第一章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述習(xí)題及參考答案 1. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程是怎樣的? 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程可歸納為以下三個(gè)步驟： (1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并輸入給計(jì)算機(jī)。 (2) 實(shí)時(shí)決策：對(duì)采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制 過(guò)程。 (3) 實(shí)時(shí)控制：根據(jù)決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。 3. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？ 由四部分組成。圖 1.1 微機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 (1) 主機(jī)：這是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)接口它可以向系統(tǒng)的各個(gè)部分發(fā)出各種命令，同時(shí)對(duì) 被控對(duì)象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及處理。主機(jī)的主要功能是控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，按控制規(guī)律進(jìn)行各種 控制運(yùn)算 ( 如調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)算、 最優(yōu)化計(jì)算等 ) 和操作，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果作出控制決策；對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督， 使之處于最優(yōu)工作狀態(tài)；對(duì)事故進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警；編制生產(chǎn)技術(shù)報(bào)告，打印制表等等。 (2) 輸入輸出通道：這是微機(jī)和生產(chǎn)對(duì)象之間進(jìn)行信息交換的橋梁和紐帶。過(guò)程輸入通道把生產(chǎn)對(duì)象的 被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成微機(jī)可以接收的數(shù)字代碼。
過(guò)程輸出通道把微機(jī)輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成可以對(duì) 生產(chǎn)對(duì)象進(jìn)行控制的信號(hào)。過(guò)程輸入輸出通道包括模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量輸入輸出通道。 (3) 外部設(shè)備：這是實(shí)現(xiàn)微機(jī)和外界進(jìn)行信息交換的設(shè)備，簡(jiǎn)稱外設(shè)，包括人機(jī)聯(lián)系設(shè)備( 操作臺(tái) ) 、輸 入輸出設(shè)備 ( 磁盤驅(qū)動(dòng)器、 鍵盤、 打印機(jī)、 顯示終端等 ) 和外存貯器 ( 磁盤 ) 。其中操作臺(tái)應(yīng)具備顯示功能， 即根據(jù)操作人員的要求，能立即顯示所要求的內(nèi)容；還應(yīng)有按鈕，完成系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺(tái)還 要保證即使操作錯(cuò)誤也不會(huì)造成惡劣后果，即應(yīng)有保護(hù)功能。 (4) 檢測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu) a. 測(cè)量變送單元：在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了收集和測(cè)量各種參數(shù)，采用了各種檢測(cè)元件及變送器，其主 要功能是將被檢測(cè)參數(shù)的非電量轉(zhuǎn)換成電量，例如熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換成mV信號(hào)；壓力變送器可以把壓 力轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，這些信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)(0 ～5V 或 4～20mA)后，再送1 入微機(jī)。 b. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：要控制生產(chǎn)過(guò)程，必須有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是微機(jī)控制系統(tǒng)中的重要部件，其功能是根據(jù)微機(jī) 輸出的控制信號(hào)，改變輸出的角位移或直線位移，并通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流量或能量，使生產(chǎn) 過(guò)程符合預(yù)定的要求。
例如，在溫度控制系統(tǒng)中，微機(jī)根據(jù)溫度的誤差計(jì)算出相應(yīng)的控制量，輸出給執(zhí) 行機(jī)構(gòu) ( 調(diào)節(jié)閥 ) 來(lái)控制進(jìn)入加熱爐的煤氣( 或油 ) 量以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的溫度值。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、液動(dòng) 和氣動(dòng)等控制形式，也有的采用馬達(dá)、步進(jìn)電機(jī)及可控硅元件等進(jìn)行控制。 5. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？ 微機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)： a. 控制規(guī)律靈活多樣，改動(dòng)方便 b. 控制精度高，抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制 c. 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，控制效率高 d. 控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度 6. 操作指導(dǎo)、 DDC和 SCC系統(tǒng)工作原理如何？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？ (1) 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課后答案，計(jì)算機(jī)的輸出不直接作用于生產(chǎn)對(duì)象，屬于開(kāi)環(huán)控制 結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型、控制算法對(duì)檢測(cè)到的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行處理，計(jì)算出各控制量應(yīng)有的較合 適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時(shí)計(jì)算機(jī)就起到了操作指導(dǎo)的作用。其原理框圖如圖1.2 所示。圖 1.2 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖 (2) 直接數(shù)字控制系統(tǒng) (DDC系統(tǒng) ) ：DDC( ) 系統(tǒng)就是通過(guò)檢測(cè)元件對(duì)一個(gè)或多個(gè) 被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，經(jīng)輸入通道送給微機(jī)，微機(jī)將檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再進(jìn)行控制運(yùn)算，然后通過(guò)輸出通道控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課后答案，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達(dá)到預(yù)定的要求。
DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機(jī)在 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍的一種應(yīng)用形式。其原理框圖如圖1.3 所示。圖 1.3 DDC 系統(tǒng)原理框圖 (3) 計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng) (SCC系統(tǒng) ) ：SCC( ) 系統(tǒng)比 DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn) 變化的實(shí)際情況，因?yàn)樵贒DC系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)只是代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，系統(tǒng)不能運(yùn)行在最佳狀態(tài)，2 而 SCC系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行給定值控制，并且還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。SCC系 統(tǒng)的原理框圖如圖1.4 所示。圖 1.4 SCC 系統(tǒng)原理框圖 SCC是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。3第二章 輸入輸出過(guò)程通道習(xí)題及參考答案 1. 什么是過(guò)程通道？過(guò)程通道有哪些分類？ 過(guò)程通道是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。 按信息傳遞的方向來(lái)分，過(guò)程通道可分為輸入過(guò)程通道和輸出過(guò)程通道；按所傳遞和交換的信息來(lái)分， 過(guò)程通道又可分為數(shù)字量過(guò)程通道和模擬量過(guò)程通道。 2. 數(shù)字量過(guò)程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？ 數(shù)字量過(guò)程通道包括數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。
數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定時(shí)計(jì)數(shù)電路 等組成。數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出口地址譯碼電路等組成。其中：輸入 調(diào)理電路將來(lái)自控制裝置或生產(chǎn)過(guò)程的各種開(kāi)關(guān)量，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高、低 電平，同時(shí)還要考慮對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、保護(hù)、消除觸點(diǎn)抖動(dòng)，以及進(jìn)行信號(hào)隔離等問(wèn)題。 5. 模擬量輸入通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？ 模擬量輸入通道一般由I/V 變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D 轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯電路組成。 (1)I/V 變換：提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳遞過(guò)程中的抗干擾能力，減少了信號(hào)的衰減，為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行 機(jī)構(gòu)匹配提供了方便。 (2) 多路轉(zhuǎn)換器：用來(lái)切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。 (3) 采樣保持器： A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次A/D 轉(zhuǎn)換總需要一定的時(shí)間。在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，希望輸入信 號(hào)不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在A/D 轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。 (4)A/D 轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這一任務(wù)的器件，稱為之模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器 (/ ，簡(jiǎn)稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC)。
9.A/D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)有什么作用？根據(jù)該信號(hào)在I/O 控制中的連接方式， A/D 轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？ 它們?cè)诮涌陔娐泛统绦蛟O(shè)計(jì)上有什么特點(diǎn)？ A/D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)的作用是用以判斷本次AD轉(zhuǎn)換是否完成。 常見(jiàn)的 A/D 轉(zhuǎn)換有以下幾種控制方式，各自特點(diǎn)如下 ?延時(shí)等待法 :EOC可不和 I/O 口連接，程序設(shè)計(jì)時(shí)，延時(shí)大于ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間后，取數(shù)據(jù)。 ?保持等待法 :EOC與 READY相連 ,EOC無(wú)效時(shí) , 自動(dòng)插入等待狀態(tài)。直至EOC有效時(shí)，取數(shù)據(jù)。 ?查詢法 : EOC可以和任意 I/O 口連接，程序設(shè)計(jì)時(shí)， 反復(fù)判斷 EOC是否有效， 直至 EOC有效時(shí)， 取數(shù)據(jù)。 ?中斷響應(yīng)法 : EOC 與外部中斷相連， AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后 , 發(fā)中斷申請(qǐng) , 在中斷服務(wù)程序中取數(shù)據(jù)。 11. 設(shè)計(jì)出 8 路模擬量采集系統(tǒng)。請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編寫相應(yīng)的8 路模擬量數(shù)據(jù)采集程序。 本例給出用 8031、設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例。4 把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi)RAM的 30H~37H單元中。采樣完一遍后停止采集。其數(shù)據(jù)采集的 初始化程序和中斷服務(wù)程序如下： 初始化程序： MOVR0，#30H；設(shè)立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)指針MOV R2，#08H；設(shè)置 8 路采樣計(jì)數(shù)值SETB IT0；設(shè)置外部中斷 0 為邊沿觸發(fā)方式SETB EA；CPU開(kāi)放中斷 SETB EX0；允許外部中斷0 中斷MOV DPTR ，#FEF8H；送入口地址并指向： MOVX @DPTR，A；啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換， A 的值無(wú)意義HERE： SJMP HERE；等待中斷 中斷服務(wù)程序：MOVX A ，@DPTR；讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量MOV @R0 ，A；存入片內(nèi) RAM單元INC DPTR；指向下一模擬通道INC R0；指向下一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元DJNZ R2 ，INT0；8 路未轉(zhuǎn)換完，則繼續(xù)CLR EA；已轉(zhuǎn)換完，則關(guān)中斷CLR EX0；禁止外部中斷0 中斷RETI；中斷返回 INT0 ： MOVX @DPTR，A；再次啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換RETI；中斷返回 12. 模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？ 模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換器、功率放大和V/I 變換等信號(hào)調(diào)理電路組成。
(1)D/A 轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換器 (/ , 簡(jiǎn)稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或 DAC)。它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置。 (2)V/I 變換：一般情況下， D/A 轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓信號(hào)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中， 當(dāng)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)， 為了便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，減少由于傳輸帶來(lái)的干擾和衰減，需要采用電流方式輸出模擬信號(hào)。許多5 標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是采用0～ 10mA或 4～20mA的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。因此，需要將模擬 電壓信號(hào)通過(guò)電壓 / 電流(V/I)變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。 13. 采用 和 PC總線工業(yè)控制機(jī)接口。請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編寫產(chǎn)生三角波、梯形波和鋸 齒波的程序。 設(shè)計(jì)一八路數(shù)據(jù)采集及其回放系統(tǒng)。要求八路數(shù)據(jù)巡回檢測(cè)， 存儲(chǔ) 10 組數(shù)據(jù)，輸數(shù)據(jù)為電壓信號(hào)（0-5V ）， 檢測(cè)精度
