《計算機控制技術(shù)及其應(yīng)用》思考題與習題的指導信息

1、計算機控制技術(shù)及其應(yīng)用第11章 計算機控制技術(shù)在流程工業(yè)自動化中的應(yīng)用 思考題與習題 指導信息第1章 概述1. 什么是自動控制、控制系統(tǒng)、自動化和控制論？指導信息: 參見1.1自動控制的基本概念。自動控制(autocontrol)：不用人力來實現(xiàn)的控制，通?？捎脵C械、電氣等裝置來實現(xiàn)。通常相對手動控制而言。控制系統(tǒng)(control system)：通過控制來實現(xiàn)特定功能目標的系統(tǒng)。而系統(tǒng)(system)是由相互聯(lián)系、相互作用要素組成的具有一定結(jié)構(gòu)和功能的有機整體。控制系統(tǒng)通常有一定的規(guī)模和復雜性，否則常稱為控制裝置或控制機構(gòu)。自動化(automation)：在無人工干預情況下，一個或多個控制系

2、統(tǒng)或裝置按規(guī)定要求和目標的實現(xiàn)過程。自動化強調(diào)的是自動控制過程，其核心概念是信息。控制論(cybernetics)：研究各類系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制規(guī)律的科學。各類系統(tǒng)包括動物(及人類)和機器系統(tǒng)。自從1948 年諾伯特維納發(fā)表了著名的控制論關(guān)于在動物和機中控制和通訊的科學一書以來，控制論的思想和方法已經(jīng)滲透到了幾乎有的自然科學和社會科學領(lǐng)域?？刂普撝赜谘芯窟^程中的數(shù)學關(guān)系。2. 控制的本質(zhì)是什么？指導信息: 參見1.1.2 自動控制中的基本問題?？刂七^程本質(zhì)上是一系列的信息過程，如信息獲取、信息傳輸、信息加工、信息施效等?？刂葡到y(tǒng)中的目標信息、被控對象的初始信息、被控對象和環(huán)境的反饋信息、指令信息

3、、執(zhí)行信息等，通常由電子或機械的信號來表示。3. 自動控制中有哪些基本問題？指導信息: 參見1.1.2 自動控制中的基本問題。自動控制中的基本問題包括：自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程、目標和品質(zhì)等。結(jié)構(gòu)包括組成及其關(guān)系兩個部分；控制過程主要為一系列的信息過程，如信息獲取、信息傳輸、信息加工、信息施效等；目標規(guī)則體現(xiàn)了系統(tǒng)的功能；控制品質(zhì)即為控制的質(zhì)量，可通過系統(tǒng)的性能指標來評價。4. 一個控制系統(tǒng)由哪些部分組成？試結(jié)合一個實例來說明。指導信息: 參見1.1.2 自動控制中的基本問題。一個控制系統(tǒng)可以由控制單元、執(zhí)行單元、反饋單元、被控對象、目標規(guī)則組成，它們的相互關(guān)系參見圖 1 5所示?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

4、框圖5. 控制系統(tǒng)的性能指標有哪些？試結(jié)合一個實例來說明。指導信息: 參見1.1.2 自動控制中的基本問題。控制系統(tǒng)的性能指標有傳統(tǒng)意義上的性能指標和廣義的評價指標。統(tǒng)意的性能指標有穩(wěn)定性、快速性、準確性等。廣義的評價指標包括可靠性、操作性、互換性、效率以及性價比等。（結(jié)合實例來說明略。）6. 一個典型的計算機控制系統(tǒng)由哪些部分組成？它們的關(guān)系如何？指導信息: 參見1.2.1 計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。計算機系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括計算機、輸入輸出接口、過程通道(輸入通道和輸出通道)、外部設(shè)備(交互設(shè)備和通信設(shè)備等)，軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，其中計算機系統(tǒng)作為控制單元，見圖

5、 1 6所示。典型計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖7. 計算機控制系統(tǒng)有哪些分類？試比較DDC、SCC、DCS和FCS的各自特點。指導信息: 參見1.2.2計算機控制系統(tǒng)的分類。分類方法有：按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類、按控制器與被控對象的關(guān)系分類、按計算機在控制系統(tǒng)中的地位和工作方式分類、按控制規(guī)律分類。其中DDC(Direct Digital Control)、SCC(Supervisory Computer Control)、DCS(Distributed Control System) 和FCS(Field bus Control System)是按計算機在控制系統(tǒng)中的地位和工作方式來分類的。DDC中的計

6、算機直接承擔現(xiàn)場的檢測、運算、控制任務(wù)，相當于“一線員工”。SCC系統(tǒng)中的SCC計算機主要完成監(jiān)督控制，指揮下級DDC計算機完成現(xiàn)場的控制，相當于“車間主任”或“線長”。DCS由多臺分布在不同物理位置的計算機為基礎(chǔ)，以“分散控制、集中操作、分級管理”為原則而構(gòu)建的控制系統(tǒng)，DCS中的計算機充當各個部門的“管理人員”，如過程管理、生產(chǎn)管理、經(jīng)營管理等職能。FCS是建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的高級分布式控制系統(tǒng)。在FCS中，控制器、智能傳感器和執(zhí)行器、交互設(shè)備、通信設(shè)備都含有計算機，并通過現(xiàn)場總線相連接。這些計算機的功能不僅僅在于對一般信息處理，而是更強調(diào)計算機的信息交換功能。8. 試通過實例來說明不同控制

7、規(guī)律的特征。指導信息: 參見1.2.2計算機控制系統(tǒng)的分類。不同控制規(guī)律分類有恒值控制、隨動控制、PID控制、順序控制、程序控制、模糊控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、自學習控制等。恒值控制：控制目標是系統(tǒng)的輸出根據(jù)輸入的給定值保持不變，輸入通常是在某一時間范圍內(nèi)恒定不變或變化不大的模擬量。如恒溫爐的溫度控制，供水系統(tǒng)的水壓控制，傳動機構(gòu)的速度控制。隨動控制：控制目標是要求系統(tǒng)的輸出跟蹤輸入而變化，而輸入的值通常是隨機變化的模擬量，往往不能預測。如自動導航系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、陽光自動跟蹤系統(tǒng)、雷達天線的控制等。PID控制：根據(jù)給定值與輸出值之間偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進行的反饋控制，

8、是工業(yè)上適用面較廣、歷史較長、目前仍得到廣泛應(yīng)用的控制規(guī)律。許多連續(xù)變化的物理量如溫度、流量、壓力、水位、速度等的控制，都可采用PID控制。許多恒值控制和某些隨動控制也可采用PID規(guī)律來實現(xiàn)。順序控制：根據(jù)給定的動作序列、狀態(tài)和時間要求而進行的控制。如交通信號燈的控制、電梯升降的控制、自動包裝機、自動流水線的控制。程序控制（數(shù)值控制、數(shù)字控制）：指根據(jù)預先給定的運動軌跡來控制部件行動。如線切割機的控制、電腦繡花機的控制。模糊控制：基于模糊集合和模糊運算，采用語言規(guī)則表示法進行的控制。在許多家用電器（電飯煲、洗衣機等）、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。最優(yōu)控制（最佳控制）：使系統(tǒng)的某些指

9、標達到最優(yōu)，而這些指標往往不能直接測量，如時間、能耗等。自適應(yīng)控制：在工作條件改變的情況下，仍能使控制系統(tǒng)對被控對象的控制處于最佳狀態(tài)。它需要隨時檢測系統(tǒng)的環(huán)境和工作狀況，并可隨時修正當前算法的一些參數(shù)，以適應(yīng)環(huán)境和工作狀況的改變。自學習控制：能夠根據(jù)運行結(jié)果積累經(jīng)驗，自行改變和完善控制的算法，使控制品質(zhì)愈來愈好。它有一個積累經(jīng)驗和主動學習的過程，可以適時地調(diào)整算法的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以不斷地提高自身算法質(zhì)量。9. 計算機控制系統(tǒng)中獲取信息、傳輸信息、加工信息、執(zhí)行信息等過程分別與哪些技術(shù)有關(guān)？指導信息: 參見1.2.3 計算機控制技術(shù)及其發(fā)展。計算機控制系統(tǒng)中的獲取信息、傳遞信息、加工信息、執(zhí)行信

10、息等過程都有相應(yīng)的技術(shù)來實現(xiàn)，而這些過程中的信息大部分由電子信號來表示，信息處理的工具是電子計算機。在這些過程用到的計算機控制技術(shù)包括控制用計算機技術(shù)、輸入輸出接口與過程通道技術(shù)、控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)字控制器設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)、控制系統(tǒng)的人機交互技術(shù)、控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)以及計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)等。10. 學習計算機控制技術(shù)可遵循哪些原則？指導信息: 參見1.3.2 學習方法。學習計算機控制技術(shù)可遵循的原則有系統(tǒng)化、信息化、規(guī)范化、實用化。系統(tǒng)化原則：要認識到控制系統(tǒng)是具有一定結(jié)構(gòu)和功能的有機整體，可將其分解為相互聯(lián)系、相互作用的各個子系統(tǒng)，它們的子功能可通過外特性來描述。信息化原則：可

11、從信息化的本質(zhì)來看待一個控制過程。計算機是一個強大的信息處理工具，一個合適的信息表達形式是信息得到有效處理的前提，控制規(guī)律的數(shù)據(jù)形式表達是信息加工的關(guān)鍵，而時間和空間是信息處理的兩大限約要素，因此計算機的速度和存儲空間是其重要的性能指標。規(guī)范化原則：為提高系統(tǒng)的構(gòu)建效率，降低維護費用，應(yīng)從規(guī)范化的要求來分析和設(shè)計一個控制系統(tǒng)。應(yīng)了解和掌握控制系統(tǒng)從底層的標準元器件、信號類型、總線標準、通信協(xié)議到組態(tài)軟件的編程語言、開放式的監(jiān)控軟件。這些規(guī)范化技術(shù)通常有較長的生命周期，重點掌握這些技術(shù)也是提高學習效率的一個要素。實用化原則：從實用化的角度來理解控制技術(shù)的應(yīng)用水平。在市場經(jīng)濟的環(huán)境下，生命力強的技

12、術(shù)必然會有性能和價格上的優(yōu)勢，性價比高的產(chǎn)品必然會得到應(yīng)用廣泛，低碳環(huán)保的產(chǎn)品會受到更多用戶的歡迎。因此，我們要隨時了解當前技術(shù)、產(chǎn)品性能和價格情況，在設(shè)計時盡可能選用性價比好的技術(shù)和產(chǎn)品，避免重復使用低級落后技術(shù)，減少低性能、高價格、高能耗、不可靠、難維護的劣質(zhì)系統(tǒng)。11. 請收集有關(guān)資料，了解計算機控制技術(shù)近期的發(fā)展動向。（略）12. 請收集有關(guān)參考教材，了解計算機控制技術(shù)相關(guān)課程的教學內(nèi)容。（略）- 11-1 -第2章 計算機控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)1. 簡述輸入輸出描述方法和狀態(tài)空間描述方法的各自特點。指導信息: 參見2.1.1 控制系統(tǒng)的描述方法。輸入輸出描述方法也稱激勵響應(yīng)法，它是基于系

13、統(tǒng)的輸入與輸出之間的因果關(guān)系來描述系統(tǒng)特性的，主要適用于描述單變量輸入和單變量輸出的系統(tǒng)。輸入輸出描述方法中，系統(tǒng)的輸出不僅與當前的輸入有關(guān)，還與過去的輸入和輸出有關(guān)。狀態(tài)空間描述方法是基于系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為核心，不僅適用于描述單變量輸入和單變量輸出的系統(tǒng)，也能適用于多變量的場合。系統(tǒng)的輸出僅與當前的系統(tǒng)輸入和狀態(tài)變量有關(guān)。2. 連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)分別使用哪些數(shù)學工具來表示？指導信息: 參見2.1.1 控制系統(tǒng)的描述方法。對連續(xù)系統(tǒng)用到的數(shù)學工具有微分方程、拉氏變換和傳遞函數(shù)，對離散系統(tǒng)用到的數(shù)學工具有差分方程、Z變換和脈沖傳遞函數(shù)。對連續(xù)系統(tǒng)，可用微分方程、脈沖響應(yīng)、傳遞函數(shù)建立系統(tǒng)模型；對離散

14、系統(tǒng)，可用差分方程、脈沖響應(yīng)、脈沖傳遞函數(shù)建立系統(tǒng)模型；對連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，都可用方框圖來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。3. 什么是連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)？什么是離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)？它們有什么實用意義？指導信息: 參見2.1.5 用傳遞函數(shù)表示的系統(tǒng)模型，2.3.6 脈沖傳遞函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定義為零初始條件下系統(tǒng)輸出y(t)的拉氏變換與輸入r(t)的拉氏變換之比，即：離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)(也稱Z傳遞函數(shù))可定義為：其中，Y(z)為系統(tǒng)輸出序列y(k)的Z變換，R(z)為輸入序列r(k)的Z變換。傳遞函數(shù)或脈沖傳遞函數(shù)都反映了系統(tǒng)固有本質(zhì)屬性，它與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)有關(guān)，而與輸入量無關(guān)。利用傳

15、遞函數(shù)的表達式就能分析出系統(tǒng)的特性，如穩(wěn)定性、動態(tài)特性、靜態(tài)特性等；利用傳遞函數(shù)可通過求解方程代數(shù)而不是求解微分方程，就可求出零初始條件下的系統(tǒng)響應(yīng)。特別指出，通過實驗的方法，求出離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)更為方便有效。4. 方框圖有哪些符號要素和等效變換規(guī)則？指導信息: 參見2.1.6 系統(tǒng)的方框圖。系統(tǒng)的方框圖是線圖形式的系統(tǒng)模型，由方框、有向線段和相加節(jié)點組成，方框圖的變換規(guī)則有：并聯(lián)、串聯(lián)和反饋。參見表 2-3和表 2-4。5. 畫出狀態(tài)空間模型框圖，寫出輸出方程和狀態(tài)方程表達式。指導信息: 參見2.1.7 狀態(tài)空間概念和模型框圖和2.3.7 離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述

16、與連續(xù)系統(tǒng)類似，其模型框圖參見圖2-14所示。A為狀態(tài)矩陣、B為輸入矩陣、C為輸出矩陣、D為傳輸矩陣，延時單元z-1可以看成一組D型觸發(fā)器或數(shù)據(jù)寄存器。離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述方法輸出方程和狀態(tài)方程表達式用矩陣表示為：6. 簡述采樣過程和采樣定理。指導信息: 參見2.3.2 采樣過程和采樣定理。設(shè)模擬信號為e(t)，經(jīng)采樣開關(guān)后輸出為采樣信號e*(t)。理想的采樣信號e*(t)的表達式為：通常在整個采樣過程中采樣周期T是不變的，這種采樣稱為均勻采樣，為簡化起見，采樣信號e*(t)也可用序列e(kT)表示，進一步簡化用e(k)表示，此處自變量k為整數(shù)。香農(nóng)(C.E.Shannon)的采樣定理(也稱

17、抽樣定理或取樣定理)：只要采樣頻率fs大于信號(包括噪聲)e(t)中最高頻率fmax的兩倍，即fs2fmax，則采樣信號e*(t)就能包含e (t)中的所有信息，也就是說，通過理想濾波器由e*(t)可以唯一地復現(xiàn)e(t)。7. 已知某離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)模型如下表達式，求相應(yīng)的零極點增益模型和狀態(tài)空間模型(可嘗試借助MATLAB工具)。指導信息: 參見2.3.7 離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。零極點增益模型如下：狀態(tài)空間模型如下：其中：8. 寫出下列序列x1(k)、x2(k)對應(yīng)的Z變換。指導信息: 參見2.3.3 序列和差分方程。x1(k)=2+1z-1+3z-2+4z-4 x2(k)=1+2z

18、-1+8*z-2/(1-z-1)9. 寫出下列Z表達式所對應(yīng)的序列表達式和序列圖。(1)；(2)(3)； (4)指導信息: 參見2.3.3 序列和差分方程。x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k) 所對應(yīng)的序列表達式和序列圖如下：x1 (k)5(k)+3(k-1) -(k-2) +3(k-3)x2(k)3(k)+2(k-1)+4(k-2) +8(k-3)+9(k-4)+ 32(k-5)+64(k-6)+x3 (k)0+10(k-1)+11(k-2) +9.1(k-3)+6.71(k-4)+ 4.651(k-5)+3.1031(k-6)+x4 (k)4.69(k)-6.8169(k-1)

19、+5.7739(k-2) -4.89055(k-3) +4.14232(k-4)+x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k) 所對應(yīng)的序列圖如下：10. 已知控制算式 y(k) 0.8y(k-1) 0.2x(k), 試根據(jù)輸入 x(k) 寫出相應(yīng)的響應(yīng) y(k)。 指導信息: 參見2.3.3 序列和差分方程。迭代法求解差分方程計算過程k 0 0 1 2 3 4 x(k) 0 200 180 170 160 0 y(k) 0 406888.4102.7282.17611. 離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？指導信息: 參見2.4.2 穩(wěn)定性分析。根據(jù)自動控制理論，連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是系統(tǒng)傳遞

20、函數(shù)的特征根全部位于s域左半平面，而對離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的特征根全部位于z平面的單位圓中。12. 動態(tài)特性主要是用系統(tǒng)在單位階躍輸入信號作用下的響應(yīng)特性來描述。常見的有哪些具體的指標？指導信息: 參見2.2.2 連續(xù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法回顧和2.4.4 動態(tài)特性分析。系統(tǒng)的動態(tài)特性可通過多項性能指標來描述，常見的具體指標有上升時間tr、峰值時間tp、調(diào)節(jié)時間ts和超調(diào)量等。13. 已知如下所示的離散系統(tǒng)的G(z)、D(z)，試分別求出不同R(z)情況下的穩(wěn)態(tài)誤差ess。其中： 、；R(z)分別取：(1)、(2)指導信息: 參見2.4.3 靜態(tài)誤差分析。因為，所以系統(tǒng)是I型

21、系統(tǒng)。(1) 時，穩(wěn)態(tài)誤差為0。(2) 時，穩(wěn)態(tài)誤差為，（取T=1），其中則 第3章 數(shù)字控制器的設(shè)計與實現(xiàn)1. 簡述數(shù)字控制器近似設(shè)計與解析設(shè)計法的設(shè)計過程。指導信息: 參考3.1.1 近似設(shè)計法。數(shù)字控制器D(z)的近似設(shè)計過程如下：先設(shè)計控制器的傳遞函數(shù)D(s)（需要運用自動控制理論知識）。選擇合適的離散化方法，將D(s)離散化，獲得與D(s)性能近似的D(z)。檢驗計算機控制系統(tǒng)閉環(huán)性能。進行優(yōu)化。必要時，重新修正D(s)后，再離散化。對D(z)滿意后，將其變?yōu)閿?shù)字算法，在計算機上編程實現(xiàn)。數(shù)字控制器D(z)的解析設(shè)計過程如下：根據(jù)系統(tǒng)的G(z)、輸入R(z)及主要性能指標，選擇合適的

22、采樣頻率；根據(jù)D(z)的可行性，確定閉環(huán)傳遞函數(shù)(z)；由(z)、G(z)，確定D(z)；分析各點波形，檢驗計算機控制系統(tǒng)閉環(huán)性能。若不滿意，重新修正(z)。對D(z)滿意后，將其變?yōu)閿?shù)字算法，在計算機上編程實現(xiàn)。2. 已知某對象的傳遞函數(shù)如下，分別用向后矩形法和梯形變換法求出相應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)，設(shè)采樣周期T=1s。，指導信息: 參見3.2.1 積分變換法。根據(jù)公式(3-3)和(3-5)計算。 用向后矩形法求解(設(shè)T=1)：用梯形變換法(設(shè)T=1)3. 已知某對象的傳遞函數(shù)如下，分別用脈沖響應(yīng)不變法和帶保持器的階躍響應(yīng)不變法求出相應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)，設(shè)采樣周期T=1s。指導信息: 參見3.2.2

23、 零極點匹配法和3.2.3 等效變換法。零極點匹配法（略）。等效變換法求解：4. 寫出PID的傳遞函數(shù)D(s)，并分別用向后矩形法和梯形變換法求出相應(yīng)的D(z),要求將表達式整理成規(guī)范的分式，設(shè)采樣周期T=1s。指導信息: 參見3.2.1 積分變換法和3.3.2 數(shù)字PID控制算法。PID的傳遞函數(shù)D(s) 如下：用向后矩形法求出相應(yīng)的D(z) 如下：用梯形變換法求出相應(yīng)的D(z) 如下：5. PID的Kp、Ki、Kd參數(shù)各有什么作用？指導信息: 參見3.3.1 PID控制的原理。比例系數(shù)Kp的增大利于提高靈敏度，加快調(diào)節(jié)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。Kp過大時，系統(tǒng)容易引起振蕩，趨

24、于不穩(wěn)定狀態(tài)。積分時間Ti是消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)鍵，Ti要與對象的時間常數(shù)相匹配，Ti太小，容易誘發(fā)系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定；Ti太大，則減小穩(wěn)態(tài)誤差的能力將削弱，系統(tǒng)的過渡過程會延長。微分時間Td的主要作用是加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，即可以減少超調(diào)量，又可減小調(diào)節(jié)時間。但引入Td后，系統(tǒng)受干擾的影響會增加。6. 數(shù)字PID控制的參數(shù)整定方法有哪些？各有什么特點？指導信息: 參見3.3.3 數(shù)字PID控制的參數(shù)整定。數(shù)字PID控制的參數(shù)整定方法常見的有擴充臨界比例度法、擴充響應(yīng)曲線法、歸一參數(shù)法和經(jīng)驗整定法等。擴充臨界比例度法在閉環(huán)系統(tǒng)中進行，在整定過程中允許出現(xiàn)振蕩。擴充響應(yīng)曲線法通過開環(huán)實驗獲得對

25、象的動態(tài)特性，實驗過程中不會出現(xiàn)振蕩。歸一參數(shù)整定法根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，人為地設(shè)定“約束條件”，只需要改變Kp，就可觀察控制效果。7. 數(shù)字PID控制算法有哪些改進的方法？指導信息: 參見3.3.2 數(shù)字PID控制算法。主要的改進包括積分項的改進、微分項的改進、串接濾波單元等。積分項的改進有：積分項分離的PID算式，變速積分的PID算式，飽和停止積分的PID算式。微分項的改進有：不完全微分的PID算式和微分先行PID算式。串接濾波單元：基于連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的數(shù)字濾波器，基于邏輯判斷來實現(xiàn)的濾波器。8. 已知某控制系統(tǒng)的G(z)如下，假定R(z)分別在階躍信號、單位速度信號激勵下，按最少拍隨動系統(tǒng)設(shè)計

26、方法，求出D(z)，并畫出各點波形。指導信息: 參見3.4.2 最少拍隨動系統(tǒng)的設(shè)計。(1)在階躍信號激勵下:因為G(z)具有因子，無單位圓外的零點，則(z) 應(yīng)包括因子；G(z)分母和R(z)均有因子則Ge(z)應(yīng)包含；又因為，(z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項式，所以有：兩式中的a，b為待定系數(shù)。將上兩式聯(lián)立，得：，比較等式兩側(cè)，得到解：所以：各點波形：序列數(shù)據(jù):k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1e(k): 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 2.000-2.000 1.20

27、0-0.720 0.432-0.259 0.156-0.093y(k): 0.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在單位速度信號激勵下:因為G(z)含有因子，則(z)分子應(yīng)包括； G(z)分母有因子，R(z) 分母有均則Ge(z)應(yīng)包含；又因為，(z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項式，所以有：式中a、b、c為待定系數(shù)，求解上述方程組可得：a =2,b =-0.5,c=1。所以有：各點波形：注意：按最少拍隨動系統(tǒng)設(shè)計方法，p(k)會有紋波。序列數(shù)據(jù):k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7e(k):

28、 0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 0.000 4.000-2.000 2.400-0.240 1.344 0.394 0.964y(k): 0.000 0.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.0009. 已知某控制系統(tǒng)的G(z)如下，假定分別在階躍信號、單位速度信號激勵下，按最少拍隨動系統(tǒng)設(shè)計方法，求出D(z)，并畫出各點波形。指導信息: 參見3.4.2 最少拍隨動系統(tǒng)的設(shè)計。參見3.4.2 最少拍隨動系統(tǒng)的設(shè)計。(1)在階躍信號激勵下:因為G(z)具有因子，有單位圓外的零點z=-1.

29、5，則(z) 應(yīng)包括因子和；G(z)分母和R(z)均有因子，則Ge(z)應(yīng)包含；又因為，(z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項式，所以有：兩式中的a，b為待定系數(shù)。將上兩式聯(lián)立，得：，所以：各點波形：序列數(shù)據(jù):k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1e(k): 1.000 0.600-0.000-0.000-0.000-0.000-0.000-0.000p(k): 0.200-0.180 0.042-0.004 0.000-0.000 0.000-0.000y(k): 0.000 0.400 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.0

30、00(2)在單位速度信號激勵下:解：因為G(z)含有因子，則(z)分子應(yīng)包括； G(z)分母有因子，R(z) 分母有均則Ge(z)應(yīng)包含；又因為，(z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項式，所以有：所以有：a=-c+2,a*b+a*3/2=2*c-1,a*b*3/2=-c；(參考MATLAB命令：a,b,c=solve(a=-c+2,a*b+a*3/2=2*c-1,a*b*3/2=-c);)解得：a =26/25,b =-8/13,c =24/25,所以有：各點波形：注意：按最少拍隨動系統(tǒng)設(shè)計方法，p(k)會有紋波。序列數(shù)據(jù):k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 0 1 2 3 4 5

31、6 7e(k): 0.000 1.000 0.960 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 0.000 0.520-0.268 0.129 0.051 0.059 0.058 0.058y(k): 0.000 0.000 1.040 3.000 4.000 5.000 6.000 7.00010. 按最少拍無紋波隨動系統(tǒng)設(shè)計方法，求出前面習題8和習題9的D(z)，并畫出各點波形。指導信息: 參見3.4.3 最少拍無紋波隨動系統(tǒng)的設(shè)計。(1)在階躍信號激勵下:, 因為G(z)具有因子，單位圓內(nèi)的零點z=-0.6，則(z) 應(yīng)包括和(1+0.6z-1)因子；G(z)

32、分母和R(z)均有因子則Ge(z)應(yīng)包含因子；又因為，(z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項式，所以有：兩式中的a，b為待定系數(shù)。將上兩式聯(lián)立，可求得：a=0.625，b=0.375。(參考MATLAB命令：a,b=solve(a= (1-b), (0.6*a)=b);)所以有：將上面兩式代入，可求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)各點波形：注意：按最少拍無紋波隨動系統(tǒng)設(shè)計方法，p(k)不會有紋波。序列數(shù)據(jù):k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1e(k): 1.000 0.375 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 1

33、.250-0.500 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000y(k): 0.000 0.625 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在單位速度信號激勵下:,因為G(z)含有因子和零點z=-0.6，因此，(z)中應(yīng)含有、(1+0.6z-1)項；G(z)分母和R(z)均有因子則Ge(z)應(yīng)包含；又因為，(z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項式，所以有：式中a、b、c為待定系數(shù)，由此得方程組：求解上述方程組可得：a =1.484;b =-0.579;c =0.516。(參考MATLAB命令：a,b,c=solve(a=-(-2+c

34、),a*(0.6+b)=-(1-2*c),a*0.6*b=-c);)或?qū)⑸厦鎯墒酱耄汕蟪鰯?shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)各點波形：注意：按最少拍無紋波隨動系統(tǒng)設(shè)計方法，p(k)不會有紋波。序列數(shù)據(jù):k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7e(k): 0.000 1.000 0.516 0.001 0.001 0.002 0.002 0.002p(k): 0.000 2.968 0.062 0.750 0.750 0.750 0.750 0.750y(k): 0.000 0.000 1.484 2.999 3.999 4.998 5.998 6.998(3)在階

35、躍信號激勵下:由G(z)可知(z) 應(yīng)包括和(1+1.5z-1)和(1+0.1z-1)因子；由G(z)和R(z可知Ge(z)應(yīng)包含因子；(z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項式，所以有：兩式中的a,b,c,d為待定系數(shù)。a =4/11;b =7/11;c =3/55;(參考MATLAB命令：a,b,c=solve(3/20*a=c,(8/5*a)=-(c-b),a=-(b-1)求得：a =4/11,b =7/11,c =3/55,則有：將上面兩式代入，可求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)各點波形：序列數(shù)據(jù):k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 1 1 1 1 1 1 1 1e(k): 1.0

36、00 0.636 0.055 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 0.182-0.145 0.022-0.000 0.000-0.000 0.000-0.000y(k): 0.000 0.364 0.945 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(4)在單位速度信號激勵下:,由G(z)可知(z) 應(yīng)包括和(1+1.5z-1)和(1+0.1z-1)因子；由G(z)和R(z可知Ge(z)應(yīng)包含因子；(z)和Ge(z)應(yīng)該是同階次的多項式，所以有：(參考MATLAB命令：a,b,c,d= solve(3/20*a*b=-d,(8/5*a*b+3/

37、20*a)=(2*d-c), (a*b+8/5*a)= (-d+2*c-1) , a=(-c+2) ) )求得：a =592/605,b =-93/148,c =618/605,d =279/3025.,以及：將上面兩式代入，可求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)各點波形：序列數(shù)據(jù)：k: 0 1 2 3 4 5 6 7r(k): 0 1 2 3 4 5 6 7e(k): 0.000 1.000 1.021 0.092 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 0.000 0.489-0.210 0.095 0.058 0.058 0.058 0.058y(k): 0.000 0.000

38、 0.979 2.908 4.000 5.000 6.000 7.000附：不同輸入信號下的各點波形：(1)在三個階躍信號激勵下:, ，如果輸入是速度函數(shù)，則會存在誤差，如下所示： (2)在三個單位速度信號激勵下:, (3)在三個階躍信號激勵下: (4)在三個單位速度信號激勵下:,11. 根據(jù)下列控制器的D(z)，分別畫出直接式、串行實現(xiàn)法和并行實現(xiàn)法的實現(xiàn)框圖和相應(yīng)的輸出方程和狀態(tài)方程。、指導信息: 參見3.5.1 實現(xiàn)框圖與算法。（1）對D1(z)，采用直接式1和直接式2的實現(xiàn)框圖如下：D1(z)對應(yīng)直接式1實現(xiàn)框圖的狀態(tài)方程和輸出方程如下：狀態(tài)方程：輸出方程：D1(z)對應(yīng)直接式2實現(xiàn)框

39、圖的狀態(tài)方程和輸出方程如下：狀態(tài)方程：輸出方程：D1(z)串行實現(xiàn)法的表達式為：（實現(xiàn)框圖略。）D1(z)并行實現(xiàn)法的表達式為：（實現(xiàn)框圖略。）（2）對D2(z)，采用直接式1和直接式2的實現(xiàn)框圖如下：D2(z)對應(yīng)直接式1實現(xiàn)框圖的狀態(tài)方程和輸出方程如下：狀態(tài)方程：輸出方程：D2(z)對應(yīng)直接式2實現(xiàn)框圖的狀態(tài)方程和輸出方程如下：狀態(tài)方程：輸出方程：D2(z)串行實現(xiàn)法的表達式為：（實現(xiàn)框圖略。）D2(z)并行實現(xiàn)法的表達式為：（實現(xiàn)框圖略。）第4章 控制系統(tǒng)中的計算機及其接口技術(shù)1. 工業(yè)控制計算機有哪些要求？基于PC機工業(yè)控制計算機其結(jié)構(gòu)與普通PC機有何不同？指導信息: 參見4.1.1

40、工業(yè)控制計算機的特點和結(jié)構(gòu)。對工業(yè)控制計算機的要求主要體現(xiàn)在其所具有特點：適應(yīng)性、可靠性、實時性、擴展性等方面?；赑C機工業(yè)控制計算機其結(jié)構(gòu)與普通PC機不同之處是前者在機械結(jié)構(gòu)、元器件選用和電源配置等方面比普通PC機的可靠性更高。2. 工業(yè)控制中的嵌入式系統(tǒng)可選擇哪些設(shè)計模式？指導信息: 4.1.2 嵌入式系統(tǒng)與單片機。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計通常與其架構(gòu)有關(guān)，通常有基于片上系統(tǒng) (SoC:System on Chip)、系統(tǒng)級封裝 (SiP:System-in-a-Package)、模塊級系統(tǒng)(SOB:System-on-Board)的設(shè)計模式。3. 通過查閱資料，了解目前常見的8位和32位微控制

41、器的特點和性能指標。指導信息: 建議利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱有關(guān)資料。提示：可查閱有關(guān)微控制器廠商的網(wǎng)站，了解目前常見微控制器的特點和性能指標。4. 通過查閱資料，了解某種工業(yè)控制計算機產(chǎn)品的構(gòu)成、性能指標和適用場合。指導信息: 利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱有關(guān)資料。提示：可查閱某工業(yè)控制計算機廠商的網(wǎng)站，了解某種產(chǎn)品的構(gòu)成、性能指標和適用場合。5. 接口數(shù)據(jù)傳輸中有哪些定時和協(xié)調(diào)信號？指導信息: 參見4.2.1 接口與總線。定時信號有：CPU或DMA控制發(fā)出的讀(Read)或?qū)?Write)信號，來實現(xiàn)CPU或存儲器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)信號有請求(REQ)和應(yīng)答(ACK)或選通(Strobe)和就緒(Re

42、ady)。6. 接口技術(shù)中有哪些數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑扛饔惺裁刺攸c？指導信息: 參見4.2.1 接口與總線。根據(jù)定時和協(xié)調(diào)的不同要求，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)有直接傳輸、程序查詢、定時查詢、中斷傳輸和DMA等幾種方式。特點請參見4.2.1 接口與總線。7. 接口與總線有哪些分類？指導信息: 參見4.2.1 接口與總線。按接口所連接的功能部件來分，有過程通道接口、人機交互接口、存儲設(shè)備接口和通信接口。按接口的數(shù)據(jù)傳輸特征進行分類，有并行接口和串行接口；按接口和總線連接部件的技術(shù)特征可分為芯片級總線、板級總線(也稱系統(tǒng)總線)和通信總線(也稱外部總線)。8. RS-232C和RS-485各有什么特點？指導信息: 參

43、見4.2.3 串行接口。提示：可通過傳輸方式、傳輸速率、傳輸距離、信號類型、連接方式、能否組網(wǎng)、應(yīng)用情況等方面來比較。9. I2C總線和SPI總線各有什么特點？指導信息: 參見4.2.3 串行接口。提示：可通過總線結(jié)構(gòu)、時序、傳輸速率、傳輸距離、適用場合等方面來比較。10. 簡述Infranet、Intranet、Internet之間的關(guān)系。指導信息: 參見4.2.4 現(xiàn)場總線。FCS中，形成最底層的控制網(wǎng)稱為Infranet。Infranet的網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場節(jié)點包括控制現(xiàn)場的傳感器、執(zhí)行器以及人機接口HMI(如安全監(jiān)控器)等。Infranet可與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet相連，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部管理

44、、財務(wù)、辦公及人事等的信息化。Intranet再與全球信息網(wǎng)Internet相連，實現(xiàn)企業(yè)之間的信息交流。最終可構(gòu)成一個完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)三級體系結(jié)構(gòu)。11. 簡述現(xiàn)場總線的技術(shù)特征.指導信息: 參見4.2.4 現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線的主要技術(shù)特征有：(1). 數(shù)字計算和數(shù)字通信；(2). 互操作性和互換性；(3). 傳輸介質(zhì)的多樣化；(4). 適應(yīng)性和可靠性等。12. 畫出I2C總線上主器件對地址為1010110的從器件寫入2字節(jié)5BH和87H的時序。指導信息: 參見4.2.3 串行接口。提示：參考圖 4 28 I2C總線的傳輸數(shù)據(jù)格式。13. 畫出SPI總線上主器件向從器件寫入A5H的時序。指導信

45、息: 參見4.2.3 串行接口。提示：圖 4 30 SPI總線的四種時鐘工作方式和圖 4 31 SPI總線傳輸數(shù)據(jù)實例。14. 控制系統(tǒng)中對人機交互有哪些要求？指導信息: 參見4.3.1 人機交互及其要求。主要包括可理解性和易操作性?？衫斫庑园ù_定性、關(guān)聯(lián)性、層次性、一致性等要素。易操作性包括方便性、有序性、健壯性、安全性等要素。15. 通過查閱資料，有哪些嵌入式操作系統(tǒng)？指導信息: 參見4.4.1 系統(tǒng)軟件。提示：利用網(wǎng)絡(luò)資源，查閱相關(guān)資料。第5章 計算機控制系統(tǒng)中的過程通道1. 簡述傳感器與變送器的異同。指導信息: 參見5.1.1 傳感器和變送器。變送器(Transmitter)是從傳感

46、器發(fā)展而來的，凡能輸出標準信號的傳感器通常稱為變送器。變送器有較強的信號處理能力、能輸出標準信號信號。2. 變送器輸出的信號通常為多少？變送器與輸入通道的連接方式有哪些？請給出連接示意圖。指導信息: 參見5.1.1 傳感器和變送器。通用的標準信號為直流電流420mA或直流電壓15V等。另外，對智能變送器還能輸出規(guī)范的數(shù)字信號。變送器信號的傳輸連接方式通常有四線制、三線制和兩線制傳輸。連接示意圖見圖5-1。3. IEEE1451標準所指的變換器(Transducer)、檢測器(Sensor)和執(zhí)行器(Actuator)之間是什么關(guān)系？指導信息: 參見5.1.2 IEEE 1451智能變換器標準。

47、要點：智能變換器(Transducer)可以是一種傳感器或檢測器(Sensor)，也可以是一種執(zhí)行器(Actuator)，或者是兩種的組合，它可以作為信息系統(tǒng)與外界聯(lián)系的一個信息節(jié)點。4. 試比較伺服電機和步進電機的各自特點。指導信息: 參見5.1.4 伺服電機和步進電機。提示：可通過結(jié)構(gòu)和工作原理、控制精度、矩頻特性、過載能力、成本等方面比較。伺服電機及其構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，特別是交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機，在控制性能要求不是很高的場合可選用步進電機，而對控制精度不高，成本更低的場合，可選擇伺服電機及其簡單的開環(huán)控制驅(qū)動器。5. 簡述在控制系統(tǒng)中變頻器和電動執(zhí)行器的作用。指導信息:

48、 5.1.5 變頻器與電動執(zhí)行器。變頻器主要用于實現(xiàn)電機的變速運行。電動執(zhí)行器(也稱電動力執(zhí)行機構(gòu))接受來自調(diào)節(jié)器、工控機、DCS、計算機等儀表系統(tǒng)的控制信號，變成位移推力或轉(zhuǎn)角力矩，完成調(diào)節(jié)的機械動作。變頻器和電動執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中完成信息施效的作用。6. 簡述控制系統(tǒng)中信號的類型和處理的要求。指導信息: 參見5.2.1 控制系統(tǒng)中的信號種類及特點。提示：可參考表 5 2 信號類型和處理要求。7. 什么是信號調(diào)理？輸入通道中的信號調(diào)理包括哪些？指導信息: 參見5.2.1 控制系統(tǒng)中的信號種類及特點。信號調(diào)理(Signal Conditioning)是指將敏感元件檢測到的各種信號轉(zhuǎn)換為規(guī)范標準

49、信號。數(shù)字量輸入通道中的信號調(diào)理主要包括消抖、濾波、保護、電平轉(zhuǎn)換、隔離等。模擬量輸入通道的調(diào)理內(nèi)容有：電流-電壓信號轉(zhuǎn)換、電阻-電壓信號轉(zhuǎn)換、電壓放大以及隔離等，調(diào)理后的信號通常為一定大小的電壓信號，然后由A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號。8. 什么是格雷(Gray)碼？它有哪些特點？指導信息: 5.2.2 數(shù)字量信號處理方式。格雷(Gray)碼特點是數(shù)值上大小相鄰的編碼，在邏輯上也相鄰。邏輯上相鄰的編碼僅有1位不同，這樣可保證按數(shù)值大小遞增遞減變化時，輸出邏輯上相鄰的編碼，不會出現(xiàn)多于1位的碼同時變化，這樣可避免由于編碼遞增或遞減變化時造成的干擾。9. 畫出電阻-電壓信號轉(zhuǎn)換電路示意圖。指導信息:

50、 參見5.2.3 模擬量信號處理方式。可參考圖 5-22 電流-電壓信號轉(zhuǎn)換。10. A/D轉(zhuǎn)換器有哪些性能指標？指導信息: 參見5.2.3 模擬量信號處理方式。主要性能指標有(1). 接口特性(Interfacing)；(2). 量程(Range) ；(3). 分辨率(Resolution) ；(4). 誤差和精度(Error&Accuracy);(5). 轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate);(6). A/D轉(zhuǎn)換的方法。11. A/D轉(zhuǎn)換的方法有哪些？各有什么特點？指導信息: 參見5.2.3 模擬量信號處理方式。提示：參考表 5-5 各種A/D轉(zhuǎn)換方法比較。12. 某水箱水位正常工作

51、時的變化范圍為 0cm100cm，經(jīng)壓力變送器變換為15V標準電壓信號后送至8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0831，其輸入量程為05V。當水箱水位的高度為25cm時，ADC0831 的轉(zhuǎn)換結(jié)果約為多少？指導信息: 參見5.2.3 模擬量信號處理方式和5.1.1 傳感器和變送器。提示：先求當水箱水位的高度為25cm時，壓力變送器輸出的電壓信號（2V），然后轉(zhuǎn)換為ADC0831 的輸出結(jié)果（2V/5V*255）。13. 已知某A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為12位bit，轉(zhuǎn)換時間為10s，誤差為1LSB。在沒有采樣保持的情況下，為保證數(shù)據(jù)精度，則輸入信號的頻率最高為多少？若采用了采樣保持器后，理論上輸入信號的頻率最

52、高可為多少？指導信息: 參見5.2.4 數(shù)據(jù)采集的原理和實現(xiàn)。對tA/D10s的12位ADC芯片，為保證其量化精度：1/4096，則輸入信號允許的最大頻率為：理論上輸入信號的頻率最高可為最大采樣頻率。14. 試畫出一個利用多路選擇器構(gòu)成的64X8bit數(shù)字信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。指導信息: 參見5.2.4 數(shù)據(jù)采集的原理和實現(xiàn)。示意圖如下。15. 試畫出一個利用多路開關(guān)構(gòu)成的32路模擬信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。指導信息: 參見5.2.4 數(shù)據(jù)采集的原理和實現(xiàn)。示意圖如下。16. 開關(guān)量的功率驅(qū)動有哪些器件？各有什么特點？指導信息: 參見5.3.2 輸出通道中的開關(guān)信號驅(qū)動。開關(guān)量的功率驅(qū)動可以由晶體管、場效應(yīng)管或集電極開路的TTL電路、漏極開路的MOS電路、電磁式繼電器、固態(tài)繼電器、可控硅等功率器件組成。17. D/A轉(zhuǎn)換器有哪些性能指標？ 指導信息: 參見5.3.3 輸出通道中的模擬信號驅(qū)動。主要性能指標有分辨率、線性度、轉(zhuǎn)換精度、建立時間、溫度系數(shù)、電源抑制比、輸入形式、輸出形式。18. 計算機通過8位D/A轉(zhuǎn)換器控制某三相電加熱器，加熱器的輸出功率范圍為 08kW，可接受420mA的標準電流信號來改變其輸出功率，8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出范圍為020mA，如計算機送給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)為8