計算機控制系統(tǒng)復習題答案

1、計算機控制系統(tǒng)課程復習題答案一、 知識點：計算機控制系統(tǒng)的基本概念。具體為了解計算機控制系統(tǒng)與生產自動化的關系；掌握計算機控制系統(tǒng)的組成和計算機控制系統(tǒng)的主要特性；理解計算機控制系統(tǒng)的分類和發(fā)展趨勢。回答題：1. 畫出典型計算機控制系統(tǒng)的基本框圖；答：典型計算機控制系統(tǒng)的基本框圖如下： 2. 簡述計算機控制系統(tǒng)的一般控制過程；答：(1) 數據采集及處理，即對被控對象的被控參數進行實時檢測，并輸給計算機進行處理；(2) 實時控制，即按已設計的控制規(guī)律計算出控制量，實時向執(zhí)行器發(fā)出控制信號。3. 簡述計算機控制系統(tǒng)的組成；答：計算機控制系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)和被控對象組成，計算機系統(tǒng)又由硬件和軟件組成。

2、4. 簡述計算機控制系統(tǒng)的特點；答：計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，具有以下特點：計算機控制系統(tǒng)是模擬和數字的混合系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)修改控制規(guī)律，只需修改程序，一般不對硬件電路進行改動，因此具有很大的靈活性和適應性。能夠實現(xiàn)模擬電路不能實現(xiàn)的復雜控制規(guī)律。計算機控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。 一個數字控制器經?？梢圆捎梅謺r控制的方式，同時控制多個回路。 采用計算機控制，便于實現(xiàn)控制與管理一體化。5. 簡述計算機控制系統(tǒng)的類型。答：（1）操作指導控制系統(tǒng)；（2）直接數字控制系統(tǒng)；（3）監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)（4）分級計算機控制系統(tǒng)二、 知識點：計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎。具體為了解計算

3、機控制系統(tǒng)的過程通道與接口；掌握采樣和保持電路的原理和典型芯片的應用，掌握輸入/輸出接口電路：并行接口、串行接口、A/D和D/A的使用方法，能根據控制系統(tǒng)的要求選擇控制用計算機系統(tǒng)?；卮痤}：1. 給出多通道復用一個A/D轉換器的原理示意圖。2. 給出多通道復用一個D/A轉換器的原理示意圖。3. 例舉三種以上典型的三端輸出電壓固定式集成穩(wěn)壓器。答：W78系列,如W7805、7812、7824等；W79系列，如W7805、7812、7824等4. 使用光電隔離器件時，如何做到器件兩側的電氣被徹底隔離？答：光電隔離器件兩側的供電電源必須完全隔離。5. 說明隔離電源的基本作用。答：為了實施隔離技術，隔

4、離電源可以為被隔離的各個部分提供獨立的或相互隔離的電源供電，以切斷各個部分間的電路聯(lián)系。6. 什么是采樣或采樣過程？答：采樣或采樣過程，就是抽取連續(xù)信號在離散時間瞬時值的序列過程，有時也稱為離散化過程。7. 簡述典型的計算機控制系統(tǒng)中所包含的信號形式。答：(1) 連續(xù)信號。(2) 模擬信號。(3) 離散信號。(4) 采樣信號。(5) 數字信號。8. 根據采樣過程的特點，可以將采樣分為哪幾種類型？答：根據采樣過程的特點，可以將采樣分為以下幾種類型。(1) 周期采樣 。指相鄰兩次采樣的時間間隔相等，也稱為普通采樣。(2) 同步采樣。如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關，它們的采樣周期相同且同時進行采樣。(

5、3) 非同步采樣。如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關，它們的采樣周期相同但不同時開閉。(4) 多速采樣。如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關，每個采樣開關都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同。(5) 隨機采樣。若相鄰兩次采樣的時間間隔不相等。9. 什么是信號重構？答：把離散信號變?yōu)檫B續(xù)信號的過程，稱為信號重構，它是采樣的逆過程。10. 寫出零階保持器的傳遞函數。答：零階保持器的傳遞函數為。11. 引入零階保持器對系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數的極點有何影響？答：零階保持器的引入并不影響開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數的極點。12. 簡述采樣定理的基本內容。答：采樣定理: 如果連續(xù)信號具有有限頻譜，其最高頻率為,則對進行周期采樣且采

6、樣角頻率時，連續(xù)信號可以由采樣信號唯一確定，亦即可以從無失真地恢復。13. 簡述連續(xù)信號的定義。答：連續(xù)信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值可以是連續(xù)的,也可以是斷續(xù)的。14. 簡述離散信號的定義。 答：模擬信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值在某一時間范圍內是連續(xù)的。模擬信號是連續(xù)信號的一個子集，在大多數場合與很多文獻中，將二者等同起來，均指模擬信號。15. 簡述采樣信號的定義。答：采樣信號是離散信號的子集，在時間上是離散的、而幅值上是連續(xù)的。在很多場合中，我們提及離散信號就是指采樣信號。16. 簡述數字信號的定義。答：數字信號是幅值整量化的離散信號，它在時間上和幅值上均是離

7、散的。三、 知識點：數字控制器的模擬化設計方法。具體為介紹數字控制器的模擬化設計方法，掌握模擬控制器與數字控制器的轉換方法，掌握數字PID控制器的設計方法及存在的問題、改進的辦法。回答題：1. 簡述比例調節(jié)作用。答：比例調節(jié)器對偏差是即時反應的，偏差一旦出現(xiàn)，調節(jié)器立即產生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數KP。比例調節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數KP可以減小靜差，但是KP過大時，會使系統(tǒng)的動態(tài)質量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。2. 簡述積分調節(jié)的作用答：為了消除在比例調節(jié)中的殘余靜差，可在比例調節(jié)的

8、基礎上加入積分調節(jié)。積分調節(jié)具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u，從而減小偏差，直到偏差為零。積分時間常數TI大，則積分作用弱，反之強。增大TI將減慢消除靜差的過程，但可減小超調，提高穩(wěn)定性。引入積分調節(jié)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。3. 簡述微分調節(jié)的作用答：為加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。4. 為什么會出現(xiàn)比例和微分飽和現(xiàn)象？答：當給定值發(fā)生很大躍變時，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分計算出的控制增量可能比較大(由于積分

9、項的系數一般小得多，所以積分部分的增量相對比較小)。如果該計算值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么，控制作用必然不如應有的計算值理想，其中計算值的多余信息沒有執(zhí)行就遺失了，從而影響控制效果。5. 如何消除比例和微分飽和現(xiàn)象？答：抑制比例和微分飽和的辦法之一是用“積分補償法”。其中心思想是將那些因飽和而未能執(zhí)行的增量信息積累起來，一旦有可能再補充執(zhí)行。6. 增量型PID控制算式具有哪些優(yōu)點？答：(1)計算機只輸出控制增量，即執(zhí)行機構位置的變化部分，因而誤動作影響小。(2)在i時刻的輸出ui，只需用到此時刻的偏差，以及前一時刻、前兩時刻的偏差ei-1、ei-2和前一次的輸出值ui-1，這大大節(jié)約

10、了內存和計算時間。(3)在進行手動自動切換時，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。7. 如何利用試湊法調整PID算法的參數？答：(1)先整定比例部分：將比例系數KP由小調大，并觀察相應的系統(tǒng)響應趨勢，直到得到反應快、超調小的響應曲線。(2)如果在比例調節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。(3)如果即使有比例積分控制器消除了偏差，但動態(tài)過程仍不令人滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構成PID控制器。在整定時，可先置微分時間系數TD為零，在第二步整定的基礎上，增大微分時間系數TD，同時相應地改變比例系數KP和積分時間系數TI，逐步試湊，以獲得滿意的調節(jié)效果和控制參數。8. 何為積分飽和現(xiàn)象

11、？答：在標準PID位置算法中，控制系統(tǒng)在啟動、停止或者大幅度提降給定值等情況下，系統(tǒng)輸出會出現(xiàn)較大的偏差，這種較大偏差，不可能在短時間內消除，經過積分項累積后，可能會使控制量u(k)很大，甚至超過執(zhí)行機構的極限umax。另外，當負誤差的絕對值較大時，也會出現(xiàn)u<umin的另一種極端情況。顯然，當控制量超過執(zhí)行機構極限時，控制作用必然不如應有的計算值理想，從而影響控制效果。這類現(xiàn)象在給定值突變時容易發(fā)生，而且在起動時特別明顯，故也稱“起動效應”。9. 如何消除積分飽和現(xiàn)象？答：減小積分飽和的關鍵在于不能使積分項累積過大。因此當偏差大于某個規(guī)定的門限值時，刪除積分作用，PID控制器相當于一個

12、PD調節(jié)器，既可以加快系統(tǒng)的響應又可以消除積分飽和現(xiàn)象，不致使系統(tǒng)產生過大的超調和振蕩。只有當誤差e在門限之內時，加入積分控制，相當于PID控制器，則可消除靜差，提高控制精度。10. 等效離散化設計方法存在哪些缺陷？答：等效離散化設計方法存在以下缺陷：(1) 必須以采樣周期足夠小為前提。在許多實際系統(tǒng)中難以滿足這一要求。(2) 沒有反映采樣點之間的性能。特別是當采樣周期過大，除有可能造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定外，還使系統(tǒng)長時間處于“開環(huán)”、失控狀態(tài)。因此，系統(tǒng)的調節(jié)品質變壞。(3) 等效離散化設計所構造的計算機控制系統(tǒng)，其性能指標只能接近于原連續(xù)系統(tǒng)(只有當采樣周期T=0時，計算機控制系統(tǒng)才能完全等同

13、于連續(xù)系統(tǒng))，而不可能超過它。因此，這種方法也被稱為近似設計。計算題：1. 用后向差分法求下列模擬控制器的等效數字控制器，設采樣周期T=1s。解：2. 用雙線性變換法求下列模擬控制器的等效數字控制器，設采樣周期T=0.5s。解：3某連續(xù)控制系統(tǒng)的校正裝置的傳遞函數為試分別用前向差分法和后向差分法求該裝置的遞推輸出序列（設輸入為e(t)，輸出為u(t) ）。解：前向差分后向差分4. 已知某連續(xù)控制器的傳遞函數為試用雙線性變換法求出相應的數字控制器的脈沖傳遞函數D(z)，其中T=1s。 解：應用雙線性變換5. 已知某連續(xù)控制器的傳遞函數為寫出等效的遞推型數字PID控制器的差分形式。解：應用后向差分

14、法6. 已知某連續(xù)控制器的傳遞函數為現(xiàn)用數字PID算法實現(xiàn)它，試寫出其相應的增量型PID算法輸出表達式。設采樣周期 T=1s。 解：應用后向差分法等效離散化四、 知識點：計算機控制系統(tǒng)的直接設計方法。具體為掌握數字控制器的直接設計方法，包括最少拍無差有波紋、無波紋系統(tǒng)設計方法，大林方法。了解根軌跡設計法及頻域設計法?；卮痤}：1. 給出常規(guī)的直接設計法或離散化設計法的具體設計步驟。答：直接設計法或稱離散化設計法的具體設計步驟如下：(1)根據已知的被控對象，針對控制系統(tǒng)的性能指標要求及其它約束條件，確定理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數。(2)確定數字控制器的脈沖傳遞函數D(z)；根據D(z)編制控制算法程序

15、。2. 什么是最少拍設計？答：最少拍設計，是指系統(tǒng)在典型輸入信號(如階躍信號，速度信號，加速度信號等)作用下，經過最少拍(有限拍)，使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。3. 最少拍設計有什么不足之處？答：最少拍控制器設計時，對于不同的輸入，要求使用不同的閉環(huán)脈沖傳遞函數。所以這樣設計出的控制器對各種典型輸入信號的適應能力較差。若運行時的輸入信號與設計時的輸入信號形式不一致，將得不到期望的最佳性能。4. 最少拍無紋波控制器實現(xiàn)的必要條件是什么？答：最少拍無紋波控制能夠實現(xiàn)的必要條件是被控對象中含有與輸入信號相對應的積分環(huán)節(jié)數。5. 大林算法的設計目標是什么？答：大林算法的設計目標都是使閉環(huán)傳遞函數(s)相

16、當于一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，其中純滯后環(huán)節(jié)的滯后時間與被控對象的純滯后時間完全相同。6. 所謂振鈴現(xiàn)象是什么？答：所謂振鈴(Ringing)現(xiàn)象，是指數字控制器的輸出以二分之一采樣頻率大幅度衰減的振蕩。7. 振鈴幅度如何定義？答：振鈴幅度RA用來衡量振鈴強烈的程度。常用單位階躍作用下數字控制器第0次輸出量與第1次輸出量的差值來衡量振鈴現(xiàn)象強烈的程度。8. 如何消除振鈴現(xiàn)象？答：有兩種方法可用來消除振鈴現(xiàn)象。第一種方法是先找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(z=-1附近的極點)，然后令其中的z=1，根據終值定理，這樣處理不影響輸出量的穩(wěn)態(tài)值。第二種方法是從保證閉環(huán)系統(tǒng)的特性出發(fā)，選擇合

17、適的采樣周期T及系統(tǒng)閉環(huán)時間常數Tc，使得數字控制器的輸出避免產生強烈的振鈴現(xiàn)象。計算題：1. 已知廣義被控對象:, 給定T=1s。針對單位斜坡輸入設計最小拍有紋波控制系統(tǒng)。解：由已知條件，被控對象含有一個積分環(huán)節(jié)，有能力產生單位斜坡響應。求廣義對象脈沖傳遞函數為可以看出，G(z)的零點為-0.718(單位圓內)、極點為1(單位圓上)、0.368(單位圓內)，故u=0,v=0(單位圓上除外),m=1。根據穩(wěn)定性要求，G(z)中z=1的極點應包含在e(z)的零點中，由于系統(tǒng)針對等速輸入進行設計，故p=2。為滿足準確性條件另有e(z)=(1z1)2F1(z),顯然準確性條件中已滿足了穩(wěn)定性要求，于是可設 解得 。閉環(huán)脈沖傳遞函數為 則 2. 設不穩(wěn)定對象，試對單位階躍輸入設計最少拍有紋波控制器。解：由知，3. 給定對象，試對單位階躍輸入設計最少拍有紋波數字控制器。解：由題知，4. 已知廣義被控對象:, 給定T=1s。針對單位階躍輸入設計最小拍無紋波控制系統(tǒng)。 解：廣義對象脈沖傳遞函數為可以看出，G(z)的零點為-0.718(單位圓內)、極點為1(單位圓上)、0.368(單位圓內)，故w=0,v=0(單位圓上除外), m=1。針對階躍輸入進行設計，故p=1。于是可設 解得 。閉環(huán)脈沖傳遞函數為 則 5. 設對象的傳遞函數 ，采樣周期T1s，試