《計算機數(shù)字控制技術(shù)》習(xí)題匯總

1、計算機數(shù)字控制技術(shù)習(xí)題1第一講1、 什么是計算機數(shù)字控制系統(tǒng)？一般由哪幾部分組成？請用框圖形式給出實例，并簡單說明其工作原理。答：計算機數(shù)字控制系統(tǒng)就是利用計算機（通常為工控機）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機主體（包括硬件、軟件與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）和被控對象兩大部分組成。計算機硬件系統(tǒng)由主機、輸入輸出通道、外部設(shè)備、檢測與執(zhí)行機構(gòu)組成。II!?機票統(tǒng)生產(chǎn)過程計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)例i 開關(guān)傳感器曲抨：|i；器或 瓶處理器收送器kOMRAM懶M 開關(guān)執(zhí)行機構(gòu)fit字最輸入工4生產(chǎn)對象實時時鐘1按門 敖字電源計算機控制系統(tǒng)硬件框圖計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個步驟。

2、1）實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量便送裝置的被控量的瞬時值進(jìn)行檢測和輸入。2）實時控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。3）實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。2、 實時、在線方式、離線方式的含義是什么？答：（1）實時：所謂“實時”，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內(nèi)完成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時間內(nèi)作出反應(yīng)并進(jìn)行控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義。2、 ）“在線”方式：在計算機控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計算機連接，生產(chǎn)過程直接受計算機的控制，

3、就叫做“聯(lián)機”方式或“在線”方式。3、 ）“離線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計算機相連接，其工作不直接受計算機的控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式，則叫做“脫機”方式或“離線”方式。答:計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、扁平化、智能化和綜合化。具體如下：采用可編程控制器(PLC)；采用新型的控制系統(tǒng)；實現(xiàn)最優(yōu)控制；自適應(yīng)控制；人工智能；模糊控制；預(yù)測控制。第二講4、 簡述計算機控制系統(tǒng)中過程通道的基本類型及其作用。答：過程通道是在計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道，它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道。5、

4、 簡述計算機控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的基本措施。答：計算機控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的基本措施有硬件措施、軟件措施和軟硬結(jié)合等措施。硬件措施主要有過程通道抗干擾技術(shù)、主機抗干擾技術(shù)和系統(tǒng)供電與接地技術(shù)等。6、 什么是采樣過程、量化誤差、孔徑時間？答：采樣過程是按一定的時間間隔T，把時間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬信號，轉(zhuǎn)換成在時刻0、T、2T、KT的一連串脈沖輸出信號的過程。量化就是采用一組數(shù)碼來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，量化過程實際上是一個用量化單位q去度量采樣幅值高低的小數(shù)規(guī)整過程，因而存在量化誤差，量化誤差為(±1/2)q。在模擬量輸入通道中，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字

5、量總需要一定的時間，完場一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間稱之為孔徑時間。7、 采樣保持器的作用是什么？是否所有的模擬量輸入通道中都需要采樣保持器？為什么？答：采樣保持器的作用：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，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。而當(dāng)被采樣信號頻率較低，且采樣精度要求不高時，可不用采樣保持器。8、 什么是串模干擾和共模干擾？如何抑制？答：串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號上的干擾。串模干擾的抑制方法應(yīng)從干擾信號的特征和來源入手，分別對不同情況采取相應(yīng)的措施。消除串模干擾的方法有以下幾種：在輸入回路中

6、接入模擬濾波器；使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器；采用雙絞線作為信號線。共模干擾是在電路輸入端相對公共接地點同時出現(xiàn)的干擾。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號源的地之間的傳輸線上電壓降造成得。消除共模干擾的方法有以下幾種:變壓器隔離；光電隔離；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的儀表放大器作為輸入放大器。第三講1. 指出采樣保持器和零階保持器在數(shù)字離散控制系統(tǒng)的功能與作用。采樣保持器是連接采樣器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的中間環(huán)節(jié)。采樣器是一種開關(guān)電路或裝置，它在固定時間點上取出被處理信號的值。采樣保持器則把這個信號值放大后存儲起來，保持一段時間，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值來

7、代替原來的值。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作期間采樣保持器一直保持著轉(zhuǎn)換開始時的輸入值，因而能抑制由放大器干擾帶來的轉(zhuǎn)換噪聲，降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的孔徑時間，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精確度和消除轉(zhuǎn)換時間的不準(zhǔn)確性。零階保持器的作用是在信號傳遞過程中，把第nT時刻的采樣信號值一直保持到第(n+1)T時刻的前一瞬時，把第(n+1)T時刻的采樣值一直保持到(n+2)T時刻，依次類推，從而把一個脈沖序列變成一個連續(xù)的階梯信號。2. 簡述傳遞函數(shù)和脈沖傳遞函數(shù)的概念。傳遞函數(shù)是零初始條件下線性系統(tǒng)響應(yīng)(即輸出)量的拉普拉斯變換(或z變換)與激勵(即輸入)量的拉普拉斯變換之比。記作G(s)=Y(s)/U(s),其中Y(s)、U(s)

8、分別為輸出量和輸入量的拉普拉斯變換。脈沖傳遞函數(shù)是在線性離散系統(tǒng)中，初始值為零時，系統(tǒng)離散輸出信號的z變換與離散輸入信號的z變換之比，即G(z)=C(z)/R(z)。3. 已知：r(t)=1(t),x(0)=0,x(1)=1,用Z變換原理和方法，求解差分方程r(k)=x(k+2)-6x(k+1)+8x(k)。解：求Z變換：Zr(k)=Zx(k+2)-6x(k+1)+8x(k)可得：士=z2x(z)-x(0)-z1x(1)-zx(z)-zx(O)H-8x(z)把x(0)=0,x(1)=1代入上式，得Z2求逆z變換：z2=鄴"7"記二+如(一)(z-2)z4)2解得求下圖所示系

9、統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)D( z)=C( z )/R ( z ).4.解：有圖可得CG)耳片于是有EQ)=R(z)-回4：%；E(z)=RCO1 g-T*C(z) = E(z)Z1 - c-T*2嚷E脈沖傳遞函數(shù)式為H -£-Ts|s3(s+ 1)(1 -TJ 7k1¥xL(z - I)3 二一 1 z - e-TJ(一，后二年_=+不M1十a(chǎn)c在馬-力十三力第四、五講作業(yè)1.某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計為數(shù)字控制器D(z)。解：雙線性變換法：，試用雙線性變換法、前向差分法、后向差分法分別求取us) U1SE(s) 1 T2 s1 . r 2(z -1)1 + ilT(z-Fl) _ (

10、T + 27i)z + T-271I1T 2(m 1)= GF+2”注+ T - ZG句 TQ + 1)前向差分法血二口磯嚀后向差分法：T；z+ T-7；g1十T.心D=DG)L “aiS (T, 4- T)z - 7；2 .什么是數(shù)字PID的位置型控制算法、增量型控制算法？如何得到的？比較它們的優(yōu)缺點解：位置型控制算法：直接輸出控制量rtpg)=工/式m+二I萬Xu(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置(如控制閥門的開度)一一對應(yīng)，所以稱之為位置型PID算法。優(yōu)點：只需進(jìn)行四則算術(shù)運算便可求出當(dāng)前輸出值，極方便用計算機來實現(xiàn)。缺點：在計算時，不僅需要知道本次及上次偏差信號和，而且

11、在積分項中還要對歷次的偏差信號進(jìn)行相加求和，因此，在運用計算機實現(xiàn)控制輸出時，既繁瑣又占用大量內(nèi)存。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量u(k)不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得u(k)產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。增量型控制算法：輸出控制量的增量通過累加得到控制量。始用=只巾汽刃1)=&89_4門_明+%電+再良階一陽門一1)+燈-2)優(yōu)點：計算時，只需知道e(n),e(n-1)和e(n-2)即可，比PID位置式控制算式的計算簡單。很適合于某些以步進(jìn)電機或多圈電位器作為執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)的要求，另外它還具有輸出增量不大、系

12、統(tǒng)受操作切換沖擊影響較小、不產(chǎn)生積分失控輸出較平穩(wěn)易于獲得較好調(diào)節(jié)效果等優(yōu)點。位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。缺點：用到過去的誤差的累加，容易產(chǎn)生較大的累加誤差。3 .什么是積分飽和？是怎樣引起的？如何消除？解：如果執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)到極限位置，仍然不能消除靜態(tài)誤差時，由于積分作用，盡管PID差分方程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機構(gòu)已無相應(yīng)的動作，這就叫積分飽和。在控制過程中，只要系統(tǒng)存在偏差，積分

13、的作用就會繼續(xù)增加或減小，當(dāng)偏差較大或累加積分項太快時，就會出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，甚至引起振蕩。消除積分飽和的方法：積分分離法、變速積分PID控制算法、超限削弱積分法、有效偏差法、抗積分飽和機制。4 .試比較數(shù)字PID算法中處理積分項的三種方法一抑制積分飽和、消除積分量化誤差、變速積分的優(yōu)缺點。解：5 .試指出比例系數(shù)KP、積分時間常數(shù)TI、微分時間常數(shù)TD在PID調(diào)節(jié)器中的作用，它們對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有何影響？解：動態(tài)時，比例系數(shù)Kp太小，系統(tǒng)動作慢。增加，可提高系統(tǒng)動作的靈敏度，加快調(diào)節(jié)速度，但是，若取值偏大，容易引起系統(tǒng)振蕩，反而使調(diào)節(jié)時間加長，且當(dāng)Kp太大時，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定

14、狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時在系統(tǒng)穩(wěn)定的情隨著比例控制Kp的加大，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。動態(tài)時，積分控制常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ti值太小系統(tǒng)不穩(wěn)定。Ti值偏小容易誘發(fā)系統(tǒng)振蕩。值太大，對系統(tǒng)的影響將削弱。只有選擇適合的Ti值，才可使系統(tǒng)的過渡過程趨于理想狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時，積分控制可以消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。但值太大時，因積分控制作用的削弱，反而不能減小穩(wěn)態(tài)差。微分時間Td對系統(tǒng)性能的主要作用是減小超調(diào)量、縮短調(diào)節(jié)時間、允許加強比例控制，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度和改善動態(tài)特性等。但Td值偏大或偏小時，反而會誘發(fā)超調(diào)量增加和加長調(diào)節(jié)時間。只有Td取值合適時，才可以獲得比較滿意的過渡

15、過程。6 .已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，設(shè)汽盟期劃(T=0.2s,1試寫出7s的數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式U s解：已知D s E s并給出相應(yīng)的程序流程圖。sE(s)10.085s1017s10.085s貝UUs0.085SUsEs0.17SEs拉式逆變換得dutdetut0.085et0.17dtdtukuk1ekek1uk0.085tek0.17tT=0.2s即1.425uk0.425uk14.5ek3.5ek-1位置型控制算式uk3.1579ek2.4561ek10.2982uk1增量型控制算式ukukuk13.1579ek2.4561ek10.7018uk1計算機數(shù)字控制技術(shù)

16、習(xí)題3第六講(計算機數(shù)字控制系統(tǒng)離散化設(shè)計方法)9、圖中，已知被控對象傳遞函數(shù)為Gc(s),采樣周期T=1s,采用零階保持器，要求：s(10.1s)1)針對單位速度輸入信號，設(shè)計數(shù)字控制器D(z),使該系統(tǒng)成為最小拍無波紋系統(tǒng)，并計算輸出響應(yīng)c(k),控制信號u(k),誤差e(k),畫出它們對時間變化的波形。2)針對單位階躍輸入信號，設(shè)計最小拍有波紋系統(tǒng)數(shù)字控制器D(z),并計算輸出響應(yīng)c(k),控制信號u(k),誤差e(k),畫出它們對時間變化的波形。.八一10解：已知Gc(s)s(10.1s)則廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)=s-fIt+S+=a+一，ItJTx-11-工-i-=1-in1 -Z-

17、11-_-(1-z1)¥lOTz-d-+-z1)3(1-(1-4,54x1O-SZ-1X1-1)-I-<-54x10-sz-1)4-(1z-1)3二(1-4,S4x-z-910、誤差脈沖傳遞函數(shù)為簡析最小拍有波紋隨動系統(tǒng)數(shù)字控制器、最小拍無波紋數(shù)字控制器的設(shè)計原理有何異同解：最小拍有波紋的Ge(z)只有G(z)單位圓上和單位圓外的零點，有波紋，無波紋有G(z)的所有零點。s11、，一八,、e一一一已知控制系統(tǒng)的被控對象傳遞函數(shù)為Gc(s),采樣周期T=1s,試用大林算法設(shè)計數(shù)字控1s制器D(z)o解：閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)廣義被控對象的脈沖傳遞函數(shù)為G(z) = Z1 一E-n e-

18、1£1 +SG(z)1tp(z)z-a(l-£-a)D(z)=13680-0.5033Z-1(1-qT)1-呂7=7-(1-01-0,13S3Z-1-0.8647s-：12、已知數(shù)字控制器D(z)分別為:1)(14z""1-z2)D(z)2z-2z4zD(z)的原理圖。選擇三種設(shè)計方法之一，求出其差分方程組，并畫出實現(xiàn)解：1.Dfzj=(H-z-1+z-a)UGOUGO=FWz-4-U(z)13eT+3z-2+2茁T4-z-4)z反變換，得UQO=(A-4)-3-1)-3(7ft-2)-2U(k-3y-I7(k-4)2.一也'2_1_4jT+2L_U®zi-61-6z-a-E(z)U(2)=-切7+2z-2)+u(z)(7-a+Z反變換，得UCk)=£(A)-4£(fc-3)-F2E&-2)+f/Ck-3)+6U(.k-2)，、10s一,13、被控對象的傳遞函數(shù)為Gc(s)e,米樣周期T=1s。要求:(s1)題1圖(1)采用Smith預(yù)估控制，并按下圖所示結(jié)構(gòu)，求取控制器的輸出 u(k);(2)