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2024年5月9日发(作者:)
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。
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.
(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.
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.
(2)硬盘:IDE,SATA,SCSI,内部并行总线.
(3)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.
(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
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
(+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.
(3) 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: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。
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/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
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.
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 。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 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 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)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:
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:
f
2
t
A/D
100
0.4
6.4Hz
23.1410010
6
100
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=R
P
注意平衡高低电平的抗干扰能力
始端电阻匹配: R=R
P
-R
0
;R
0
: 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,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:V
out1
为单极性输出,若D为输入数字量,V
ref
为基准参考电压,且为n位D/A转换器,
则有:
V
out1
V
out2
为双极性输出,且可推导得到:
R
3
R
3
D
V
out2
(V
ref
V
out1
)V
ref
(
n1
1)
R
1
R
2
2
D
V
ref
(
n
)
2
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
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 u
0
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
D(s)
补充题4. 求惯性环节 的差分方程。
Ts1
U(S)1
1
解:由
D
(
s
)
E(S)T
1
s1
有
s
1)U(s)E(s)(T
1
化成微分方程:
T
1
du(t)
u(t)e(t)
dt
以采样周期离散上述微分方程得
T
(
kT
)
u
(
kT
)
e
(
kT
)
即
1
u
(k)u(k)e(k)T
1
u
用一阶后向差分近似代替得:
)
u
(
u
(
k
u
(
k
1
)
代入上式得
t)
T
整理得
T
1
[u(k)u(k1)]u(k)e(k)
T
u(k)
T
1
T
u(k1)e(k)
TT
1
TT
1
1T
1
s
D(s)
课本(p.144)题2. 某系统的连续控制器设计为:
1T
2
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
D(z),
并分别
给出3种方法对应的递推控制算法。
u(k)(T2T
2
)(T2T
2
)u(k1)e(k)(T2T
1
)(T2T
1
)e(k1)
u(k)(T2T
2
)e(k)(T2T
1
)(T2T
1
)e(k1)(T2T
2
)u(k1)
课本(p.144)题4.
课本(p.144)题5.
课本(p.144)题7.
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T
τ
以及他们的
比值T
τ
/τ
课本(p.144)题9.
课本(p.144)题11.
被控对象的传递函数为
G
c
s
1
e
s
s1
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
1e
Ts
e
s
1e
s
HG
C
s
H
0
s
G
C
s
••e
s
HG
P
s
•e
s
ss1s
s1
1
1e
s
bz
D
z
Z
D
s
Z
•
1e
s
1z
L
1
1
1a
1
z
s
s1
其中
a
1
e
T
T
1
e
1
,b
1
1e
1
,L
t
1,T1S
U
z
0.6321z
1
z
2
则
D
z
E
z
10.3679z
1
U
z
0.3697z
1
U
z
0.6321z
1
z
2
E
z
u
k
0.6321e
k1
0.6321e
k2
0.3679u
k1
(2)采用大林算法设计数字控制器
取T=1S,
1
,K=1,T
1
=1,L=
/T
=1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数T
0
=0.5S
则期望的闭环系统的脉冲传递函数为
1e
Ts
e
LTs
z
2
1e
2
G
B
z
Z
•
12
T
0
s1
1ze
s
广义被控对象的脉冲传递函数为
1e
sT
K1
z
-2
1e
1
LTs
1-1
1
HG
C
z
Z
•e
1z
zZ
11
1T
1
s
s1s
1ze
s
则
G
B
z
z
2
1e
2
z
2
1e
2
D
z
21222
HG
C
z
1G
B
z
HG
C
z
1zez1ez1e
1
1222
1zez1e
1z
1
e
1
1ze
1e
1e
1ze
1e
z
10.3679z
10.1353
10.3679
10.1353z
10.1353
z
112
11222
1
12
1.36800.5033z
1
10.1353z
1
0.8647z
2
U
z
又
D
z
E
z
则
U
z
0.1353z
1
U
z
0.8647z
2
U
z
1.3680E
z
0.5033z
1
E
z
上式反变换到时域,则可得到
u
k
1.3680e
k
0.5033e
k1
0.1353u
k1
0.8647u
k2
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74LS244与74LS273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。
输
74LS244
1A1 1Y1
1A2 1Y2
1A3 1Y3
1A4 1Y4
1A5 1Y5
1A6 1Y6
1A7 1Y7
1A8 1Y8
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
入
接
口
总
线
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。
PC
总
线
74LS273
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D1 Q1
D2 Q2
D3 Q3
D4 Q4
D5 Q5
D6 Q6
D7 Q7
D8 Q8
CLK CLR
输
出
接
口
CS
IOW
RESET
图
2.2
数字量输出接口
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