DL6ms ；延时12ms

ACALL DL6ms

ACALL KS1

JNZ LK2

ACALL DL6ms

AJMP KEY1

LK2： MOV R2，#FEH ；扫描模式→R2（按列逐列扫描） MOV R4，#00H ；R4为列计数器

LK4： MOV DPTR ，#7FFEH ；扫描模式→8255A 的PC 口

MOV A ，R2

MOVX @DPTR，A

MOVX A ，@DPTR ；读8255A 的PC 口

JB ACC.7，LONE ；转判1行，ACC.7=1，说明0行无键闭合 MOV A ，#00H ；0行有键闭合，首键号0→A

AJMP LKP

LONE ： JB ACC.6，LTWO ；转判2行

MOV A ，#04H ；1行有键闭合，首键号4→A

AJMP LKP

LTWO ： JB ACC.5，LTHR ；转判3行

MOV A ，#08H ；2行有键闭合，首键号8→A

AJMP LKP

LTHR ： JB ACC.4，NEXT ；转判下一列，

MOV A ，#0CH ；3行有键闭合，首键号12→A

LKP ： ADD A ，R4 ；求键号=列号+行首键号

PUSH ACC ；键号进栈保护

LK3： ACALL DL6ms ；判断键释放否

ACALL KS1

JNZ LK3 ；A=0，说明键释放

POP ACC ；键号→A

CJNE A ，#09H，COM ；

AJMP DIGPRO ；等于9，转数字键处理

COM ： JNC FUNPRO ；大于9，转功能键处理

AJMP DIGPRO ；小于9，转数字键处理

RET

NEXT ： INC R4 ；列计数器加1

MOV A ，R2 ；判断是否扫描到最后一列

JNB ACC.3，KND ；若ACC.3=0，说明已经到最后一列 RL A ；扫描模式左移一位，准备扫描下一列 MOV R2，A

AJMP LK4

KND ： AJMP KEY1

KS1： MOV DPTR ，##7FFEH ；全“0” →扫描口PC 口 MOV A ，#00H

MOVX @DPTR，A

MOVX A ，@DPTR ；读PC7~PC4状态

CPL A

ANL A ，#0F0H

RET

DL6ms ：MOV R5，#0CH

DL1： MOV R6，#0FFH

DL2： DJNZ R6，DL2

DJNZ R5，DL1

RET

(2)

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 0003H

LJMP LK1

ORG 0300H

MAIN: MOV DPTR ，#7FFFH ；8255A 初始化，方式0

MOV A ，#98H ；PC3~PC0输出方式，PC7~PC4输入方式

MOVX @DPTR，A

„

LK1： ACALL DL6ms ；延时12ms

ACALL DL6ms

ACALL KS1

JNZ LK2

AJMP KND

LK2： MOV R2，#FEH ；扫描模式→R2（按列逐列扫描） MOV R4，#00H ；R4为列计数器

LK4： MOV DPTR ，#7FFEH ；扫描模式→8255A 的PC 口

MOV A ，R2

MOVX @DPTR，A

MOVX A ，@DPTR ；读8255A 的PC 口

JB ACC.7，LONE ；转判1行，ACC.7=1，说明0行无键闭合 MOV A ，#00H ；0行有键闭合，首键号0→A

AJMP LKP

LONE ： JB ACC.6，LTWO ；转判2行

MOV A ，#04H ；1行有键闭合，首键号4→A

AJMP LKP

LTWO ： JB ACC.5，LTHR ；转判3行

MOV A ，#08H ；2行有键闭合，首键号8→A

AJMP LKP

LTHR ： JB ACC.4，NEXT ；转判下一列，

MOV A ，#0CH ；3行有键闭合，首键号12→A

LKP ： ADD A ，R4 ；求键号=列号+行首键号

PUSH ACC ；键号进栈保护

LK3： ACALL DL6ms ；判断键释放否

ACALL KS1

JNZ LK3 ；A=0，说明键释放

POP ACC ；键号→A

CJNE A ，#09H，COM ；

AJMP DIGPRO ；等于9，转数字键处理

COM ： JNC FUNPRO ；大于9，转功能键处理

AJMP DIGPRO ；小于9，转数字键处理

RET

NEXT ： INC R4 ；列计数器加1

MOV A ，R2 ；判断是否扫描到最后一列

JNB ACC.3，KND ；若ACC.3=0，说明已经到最后一列 RL A ；扫描模式左移一位，准备扫描下一列 MOV R2，A

AJMP LK4

KND ： RETI

KS1： MOV DPTR ，##7FFEH ；全“0” →扫描口PC 口 MOV A ，#00H MOVX @DPTR，A

MOVX A ，@DPTR ；读PC7~PC4状态 CPL A

ANL A ，#0F0H RET

DL6ms ：MOV R5，#0CH DL1： MOV R6，#0FFH DL2： DJNZ R6，DL2

DJNZ R5，DL1 RET

(3) 设计思路：

设置一个标志模型单元，比如20H 单元，令20H.3、20H.2、20H.1和20H.0分别为四位数据的标志位，如果该位为0，且不显示，则对应的标志位置1，在取数据前将该单元清0。从高位即(DATA+3)单元开始取数据。在取一位数据时，先判断是否为0，若不为0则显示，并取下一位数据；若为0，判读其是否是最低位，若为最低位则显示，否则检查其高位的标志位是否为1，如果为1，说明其高位为0，那么本位也不显示，并将其标志位置1，然后取下一位数据。

(4) 利用公式

A x =A 0+(A m -A 0)

N x -N 0

N m -N 0

其中A 0=200，A m =1200，N 0=0，N m =FFH 代入上式得 A x =200+(1200-200)

N x N

=200+x 255255

在编程时，可以调用浮点数乘法和加法子程序来实现。

(5)

设正常参数存放在30H 单元，采样值存放在SAMP 单元。

ORG 8000H

ALARM: MOV DPTR, #SAMP ；采样值存放地址→DPTR MOVX A, @DPTR ；取采样值 ALARM0: CJNE A,30H, AA ；不相等，则声光报警

MOV A,02H ; 相等，则绿灯亮 MOV P1,A RET AA: MOV A,#81H MOV P1,A RET 5．计算题

(1) 思路：梯度炉温度变化与温度变送器输出呈线性关系，故可以线性参数标度变换。但由于0℃对应的不是00H ，所以应选择N 0，即0℃(1V)所对应的数字量。

1V 电压所对应的数字量为9BH =155D

A x =A 0+(A m -A 0)

N x -N 0155-51

=1600⨯=815. 69℃

N m -N 0255-51

N x -N 0171

=400+（1200-400）⨯=936℃

N m -N 0255

255

=51，其变为十六进制数为33H ，所以N 0=33H 5

(2) A 0=400，A m =1200，N 0=0，N m =FFH =255，ABH =171

A x =A 0+(A m -A 0)

第4章

1．填空题

(1)单位圆内，圆上或圆外，不稳定 (2)单位圆圆周，单位圆内，单位圆外 (3)虚轴，左半平面，右半平面 (4)采样周期，差 2．选择题

(1)C (2)B (3) B 3．简答题

(1)闭环脉冲传递函数的全部极点（特征方程的根）必须在Z 平面中的单位圆内，即

z i

(2) 与控制系统本身特性有关，又与参考输入形式有关 4．计算题

(1)

Kz (1-e -aT )

1) G (z ) = -aT

a (z -1)(z -e )

KTz Kz (1-e -aT )

2) G (z ) = -

a (z -1) a 2(z -1)(z -e -aT )

KTz Kz (1-e -aT ) 2

3) G(z)=(1-z )[ (z -1) -2

-aT

a a (z -1)(z -e )

-1

(2)

G (z ) =Z [G 1(s ) G 2(s )]=G 1G 2(z ) Φ(z ) =

(3)

C (z ) G 1(z ) G 2(z )

=

R (z ) 1+G 1G 2(z ) H (z )

aKz (z -e -a ) -(Kz -K )(1-e -a )

G (z ) =

a 2(z -1)(z -e -a )

(aK -K +Ke -a ) z -aKe -a +K -Ke -a

Φ(z )=22

22-a -a 2-a -a -a

a z +(aK -a -a e -Ke ) z +a e -aKe +K -Ke

(4)

1）系统不稳定，不稳定极点个数为：2 2）系统不稳定，不稳定极点个数为：1 3）系统稳定 4）系统稳定

5）系统不稳定，不稳定极点个数为：2 5．设计题

（1）

1）系统稳定

2）0

（2）T=1s时0

当减小采样周期T ，为使系统工作尽可能接近于相应的连续系统，则增益K 的取值范围加大了。

（3）K >0

（4）系统不稳定， K c =2. 4 （5）0

0. 368z -1+0. 264z -2-1-2-3-4

C (z ) ==0. 368z +z =1. 4z +1. 4z +....... -1-2-3

1-2z +1. 632z -0. 632z

从上述数据可以看出，系统在单位阶跃函数作用下的过渡过程具有衰减震荡的形式，故系统是稳定的。

（7）输入为单位阶跃时，e (∞)=0 单位速度函数输入时，e (∞)=0 单位加速度输入时，e (∞)=∞ （8）0 （9）1

（10）本题T =1s

1）系统稳定

2）-0. 01

第5章

1．选择题

(1) C (2) A (3) D (4) A (5) A 2．简答题

(1) 比例控制能提高系统的动态响应速度，迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，K P 的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是消除稳态误差，因为只要系统存在误差，积分作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，直到偏差为零，积分作用才停止，但积分作用太强会使系统超调量加大，甚至使系统出现振荡；微分控制与偏差的变化率有关，它可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

(2) 被控对象的特性、扰动信号周期、控制的回路数、执行机构的响应速度、控制算法的类型、给定值的变化频率、A/D、D/A转换器的性能。

(3) 从香农采样定理可知，只有当采样频率f s ≥2f max 时，才能使采样信号不失真地复现原来的信号。从理论上讲，采样频率越高，失真越小。但从控制器本身而言，大都依靠偏差信号E （k ）进行调节计算。当采样周期T 太小时，偏差信号E （k ）也会过小，此时计算机将会失去调节作用。采样周期T 过长又会引起误差。因此，选择采样周期T 时，必须综合考虑。

(4) 普通PID 算法是在整个控制期间，比例、积分和微分系数为恒定不变的；积分分离PID 算法是设置一个积分分离阈值β，当e (k ) ≤β时，采用PID 控制，以便于消除静差，提高控制精度；当e (k ) >β时，采用PD 控制，以使超调量大幅度降低；变速积分PID 是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相对应。偏差越大，积分速度越慢；反之，偏差越小时，积分速度越快。

(5) 略 3．计算题

(1) 解： 由D (s ) =

⎛⎫K P 1U (s ) 1

⎪=K P 1++T s =K ++K P T D s D P T s ⎪E (s ) T s I I ⎝⎭

D (s ) =

1+0. 17s 11 =2+

0. 085s 0. 085s

解得：K P =2，

K P 1

==11. 765，K P T D =0 T I 0. 085

K P 1

T =⨯0. 2=2. 353 T I 0. 085

又因为T=0.2s，所以

所以位置型PID 算法输出表达式为： ⎧T ⎪

u (k ) =K P ⎨e (k ) +

T I ⎪⎩

∑

k ⎫T D ⎪

[e (k ) -e (k -1) ]⎬=2e (k ) +2. 353e (i ) e (i ) +T ⎪i =0i =0⎭

k

∑

增量型PID 算法输出表达式为：

⎧⎫T T

∆u (k ) =K P ⎨e (k ) -e (k -1) +e (k ) +D [e (k ) -2e (k -1) +e (k -2) ]⎬

T I T ⎩⎭

=2[e (k ) -e (k -1)]+2. 353e (k ) =4. 353e (k ) -2e (k -1)

(2) D (s ) =

1+0. 15s 11

=3+

0. 05s 0. 05s K 1

=20，K P T D =0 K P =3，P =

T I 0. 05

K I =K P

K T T

=20，K D =P D =0 T I T

第6章

1．填空题

(1) 广义脉冲传递函数单位圆内的非零零点 (2）直接数字控制，纯滞后，调节时间，超调量

(3）1+0. 9z

2．选择题

(1)D (2)A (3)D (4)D (5)B 3．简答题

(1) 不允许。离散系统稳定的充分必要条件是闭环脉冲传递函数的全部极点在Z 平面的单位圆内。

（2）直接根据离散系统理论来设计数字控制器的方法称为系统的直接数字化设计。不是。

（3）设计一个数字调节器，使系统到达稳定时所需要的采样周期最少，而且系统在采样点的输出值能准确地跟踪输入信号，不存在静差。在各种使系统在有限拍内到达稳态的设计中，系统准确跟踪输入信号所需的采样周期数最少。

数字控制器必须在物理上可实现。闭环系统必须是稳定的。 1) 考虑不同类型输入，选择满足最少拍的W e (z)的形式；

2) 考虑D(z)可实现性，Φ(z)应包含z -r 因子和G(z)中|zi |≥1(不包括z ＝1点) 的零点； 3) 考虑系统稳定性，W e (z)应把G(z)中的不稳定极点|pi |≥1(不包括z ＝1点) 作为自己的零

-1

点。

局限性:

1) 系统的适应性差。改进方法：引入加权因子。

2) 在采样点之间存在纹波，增加了功率损耗和机械磨损。改进方法：无纹波设 计。

（4）无单位圆上或单位圆外零极点，无纯滞后环节z -1的多次方（即幂次≧2）。 （5）若广义对象G (z)中有极点存在，则应用D (z)或W e (z)的相同零点来抵消。但用D (z)来抵消G (z)的零点是不可靠的，因为D (z)中的参数由于计算上的误差或漂移会造成抵消不完全

G(z)的不稳定极点通常由W e (z)来抵消。的情况，这将有可能引起系统的不稳定，所以，给W e (z)

增加零点的后果是延迟了系统消除偏差的时间。G (z)中出现的单位圆上(或圆外) 的零点，则既不能用W e (z)中的极点来抵消，因为W e (z)已选定为z -1的多项式，没有极点，也不能用增加

D (z)中的极点来抵消，因为D (z)不允许有不稳定极点，这样会导致数字控制器D (z)的不稳定。

（6）第一步：根据被控对象的数学模型求出广义对象的脉冲传递函数G(z)； 第二步：根据输入信号类型，查表6-1确定误差脉冲传递函数W e (z)； 第三步：将G(z)、W e (z)带入D (z ) =

1-W e (z )

，进行Z 变换运算，即可求出数字控制

G (z ) W e (z )

器的脉冲传递函数D(z)；

第四步： 用U(z)判断所设计的D(z)是否是最小拍无波数字控制系统； 第五步：根据结果，求出输出序列及其响应曲线等。

（7）纯滞后惯性系统，因允许它存在适当的超调量，当系统参数设置不适合或不匹配时，可能使数字控制器输出接近1/2采样频率的大幅度上下摆动的序列，这种现象称为振铃现象。

振铃现象产生的根源在于Q(z)中z=-1附近有极点所致。由书中表6-2可以看出，极点z=-1时最严重，在单位圆中离z=-1越远，振铃现象就越弱。在单位圆内右半平面有极点时，则会减轻振铃现象，而在单位圆内右半平面有零点时，会加剧振铃现象。

（8）大林提出一种消除振铃现象的方法，即先找出造成振铃现象的极点的因子，令其z=1，这样便消除了这个极点。

(1-e -T /T 0)(1-e -T /T 1z -1)(1-e -T /T 2z -1)

D (z ) =

K (1-e -T /T 1)(1-e -T /T 2)[1-e -T /T 0z -1-(1-e -T /T 0) z -N -1]

（9）直接程序设计法的优点是，除了i =0时涉及e (kT ) 的一项外，其余各项都可在采用e (kT ) 前全部计算出来，因而可大大减少计算机延时，提高系统的动态性能。

串行法和并行法在高阶数字控制器设计时，可以简化程序设计，只要审计出一阶或二阶的D (z ) 子程序，通过反复调用子程序即可实现D (z ) 。这样设计的程序占用内存量少，容易读，且调试方便。在串行和并行法程序设计中，需要将高阶函数分解成一阶或二阶的环节，这样的分解并不是在任何情况下都可以进行的。此时若采用直接程序设计法则优越性更大

4．计算题

（1）u (kT ) =e (kT -T ) -4U (kT -T ) -4U (kT -2T ) （2）u (k ) =3u 1(k ) +0. 6u 1(k -1) -0. 5u (k -1) （3）u (k ) =0. 1e (k ) +1. 805u 1(k -1) -1. 62u 2(k -1) 5．设计题

Φ(z ) 4(1-0. 5z -1) 2（1） D (z ) = =-12

G (z ) W e (z ) (1-z )

C (0) =0,

（2）

C (T ) =0, C (2T ) =2, C (3T ) =3....

由上述讨论可见，按某种典型输入设计的最少拍系统，当输入形式改变时，系统性能变

坏，输出响应不一定理想。说明最少拍系统对输入信号的变化适应性较差。

（3）

D (z ) =

5. 435(1-0. 5z -1)(1. 0. 368z -1)

(1-z )(1+0. 718z )

-1

-1

C (z ) =Φ(z ) R (z ) =2z -2+3z -3+4z -4+.....

c(0)=0，c(T)=0，c(2T)=2, c(3T)=3, c(4T)=4....... 经过2拍后，输出波形图C(kT)如下图所示。

（4） D (z ) =

Φ(z ) 2. 45(1-0. 6065z -1)

=

G (z ) W e (z ) 1+0. 459z -1

（5）答案见书中【例6.8】。

若本题改为单位速度输入，则

Φ(z ) (0. 64z -1-0. 42z -2)(1-0. 286z -1) 2. 415z -1(1-0. 656z -2)(1-0. 286z -1)

D

(z ) ===

G (z )[1-Φ(z )]0. 265z -1(1+1. 36z -1+0. 23z -2) 1+1. 36z -1+0. 23z -2

控制器输出u(kT) 系统输出c(kT)

1-W e

(z )z -1-0. 779z -24. 5(1-0. 78z -1)

==（6）D (z ) =

G z W e z 0. 221z -1-0. 221z -21-z -1

控制器输出波形 系统输出波形

（7）控制器的输出为

Tz -3-4Tz -2+4Tz -1

(z )R (z )==4Tz -1+4Tz -2+5Tz -3+....... ①U (z )=D(z)We -1-2

1-2z +z

经过两拍之后，输出量u (kT )=u [(k -1)T ]+T

Tz -1

=2Tz -2+3Tz -3+4Tz -4+5Tz -5....... 系统输出量C (z ) =Φ(z )R (z )=(2z -z )⋅-12

1-z -1

-2

经过两拍后，输出量c (kT )=r (kT )

②系统输出量：

2. 4(z -1-z -2+0. 25z -3)Tz -1

C (z ) =Φ(z )R (z )=⋅=2. 4Tz -2+2. 4Tz -3+3. 4Tz -4+2. 56Tz -5....... -2-3-12

1-0. 6z +0. 2z 1-z 当参数变化时，系统的性能变坏，输出的响应不理想，说明最少拍系统对被控对象模型

参数的变化适应性较差。

e -s

（8）本题的被控对象传递函数改为W d (s ) =

(s +1)(s +2)

(1-e -T /T )(1-e -T /T z -1)(1-e -T /T 2z -1) 12. 92(1-e -1/2T )(1-0. 607z -1)(1-0. 368z -1)

D (z ) ==

K (C 1+C 2z -1)(1-e -T /T z -1-(1-e -T /T ) z -N -1) (1+4. 6337z -1)(1-e -1/2T z -1-(1-e -1/2T ) z -3)

1

(9)

u

(k ) =2-4e (k ) -u (k -1) -u (k -2)

程序略。

第7章

1．填空题

(1) 空间感应的干扰，过程通道的干扰，电源系统的干扰，地电位波动的干扰，反射波的干扰

(2) 直接耦合方式，公共阻抗耦合方式，电容耦合方式，电磁感应耦合方式，辐射耦合方式，漏电耦合方式

(3) 指令冗余技术，软件陷阱技术，辨别上电方式，系统的复位处理，Watchdog 技术 (4) 交流地，系统地，安全地，数字地，模拟地

(5) 光电隔离，继电器隔离，变压器隔离，采用双绞线作信号线

2．选择题

(1) C (2) D (3) A (4) D (5) D 3．简答题

(1) 常用的硬件抗干扰措施有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、采用双绞线作信号线、屏蔽RAM 数据掉电保护等。

(2) 常用的软件抗干扰措施有指令冗余技术，软件陷阱技术，辨别上电方式，系统的复位处理，Watchdog 技术等。

(3) 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内，以光为媒介传输信号的器件，其输入和输出在电气上是隔离的，所以抗干扰能力很强。

不能共用电源，保证计算机与现场仅有光的联系，切断干扰通路，也避免形成地环流。 (4) 所谓软件陷阱，就是当PC 失控，造成程序“乱飞”而进入非程序区时，在非程序区设置一些拦截程序，将失控的程序引至复位入口地址0000H 或处理错误程序的入口地址ERR ，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。

软件陷阱一般在未使用的中断向量区、未使用的EPROM 空间、表格、运行程序区，另外在进行RAM 的数据读写之前，测试RAM 读写通道的畅通性，可以通过编写陷阱实现。

(5) 所谓指令冗余技术是指在程序的关键地方人为地加入一些单字节指令NOP ，或将有效单字节指令重写，当程序“跑飞”到某条单字节指令上，就不会发生将操作数当作指令来执行的错误，使程序迅速纳入正轨。常用的指令冗余技术有两种：NOP 指令的使用和重要指令冗余。 4．设计题

(1)

ORG 0000H AJMP START

START: MOV A, SP

CJNE A, ＃07H, LOOP ;SP 不为07H 则转移 LJMP START0 ; 转向系统初始化入口 LOOP: LJMP ERR

(2)

ORG 0000H AJMP START

START: MOV A,50H

CJNE A,#55H,LOOP MOV A,51H

CJNE A,#0AAH,LOOP LJMP ERR

LOOP: MOV 50H,#55H

MOV 51H,#0AAH LJMP START0

(3)

MOV R7,#3 MOV DPTR,#0DF00H

AGAIN: MOV A,#80H

MOVX @DPTR,A

; 转向出错程序处理

;50H 中不为55H 则转 ;51H 中不为AAH 则转 ; 转向出错处理程序

; 转向系统初始化入口

;R7为计数器

; 输出端口地址DF00H ; 闭合接点

LCALL DELAY20ms

MOVX A,@DPTR

JB ACC.7,NEXT

MOV A,#00H

MOVX @DPTR,A

LCALL DELAY5ms

DJNZ R7,AGAIN

LJMP ERROR

NEXT:

; 输入端口地址DF00H ; 检测状态 ; 释放接点 ; 转故障处理

第8章

1．填空题

(1) 安全可靠

(2) 备份工作方式，主从工作方式，双工工作方式，分级分布式控制方式

(3) 定时事件，随机事件

(4) 系统软件，应用软件

(5) 实时性，针对性，灵活性和通用性，可靠性

2．选择题

(1) D (2) C (3) D (4) A (5) B

3．简答题

(1) 安全可靠，操作维护方便，实时性强，通用性好、便于扩充，经济效益高

(2) 选择控制系统的结构和类型，选择检测元器件，选择执行机构，选择输入/输出通道及外围设备，可靠性设计，分配硬件和软件的功能

(3)

① 输送源程序到存储器，或者通过面板操作来监视程序执行情况；

② 打印、显示中间结果或最终结果；

③ 根据工艺要求，修改一些检测点和控制点的参数及给定值；

④ 设置报警状态，选择工作方式以及控制回路等；

⑤ 完成系统控制的各种状态切换；

⑥ 完成手动—自动无扰动切换；

⑦ 完成各种画面显示。

(4) 实时性，针对性，灵活性和通用性，可靠性

(5) 当键未按下时，所有输出端均为高电平。当有键按下后该键的BCD 码将出现在输出线上。例如，按下“7”键时，与键7相连的一个二极管导通，所以D 线上为低电平，A ，B ，C 仍为高电平，因此输出编码为0111，其余依次类推。

当任何一个键按下时，四输入与非门74LS20产生一个高电平选通信号KEYSTROBE ，此信号经反相器后向80C51申请中断。

4．设计题

(1)

DISPLAY: MOV A,LED1 ; 取千位数

MOV DPTR,#SEGTABL

MOVC A,@A+DPTR ; 取显示码

MOV MOVX MOV MOV MOVX MOV MOV MOVC MOV MOVX MOV MOV MOVX MOV MOV MOVC MOV MOVX MOV MOV MOVX MOV MOV MOVC MOV MOVX MOV MOV MOVX RET DPTR,#7FFDH ; 送显示数据到PB 口 @DPTR,A A,#10H ; 显示千位 DPTR,#7FFEH @DPTR,A A,LED2 , 取百位数 DPTR,#SEGTABL A,@A+DPTR DPTR,#7FFDH @DPTR,A A,#20H ; 显示百位 DPTR,#7FFEH @DPTR,A A,LED3 ; 取十位数 DPTR,#SEGTABL A,@A+DPTR DPTR,#7FFDH @DPTR,A A,#40H ; 显示十位数 DPTR,#7FFEH @DPTR,A A,LED4 ; 取个位数 DPTR,#SEGTABL A,@A+DPTR DPTR,#7FFDH @DPTR,A A,#80H ; 显示个位数 DPTR,#7FFEH @DPTR,A

(2) 设计思路

在初始化程序中，设置T 0工作在方式2（自动恢复常数）外部计数方式，定时器TH 0、TL 0初值均为0FFH ，并允许T 0中断，8155初始化设置PB 口PA 口为输出方式，PC 口为输入方式。

在键盘有按键按下时，定时器T 0产生中断，转到其中断矢量入口地址，转去查询是否确实有键按下，矩阵式键盘的行线由PC 提供，键盘的列线由PA 口提供，当判断确有按键按下时，判断出按键并将按键编码送到缓冲区。(参考第3章程序)

图中LED 采用共阴极方式，4个显示器的段选码由8155的PB 口提供，位选码由8155的PA 口提供，LED 采用动态扫描方式。(参考第3章程序)

(3) 设计思路

将水位上限值和下限值保存在两个存储单元内，再设置一个电动机工作模型单元，当检测到水位低于下限水位时，或检测到水位高于上限水位时，将对应的标志位置1，若检测到水位在正常范围，则不置位两个标志位。再根据电动机工作模型单元的状态，输出控制信号

使电动机供水或停止供水。也就是说，检测元件正常时，两个标志位出现的状态为：两位都是0，或者有一位为0，一位为1。若电动机工作模型单元的两个标志位均置1，也即既要停止供水，又要让电动机供水，说明检测元件失灵，输出报警信号报警。

(4) 设计思路

该交通灯的工作规律为，状态0：南北方向通行，绿灯亮30s ，而东西方向红灯亮30s ；状态1：南北方向绿灯熄灭，黄灯闪烁2s ，东西方向仍亮红灯；状态2：南北方向亮红灯20s ，东西方向亮绿灯20s ；状态3：东西方向绿灯熄灭，而黄灯闪烁2s ，南北方向仍然亮红灯。系统按照此顺序循环工作。这四个工作状态可以编写4个子程序，单片机循环调用这4个子程序。

程序工作流程：先对用到的寄存器、存储器和中断入口地址等进行初始化，比如初始化东西南北显示时间寄存器，定时器和外部中断入口地址等，南北亮绿灯，同时显示还剩32秒，东西亮红灯，同时显示32秒；判断南北时间是否到，如果由绿灯变为黄灯，显示时间2秒，东西红灯不变；继续判断黄灯的显示时间是否到，如果由黄灯变为红灯，显示时间22秒，同时判断红灯显示时间是否到，如果由红灯变为绿灯，显示时间为30秒，之后周而复始。