计算机控制答案

第三章 微机数控系统

习题及参考答案

1. 什么是数控系统？数控系统包括哪些？

数控系统是采用数字电子技术和计算机技术，对生产机械进行自动控制的系统，它包括顺序控制和数字程序控制两部分。

2. 什么是顺序控制系统？它由哪几部分组成？

微机顺序控制方式是指以预先规定好的时间或条件为依据，按预先规定好的动作次序顺序地进行工作。一般地，把按时序或事序规定工作的自动控制称为顺序控制。它包括系统控制器、输入电路、输入接口、输出电路、输出接口、检测机构、显示与报警电路。

3. 微机数控系统由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 由五部分组成。

(1)输入装置：一般指微机的输入设备，如键盘。其作用是输入数控系统对生产机械进行自动控制时所必需的各种外部控制信息和加工数据信息。

(2)微机：微机是MNC 系统运算和控制的核心。在系统软件指挥下，微机根据输入信息，完成数控插补器和控制器运算，并输出相应的控制和进给信号。若为闭环数控系统，则由位置检测装置输出的反馈信息也送入微机进行处理。

(3)输出装置：一般包括输出缓冲电路、隔离电路、输出信号功率放大器、各种显示设备等。在微机控制下，输出装置一方面显示加工过程中的各有关信息，另一方面向被控生产机械输出各种有关的开关量控制信号(冷却、启、停等) ，还向伺服机构发出进给脉冲信号等。

(4)伺服机构：一般包括各种伺服元件和功率驱动元件。其功能是将输出装置发出的进给脉冲转换成生产机械相应部件的机械位移(线位移、角位移) 运动。

(5)加工机械：即数控系统的控制对象，各种机床、织机等。目前已有专门为数控装置配套设计的各种机械，如各种数控机床，它们的机械结构与普通机床有较大的区别。

4. 什么是逐点比较插补法？直线插补计算过程和圆弧插补计算过程各有哪几个步骤？

逐点比较法插补运算，就是在某个坐标方向上每走一步（即输出一个进给脉冲），就作一次计算，将实际进给位置的坐标与给定的轨迹进行比较，判断其偏差情况，根据偏差，再决定下一步的走向（沿X 轴进给，还是沿Y 轴进给）。逐点比较法插补的实质是以阶梯折线来逼近给定直线或圆弧曲线，最大逼近误差不超过数控系统的一个脉冲当量（每走一步的距离，即步长）。 直线插补计算过程的步骤如下：

(1)偏差判别：即判别上一次进给后的偏差值Fm 是最大于等于零，还是小于零； (2)坐标进给：即根据偏差判断的结果决定进给方向，并在该方向上进给一步； (3)偏差计算：即计算进给后的新偏差值Fm+1，作为下一步偏差判别的依据； (4)终点判别：即若已到达终点，则停止插补；若未到达终点，则重复上述步骤。 圆弧插补计算过程的步骤如下： (1)偏差判别 (2)坐标进给 (3)偏差计算 (4)坐标计算 (5)终点判别

5. 若加工第二象限直线OA ，起点O （0，0），终点A （-4，6）。要求： (1)按逐点比较法插补进行列表计算；

(2)作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

解：由题意可知x e =4,ye =6，F 0=0，我们设置一个总的计数器N xy , 其初值应为N xy =|6-0|+|-4-0|=10，则插补计算过程如表3—1所示。根据插补计算过程表所作出的直线插补走步轨迹图如下图所示。

表3—1

6. 设加工第一象限的圆弧AB ，起点A （6，0），终点B （0，6）。要求： (1)按逐点比较法插补进行列表计算；

(2)作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

解：插补计算过程如表3—2所示。终点判别仍采用第二种方法，设一个总的计数器N xy ，每走一步便减1操作，当N xy =0时，加工到终点，插补运算结束。下图为插补过程中的走步轨迹。

654

表3—2

7. 三相步进电机有哪几种工作方式？分别画出每种工作方式的各相通电顺序和电压波形图。 有三种工作方式： （1）三相单三拍工作方式

各相的通电顺序为A →B →C, 各相通电的电压波形如图3.1所示。

图3.1单三拍工作的电压波形图

（2）三相双三拍工作方式

双三拍工作方式各相的通电顺序为AB →BC →CA 。各相通电的电压波形如图3.2所示。

图3.2双三拍工作的电压波形图

（3）三相六拍工作方式

在反应式步进电机控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生了六拍工作方式，其通电顺序为A →AB →B →BC →C →CA 。各相通电的电压波形如图3.3所示。

图3.3三相六拍工作的电压波形图

8. 采用三相六拍方式控制X 轴走向步进电机。

•主程序:

• MOV A，#0FH；方向输入信号 • MOV P1，A

•XMM ： MOV A，P1

• JNB ACC.7，XM ；P1.7=0反转 • LCALL STEP1；调正转子程序 • SJMP XMM

•XM ： LCALL STP2；调反转子程序

• SJMP XMM •+X走步子程序：

• STEP1： MOV DPTR，#TAB；指表头 • CLR A

• MOVX A，@A+DPTR；取数

• CJNE A，#05H，S11；是否最后单元 • MOV DPTR，#TAB； 重置表头 • SJMP S12

•S11： INC DPTR

• S13： DJNZ R0，S13； • CLR A；

• MOVX A，@A+DPTR；取数据 • MOV P1，A • RET •-X 走步子程序：

•STEP2： MOV DPTR，#TAB • CLR A

• MOVX A，@A+DPTR； • CJNZ A，#01H，S21 • MOV DPTR，#TAB • ADD DPTR，#0006H

；地址加1

• S12： MOV R0，#7FH；延时

• SJMP S12 •S21： CLR C • DEC DPL • SJMP S12

•TAB ： DB 01H，03H ，02H ，06H ，04H ，05H

本章作业

若加工第二象限直线OA 和圆弧AB ，已知直线起点O （0，0），终点A （-4，6）。圆弧起点A （-4，6），终点A （-6，10）要求：

(1)按逐点比较法插补进行列表计算；

(2)作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

第四章 微型计算机控制系统的控制算法

习题及参考答案

1. 数字控制器的模拟化设计步骤是什么？ 模拟化设计步骤：

（1）设计假想的模拟控制器D(S) （2）正确地选择采样周期T （3）将D(S)离散化为D(Z) （4）求出与D(S)对应的差分方程 （5）根据差分方程编制相应程序。

2. 某连续控制器设计为

D (s )=

1+T 1s

1+T 2s

试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(Z)。

2z -1

代入，则 ∙

T z +1

2z -11+T 1∙

=(T +2T 1)z +T-2T 1 D (z )=D (z )|2z -1=

s =∙2z -1T +2T 2z +T -2T 2T z +11+T 2∙

T z +1

z-1

前向差分法：把z =代入，则

T

z -11+T 1

1+T 1s =T 1z +T -T 1 D z )=D (s )|z -1==s =z -1T 2z +T -T 21+T 2s T 1+T 2

T

双线形变换法：把s = 后向差分法：把s

=

z -1Tz

代入，则

D (z )=D (s )|

s =

z -1Tz

z -1

1+T 1s =T 1z +T -T 1 ==

z -1T 2z +T -T 21+T 2s

1+T 2

Tz

1+T 1

3. 在PID 调节器中系数k p 、k i 、k d 各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？

系数k p 为比例系数，提高系数k p 可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境地提高系数k p 最终将导致系统不稳定。比例调节可以保证系统的快速性。

系数k i 为积分常数，k i 越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间加长。积分调节可以消除静差，提高控制精度。 系数k d 为微分常数，k d 越大微分作用越强。微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响。

4. 什么是数字PID 位置型控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。

为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID 算式离散化，变为数字PID 算式，为此，在采样周期T 远小于信号变化周期时，作如下近似(T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近) ：

⎰edt ≈T ∑e (j )

j =0

t

k

de e (k ) -e (k -1) ≈dt T

于是有：

T

u (k ) =K p {e (k ) +

T i

置型PID 算法。

∑e (j ) +

j =0

k

T d

e (k ) -e (k -1)]}T

u(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置(如控制阀门的开度) 一一对应，所以称之为位在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u(k)不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID 算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID 控制算法。

∆u (k ) =K p {[e (k ) -e (k -1)]+

T T

e (k ) +d [e (k ) -2e (k -1) +e (k -2)]}T i T

与位置算法相比，增量型PID 算法有如下优点：

(1)位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。

(2)为实现手动——自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度u 0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现u 0项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。

(3)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。

5. 已知模拟调节器的传递函数为

D (s )=

试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式，设采样周期T=0.2s。

D (s )=

则U

U (s )1+0. 17s

=

E s 1+0. 085s

du (t )de (t )=e (t )+0. 17 u (k )-u (k -1)e (k )-e (k -1)=e (k )+0. 17

T T

(s )+0. 085SU (s )=E (s )+0. 17SE (s )

∴u (t )+0. ∴u (k )+0. 把T=0.2S代入得

1. 425u (k )-0. 425u (k -1)=4. 5e (k )-3. 5e (k-1)

位置型

u (k )=3. 1579e (k )-2. 4561e (k -1)+0. 2982u (k -1)

增量型

∆u (k )=u (k )-u (k -1)=3. 1579e (k )-2. 4561e (k -1)-0. 7018u (k -1)

6. 有哪几种改进的数字PID 控制器？ 有四种：

（1）积分分离PID 控制算法 （2）不完全微分PID 控制算法 （3）带死区的PID 控制算法 （4）消除积分不灵敏区的PID 控制

7. 采样周期的选择需要考虑那些因素？

(1)从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在95%的系统的过渡过程时间内，采样6次～15次即可。

(2)从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。

(3)从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T 应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间；当被控对象的纯滞后时间τ较大时，常选T=（1/4~1/8）τ。

(4)从计算精度方面考虑，采样周期T 不应过短，当主机字长较小时，若T 过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。另外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因此T 必须大于执行机构的调节时间。

8. 简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID 参数的步骤。 扩充临界比例度法整定PID 参数的步骤：

(1)选择一个足够短的采样周期T ，例如被控过程有纯滞后时，采样周期T 取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r 作阶跃输入。

(2)逐渐加大比例系数Kp ，使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts ，并记下此时的比例系数Kp ，将其记作临界振荡增益Ks 。此时的比例度为临界比例度，记作δs

=

1K s

。

(3)选择控制度，所谓控制度是数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比。 (4)根据控制度，查表求出T 、Kp 、Ti 和Td 值。

(5)按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。 扩充响应曲线法整定PID 参数的步骤：

(1)断开数字调节器，让系统处于手动操作状态。将被调量调节到给定值附近并稳定后，然后突然改变给定值，即给对象输入一个阶跃信号。

(2)用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图所示。

(3)在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ、被控对象的时间常数Tc ，以及它们的比值Tc/τ。 (4)由τ、Tc 、Tc/τ值，查表，求出数字控制器的T 、Kp 、Ti 和Td 。

9. 数字控制器直接设计步骤是什么？ 计算机控制系统框图如图4—1所示。

图4—1计算机控制系统框图

由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数D(z)。 数字控制器的直接设计步骤如下：

(1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数Φ(z)。 (2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。 (3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。 (4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。

10. 被控对象的传递函数为

G c (s )=s

采样周期T=1s，采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，设计： (1)最少拍控制器D (1)最少拍控制器

可以写出系统的广义对象的脉冲传递函数

(z )；

(2)画出采样瞬间数字控制器的输出和系统的输出曲线。

⎛1-e -Ts 1⎫T 2z -11+z -1⎡-Ts 1⎤ G c (z )=Ζ 1-e =3⎥ s ∙s 2⎪⎪=Z ⎢-12s ⎣⎦21-z ⎝⎭

()

(

)

将T=1S代入，有

G c (z )=

z -11+z -121-z -1

(

2

)

由于输入r(t)=t，则

G e (z )=1-z -1

1-G e (z )z -11+z -1

D (z )==

G e z G z 2

(2)系统闭环脉冲传递函数

()

2

()

Φ(z )=2z -1-z -2

则当输入为单位速度信号时，系统输出序列Z 变换为

Y (z )=R (z )Φ(z )=2z

(

-1

-z

-2

)

1-z Tz -1

-12

=2Tz -2+3Tz -3+4Tz -4+⋅⋅⋅

y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,„

54

11. 被控对象的传递函数为

G c (s )=e -s

采样周期T=1s，要求：

(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，求取控制器的输出u (1)采用Smith 补偿控制 广义对象的传递函数为

1-e -Ts e -s 1-e -s

HG C (s )=H 0(s )G C (s )=∙=∙e -s =HG P (s )∙e -s

s s +1s s +1⎡1-e -s b 1z -1-τs ⎤-L

D τ(z )=Z [D τ(s )]=Z ⎢∙1-e ⎥=1-z -1

s s +11-a z ⎣⎦1

(

)(

)()

其中a 1=e

-T

1

=e -1, b 1=1-e -1, L =

τt

=1, T =1S

U (z )0. 6321z -1-z -2

=则D τ(z )= E z 1-0. 3679z -1

()

U (z )-0. 3697z -1U (z )=0. 6321z -1-z -2E (z )

u (k )=0. 6321e (k -1)-0. 6321e (k -2)+0. 3679u (k -1)

(2)采用大林算法设计数字控制器 取T=1S,τ

()

=1,K=1,T=1,L=τ/T

1

=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

⎡1-e -Ts e -LTs ⎤z -21-e -2

G B (z )=Z ⎢∙⎥=-1-2

s T s +10⎣⎦1-z e

广义被控对象的脉冲传递函数为

()

⎡1-e -sT K 1⎤z -21-e -1-LTs ⎤-1-1⎡1HG C (z )=Z ⎢∙e ⎥=1-z z Z ⎢-⎥=1-z -1e -1 s 1+T s s 1+s ⎣⎦1⎣⎦

()

()

则

(1-z e )(1-e )=

1-e 1-z e -1-e z (1-0. 3679z )(1-0. 1353)=

1-0. 36791-0. 1353z -1-0. 1353z -1-1

-2

-1

-1-2

-2

-2

-1

-1

-2

G B (z )z -21-e -2z -21-e -2

D (z )===-2

HG C z 1-G B z HG C z 1-z -1e -2-z -21-e -2z 1-e -1-1-2-2-2

1-z e -z 1-e

1-z -1e -1

()

[()

()]

又

1. 3680-0. 5033z -1

=

1-0. 1353z -1-0. 8647z -2

D (z )=

U (z ) E z -1

-2

-1

则U (z )-0. 1353z U (z )-0. 8647z U (z )=1. 3680E (z )-0. 5033z E (z ) 上式反变换到时域，则可得到

u (k )=1. 3680e (k )-0. 5033e (k -1)+0. 1353u (k -1)+0. 8647u (k -2)

12. 何为振铃现象？如何消除振铃现象？

所谓振铃现象是指数字控制器的输出u(k)以接近二分之一的采样频率大幅度上下摆动。它对系统的输出几

乎是没有影响的，但会使执行机构因磨损而造成损坏。

消除振铃现象的方法：

（1）参数选择法

对于一阶滞后对象，如果合理选择期望闭环传递函数的惯性时间常数T0和采样周期T ，使RA ≤0，就没有振铃现象。即使不能使RA ≤0，也可以把RA 减到最小，最大程度地抑制振铃。

（2）消除振铃因子法

找出数字控制器D(z)中引起振铃现象的因子(即z=-1附近的极点) ，然后人为地令其中的z=1，就消除了这个极点。根据终值定理，这样做不影响输出的稳态值，但却改变了数字控制器的动态特性，从而将影响闭环系统的动态响应。

13. 前馈控制完全补偿的条件是什么？前馈和反馈相结合有什么好处？

前馈控制完全补偿的条件是G n (s )+D n (s )G (S )=0。

如果能将扰动因素测量出来，预先将其变化量送到系统中进行调整，这样在被调量改变之前就能克服这些扰动的影响。这种扰动的预先调整作用就称为前馈。若参数选择得合适，前馈控制可取得良好的控制效果。但实际上，前馈控制环节的参数不易选得那么准确，而且一个实际系统的扰动也不只一个，因此反馈控制还是不可少的。主要扰动引起的误差，由前馈控制进行补偿；次要扰动引起的误差，由反馈控制予以抑制，这样在不提高开环增益的情况下，各种扰动引起的误差均可得到补偿，从而有利于同时兼顾提高系统稳定性和减小系统稳态误差的要求。

14. 与PID 控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？

与PID 控制和直接数字控制相比，模糊控制的优点：

（1）模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统。

（2）模糊控制不用建立对象精确的数学模型。

（3）模糊控制系统的鲁棒性好。

（4）模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。

15. 多变量控制系统解耦条件是什么？

多变量控制系统解耦条件是系统的闭环传递函数矩阵Φ

本章作业

用C 语言编写数字PID 算法、大林算法、施密斯算法通用子程序。 (s )为对角线矩阵。

第五章 微型计算机控制系统的应用软件设计

习题及参考答案

1. 简述应用软件的设计步骤。

图5—1给出了应用软件设计的流程图，它描述了应用软件设计的基本任务和设计过程。

图5—1 应用软件设计流程图

（1）问题定义

（2）程序设计

（3）手编程序

（4）差错

（5）测试

（6）文件编制

（7）维护和再设计

2. 什么是计算延时？

当采样信号送入CPU ，按控制算法要求进行数据处理时，由于计算机执行每条指令均需要一定时间，这样，从数据采样到结果输出之间就要产生一定的时间延迟，称为计算延时。

3. 如何在应用软件设计中减少计算延时？

在应用软件设计过程中，为减少计算延时，通常将运算分为前台运算和后台运算。

前台运算：为得到当前输出值U (k ) ，而必须进行的运算。

后台运算：为得到下一时刻输出值U (k +1)以及与当前输出无关的其他计算和管理算法。

4. 标度变换在工程上有什么意义？在什么情况下使用标度变换程序？

微机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往还要转换成操作人员所熟悉的工程值。这是因为生产现场的各种工艺参数量纲不同。例如，压力的单位为Pa ，流量的单位为m3/h，温度的单位为℃。这些参数A/D转换后得到一系列的数码，这些数码的值并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅代表参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出。这种转换称为工程量转换，也称为标度变换。标度变换有各种不同类型，它取决于被测参数测量传感器的类型，设计时应根据实际情况选择适当的标度变换方法，常用线性参数标度变换。

第六章 微型计算机控制系统的抗干扰技术

习题及参考答案

1. 干扰的作用途径是什么？

无论是内部干扰还是外部干扰，都是从以下几个途径作用于系统的。

(1) 传导耦合

(2) 静电耦合

(3) 电磁耦合

(4) 公共阻抗耦合

2. 什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？

共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成得。消除共模干扰的方法有以下几种:变压器隔离；光电隔离；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的仪表放大器作为输入放大器。

串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。消除串模干扰的方法有以下几种：在输入回路中接入模拟滤波器；使用双积分式A/D转换器；采用双绞线作为信号线；电流传送，

3. 数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？

数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点：

(1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好；

(2)数字滤波可以对频率很低(如0.01Hz) 的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷；

(3)数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

4. 常用的数字滤波方法有几种？它们各自有什么特点？

常用的数字滤波方法有7种。

（1）程序判断滤波法：是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现得最大偏差。

（2）中值滤波法：它对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。

（3）算术平均值滤波法：它适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。它特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。

（4）加权平均值滤波：可以提高滤波效果

（5）滑动平均值滤波法：采样时间短，可以提高检测速度

（6）惯性滤波法：适用于慢速随机变量的滤波

（7）复合数字滤波：比单纯的平均值滤波的效果要好

5. 算术平均值滤波、加权平均值滤波以及滑动平均滤波三者的区别是什么？

算术平均值法适用于对压力、流量等周期脉动信号的平滑，这种信号的特点是往往在某一数值范围附近作上、下波动，有一个平均值。这种算法对信号的平滑程度取决于平均次数N ，当N 较大时平滑度高，但灵敏度低；当N 较小时，平滑度低，但灵敏度高，应该视具体情况选取N 值。对于一般流量，通常取N =12；若为压力，则取N =4。

在算术平均滤波中，N 次采样值在结果中所占的比重是均等的，即每次采样值具有相同的加权因子1/N 。但有时为了提高滤波效果，往往对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子。这种方法称为加权平均滤波法，也称滑动平均或加权递推平均。其算法为

其中。

Y n =∑a i X n -i

0≤a i ≤1i =0n -1∑a

i =0n -1i =1

加权因子选取可视具体情况决定，一般采样值愈靠后，赋予的比重越大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例，系统对正常变化的灵敏性也可提高，当然对干扰的灵敏性也稍大了些。滑动平均值滤波法，依次存放N 次采样值，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，然后求包含新值在内的N 个数据的算术平均值或加权平均值。

6. 计算机控制系统的常用接地方法是什么？

（1）一点接地和多点接地

（2）模拟地和数字地的连接

（3）主机外壳接地

（4）多机系统的接地

7. 微机常用的直流稳压电源由哪些部分组成？各部分的作用是什么？

微机常用的直流稳压电源如图6—1所示。该电源采用了双隔离、双滤波和双稳压措施，具有较强的抗干扰能力，可用于一般工业控制场合。

图6—1 抗干扰直流稳压电源示意图

（1）隔离变压器

隔离变压器的作用有两个：其一是防止浪涌电压和尖峰电压直接窜入而损坏系统；其二是利用其屏蔽层阻止高频干扰信号窜入。

（2）低通滤波器

各种干扰信号一般都有很强的高频分量，低通滤波器是有效的抗干扰器件，它允许工频50Hz 电源通过，而滤掉高次谐波，从而改善供电质量。

（3）交流稳压器

交流稳压器的作用是保证供电的稳定性，防止电源电压波动对系统的影响。

（4） 电源变压器

电源变压器是为直流稳压电源提供必要的电压而设置的。为了增加系统的抗干扰能力，电源变压器做成双屏蔽形式。

（5）直流稳压系统

直流稳压系统包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波器等几部分，常用的直流稳压电路如图6—2所示。

图6—2 直流稳压系统电路图

一般直流稳压电源用的整流器多为单相桥式整流，直流侧常采用电容滤波。图中C1为平滑滤波电容，常选用几百～几千μF 的电解电容，用以减轻整流桥输出电压的脉动。C2为高频滤波电容，常选用0.01～0.1μF 的瓷片电容，用于抑制浪涌的尖峰。作为直流稳压器件，现在常用的就是三端稳压器78XX 和79XX 系列芯片，这类稳压器结构简单，使用方便，负载稳定度为15mV ，具有过电流和输出短路保护，可用于一般微机系统。三端稳压电源的输出端常接两个电容C3和C4，C3主要起负载匹配作用，常选用几十～几百μF 的电解电容；C4中抗高频干扰电容，常选取0.01～0.1μF 的瓷片电容。

第七章 总线技术

习题及参考答案

1. 何谓总线？总线有什么功能？总线标准是怎样形成的？

总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间(或插件内部芯片间) 、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。

在微型计算机的硬件设计中，许多厂商设计和提供了许多具有不同功能的插件(亦称“模板”) 。用户为了构成计算机应用系统，希望这些模板能互相兼容。这种兼容是指插件的尺寸、插座的针数及类型、插针的逻辑定义、控制插件工作的时序及电气特性等相同。也就是说为了使插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对连接各插件或各系统的基础——总线，制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块提供统一的依据。因此，采用同一总线标准的不同厂家的插件模块，就可以组成可正常工作的系统。

2. 试述总线的分类、各类总线间的关系。

a. 根据总线不同的结构和用途，总线有如下的几种类型：

（1）专用总线

我们将只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线。专用总线的基本优点是其具有较高的流量，多个部件可以同时发送或接受信息，几乎不会出现总线争用的现象。在全互连或部分互连以及环形拓扑结构中使用的总线就是专用总线。

（2）非专用总线

非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线。每个部件都能通过共享总线与接在总线上的其他部件相连，但在同一时刻，却只允许2个部件共享通信，其他部件间的通信要分时进行，因此准确地应称之为分时共享总线。

b. 根据总线的用途和应用环境，总线可以有如下几种类型：

（1）局部总线

局部总线又称为芯片总线。它是微处理器总线的延伸，是微处理器与外部硬件接口的通路，如图所示。它是构成中央处理机或子系统内所用的总线。局部总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线三类。

（2）系统总线

系统总线又称内总线和板线总线，即微型计算机总线，用于各单片机微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多机系统，如Multibus 总线、STD 总线、VME 总线、PC 总线等。一般微型机系统总线如图所示。

（3）外总线

外总线又称为通信总线，用于微处理机与其他智能仪器仪表间的通信。外总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上，外总线如图所示。

常用的外总线有：连接智能仪器仪表的IEEE-488通用接口总线；RS-232C 和RS-422串行通信总线等。

3. 根据总线传送信号的形式，总线又可分为两种。

（1）并行总线

如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。

（2）串行总线

串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。

3. 简述STD 总线的特点。

STD 总线在工业控制中广泛采用，是因为它有以下特点：

(1)小板结构，高度模块化。

(2)严格的标准化，广泛的兼容性。

(3)面向I/O的开放式设计，适合工业控制应用。

(4)高可靠性。

4. 简述RS —232C 总线的特点。

微机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通讯。通讯距离可达15m ，传输数据的速率可任意调整，最大可达20Kb/s。

5. 什么是现场总线？有哪几种典型的现场总线？它们的特点是怎样的？

现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。所以现场总线既是通信网络，又是自控网络。

下面是几种典型的现场总线。

（1）CAN(Control Area Network)控制器局域网络

控制器局域网络CAN 是由德国Bosch 公司的为汽车的监测和控制而设计的，逐步发展到用于其它工业领域的控制。CAN 已成为国际标准化组织ISO 11898标准。CAN 具有如下特性：

(a)通信速率为5Kbps/10km,1Mbps/40m,节点数110个，传输介质为双绞线或光纤等。

(b)采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据。

(c)可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，用此特点可方便地构成多机备份系统。

(d)采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络发送信号时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息；按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。

(e)支持三类报文帧：数据帧、远程帧、超载帧。采用短帧结构，每帧有效字节数为8个。这样传输时间短，受干扰的概率低，且具有较好的检错效果。

(f)采用循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)及其它检错措施，保证了极低的信息出错率。 (g)节点具有自动关闭功能，当节点错误严重时，则自动切断与总线的联系，这样不影响总线正常工作。 (h)CAN单片机：Motorola 公司生产带CAN 模块的MC68HC05x4，Philips 公司生产82C200，Intel 公司生产带CAN 模块的P8XC592。

(j)CAN控制器：Philips 公司生产的82C200，Intel 公司生产的82527。

(k)CAN I/O器件：Philips 公司生产的82C150，具有数字和模拟I/O接口。（2）LONWORKS(Local Operating Network) 局部操作网络

LONORKS 是美国Echelon 公司研制，主要有如下特性：

(a)通信速率为78Kbps/2700m、1.5Mbps/130m,节点数32000个，传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线等。

(b)采用Lon Talk 通储备协议，该协议遵循国际标准化组织ISO 定义的开放系统互连OSI(Open System Interconnection) 全部7层模型。

(c)其核心是Neuron(神经元) 芯片，内含了3个8位的CPU ；第1个CPU 为介质访问控制处理器，实现Lon Talk 协议的第1层和第2层；第2个CPU 为网络处理器，实现Lon Talk 协议的第3层至第6层；第3个CPU 为应用处理器，实现Lon Talk 协议的第7层，执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。

(d)Neuron芯片的编程语言为Neuron C，它是从ANSI C派生出来的。LONWORKS 提供了一套开发工具LonBuilder 与NodeBuilder 。

(e)Lon Talk协议提供了5种基本类型的报文服务：确认(Acknowledged)、非确认(Unacknowledged)、请求/响应(Request/Response)、重复(Repeated)、非确认重复(Unacknowledge Repeated)。

(f)Lon Talk协议的介质访问控制子层(MAC)对CSMA 作了改进，采用一种新的称作Predictive P-Persistent CSMA，根据总线负载随机调整时间槽n(1～63) ，从而在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小化。

（3）PROFIBUS(Process Field Bus)过程现场总线

PROFIBUS 是德国标准，1991年在DIN 19245中分布了标准，PROFIBUS 有几种改进型，分别用于不同的场合，例如：

(a)PROFIBUS-PA(Process Automation)用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域。

(b)PORFIBUS-FMS(Field bus Message Specification)用于一般自动化，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。

(c)PROFIBUS-DP用于加工自动化领域，适用于分散的外围设备之间的高速数据传输。

传输速率为9.6Kbps ～12Mbps ，最大传输距离在12Mbps 时为100m 、1.5Mbps 时为400m ，可用中继器延长至10Km 。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接127个站点。

PROFIBUS 引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。在一个确定的应用中，按照PROFIBUS 规范来定义模块，写明其硬件和软件的性能，规范设备功能与PORFIBUS 通信功能的一致性。

PROFIBUS 为开放系统协议，为保证产品质量，在德国建立了FZI 信息研究中心，对制造厂和用户开放，对其产品进行一致性检测和实验性检测。

（4）HART(Highway Addressable Remote Transclucer)可寻址远程传感器数据通路

HART 是美国Rosemount 研制，HART 协议参照ISO/OSI模型的第1、2、7层，即物理层、数据全连路层和应用层，主要有如下特性：

(a)物理层：采用基于Bell 202通信标准的FSK 技术，即在4～20mA(DC)模拟信号上叠加FSK 数字信号，逻辑1为1200Hz 、逻辑0为2200Hz ，波特率为1200bps ，调制信号为 ±0.5mA 或0.25VP-P(250Ω负载) 。用屏蔽双绞线单台设备距离3000m ，而多台设备互连距离1500m 。

(b)数据链路层：数据帧长度不固定，最长25个字节。可寻地址为0～15，当地址为0时，处于4～20mA(DC)与数字通信兼容状态；当地址为1～15时，则处于全数字通信状态。通信模式为“问答式”或“广播式”。

(c)应用层：规定了三类命令，第1类是通用命令，适用于遵守HART 协议的所有产品；第2类是普通命令，适用于遵守HART 协议的大部分产品；第3类是特殊命令，适用于遵守HART 协议的特殊产品。另外，为用户提供了设备描述语言DDL(Device Description Language)。

HART 能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

（5）FF(Foundation Fieldbus 现场总线基金会) 现场总线

FF 现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据全连路层、应用层为FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。

FF 现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps, 通信距离可达1900m(可加中继器延长) ，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率可为1Mbps 和2.5Mbps 两种，其通信距离分别为750m 和500m 。物理传输介质可支持双绞线，光缆和无线发射，协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。

FF 的主要技术内容，包括FF 通信协议；用于完成开放互连模型中第2～7层通信协议的通信栈

(Communication Stack) ；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL 设备描述语言、设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块；实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

本章作业

简述五种通用现场总线的特点及其应用领域。