第二章 输入输出接口技术和输入输出通道
1. 何谓I/O接口？在计算机控制系统中为什么要有I/O接口电路？ 答：是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。
2. 一个微处理机（CPU）采用程序控制查询方式时，管理50个键盘显示中断，要求将各终端打入的任一字符在显示器上立即显示出来。已知CPU查询每个终端并完成每一字符的接收和处理时间需200μs，若程序员以每秒打10个字符的速度同时连续打入字符，问CPU是否能按要求，可靠的管理全部50个终端？又问CPU最多能管理多少个这种终端？ 答：500
3. 在本章第二节，查询式I/O方式应用举例中，假设X、Y、Z三轴服务子程序的执行时间分别为100μs、150μs、120μs，主程序执行时间（执行查询指令等）为80μs，试估算不造成控制失误三轴所能达到的最高速度是多少？（速度以脉冲/s计算） 答：2702
4. 某微机实时控制系统有1#、2#、3#三个外围设备。由一个CPU进行管理，已知各外围设备的最短响应时间和服务
时间分别是：
C1=5ms S1=300μs C2=8ms S2=1.3ms C3=1ms S3=400μs
问若采用查询方式是否能可靠管理这三个外围设备？为什么？若不行的话，试提出改进方答：不行。可采用中断嵌套的方式解决。
6. 计算机与外围设备交换信息有哪几种控制方式？它们各有什么优缺点》 答：见教材
7. 某8086 最大模式系统中，需扩展8255A 、8253和DAC0832芯片各一片。采用74LS138 译码器，若已指定给各芯片的地址范围是：
8255A E0H、E2H、E4H、E6H、 8253 E1H 、E3H、E5H、E7H、 DAC0832 F0H
试设计接口扩展的译码电路（除74LS138 外, 可增加必要的其他逻辑电路芯片。 A1 A0 A0 A0 A2 A1 8255 A1 A1 8255A /CS /Y0 /CS
G A7 A1 A0 G /Y4 A7 A0 A0 /G2A A2 A1 8253 A6 1 /G2A /Y1A1 A1 8255A A6 /G2B /Y5 A5 1 /CS /G2B A5 /CS /Y0 74LS138 74LS138 /Y6 A1 A0 /Y0 /Y4 A0 A0 C A 4 C A4 ≥1 A2 A1 DAC0832 /Y7 A1 A1 8255A B A3 A1 B A 3 /CS /CS A A2 A0 A A2
A0 A0 A1 A1 8255A /CS
8某8088最大模式系统中，需扩展8255A 四片，指定各芯片的地址范围分别是90~93H、94~97H、98~9BH、9C~9FH, 采用74LS译码器，试设计接口地址译码电路。 解：
9．模拟输入通道中为什么要加采样保持器？采样保持器的组成及要求是什么？ 答：为了保证A/D 转换精度，就要在A/D 转换之前加上采样保持电路，使得在A/D 转换期间保持输入模拟信号不变。 10要求：
（1）将下图中CPU 换为89C51单片机，不改变地址线的连接方式，画出电路图； （2）确定8 个通道的端口地址；
（3）编写程序，对第8 通道的模拟量进行转换，把转换结果存在30H 存储器中。
+5V 接8259A D0 D7 /RD /WR CPU A6 8088 A7 +5V 接8259A D0 EOC VCC VREF(+) D0 D7 IN0 G1 /G2A /G2B Y7 C 74LS138 时钟 ≥1 ≥1 IN1 0809 ADC 0808 EOC VCC VREF(+) D0 D7 数据总线 ≥1 ≥1 G1 /G2A /G2B Y7 C IN0 ADC 0808 ……IN1 0809 八路模拟电压输入D7 /RD /WR 89C51 数据总线 …… 八路模拟电压输入 P0.6 P0.7 P0.5 P0.4 OE A5 A4 A3 OE 时钟 START ALE START ALE
11.有4位AD转换器，满刻度为5V，现在输入4.15V模拟电压，请说明逐次逼近转换原理。并分析采用逐次逼近法逼近的转换过程。
解： 先通过置数逻辑电路将SAR中最高位置1，其余全0，井DA转换成模拟电压U0与输入模拟电压Ui在电压比较器下进行比较，若Ui≥U0,则保留最高位1，否则清除最高位为0；其次置次高位为1，延续上述过程，直至确定最低位的状态。
4
量化单位为q=5v/2=0.3125V 本题目中图表转换如下： 步骤 SAR U0 Ui,U0大小 该位去留 8 4 2 1 1 1 0 0 0 2.5 保留 2 1 1 0 0 3.75 保留 3 1 1 1 0 4.375 去 4 1 1 0 1 4.0625 保留 结果 1 1 0 1 偏差4.15-4.0625=0.0875 图略。
12、什么叫做I/O 接口的独立编址方式？
答：将存储器的地址空间和I/O 接口地址空间分开设置，互不影响。 13、在进行数据采集时为什么要满足采样定理？
答：满足采样定理，就可以通过理想的低通滤波器，由采样信号 完全恢复出原始信号
第三章 数字控制器的模拟化设计
1. 数字控制器与模拟调节器相比较有什么优点？
答：（1）数字调节器能实现复杂控制规律的控制（2）计算机具有分时控制能力，可实现多回路控制（3）数字调节器具有灵活性，使用简单方便，可改善调节品质，提高产品的产量和质量。（4）除实现PID数字控制外，还能实现监控、数据采集、数字显示等其他功能。 2. 为什么说增量型PID控制器调节比位置型PID调节效果更 好? 二者的区别是什么?
答：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小；(2)在i时刻的输出ui，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差ei-1，ei-2和前一次的输出值ui-1，这大大节约了内存和计算时间；(3)在进行手动-自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。
3. 按一定性能指标要求对某控制系统综合校正后求得其应加的串联-校正装置为 解： 即s2(s2?as)U(s)?E(s)
U(s)?4sU(s)?8E(s)s2U(s)?asU(s)?E(s)
化成微分方程
d2u(t)du(t)?a?e(t) dt2dtQd2u(t)u(k)?2u(k?1)?u(k?2)?2dtT2；
?n2D(z)?22s?2?n?s??n
du(t)u(k)?u(k?1) ?dtTu(k)?2u(k?1)?u(k?2)u(k)?u(k?1)??a?e(k) 2?n2(1?2z?1?z?2)整理得：D(z)?24??n?2?n??8z?1?(4?2?n?)z?2
TTk)?2?aT1?aTu(k?1)?11?aTu(k?2)?T2u(1?aTe(k)
4．已知某连续控制器的传递函数为
D(S)?1?T1s1?T2s
试用差分变换法（后向差分），求该装置的递推输出序列。（设输入为e(t)，输出为u(t)）
解：由D(S)?U(s)1?T1sE(s)?1?T 2s得(1?T2s)U(s)?(1?T1s)E(s)
U(s)?T2sU(s)?E(s)?T1sE(s)
u(t)?Tdu(t)2dt?e(t)?Tde(t)1dt 当t?kT
u(kT)?Tdu(t))2dtt?kT?e(kT)?Tde(t1dtt?kT
近似为：
u(k)?Tu(k)?u(k?1)e(k)?2T?e(k)?Te(k?1)1T u(k)?T2T?T1T?Tu(k?1)?e(k)?T1T?Te(k?1)
2T?T225. 已知某连续控制器的传递函数为
D(s)??2ns2?2?2n?s?? n试用双线性变换法求出相应的数字控制的脉冲传递函数 ，其中 。
T?1s
1?z?1答：s?21?z?1
6. 设被控对象传递函数为(T=1s) G(s)?100
(40s?1)(0.5s?1)(1) 试用“二阶工程最佳”设计法确定模拟控制器Gc(s)。 (2) 将Gc(s)用双线性变换法离散化为数字控制器D(z)，并将其 转换为差分方程。 解：令 k?100,Ts1?40,Ts2?0.5设： G(s)??s?1其中： τ?Tcs1?40TIs ?0(s)?G1c(s)Gp(s)? TI ks(Ts2s?1)由：
? ?TI??2T2?K得：
TI?2kTs2?100 ? T?2T2??s22 （2）D (z)?G?31.6z?31.6U(c(s)s?2(z?1) T(z?1)80z?80?z)E(z)
ui?ui?1?0.395ei?0.395ei?17. 已知某连续控制器的传递函数为
D(s)?1?0.17s0.085s
现用数字PID算法来实现它，试分别写出其相应的位置型和增量型PID算法输出表达式。设采样周期T?1s 。
PID控制算法的模拟表达式为
u(t)?Ktde(t)p[e(t)?1T(t)dt?TDI?0edt] 位置型输出表达式为
u(k)?Ke(k)?KTppT?ke(j)?KTDpT[e(k)?e(k?1)]Ij?0
增量型输出表达式为：
u(k)?u(k?1)?(Kp?KTTTpT?KDp)e(k)?(Kp?2KDp)eITT
而对模拟表达式u(t)求拉式变换得
u(s)?K1p[1?Ts?sTD]e(s)
Iu(s)e(s)?K1Kp[1?T?sTD]?Kp?p?KpTDs IsTIsD(s)?1?0.17s10.170.085s?0.085s?0.085 ?KP?2 TI=0.17 TD=0
其位置表达式为：
ku(k)?2e(k)?11.765?e(j)
j?01、已知一被控对象的传递函数为
Gc(s)?10s(1?0.1s)(1?0.05s)
设采用零阶保持器，采样周期T为0.2s。试针对单位速度输入函数设计快速有波纹系统的 ，计算采样瞬间数字控制器和系统的输出响应并绘制图形。
2．在题1中，针对单位速度输入函数设计快速无波纹系统的 ，计算采样瞬间数字控制器和系统的输出响应并绘制图形。 1、2题、解
?H10(1?e?0.2s G(s))0(s)GC(s)?
s2(0.1s?1)(0.05s?1)?1?1?1G(z)?0.76z(1?0.05z)(1?1.065z)(1?z?1)(1?0.135z?1)(1?0.0185z?1)?(z)?1??e(z)?az?1(1?1.065z?1)?e(z)?(1?z?1)(1?bz?1)???1??(z)?1??z)?az(1?1.065z?1e()???z)?(1?z?1)(1?bz?1e()得
az?1(1?1.065z?1)?1?(1?z?1)(1?bz?1)(1?b)z?1?bz?2?az?1?1.065az?2解得：
??a?0.484?b?0.516
其增量表达式为：
?u(k)?13.765e(k)?2e(k?1)
8. 试述采样周期T的选择原则 答：(1)必须满足香农采样定理的要求
（2）从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，则T小些好。干扰频率越高，则采样频率越高越好，以便实现快速跟随和快速抑制干扰。
（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，执行机构来不及反映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。
（6）从计算机能精确执行控制算式来看，T应选大些。
??1e(z)?(1?z?1)(1?0.516z?)1??e(z)?0.584z?1(1?1.065z?1)D(z)?1??e(z)G(z)?e(z)0.636(1?0.0185z?1)(1?0.135z?1?)(1?0.05z?1)(1?0.516z?1)C(z)??(z)R(z)?0.484z?1(1?1.065z?1)1?z?1?0.484z?1?z?2?z?3??U(z)?C(z)G(z)?0.484?0.0509z?1?0.0037z?2?0.000186z?3?
C(nT) 1.0 0.5 n0
T 2T 3T
3、设被控对象的传递函数为 采用零阶保持器，采样周期G(z)?3.68z?1(1?0.717z?1)(1?z?1)(1?0.368zT=1s?1)，输入单位速度函数，试按最少拍无波纹要求设计D(z) ，并检验一下所设计的
系统是否满足快速无波纹的要求。 解
可见G(z)零点为?0.717(单位圆内),极点为1
(单位圆上),0.368(单位圆内)。故u=0,v=0 (单位圆上极点不包括),m=1,p=1。 设Φ(z)?z?1(1?0.717z?1)c,求得c?0.5800
Φ(z)1D(z)?
1?Φ(z)G(z)
6、已知计算机控制系统开环脉冲传递函数
0.368z?0.264
G(z)?2 z?1.368z?0.368（T=1s）试分别作下列双线性变换，然后作伯德图。 解 ?0.104w2?0.528w?0.632(1) G(w)?G(z)|1?w?2 z?2.736w?1.264w ?1?0.368z?1?0.158(1?z)(1)
1?0.58z?1?0.416z?24、某电阻炉，其传递函数可近似为带纯滞后的一阶惯性环节
G)?Kdc(s1?Tse??s用飞升曲线法测得电阻炉的有关参
d数如下：Kd?1.16,??30s,Td?680s若采用零阶保持器，取采样周期T?6s ，要求闭环系统的时间常数T??350s ，用大林算法求取对电阻炉实现温度控制的数字控制器的算式。 解
G(s)?Kd?τpes
Tds?1 T G(z)?Z[1?e?TsK?Td?τs?(N?1)1?d s?Ts?1e]?Kedz?Td1?eTdz?1 求得大林控制器 ?TT (1?eTc)(1?eTdz?1 D(z)?)
Kd(1?e?TTTT)[1?e?z?(1?e?dTc?1Tc)z?(N?1) 1.628(1?0.991z?1) ?1?0.983z?1?0.17z?6
5、已知控制系统的被控对象的传递函数为
e?sGc(s)?(2s?1)(s?1)采样周期T?1s ，若选闭环系统
的时间常数T??0.1s ，问是否会出现振铃现象？试用大林算法设计数字控制器D(z) 。 解: 会出现振铃现象。
?(1?0.36z-1)(1?0.607z?1D(z))0.253(1?z?1?z?2)1?w2(2) G(w)?G(z)|1?Tw??0.104w?1.056w?2.528z?22.736w2?5.472w1?T2w(伯德图略）
微型计算机控制技术答案(赖寿宏)
