计算机控制作业答案解析

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：
Hz t f D A 4.6100
1010014.324.010026/=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯=-πσ
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－R0；R0：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： )2
(1n ref out D V V -= V out2为双极性输出，且可推导得到： )12()(
1123132-=+-=-n ref out ref out D V V R R V R R V
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 u0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。

补充题4. 求惯性环节的差分方程。

解：由
有
化成微分方程：
以采样周期离散上述微分方程得
即
用一阶后向差分近似代替得：
代入上式得
整理得
课本(p.144)题2. 某系统的连续控制器设计为：
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。

)1()2()1()2()2)(()2)(()1()2()2)(()1()2()2)((21121122-----++=+--++=--++k u T T k e T T T T k e T T k u k e T T T T k e k u T T T T k u
课本(p.144)题4.
课本(p.144)题5.
课本(p.144)题7.
课本(p.144)题9.
课本(p.144)题11. 被控对象的传递函数为
()s c e s G -=1 采样周期T=1s ，要求：
(1)采用Smith 补偿控制，求取控制器的输出()k u ； (2)采用大林算法设计数字控制器()z D ，并求取()k u 的递推形式。

(1)采用Smith 补偿控制 广义对象的传递函数为
()()()()
()s P s s
s Ts C C e s HG e s s e s e s e s G s H s HG -----∙=∙+-=+∙-==11110
()()[](
)()(
)()
11
11
11111-------=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∙+-==z a z b z e s s e s D z D L
s s τττZ Z 其中S T t
L e b e e
a T T
1,1,1,11111
===
-===---τ
则()()()()
1
2
13679.016321.0-----==z z z z E z U z D τ ()()()
()z E z z z U z z U 2116321.03697.0----=-
()()()()13679.026321.016321.0-+---=k u k e k e k u
(2)采用大林算法设计数字控制器
取T=1S,1=τ,K=1,T 1=1,L=T /τ=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
()(
)212
201111--------=
⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∙-=e z e z s T e s
e z G LTs Ts B Z
广义被控对象的脉冲传递函数为
()()
(
)1
11211111111111--------=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+∙-=e z e z s s z z e s T K s e z HG --LTs sT C Z Z
则
()()()()[]()
()()[
]
(
)
(
)(
)
()[]
()()()()[]
()()()()[]
211
2
1
1
2
2
2
11
2
1
12
2211
112
2
22
221228647.01353.015033.03680.11353.011353.013679.011353.013679.0111111111111111---------------------------------=
------=
------=
------=----=-=z z z z z z z e e z e e e z e
z e z e z e z e z e z e z z HG e z z G z HG z G z D C B C B 又()()()
z E z U z D =
则()()()()()z E z z E z U z z U z z U 1215033.03680.18647.01353.0----=-- 上式反变换到时域，则可得到
()()()()()28647.011353.015033.03680.1-+-+--=k u k u k e k e k u
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。

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。