微型计算机控制系统习题总结精华

1、计算机控制系统的基本框图，并说明各部分的工作。

2、计算机控制系统的典型形式有哪些？说明其优缺点。

①操作指导控制系统

优缺点：结构简单，控制灵活安全，特别适用于未摸清控制规律的系统，常常被用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调试新的程序等，由于最终需要人工操作，故不适用于快速过程的控制。

②直接数字控制系统

优缺点：DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的PID调节，而且不需要改变硬件，只需要通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。

③监督计算机控制系统

优缺点：SCC能进行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工作。SCC 出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。

④分级计算机控制系统

优缺点：功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。

3、计算机监督系统SCC中，SCC计算机的作用？

在SCC系统中计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。

4、DDC系统的最大优点是什么？

DDC最大的优点是从参数的采集、传输到控制等各个环节采用数字控制功能来实现。

5、计算机与外部的通信方式分为哪两种，区别是什么？各自的特点？

并行通信和串行通信

并行通信，传送速度快、信息率高。并且，通常只要提供二条控制和状态先，称为握手信号线，就能完成CPU 和接口设备之间的协调、应答，实现异步传输。不适合长距离、多数位的传送。

串行通信，数据按位进行传送的。在传输过程中，每一位数据都占据一个固定的时间长度，一位一位的串行传送和接受。

6、串行通信从数据传输方向来分，分为哪两种？说明各自的特点？

全双工和半双工方式

全双工，有二根数据线，串行接口可以同时输入和输出数据，计算机可同时发送和接受数据。传输效率高

半双工，串行接口和外围设备间除公共地线外，只有一根数据传输线，某一时刻数据只能一个方向传送。信息传输效率低些。

7、串行通信从数据格式来分，分为哪两种？说明各自的特点？

同步通信和异步通信

同步通信，将许多字符组成一个信息组，通常称为信息帧。在每帧信息的开始加上同步字符，接着字符一个接一个地传输（在没有信息要传输时，要填上空字符）

异步通信，每个字符在传输时，由一个“1”跳变到“0”的起始位开始，其后是5到8个信息位(也称字符位)，信息位由低到高排列，即第一位为字符的最低位，最后一位为字符的最高位。其后是克选择的奇偶校验位，最后为“1”的停

止位，停止位为1位，2

11位或者2位。如果传输完一个字符位后立即传输下一个字符，那么后一个字符的起始位就紧挨着前一个字符的停止位了。字符传输前，输出线为“1”状态，称为标识态，传输一开始，输出线状态由“1”变为“0”状态，作为起始位。传输完一个字符之后的间隔时间输出线又进入标识态。

8、I/O 信号的种类。

数据信息、状态信息、和控制信息类

9、设置I/O 接口电路的必要性

①解决主机CPU 和外围设备之间的时序配合和通信联络问题

②解决CPU和外围设备之间的数据格式转换和匹配问题

③解决CPU的负载能力和外围设备端口选择问题

10、I/O控制方式分为哪几种？简述各自的特点？

程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取方式

DMA I/O方式是不经CPU，而在外设和存储器之间直接高速交换数据

11、I/O接口与存储器的独立编址和统一编址方式？两者的区别？

独立编址，将存储器地址空间和I/O接口地址空间分开设置，互不影响。

统一编址，不区分存储器地址空间和I/O接口地址空间，把所有的I/O接口的端口都当作是存储器的一个单元对待，每个接口芯片都安排一个或几个与存储器统一编号的地址号。

12、中断优先级的处理方式有哪几种？简述其特点。

①软件查询方式，使用软件查询时要借助于简单的硬件电路，先查询的设备优先权最高，最后查询的设备优先权最低。

②雏菊链法，在每个外围设备对应的接口上连接一个逻辑电路，这些逻辑电路构成一个链。越靠近CPU的接口，优先级越高

专用硬件方式

③用中断控制器来进行中断优先级管理。

13、什么是最短响应时间？

某台设备相邻两次请求服务的最短间隔时间。

14、DMA方式的含义？

直接存储器存取方式，不经CPU，而在外设和存储器之间直接高速交换数据。

15、由于计算机只能接收数字量，所以在模拟量输入时需经什么器件转换？

A/D转换器

16、若系统欲将一个D/A转换器输出的模拟量参数分配至几个执行机构，需要接入什么器件完成控制量的切换工作

输出保持器、多路切换开关、低通滤波器、功放电路。

17、简要说明多路开关的主要特点和作用。

在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器，也称多路选择器或多路开关。

18、光电隔离器的作用是什么？

以光为媒介传输电信号。对输入、输出电信号有良好的隔离作用

19、模拟量输入通道包括的基本部分？

信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、A/D 转换器、控制电路

20、并行D/A 转换器的工作原理？解释T 型电阻网络的“按权展开，然后相加”。 数字量是由一位一位的数位构成的，每个数位都代表一定的权。为了把数字量转换为模拟量，必须把每一位的代码按其权的大小转化成相应的模拟量，再把代表各位的模拟量想家，这样，得到的总得模拟量就与数字量成正比的模拟量，实现了D/A 转换

T 型网络只用两种数值的电阻R 和2R 组成，该电路的特点是，任何一个节点的三个分支的等效电阻是相等的，该电路为线性网络，可以用叠加原理。

21、DAC0832的三种工作方式，其两种输出方式：单极性电压输出和双极性电压输出的区别，电路上连接方式的不同？写出相应的电压公式。并分析两者的电压输出值和模拟量之间的关系。

22、D/A 的分辨率。

表示当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。它反映了计算机数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。对于一个N 为的D/A 转换器其分辨率为 分辨率=满刻度值/N 2，其单位为V/步

23、一个10位的A/D 转换器，若要求转换的精度为%，孔径时间为10us,则被允许的正弦波模拟信号的最大频率为多少HZ ？ 100*t 2f /D A πσ=

，σ转换精读 D A /t 孔径时间 Hz s

1610*10*10*21.0f 26≈=-π 24、孔径时间的定义？

完成一次A/D 转化所需要的时间

25、A/D 转换器的工作原理分为哪3种？简述各自的工作原理和特点。

①计数器式A/D 转换器

由计数器、D/A 转换器、比较器组成。计数器先清0，启动后对脉冲计数，

计数器输出经D/A 转换器后输出的电压U 与模拟输入电压i U 进行比较，边计数边比较，当i U U =0时，比较器送出转换结束信号，停止计数，此时计数器的输出，即为被转换的模拟电压信号i U 所对应的数字量。

这种电路的特点是结构简单，价格便宜，但是转换过程是计一个数比较一次的，转换速度比较慢，目前已很少采用

②双积分式A/D 转换器

主要部件有积分器、比较器、计数器、标准电压源。

一开始，电路对输入的未知模拟量进行固定时间的积分，然后转接为对标准电压进行反向积分，反向积分到一定时间，便返回起始值。可以看出，对标准电压进行反向积分的时间T 正比于输入模拟电压，输入模拟电压越大，反向积分所需时间越长。因此，只要用标准的高频时钟脉冲测定反向积分花费的时间，就可以得到输入模拟电压所对应的数字量，即实现了A/D 转换

③逐次逼近式A/D 转换器

由N 位逐次逼近寄存器SAR 、D/A 转换器、比较器、置数选择逻辑电路等部分组成。

通过置数选择逻辑电路置SAR 的最高位为“1”其余位为“0”经D/A 转换器转换成的模拟电压0U 与输入模拟电压i U 在电压比较强进行比较，若i U ≥0U .则保留最高位“1”。若i U ≤0U 。则清除最高位为“0”。其次，置次高位为“1”，低位全为“0”。按上述步骤进行转化、比较和判断，决定次高位应取“1”还是“0”。

重复上述过程，知道确定了SAR 的最低位应取“1”还是“0”未知。此时SAR 的内容就是对应的输入模拟电压转换后的数字量。主次逼近就是对半搜索过程。

26、A/D 转换器的绝对精度和相对精度定义？如何具体计算？

绝对精读常用数字量的位数表示，如绝对精读为±1/2LSB,相对精读用相对于满量程的百分比表示。如蛮量程为10V 的8位A/D 转换器，其绝对精读为1/2*10/82=±,而8位A/D 的相对精读为1/2*100%≈%

27、EOC 是转换结束信号。CPU 和AD 转换器之间进行数据传送的3种方式为什么？并简述其方式。

①程序查询方式，就是在启动A/D 转换器工作以后没程序不断读取A/D 转换器结束信号，若检测到结束信号有效，则认为完成一次转换，即可用输入指令读取转换后数据。

②中断方式，即把A/D 转换器送出的转换信号（有时可能要外加一个反向器）作为中断申请信号，送到CPU 或中断控制器的中断请求输入端。

③固定的延迟程序方式，用这种方式，要预先精确地知道完成一次A/D 转换需要的时间。CPU 发出启动A/D 命令之后，执行一个固定的延迟程序，延迟时间正好等于或略大于完成一次A/D 转换所需的时间，延时到，即可读取数据。

28、常用的AD 转换的启动方式有哪两种？

电平启动和脉冲启动

29、10位AD 转换器的最低分辨率是多少？当基准电压为36V 时，最小转换电压为多少伏？

1/102,q=36*1/102V

30、复习书上的介绍的常用芯片及其有关的电路连接和程序片段

ADC0808/0809

31、简述共模干扰和长线干扰？

共模干扰是指同时加到计算机控制系统（如A/D 转换器）两个输入端上的公有的干扰电压，如，被控对象与主机之间往往有较长的距离，是通过过程通道将被测信号和主机连接起来的。被测信号端与主机的底线之间存在一定的电位差，这是引入共模干扰的重要原因

抑制共模干扰的措施：

①采用共模抑制比高的、双端输入的运算放大器

②采用光耦合器或隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开

③采用隔离放大器

31、用后向差分法以及零阶保持器法求取1()1D(s)()T s 1

U s E s ==+的差分方程。

后向差分法：

[])()1(u )(u )()()1()(T )1(-)()

t ()

()()()

()()()()()(du )

()(11

1)()()(1

111..1.11

11k e T T T k T T T k k e k u k u k u T

T k u k u u k e k u k u T kt e kt u kt u T T t e t u dt

t T s E s U s T s T s E s U s D ++-+==+---=+=+=+=++==整理得代入上式得替微分得用一阶后向差分近似代即离散上述微分方程的以采样周期化成微分方程：）有（由 零阶保持器法：

)

1()1()1()(u )

Z 1()Z 1()()

()()

z 1()z 1()

z 1)(1()1()1(]z 1111)[1(]11[)1()1(1)1(11e 1)(111111111//1/1

/1/1

/1/11

/11

/111

1111--+-=--==--=----=----=+--=??

????+-=??

????+-=-----------------------k e e k u e k e e k e k u k D e e e z Z e z e Z z T s s Z z s T s Z z s T s Z z D T T T T T T T T T T T T T T T T T T Ts 整理得

所以

33、信号的采样周期的确定，要注意哪些原则？

①必须满足采样定理要求。采样周期必须满足香农定理，即采样角频率max 2W W S ≥，max W 是被采样信号的最高角频率，因为T

W s π2=，所以，根据采样定理可以确定采样周期的上限值，m ax

W T π=。 ②从控制系统的隧洞和抗干扰的性能来看，则T 小些好。干扰频率越高，则采样频率最高愈好，以便实现快速跟随和快速一直干扰。

③根据被控对象的特性，快速系统的T 应取小，反之，T 可取大些。

④根据执行机构的类型，当执行机构动作惯性大时，T 应取大些。否则，执行机构来不及反应控制器输出值的变化

⑤从计算机的工作量及每个调节回路的计算成本来看，T 应选大些。T 大，对每一个控制回路的计算控制工作量相对减小，可以增加控制的回路数。

⑥从计算机能精确执行控制算式来看，T 应选大些。因为计算机字长有限，T 过小，偏差值e(k)可能很小，甚至为0，调节作用减弱，各微分、积分作用不明显。

34、PID 控制器的3个环节，以及各部分的作用。

积分、比例、微分

35、写出模拟PID 控制器的微分方程，传递函数表达式。

36、写出离散PID 控制器的差分方程

37、写出位置式PID 控制器和增量式PID 控制器的表达式。并说明各自的特点

位置式：)()()]

1()([)(e )()()]1()([)(e )()(k 0j k 0j 称为微分系数称为积分系数T T K K T T K K k e k e K j K k e K k u k e k e T T j T T k e K k u D

p D I p I D I p D I p ==

--++=????

??--++=∑∑==

增量式：)2()1()()(u )

1()()(u 210-+--=--=k e a k e a k e a k k u k u k △△ T

T K a T T K T T T T K D p D p D I p =+=++=210),21(a ),1(a （1）位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式要用过去偏差的累积值∑=k

j 0j )(e ，容易产生较大的积累误差。而增量式中只需计算增量，算式中不需要累加，控制增量的确仅与最近几次偏差采样值有关，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小，且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。

（2）增量式由于计算机只输出控制增量，所以误动作时影响小，且必要时可用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有利

（3）手动-自动切换时冲击比较小

38、请举出几种改进型的PID 控制器，并说明其算法原理。

防止积分整量化误差的方法

积分饱和及其防止方法

不完全微分的PID 算法

纯滞后的补偿算法

微分先行的PID 算法

带死区的PID 控制

二自由度PID 控制

39、请举出两种PID 参数整定方法。

试凑法、归一参数整定法

40、已知模拟PID 控制器的传递函数为()1+0.17s D(s)()1+0.085s

U s E s =

=，请写出相应的位置式和增量式控制算式，设采样周期T=。

41、史密斯预估补偿器的控制原理？请画出带史密斯预估器的控制系统框图。

与D(s)并接一补偿环节)1)((s p τ--e s G ，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个环节成为预估器

42、例、已知被控对象的传递函数为1G(s)s+1

s e -=

，采样周期为T=1s 。要求：采用smith 预估补偿器，求取控制量u(k)。

43、数字控制器的直接设计法的设计步骤是什么？

①求得带零阶保持器的被控对象的广义脉冲传递函数G(z)。

②根据系统的性能指标要求以及实现的约束条件构造闭环Z 传递函数φ(z)。 ③根据)

(1)()(1)(z z z G z D φφ-=确定数字控制器的传递函数D(z)。 ④由D(z)确定控制算法并编制程序。

44、广义对象的传递函数为21110.368(10.718)()(1)(10.368)

Z Z G Z Z Z ----+=--： 1，请说明最小拍有波纹控制器的设计步骤，2.写出根据性的闭环传递函数φ（Z ）和φe(Z)。、

45、设被控对象的传递函数为21G(s)s

=，采样周期为1s 。采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，请设计最少拍有波纹控制器D(z)；并计算控制量u(k)。

46、设被控对象的传递函数为10G(s)s(s+1)(0.1s+1)

=，采样周期为。采用零阶保持器，针对单位阶跃输入函数，请设计最少拍有波纹控制器D(z)；并计算控制量u(k)。

47、设被控对象的传递函数为10G(s)s(s+1)(0.1s+1)

=，采样周期为。采用零阶保持器，针对单位阶跃输入函数，请设计最少拍无波纹控制器D(z)；并计算控制量u(k)。

48、大林算法的设计原理？

以大林算法为模型的数字控制器，使闭环系统否认特性为具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。 此时，系统的闭环传递函数为s e T s ττ

-+=1s 1)(φ

系统的闭环脉冲传递函数为1/1

/s z e 1)1(]1s 1[)(---------=+-=τττ

τT T N T T Ts z e T e s e Z z D 因此，数字控制器的传递函数为

1/1//1)1(z 1)1()(1)

(1)

()(1)(------------=-=N T T T T T T N z e e e z z G z z z G z D τττφφ

49、已知被控对象的传递函数为1G(s)s+1

s e -=，采样周期为T=1s 。要求：采用大林算法设计数字控制器，求取控制量u(k)。

50、振铃现象？简述振铃现象产生的原因，以及消除的方法。

控制量以1/2的采样频率（即二倍采样周期）振荡的现象称为“振玲”。这种振荡一般是衰减的

令产生振铃现象的极点（左半平面上接近-1的极点）的因子中的z=1,就可以消除振铃现象，根据终值定理，系统的稳态输出可保持不变。

51、比较和分析振铃现象和最少拍有波纹的异同点。

52、简述几种数字滤波方法以及其原理。

①算数平均值滤波，把n 次采样值进行相加，然后取其算数平均值为本次采

样值。

②中值滤波，对某一个被测参数连续采样N 次（一般N 取奇数），然后把N 次的采样值从小到大（或从大到小）排队，再取中间值为本次采样值。

③一阶滞后滤波，对于快速随机变化参数，采用短时间内连续采样求平均值的方法，其滤波效果不太好，在这种情况下，通常采用动态滤波方法，如一阶滞后滤波方法，其表达式为

1)1(y -+-=k k k ay x a

④程序判断滤波，将两次采样数据进行比较，求出差值，如果差值大于最大允许偏差，则表明本次采样数据是干扰所致，应该舍去，如果偏差小于最大允许偏差，则本次采样数据有效，说明无干扰或干扰不严重，在允许范围内，在程序判断滤波中最大允许偏差的确定十分重要，可根据被控对象的实际情况来选择，或经理论分析计算来确定。

53、线性插值原理是什么？

输入x 和输出y 之间存在非线性函数关系y=f(x),当我们已知某一输入值x 后，要想求出其对应的输出值y 并不容易。我们可将该非线性关系的曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻两分段点间用直线连接起来，用此直线代替相应的曲线，即可很方便求出任意一输入值x 所对应的输出值y 。